صنع الهيدروجين من CeO2؟ فقط استخدم الميكروويف للحصول على نتائج سريعة

الوقود الأحفوري يضر بمناخنا. كما نعلم، العالم يتجه بسرعة نحو مصادر الطاقة المتجددة والمستدامة والخضراء. في هذا البحث عن وقود صديق للمناخ، ظهر الهيدروجين كمصدر محتمل لإزالة الكربون.

التكنولوجيا جعلت من الممكن إنتاج الهيدروجين بصفر أو قليل جدًا من انبعاثات الغازات الدفيئة. الاهتمام بالهيدروجين مرتفع لدرجة أن وزارة الطاقة الأمريكية وضعت أهدافًا وطنية لزيادة إنتاج ‘الهيدروجين النظيف’ السنوي من شبه الصفر إلى 10 ملايين طن متري بحلول عام 2030 وإلى 50 مليون طن متري بحلول عام 2050. 

ومع ذلك، هناك عنق زجاجة حاسم في العملية. الطرق الحرارية التقليدية، التي تعتمد على أكسدة واختزال أكاسيد المعادن، تتطلب عمليات بدرجات حرارة مرتفعة للغاية. قد تصل الحرارة إلى 1500 درجة مئوية. 

مؤخرًا، نجح فريق من الباحثين في جامعة بوهانغ للعلوم والتكنولوجيا (POSTECH) في كوريا في إيجاد طريقة لتجاوز هذا العائق.

تتضمن العملية مصدر طاقة مألوف لكنه غير مستغل بشكل كافٍ: طاقة “الميكروويف”. نعم! لم تخطئ. إنه نفس المصدر المستخدم في أفران الميكروويف المنزلية. البحث بعنوان التقييم الحراري لـ Gd-doped CeO2 لتقليل حراري كيميائي بمساعدة الميكروويف¹ 

في الفقرة التالية، نناقش تداعيات هذا البحث. 

تقنية رائدة تعالج القيود الرئيسية في إنتاج الهيدروجين النظيف باستخدام الميكروويف

تألف الفريق من باحثين متعددين التخصصات يعملون في POSTECH وكان بقيادة الأستاذ غونسو س. يون. وشمل المرشح للدكتوراه جيمين يو (قسم الفيزياء، قسم الهندسة النووية المتقدمة)، والأستاذ هيونغيو جين، والمرشح للدكتوراه دونغكيو لي (قسم الهندسة الميكانيكية). تم الاعتراف به كإنجاز في السعي نحو الطاقة المستدامة، وقد ظهر البحث على الغلاف الداخلي لمجلة Journal of Materials Chemistry A.

بدأ الباحثون من فرضية أن الميكروويف، إلى جانب قدرته على تسخين الطعام بكفاءة، يمكنه أيضًا تحفيز التفاعلات الكيميائية. قدموا هذه الفكرة لتخفيض درجة حرارة اختزال السيريّا المُدمَّجة بـ Gd (CeO2). تُعد السيريّا المُدمَّجة بـ Gd (CeO2) مادة معيارية لإنتاج الهيدروجين، ويمكن لطاقة الميكروويف خفض درجة حرارة الاختزال لهذه المادة بأكثر من 60٪ لتصبح أقل من 600 درجة مئوية. 

يمكن لطاقة الميكروويف استبدال 75٪ من الطاقة الحرارية المطلوبة للتفاعل. هذه النتيجة تُعد إنجازًا مبررًا لإنتاج هيدروجين مستدام.

أثناء شرح سبب اعتبار البحث ونتائجه ثورية، قال الأستاذ هيونغيو جين ما يلي::

“هذا البحث لديه القدرة على إحداث ثورة في جدوى الإنتاج التجاري لتقنيات إنتاج الهيدروجين الحراري الكيميائي. كما سيفتح الطريق لتطوير مواد جديدة مُحسّنة للعمليات الكيميائية المدفوعة بالميكروويف.”

وصف الأستاذ غونسو يون تقديم هذه الآلية الجديدة وتجاوزها لقيود العملية الحالية بأنها “إنجازات كبرى” لا يمكن تحقيقها إلا من خلال التعاون الوثيق متعدد التخصصات للفريق البحثي. 

إنجاز آخر حققه الفريق كان في إنشاء فراغات الأكسجين. هذه هي عيوب في بنية المادة تساعد على تقسيم الماء إلى هيدروجين. بينما قد تستغرق الطرق التقليدية ساعات عند درجات حرارة مرتفعة جدًا، أظهر فريق POSTECH كيف يمكن تحقيق نفس النتائج في دقائق قليلة فقط عند درجات حرارة أقل من 600°C باستخدام تقنية الميكروويف.

بينما قدم بحث POSTECH إنجازًا مهمًا، هناك العديد من المؤسسات البحثية الأخرى حول العالم التي نشطت في إنتاج طرق مبتكرة لإنتاج الهيدروجين النظيف. إحدى هذه المؤسسات الرائدة في هذا المجال هي المختبر الوطني للطاقة المتجددة (NREL)، وهو مختبر وطني تابع لوزارة الطاقة الأمريكية، مكتب كفاءة الطاقة والطاقة المتجددة، وتديره شركة Alliance for Sustainable Energy LLC.

انقر هنا لتعرف على الاختراق الذي جعل الهيدروجين أكثر جاذبية كمصدر للطاقة.

إنتاج الهيدروجين منخفض التكلفة: جهود أخرى

تم تطويره بالتعاون مع Xcel Energy (XEL ) ، مشروع العرض “الرياح إلى هيدروجين” (Wind2H2) التابع لـ NREL يربط توربينات الرياح ومصفوفات الخلايا الضوئية (PV) بأكوام التحليل الكهربائي، التي تمرر الكهرباء المتولدة عبر الماء لتقسيمه إلى هيدروجين وأكسجين. المشروع نشط حاليًا في المركز الوطني لتقنية الرياح بالقرب من بولدر، كولورادو. الهدف العام للمشروع هو تحسين كفاءة النظام لإنتاج الهيدروجين من الموارد المتجددة بكميات كافية وتكلفة منخفضة بما يكفي للتنافس مع مصادر الطاقة التقليدية مثل الفحم والنفط والغاز الطبيعي.

طريقة أخرى لإنتاج الهيدروجين النظيف هي استخدام ضوء الشمس لتقسيم الماء مباشرة إلى هيدروجين وأكسجين. لقد طورت صناعة الخلايا الضوئية بالفعل تقنيات خلايا متعددة الوصلات متقدمة لأنظمة التحويل الضوئي الكهروكيميائي (PEC) التي تولد جهدًا كافيًا لتقسيم الماء وتكون مستقرة في بيئة ماء/إلكتروليت. لدى NREL نظام PEC الخاص به الذي طوره.

يمكن لنظام NREL توليد الهيدروجين من ضوء الشمس دون تكلفة وتعقيد التحليل الكهربائي، محققًا كفاءة تحويل شمسية إلى هيدروجين تبلغ 12.4٪ (القيمة الحرارية الأدنى) باستخدام الضوء الملتقط. يركز البحث المستمر في NREL على تطوير مواد وأنظمة أكثر كفاءة وأقل تكلفة تكون متينة ومقاومة للتآكل في البيئات المائية.

انقر هنا لتعرف ما الذي يجعل الهيدروجين مستقبل الوقود.

الهيدروجين البيولوجي

مسار مثير آخر تستكشفه NREL يتعلق بـ “الهيدروجين البيولوجي”. يعمل علماء NREL على تطوير تقنيات ما قبل المعالجة لتحويل الكتلة الحيوية اللجنوسليلوزية إلى مواد أولية غنية بالسكريات يمكن تخميرها مباشرة لإنتاج الهيدروجين والإيثانول والمواد الكيميائية ذات القيمة العالية.

بالإضافة إلى ذلك، تجري جهود لتحديد مجموعة من بكتيريا Clostridium يمكنها تخمير السليلوز مباشرة إلى هيدروجين.

تشمل مجالات البحث الأخرى في مجال الهيدروجين البيولوجي ما يلي:

• البحث عن كائنات دقيقة سليلوزية فعّالة، مثل Clostridium thermocellum، يمكنها تخمير السليلوز البلوري مباشرة إلى هيدروجين لتقليل تكاليف المواد الأولية.
• تحديد بكتيريا سليلوزية نموذجية.
• استكشاف إمكانات البكتيريا السليلوزية النموذجية للتعديلات الجينية، بما في ذلك الحساسية للمضادات الحيوية وسهولة التحول الجيني.
• تطوير استراتيجيات لإنشاء طفرات تُمنع انتقائيًا من إنتاج الأحماض والنفايات المذيبة لتعظيم إنتاج الهيدروجين.

بينما المنظمات والمعاهد البحثية والمختبرات نشطة في جميع أنحاء العالم، فإن الشركات الخاصة أيضًا نشطة.

1. Linde 

إحدى الشركات التي تتصدر إنتاج الهيدروجين النظيف منذ سنوات هي Linde. تدعي الشركة أن تقنياتها المبتكرة، بما في ذلك الضغط الفعال وإعادة تعبئة الهيدروجين بأمان، إلى جانب عقود من الخبرة، تجعل بنيتها التحتية لا مثيل لها. 

تشمل عمليات الشركة، التي تهدف إلى إنتاج هيدروجين نظيف، عدة طرق واستراتيجيات. على سبيل المثال، التحليل الكهربائي لإنتاج الهيدروجين الأخضر يتضمن استخدام محلات التحليل الكهربائي التي تعمل بالطاقة المتجددة.

في التحليل الكهربائي، يتم تقسيم الماء إلى هيدروجين وأكسجين باستخدام الكهرباء المولدة بالكامل من مصادر الطاقة المتجددة. يحدث هذا العملية داخل وحدات تسمى محلات التحليل الكهربائي. بينما تختلف محلات التحليل الكهربائي في الحجم والسعة والتقنية، تظل الكيمياء الأساسية هي نفسها.

حاليًا، هناك تقنيتان رئيسيتان للتحليل الكهربائي: القلوية و PEM (غشاء تبادل البروتونات) — كلاهما، وفقًا لـ Linde، يمكنه إنتاج هيدروجين عالي النقاء في الموقع وعند الطلب.

يستخدم التحليل الكهربائي القلوي قطرين مفصولين بواسطة حجاب مسامي ومحلول قلوي سائل كالإلكتروليت. يسمح محلول الإلكتروليت بنقل أيونات الهيدروكسيد بين القطبين لتكوين الأكسجين والهيدروجين، لكنهما لا يُستهلكان خلال التفاعل. يمكن أن تكون هذه التقنية موثوقة وفعّالة من حيث التكلفة.

من ناحية أخرى، يستخدم التحليل الكهربائي PEM ماء نقي وإلكتروليت بوليمري صلب بدلاً من محلول سائل للسماح للكهرباء بتقسيم الماء إلى هيدروجين وأكسجين. تمر بروتونات الهيدروجين عبر الغشاء، وتتحد مع الإلكترونات لتكوين غاز H2 على جانب القطب السالب.

تقدم Linde أيضًا تقنيات فعّالة لالتقاط الكربون للاستخدام والتخزين (CCUS) لمجموعة من الاستراتيجيات. لديها حلول توصيل مبتكرة لحقن الهيدروجين في خطوط أنابيب الغاز الطبيعي القائمة لتلبية مجموعة واسعة من التطبيقات النهائية.

تدير Linde عمليات تخزين متقدمة للهيدروجين، حيث يُخزن في كهوف ملحية تحت الأرض. بالإضافة إلى كونها شريكًا ذو خبرة في تطوير حدائق الطاقة، تدير Linde أول كهف تجاري للهيدروجين عالي النقاء منذ أكثر من عقد من الزمن. كما تمتلك عقودًا من الخبرة في بناء أنظمة سائل الهيدروجين لإنتاج هيدروجين سائل لتسهيل التخزين والنقل.

وفقًا لأحدث البيانات المالية المتاحة، سجلت Linde مبيعات بقيمة 8.356 مليار دولار أمريكي للربع المنتهي في 30 سبتمبر 2024.

2. Air Products

شركة أخرى تساهم بشكل كبير في مجال إنتاج الهيدروجين النظيف هي Air Products. تعتقد الشركة أن إنتاج الهيدروجين النظيف من مصادر الطاقة المتجددة سيكون أساسيًا لإزالة الكربون من العمليات الصناعية التي يصعب كهرباؤها مثل صناعة الصلب والمعالجة الكيميائية.

لقد التزمت الشركة بالفعل بمبلغ 15 مليار دولار أمريكي لمشاريع ستعزز إنتاج الهيدروجين منخفض الكربون وتسرّع الانتقال الطاقي.

تشمل تطبيقات الهيدروجين النظيف للشركة تعبئة الهيدروجين للسيارات والحافلات والرافعات الشوكية والسفن والقطارات والشاحنات. تمثل النقل البري ما يقرب من 12٪ من الانبعاثات العالمية. يمكن أن يقلل تحويل حافلات الديزل إلى حافلات خلايا وقود هيدروجين خالية من الانبعاثات من انبعاثات الغازات الدفيئة العالمية ويحسن جودة الهواء. تُعد Air Products رائدة في تعبئة حافلات الهيدروجين وتشارك في مشاريع حول العالم.

شركة NEOM للهدروجين الأخضر (NGHC)، وهي مشروع مشترك للإنتاج المتساوي بين ACWA Power و Air Products و NEOM، تقوم بإنشاء أكبر منشأة في العالم لإنتاج الأمونيا القائمة على الهيدروجين الأخضر لتعمل على الطاقة المتجددة. سيُنتج هذا المصنع ما يصل إلى 600 طن يوميًا من الهيدروجين الخالي من الكربون على شكل أمونيا خضراء كحلّ اقتصادي للنقل والقطاعات الصناعية عالميًا.

من المقرر أن يجعل مجمع الطاقة الهيدروجينية الصافي الصفر الجديد لشركة Air Products إدمونتون، ألبرتا، مركز اقتصاد الهيدروجين في غرب كندا. بينما يجري البناء في إدمونتون في منشأة الهيدروجين الجديدة التحويلية لشركة Air Products، سيساعد ربط هذا المرفق بشبكة الأنابيب الحالية للشركة عملاء التكرير والبتروكيماويات على تقليل كثافة الكربون لمنتجاتهم الطاقية وتحسين أدائهم في الاستدامة. علاوة على ذلك، سيساعد مرفق السائل المتفوق في الفئة على تسريع استخدام الهيدروجين كوقود نقل خالٍ من الانبعاثات عبر غرب كندا.

سيُنتج مجمع الطاقة النظيفة في لويزيانا التابع لـ Air Products هيدروجين منخفض الكربون لتشغيل أسواق التنقل والصناعة في منطقة ساحل الخليج وما بعدها. يُقدّر أن المرفق سيُحجز ويُخزن 95٪ من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون (أكثر من 5 ملايين طن سنويًا)، من خلال تخزين CO2 بشكل دائم في فراغات جيولوجية مثالية في لويزيانا.

هذا المشروع هو أكبر استثمار أمريكي لشركة Air Products، بُني بهدف مساعدة ولاية لويزيانا على خفض انبعاثات الغازات الدفيئة إلى صافي صفر بحلول عام 2050.

تخطط Air Products أيضًا لاستثمار حوالي 500 مليون دولار لبناء وتملك وتشغيل منشأة بقدرة 35 طنًا متريًا يوميًا لإنتاج هيدروجين سائل أخضر في موقع جديد في ماسينا، نيويورك، بالإضافة إلى إنشاء عمليات توزيع وتعبئة الهيدروجين السائل. سيؤدي المشروع إلى تجنّب 6 ملايين طن من CO2 طوال عمره. سيستخدم المشروع الطاقة الكهرومائية من نهر سانت لورانس لتشغيل إنتاج هيدروجين سائل خالٍ من الكربون.

في السنة المالية التي انتهت في 30 سبتمبر 2024، سجلت الشركة مبيعات تجاوزت 12 مليار دولار أمريكي.

نحو المستقبل مع الهيدروجين النظيف

هناك ما يكفي من التشجيع للشركات والمؤسسات البحثية للاستمرار في تطوير طرق جديدة لإنتاج الهيدروجين بشكل موثوق وفعّال من حيث التكلفة. على سبيل المثال، اختارت وزارة الطاقة الأمريكية سبعة فائزين في عام 2023 للحصول على تمويل جماعي بقيمة 7 مليارات دولار أمريكي مخصص من قانون البنية التحتية الثنائي الحزب لإنشاء سلسلة من “محاور الهيدروجين” وتشغيلها.للتأهل، كان على كل محور أن يثبت بشكل مقنع أنه يمكنه “إنتاج ما لا يقل عن 50–100 طن متري من الهيدروجين النظيف يوميًا وتقليل انبعاثات الغازات الدفيئة”.

شملت أكثر المشاركين نشاطًا المذكورين في محاور الهيدروجين التي اختارتها وزارة الطاقة الأمريكية شركات مثل AES Corporation (AES ), Air Liquide (AIL.DE ), Amazon (AMZN ), Bloom Energy (BE ), Chevron (CVX ), ExxonMobil (XOM ), GTI Energy, Holtec, Mitsubishi Power Americas, Plug Power (PLUG ), و(TRP ).

يمكن أيضًا لتقنيات متقدمة أن تشارك في تعزيز إنتاج وتوزيع الهيدروجين. على سبيل المثال، يجري NREL اختبارات سريعة وتدوير خراطيم توزيع الهيدروجين بضغط 700 بار في مرفق تكامل أنظمة الطاقة باستخدام روبوتات آلية لمحاكاة ظروف الميدان. هنا، تحاكي الروبوتات الضغط المتكرر لشخص يثني ويلوي الخراطيم لتوزيع الهيدروجين إلى خزان التخزين داخل مركبة خلايا الوقود. يبحث الباحثون في كفاءات الإجهاد الميكانيكي والحراري والضغط لخراطيم توزيع الهيدروجين الجديدة والمستعملة.

الهيدروجين يمر بمرحلة حاسمة، ويمكن لهذا الزخم أن يزداد من الآن فصاعدًا. وفقًا للمنظمات التي تتبع بناء مشاريع الهيدروجين عالميًا، تم الإعلان عن 680 مشروعًا لإنتاج الهيدروجين على نطاق واسع في عام 2022 وحده، مما أدى إلى استثمارات مباشرة بقيمة 240 مليار دولار. كما تقوم REL بانتظام بإجراء تحليلات على مستوى الأنظمة لمجموعة متنوعة من مسارات إنتاج وتوصيل الهيدروجين المستدام لتحديد تحسينات الحالة الناتجة عن التقدم التكنولوجي، وتكلفة الإنتاج كدالة لحجم الإنتاج، وإمكانية خفض التكاليف.

لا شك أن الاستثمار في الهيدروجين حتى عام 2030، بينما استثمرت شركات الأسهم الخاصة ورأس المال المخاطر مبالغ قياسية في شركات الهيدروجين بمراحل تطوير مختلفة في عام 2022، حيث قدمت 3.1 مليار دولار كاستثمار خاص لشركات متعلقة بالهيدروجين و2.6 مليار دولار كاستثمار رأس مال مخاطر عبر 192 شركة ناشئة في هذا المجال.

أثناء الحديث عن أهمية هذا الزخم، قالت أدرِيا ويلسون، مديرة فريق السياسة العامة والمناصرة في Breakthrough Energy، إن الانتصارات السياسية الأخيرة تعني أن الهيدروجين النظيف والمتاح سيصبح أداة لإزالة الكربون لدينا في العقد القادم، إن لم يكن أقرب.

ومع ذلك، رغم التفاؤل الكامل، يجب أن نتذكر أن الطريق لا يزال طويلًا. وفقًا للأرقام التي قدمها معهد الموارد العالمية، يتم إنتاج 95٪ من الهيدروجين من الوقود الأحفوري، عادةً عبر عملية تُعرف بإعادة تشكيل الميثان بالبخار (SMR)، حيث يُسخن الماء إلى درجات حرارة عالية لإنتاج بخار يتفاعل مع الغاز الطبيعي وينتج هيدروجين وثاني أكسيد الكربون (CO2). لا تزال العملية تُصدر كميات كبيرة من الغازات الدفيئة، حيث تُطلق ما يصل إلى 10 كيلوجرام من مكافئ ثاني أكسيد الكربون لكل كيلوجرام من الهيدروجين (kg CO2e/kg H2) إلى 14 كغ CO2e/kg H2، وهو ما يعادل انبعاثات الكربون من إنتاج وحرق جالون واحد من البنزين.

يجب أن تساعد طرق إنتاج الهيدروجين النظيف في التخلص من هذه الأساليب. يجب أن يكون الانتقال سريعًا ولكن عبر أساليب مستدامة.

انقر هنا للحصول على قائمة بأهم أسهم الطاقة النظيفة التي تركز على الاستدامة.

مرجع الدراسة:

^{1. Lee, D., Yoo, J., Yun, G. S., & Jin, H. (2024). التقييم الحراري لـ Gd-doped CeO₂ لتقليل حراري كيميائي بمساعدة الميكروويف. Journal of Materials Chemistry A, 12(48), 33526–33536. https://doi.org/10.1039/D4TA05804F}