فتح إنتاج الهيدروجين الفعال للطاقة النظيفة

النمو المستمر لسكان العالم والاقتصاد أدى إلى زيادة كبيرة في الطلب على الطاقة، حيث يتم تلبية حوالي 80٪ منها بالوقود الأحفوري. هذه الموارد ليست فقط في تراجع حاد بل هي أيضًا مسؤولة عن زيادة ملحوظة في الغازات الدفيئة (GHG) في البيئة.

نتيجة لذلك، هناك تركيز متزايد الآن على مصادر الطاقة المتجددة، مثل الشمس، الرياح، الماء، المادة العضوية، وحرارة الأرض.

المستمدة من الموارد الطبيعية التي تتجدد ذاتيًا، تُعد مصادر الطاقة المتجددة مهمة لأنظمة الطاقة النظيفة والمستدامة. ومع ذلك، تواجه العديد من التحديات، بما في ذلك التوفر غير المنتظم، التكلفة الأولية العالية، القيود الجغرافية، ومتطلبات المساحة الواسعة. 

هنا يأتي دور الهيدروجين. ارتفع الطلب العالمي على الهيدروجين إلى 97 مليون طن (Mt) في عام 2023، بزيادة 2.5٪ عن العام السابق. 

دور الهيدروجين في تحول الطاقة النظيفة

أخف عنصر في الكون، الهيدروجين، ظهر كحل واعد لتحقيق نظام طاقة أكثر استدامة بفضل مرونته وقدرته على تخزين كمية كبيرة من الطاقة نسبةً إلى وزنه.

ليس مصدرًا أساسيًا مثل الشمس بل مصدرًا ثانويًا، حيث يجب إنتاجه من مواد خام أخرى مثل الماء أو الغاز الطبيعي أو الكتلة الحيوية.

عند إنتاجه باستخدام الوقود الأحفوري مثل الغاز الطبيعي (الطريقة الأكثر شيوعًا حاليًا)، لا يُعد الهيدروجين طاقة نظيفة، إذ يساهم في انبعاثات ثاني أكسيد الكربون السنوية الكبيرة.

ومع ذلك، عند استخدامه في خلية وقود، ينتج الهيدروجين بخار ماء فقط كناتج ثانوي، مما يجعله وقودًا نظيفًا.

كحامل طاقة متعدد الاستخدامات، يمكن للهيدروجين المساعدة في معالجة عدة تحديات طاقة حرجة. يمكنه دعم دمج الطاقة المتجددة في نظام الكهرباء من خلال تخزين الطاقة لأسابيع أو حتى أشهر.

الهيدروجين منخفض الانبعاثات المُنتج باستخدام الطاقة النووية أو المتجددة، أو باستخدام الوقود الأحفوري مع احتجاز الكربون، يمكنه أن يساعد في إزالة الكربون من مجموعة من القطاعات. الصناعات الثقيلة والنقل لمسافات طويلة، حيث يُعد خفض الانبعاثات تحديًا كبيرًا، يمكن أن تستفيد منه بشكل كبير. ومع ذلك، لا يزال إنتاج هذا الهيدروجين يلعب دورًا هامشيًا، حيث لا يتجاوز 1٪ في عام 2023.

يمكن في الواقع استخلاص الهيدروجين من تقنيات مختلفة. إحدى أكثر الطرق كفاءة لإنتاج الهيدروجين المستدام هي التحليل الكهربائي للماء. في هذا التحليل الكهربائي المستهلك للطاقة، تُستخدم الكهرباء لتقسيم الماء إلى هيدروجين وأكسجين. التقنية مطورة جيدًا ومتاحة تجاريًا، رغم أن كفاءتها الطاقية تُقدَّر بحوالي 52٪.

نهج آخر هو البلازموليز، الذي أظهر عائدًا طاقيًا مساويًا للتحليل الكهربائي، مع ميزة إضافية تتمثل في انخفاض استهلاك الطاقة، انخفاض التكلفة الأساسية، وصغر حجم المعدات. التطورات الأخيرة في الميكروفلويديك والميكرو‑بلازما جعلت إنتاج الهيدروجين عبر البلازموليز بخار الماء مجديًا من حيث كفاءة الطاقة.

طرق أخرى لاستخلاص الهيدروجين للكهرباء تشمل التحفيز الضوئي، الهيدروجين الحيوي، والعمليات الحرارية الكيميائية.

اسحب للتمرير →

بينما تظل تقنية الهيدروجين واعدة، فإن انتشار استخدامها لا يزال يواجه صعوبات من حيث تكلفة الإنتاج، الكفاءة، والاستدامة البيئية العامة. نظرًا للحاجة إلى مصادر طاقة أنظف، يبحث الباحثون حول العالم باستمرار عن حلول لهذه المشكلات من خلال مواد جديدة وتقنيات محسنة.

ابتكارات المحفزات التي تدفع كفاءة الهيدروجين

مع تقدم تقنيات الهيدروجين من الفكرة إلى التسويق، أحد التحديات الرئيسية هو المواد التي تجعل هذه الأنظمة فعّالة وقابلة للتوسع. لمعالجة ذلك، يعمل العلماء على نهج متعددة.

على سبيل المثال، دراسة صادرة عن مقر الأكاديمية الصينية للعلوم، نُشرت¹ هذا الشهر في مجلة Nature، قدمت محفزًا حديديًا صغيرًا كبديل للبلاتين في خلايا الوقود ذات الغشاء البروتوني (PEMFCs)، مع إمكانية تحويل مستقبل الطاقة النظيفة.

تُعد خلايا PEMFC أجهزة طاقة نظيفة تنتج الكهرباء من الهيدروجين والأكسجين، حيث يكون الماء هو الناتج الوحيد. لكنها تعتمد بشكل كبير على البلاتين النادر والمكلف كمحفز. لذا، لتسهيل اعتمادها على نطاق واسع، طور الباحثون محفزًا عالي الأداء قائمًا على الحديد لهذه الخلايا.

بفضل تصميمه الذكي “التنشيط الداخلي، الحماية الخارجية”، يستطيع المحفز الجديد تحقيق أداء ممتاز مع تقليل النواتج الضارة.

بينما تُعد محفزات Fe/N–C من أكثر البدائل واعدة لمحفزات المعادن المجموعة البلاتينية، فإن نشاطها ومتانتها لا تلبي معايير الأداء. لذلك، صمم الفريق وطوّر نوعًا جديدًا من محفز Fe/N–C مكوّنًا من عدد كبير من النتوءات النانوية الموزعة على طبقات كربونية ثنائية الأبعاد مع مواقع حديدية مفردة مدمجة داخل السطح المنحني للنتوءات. 

وبالتالي، تمكن المحفز الجديد من تقديم “أحد أفضل الأداءات” لخلايا PEMFC خالية من المعادن البلاتينية، مع احتفاظ بنسبة نشاط تصل إلى 86٪ حتى بعد أكثر من 300 ساعة من التشغيل المستمر.

تقنية رئيسية أخرى لإنتاج الهيدروجين بطريقة محايدة مناخيًا عبر التحليل الكهربائي للماء هي التحليل الكهربائي للماء باستخدام غشاء بروتوني (PEM‑WE).

لتسريع التفاعل المطلوب، تُغطى الأقطاب بمحفزات كهربائية خاصة. بالنسبة للأنود، تُستخدم محفزات قائمة على الإيريديوم، خاصة لتفاعل تطور الأكسجين الحمضي (OER).

يُعد OER خطوة إنتاج الأكسجين في عملية انقسام الماء التي تولد طاقة هيدروجين نظيفة، لكنه يظل تحديًا غير فعال. يكون هذا التفاعل أكثر فعالية عندما تُستَخدم محفزات الإيريديوم.

اكتُشف الإيريديوم في عام 1803، ولا يتواجد في الطبيعة بصورة نقية بل يُسترد تجاريًا كناتج ثانوي لإنتاج البلاتين أو البالاديوم أو النيكل أو النحاس. 

الإيريديوم معدن كثيف وصلب لا يتأثر بالهواء أو الماء أو الأحماض. بسبب هذه الخصائص، يُستَخدم في شمعات الإشعال، المعدات العلمية، المحفزات، الأحبار الموصلة للإلكترونيات، وعلاج السرطان.

نادرًا ما يُستَخدم المعدن في صورته النقية بسبب صعوبات التحضير والتصنيع؛ بل يُستَخدم عادةً على شكل سبائك البلاتين.

الإيريديوم (Ir) هو معدن عالي القيمة وأحد أندر العناصر الطبيعية في قشرة الأرض. تُستَخرج خامات محتوية على الإيريديوم في جنوب أفريقيا، الولايات المتحدة (ألاسكا)، البرازيل، روسيا، ميانمار، وأستراليا.

نُدرة هذا المعدن، إلى جانب الطلب العالي من الصناعات مثل الإلكترونيات، تجعل سعره مرتفعًا جدًا. في الواقع، يُقَدَّر سعر الإيريديوم بأكثر من الذهب، حيث يبلغ تقريبًا 5,000 دولار للونصة.

لذلك، من المنطقي أن الباحثين يبحثون باستمرار عن معادن بديلة لتحل محل الإيريديوم من أجل تسهيل اعتماد PEMWEs على نطاق واسع. ومع ذلك، فإن اكتشاف بدائل غير إيريديوم ليس أمرًا بسيطًا ويستغرق وقتًا طويلًا بسبب مساحة التصميم الضخمة المتاحة.

قبل بضعة أشهر، دراسة² من المعهد المتقدم للمواد (AIMR) بجامعة توهوكو أفصحت عن محفز بلوري مسامي جديد كحل فعال ومتين لإنتاج هيدروجين نظيف عبر التحليل الكهربائي للماء. 

المادة في هذه الدراسة هي Co3O4 أحادية البلورة مسامية مُدعَّمة بإيريديوم موزع على المستوى الذري لتفاعل OER الحمضي.

يلعب الهيكل المسامي الدور الرئيسي، حيث يسمح بتحميل عالٍ للإيريديوم (13.8٪ وزن) دون تكوين تجمعات إيريديوم كبيرة. بالإضافة إلى توفير مساحة للتحميل، يساعد الهيكل أيضًا في خلق بيئة مستقرة.

حافظ المحفز على أدائه لأكثر من 100 ساعة مع فرق جهد قدره 248 مللي فولت فقط (η₁₀).

في دراسة حديثة أخرى، أنشأ الباحثون “مكتبة ضخمة” لاستكشاف النشاط التحفيزي لملايين البنى النانوية المتميزة المكوّنة من عدد قليل من المعادن الأساسية، مما يساعد على البحث عن بدائل لمحفزات الإيريديوم لتفاعل OER على نطاق واسع وبسرعة.

انقر هنا لتتعرف على كيفية تمهيد المحفزات غير النبيلة الطريق لإنتاج هيدروجين ميسور التكلفة.

اكتشاف سريع للمحفزات باستخدام تقنية النانو

الدراسة الأخيرة³ وجدت فعليًا محفزًا جديدًا لإنتاج وقود الهيدروجين يجمع بين الكفاءة من حيث التكلفة والطاقة.

نُشرت هذه الاكتشافات هذا الشهر في مجلة الجمعية الكيميائية الأمريكية (JACS)، وتم اكتشاف المحفز باستخدام مكتبة ضخمة من الجسيمات النانوية، ويتفوق أو يساوي أداء الإيريديوم في إنتاج وقود الهيدروجين، بتكلفة أقل بكثير.

لفترة طويلة كان الباحثون يبحثون عن بدائل للإيريديوم. لكن ما استغرق عقودًا من البحث تم اكتشافه الآن في فترة بعد ظهر واحدة باستخدام الأداة القوية التي طورها علماء من جامعة نورثويسترن.

هذه الأداة الجديدة تُسمى “المكتبة الضخمة”، وهي أول “مصنع بيانات” للمواد النانوية في العالم. تحتوي كل مكتبة على ملايين الجسيمات النانوية المتميزة على رقاقة صغيرة واحدة.

اُستخدمت التقنية بالتعاون مع باحثين من معهد تويوتا للأبحاث (TRI) للعثور على محفزات تجارية ذات صلة لإنتاج الهيدروجين. تم توسيع حجم المادة لاحقًا، وأُظهر أنها تعمل داخل جهاز. تم إنجاز كل ذلك في وقت قياسي.

لاكتشاف محفزات جديدة، استخدم الباحثون أربعة معادن رخيصة، وفيرة، وهي معروفة جميعًا بأدائها التحفيزي. هذه المعادن هي:

1. الكوبالت (CO)
2. الكروم (CR)
3. المنغنيز (MN)
4. الروثينيوم (Ru)

تم استخدام المكتبة الضخمة بعد ذلك لفحص تركيبات هائلة من هذه المعادن بسرعة للعثور على مادة جديدة يمكن أن تضاهي أداء الإيريديوم.

وجد الفريق مادة جديدة واحدة تُقارن بالمحفزات التجارية القائمة على الإيريديوم من حيث الأداء المختبري. في بعض الحالات، تفوق الأداء حتى مع تكلفة أقل بكثير.

قد يؤدي هذا الاكتشاف إلى جعل الهيدروجين الأخضر ميسور التكلفة.

علاوة على ذلك، تُظهر المادة الجديدة فعالية نهج المكتبة الضخمة، مما قد يغيّر طريقة اكتشاف الباحثين للمواد الجديدة لتطبيقات متعددة.

وفقًا لكاتب الدراسة الرئيسي تشاد أ. ميركين، المخترع الأساسي لمنصة المكتبة الضخمة والذي قدم المكتبات الضخمة لأول مرة قبل عقد من الزمن في عام 2016:

“لقد أطلقنا ما يُعد أقوى أداة للتصنيع في العالم، تتيح للعلماء والمهندسين البحث في عدد هائل من التركيبات المتاحة للعثور على المواد التي تهمنا.”

في مشروع المكتبة الضخمة، “وجهنا هذه القدرة نحو مشكلة رئيسية تواجه قطاع الطاقة.” المشكلة، كما أشار رائد تقنية النانو ميركين، كانت:

“كيف نجد مادة تكون جيدة مثل الإيريديوم ولكنها أكثر وفرة، أكثر توافرًا، وأرخص بكثير؟ مكنتنا هذه الأداة الجديدة من العثور على بديل واعد بسرعة.”

ميركين هو أستاذ الكيمياء في كلية واينبرغ للفنون والعلوم بجامعة نورثويسترن، وأستاذ الهندسة الكيميائية والبيولوجية، والهندسة الطبية الحيوية، وهندسة المواد والعلوم في كلية ماك كورميك للهندسة. 

الهيدروجين الأخضر هو حاجة حاسمة للعالم، لكن استخدامه مقيد باعتماده على أحد أندر المواد.

“ليس هناك ما يكفي من الإيريديوم في العالم لتلبية جميع احتياجاتنا المتوقعة.”

– تيد سارجنت، أستاذ الكيمياء في واينبرغ وأستاذ الهندسة الكهربائية والحاسوبية في ماك كورميك

عمل سارجنت وميركين معًا على المشروع.

“عند التفكير في تحليل الماء لتوليد أشكال بديلة من الطاقة، لا يوجد ما يكفي من الإيريديوم من منظور الإمداد فقط.”

– سارجنت

اكتشاف مرشحين جدد لاستبدال هذا المعدن كان التطبيق المثالي للأداة الجديدة، التي يمكن أن تُحدث ثورة في العملية البطيئة والمجهدة لاكتشاف المواد التقليدية. على عكس طريقة التجربة والخطأ التقليدية، تمكّن المكتبات الضخمة الجديدة من التعرف السريع على التركيبات المثلى.

تم إنشاء كل مكتبة ضخمة بمجموعة من مئات الآلاف من القمم الهرمية الصغيرة لطباعة “نقاط” فردية على سطح. كل نقطة هنا تحتوي على مزيج مصمم بعناية من أملاح المعادن، والتي عند تسخينها تُختزل لتشكل جسيمات نانوية فريدة، كل منها بحجم وتركيب محدد.

وفقًا لميركين:

“يمكنك التفكير في كل طرف كفرد صغير في مختبر صغير. بدلاً من أن يقوم شخص واحد بإنشاء بنية واحدة في كل مرة، لديك ملايين الأشخاص. لذا، لديك في الأساس جيش كامل من الباحثين يعمل على رقاقة.”

في المجموع، احتوت الرقاقة على 156 مليون جسيم، كل منها مُكوَّن من تركيبات مختلفة من Co و Cr و Mn و Ru. قامت آلة مسح روبوتية بتحليل مدى كفاءتها في تنفيذ تفاعل تطور الأكسجين (OER). 

هذه القدرة على فحص الجسيمات لأدائها النهائي تُعد ابتكارًا كبيرًا.

“لأول مرة، لم نتمكن فقط من فحص المحفزات بسرعة، بل رأينا الأفضل منها يعمل جيدًا في إعداد موسع.”

– جوزيف مونتويا، الباحث المشارك في الدراسة وكبير الباحثين في TRI

استنادًا إلى التقييم، اختار الباحثون 40 مرشحًا ذات أداء عالي، تتراوح من منخفض إلى عالي، لاختبارها في المختبر. تم توسيع أكسيدات RuCoMnCr إلى مستويات مليغرام قبل دراسة أدائها التحفيزي.

برز تركيبة واحدة في النهاية: أكسيد Ru52Co33Mn9Cr6.

لذلك، تمكن الفريق من الحصول على محفز متعدد المعادن، وهو في الواقع معروف بأنه أكثر نشاطًا من نظيره أحادي المعدن.

“محفزنا في الواقع يمتلك نشاطًا أعلى قليلًا من الإيريديوم وثباتًا ممتازًا”، قال ميركين. “هذا نادر لأن الروثينيوم غالبًا ما يكون أقل استقرارًا. لكن العناصر الأخرى في التركيبة تثبت الروثينيوم.”

ولد المحفز جهدًا قدره 1.58 فولت عند 1 أمبير/سم² و1.77 فولت عند 3 أمبير/سم².

عند النظر إلى الأداء على المدى الطويل، عمل هذا المحفز الجديد لأكثر من 1,000 ساعة بكفاءة عالية وثبات ملحوظ في بيئة حمضية قاسية، بينما تكلفته كانت حوالي سدس تكلفة الإيريديوم.

“هناك الكثير من العمل للقيام به لجعل هذا المنتج تجاريًا، لكن من المثير جدًا أننا نستطيع تحديد محفزات واعدة بسرعة – ليس فقط على مستوى المختبر بل للأجهزة.”

– مونتويا

في عملية البحث عن محفز جديد، أنشأ الفريق مجموعات بيانات ضخمة وعالية الجودة للمواد، مما يمهد الطريق لتطبيقات التعلم الآلي والذكاء الاصطناعي لتصميم الجيل القادم من المواد الجديدة.

قامت TRI، وشمالويسترن، وشركتها التابعة ماتيك بتطوير خوارزمية للبحث في المكتبات الضخمة بسرعات فائقة. 

ومع ذلك، لا يزال هذا مجرد البداية. كما هو الحال مع الذكاء الاصطناعي، يمكن لنهج المكتبة الضخمة أن يتجاوز اكتشاف المحفزات السريع لتحويل اكتشاف المواد لأي تقنية تقريبًا، مثل المكونات البصرية المتقدمة، الأجهزة الطبية الحيوية، البطاريات، وأكثر.

“سنبحث عن جميع أنواع المواد للبطاريات، الاندماج، وأكثر”، قال ميركين. “العالم لا يستخدم أفضل المواد لاحتياجاته. وجد الناس أفضل المواد في وقت معين، بناءً على الأدوات المتاحة لهم. المشكلة الآن هي أن لدينا بنية تحتية ضخمة مبنية حول تلك المواد، ونحن عالقون بها. نريد قلب ذلك رأسًا على عقب. حان الوقت للعثور حقًا على أفضل المواد لكل حاجة – دون تنازلات.”

الاستثمار في قوة الهيدروجين

Bloom Energy Corp (BE ) تعمل في مجال توليد الطاقة عبر خلايا الوقود الثابتة. توفر منتجين تجاريًا؛ أولاً Bloom Electrolyzer لإنتاج الهيدروجين وثانيًا Bloom Energy Server لتوليد الكهرباء. (ORCL )

تنتج الشركة هيدروجينًا من أكبر محلل كهربائي في العالم، المثبت في مركز أبحاث ناسا إيمز، مما يولد حوالي 25٪ أكثر من الهيدروجين لكل ميغاواط مقارنةً بالمحللات التجارية مثل PEM أو القلوية.

حتى الآن، نشرت Bloom Energy 1.5 جيجاواط من الطاقة منخفضة الكربون عبر أكثر من 1,200 تركيب عالميًا.

بقيمة سوقية تبلغ 12.38 مليار دولار، تُتداول أسهم BE عند 53.15 دولار، بارتفاع 138.36٪ منذ بداية العام. مؤخرًا، تجاوزت أسهم الشركة 55 دولار لتصل إلى مستويات قياسية جديدة بفضل الاهتمام المتزايد من قبل الشركات الضخمة ومراكز البيانات. كما، في يوليو الماضي، أبرمت الشركة صفقة مهمة مع أوراكل وأشارت إلى مزيد من الصفقات المستقبلية.

لديها ربحية السهم (TTM) قدرها 0.11 ومضاعف السعر إلى الأرباح (TTM) يبلغ 495.23.