الطاقة
محفز الهيدروجين الخالي من البلاتين: خطوة قفزة إلى الأمام في تقنية الطاقة النظيفة
أضف Securities.io إلى مصادرك المفضلة على Google
يتحول العالم نحو الطاقة النظيفة في جميع أنحاء العالم مع تفاقم أزمة المناخ مما يخلق حاجة ملحة لإزالة الكربون من أنظمة الطاقة.
على عكس الوقود الأحفوري مثل الفحم والنفط، لا تطلق مصادر الطاقة النظيفة كميات هائلة من غازات الدفيئة (GHG) مثل الميثان وثاني أكسيد الكربون وأكسيد النيتروز أو غيرها من الملوثات أثناء إنتاجها، مما يساهم في بيئة أكثر صحة.
من المثير للاهتمام، يمكن للطاقة النظيفة أن تأتي من مصادر متجددة مثل الشمس التي تتجدد باستمرار ومتوفرة في جميع أنحاء الكوكب وكذلك من مصادر غير متجددة مثل الطاقة النووية التي تستخدم موارد محدودة (اليورانيوم).
مقارنةً بنظيراتها من الوقود الأحفوري، تتمتع مصادر الطاقة النظيفة أيضًا بتكاليف صيانة وتشغيل أقل، مما يسمح بأسعار أكثر استقرارًا للمستهلكين.
وبهذا، فإن صناعة الطاقة النظيفة تنمو بسرعة، مع استثمارات في تقنيات الطاقة النظيفة التي تقلل الأثر البيئي وتعزز الاستدامة، حيث وصلت إلى رقم قياسي قدره 71 مليار دولار في الربع الثالث من عام 2024، وفقًا لديلويت.
الآن، عندما نتحدث عن مصادر الطاقة النظيفة، إليكم أبرزها:
- الطاقة الشمسية – يتم استغلال إشعاع الشمس هنا من خلال تقنيات مثل الألواح الضوئية (PV) التي تحول ضوء الشمس مباشرة إلى كهرباء. في عام 2024، ارتفعت القدرة الشمسية العالمية بشكل كبير، مضيفة 593 جيجاواط من قدرة الألواح الضوئية الشمسية.
- الرياح – يتم تحويل الطاقة الحركية للرياح إلى كهرباء بواسطة التوربينات. حسب موقع التوربينات، يمكن أن تكون من نوعين: طاقة الرياح البرية، حيث تقع مزارع الرياح على الأرض، وطاقة الرياح البحرية، حيث تقع مزارع الرياح في البحر.
- المياه – تُستخدم الطاقة الحركية للمياه المتدفقة لتوليد الكهرباء، أساسًا عبر السدود والتوربينات. تساهم الطاقة المائية بحوالي 15% من إجمالي توليد الكهرباء.
- الطاقة الحرارية الأرضية – يتم استغلال هذا النوع من الطاقة من خلال الحرارة الداخلية للأرض ويتم الحصول عليها عبر محطات الطاقة الحرارية الأرضية الموجودة في الخزانات الجوفية.
- الكتلة الحيوية – هنا يتم استغلال المواد العضوية مثل مخلفات المحاصيل وبقايا الغابات.
- النووية – هي طاقة الذرة التي تُستمد من الانشطار النووي والاندماج النووي. وفقًا لمسح ديلويت للطاقة والمرافق، ستلعب التقنيات النووية المتقدمة الدور الأكثر أهمية في تلبية الطلب المتزايد على الطاقة في السنوات القليلة القادمة.
- الهيدروجين – يُنتج الهيدروجين من موارد مختلفة، وعند استهلاكه في خلية وقود ينتج ماءً فقط. خصصت وزارة الطاقة الأمريكية (DOE) 7 مليارات دولار لتطوير مراكز الهيدروجين.
الهيدروجين كوقود نظيف قوي
العنصر الأول في الجدول الدوري، الهيدروجين (H)، هو مادة غازية عديمة اللون والرائحة والطعم، عالية الاشتعال وغير سامة. كما أنه أبسط وأخف وأكثر العناصر وفرة.
لكن ما يجعله جذابًا للغاية هو أنه عند احتراقه ينتج بخار ماء فقط. وعند إنتاجه باستخدام الطاقة المتجددة، وخاصةً الهيدروجين الأخضر، يمكنه المساعدة في إزالة الكربون من قطاعات مثل النقل وتوليد الطاقة.
في ظل تزايد احتياجات الطاقة للمجتمع، يقدم الهيدروجين مصدر طاقة نظيفة عالي الكفاءة يمكن إنتاجه من مصادر متعددة. إنه في الواقع ناقل للطاقة يمكن استخدامه لنقل وتخزين وتوصيل الطاقة المنتجة من مصادر أخرى.
الآن، أكثر الطرق شيوعًا لإنتاج وقود الهيدروجين هي:
- العملية الحرارية – تُنتج باستخدام عملية عالية الحرارة تُسمى إصلاح البخار، حيث يُولد الهيدروجين عندما يتفاعل البخار مع الوقود الهيدروكربوني مثل الغاز الطبيعي، الديزل، الفحم المُغاز، الكتلة الحيوية المُغاز، والوقود السائل المتجدد.
- العملية التحليلية الكهربائية – يُفصل الماء (H2O) إلى أكسجين وهيدروجين باستخدام التيار الكهربائي. تتم العملية داخل جهاز التحليل الكهربائي، حيث يمر التيار عبر الماء، مما يؤدي إلى فصل الجزيئات.
- العملية المدفوعة بالطاقة الشمسية – يُستخدم الضوء لإنتاج الهيدروجين وتشمل نهجًا مختلفة مثل الفوتوبايولوجية، الفوتوكهروكيميائية، والحرارة الشمسية الكيميائية.
- العملية الحيوية – يُنتج الهيدروجين من خلال تفاعلات حيوية باستخدام كائنات دقيقة مثل البكتيريا والطحالب الدقيقة.
الآن، يمتلك الهيدروجين إمكانات عالية جدًا لتلبية احتياجات الطاقة النظيفة للمجتمع، لكن المشكلة تكمن في وجود تحديات لا يزال يتعين التغلب عليها. تشمل هذه التحديات تحقيق الإنتاج الضخم، النقل، والتخزين. كما يجب أن يكون إنتاج الهيدروجين مستقرًا ورخيصًا.
تُعتبر تفاعل تطور الهيدروجين (HER) الطريقة الأكثر صداقة للبيئة واستدامة لإنتاج الهيدروجين. إنها تفاعل كهربي يحدث عند القطب السالب ويتضمن تحليل الماء كهربائيًا.
في هذه العملية الكهروكيميائية لتقسيم الماء، تُستخدم معادن مثل البلاتين والنيكل ومعادن انتقالية أخرى كحفازات تقلل البروتونات إلى غاز الهيدروجين.
المشكلة هنا تنبع من المعدن الأكثر استخدامًا كحفاز، وهو البلاتين، الذي على الرغم من تقديمه لأداء تحفيزي عالي الكفاءة، يواجه مشكلات الندرة والتكلفة. لذا، يتزايد التركيز على الحفازات البديلة لتقليل استهلاك المعادن الثمينة.
دور البلاتين في جعل الهيدروجين نظيفًا
معدن لامع أبيض فضي يُخطئ أحيانًا في تمييزه عن الفضة، البلاتين (Pt) هو المفتاح لتحقيق هدف صافي الانبعاثات الصفرية. هذا المعدن الكثيف القابل للتشكيل واللامع غير متفاعل بشكل كبير ومقاوم للتآكل حتى عند درجات حرارة عالية.
ومع ذلك، فهو معدن نادر للغاية، أكثر ندرة بأكثر من 30 مرة من الذهب، ويتواجد بتركيز لا يتجاوز 0.005 جزء في المليون في قشرة الأرض. كمعادن نادرة، يصعب استخراج البلاتين ويكلف كثيرًا، مما يعني أن المنتج النهائي يكون أكثر تكلفة.
يُستخرج المعدن أساسًا في جنوب أفريقيا، التي تمثل أكثر من 70٪ من إمدادات البلاتين العالمية، إلى جانب روسيا، زيمبابوي، كندا، والولايات المتحدة.
فيما يتعلق بحالات الاستخدام، يُستخدم البلاتين في صناعة المجوهرات، ولكن الأهم أنه يُستغل في المكونات الإلكترونية ومحولات الحفاز لتقليل انبعاثات النقل. في عام 2022، استُخدم حوالي 85 طنًا من المعدن فقط في محولات الحفاز. كما أنه يظهر كمعادن حيوية في التحول الطاقي العالمي.
المعدن ذو قيمة خاصة في أجهزة التحليل الكهربائي، التي تتنوع أنواعها، لكن مطوري مشاريع الهيدروجين يفضلون التحليل الكهربائي عبر غشاء تبادل البروتونات (PEM). كبديل أكثر كفاءة للتحليل القلوي، تستخدم أجهزة PEM البلاتين لصنع محفزات ذات أداء عالٍ للغاية.
يُستخدم البلاتين أيضًا في خلايا الوقود PEM، التي تعمل مثل أجهزة التحليل الكهربائي PEM ولكن بالعكس. بدلاً من فصل الهيدروجين والأكسجين، يجمعهما باستخدام البلاتين كحفاز.
تتكون خلايا وقود الهيدروجين من قطبين — الأنود (القطب السالب) والكاثود (القطب الموجب) مع فاصل إلكتروليتي بينهما. يُستخدم محفز، وهو طبقة من معدن مثل البلاتين، في الأنود لتقسيم جزيئات الهيدروجين إلى بروتونات وإلكترونات، التي تتحرك نحو الكاثود لتوليد تدفق كهربائي.
تُعد التوصيلية الممتازة والثبات الكيميائي للبلاتين ما يجعله فعالًا للغاية كحفاز. كفاءتهما هي المفتاح لتحقيق معدلات تحويل طاقة عالية في خلايا الوقود، مما يسمح لها بالمنافسة مع مصادر الطاقة التقليدية.
مع استمرار ارتفاع الحاجة إلى إزالة الكربون، من المتوقع أن يرتفع الطلب على البلاتين بفضل تقنيات PEM القائمة على البلاتين التي تعد بتحقيق تخفيض بنسبة 11٪ من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون العالمية.
وبالتالي، يتزايد التركيز على هذا المعدن في جميع أنحاء العالم. في الولايات المتحدة، يتضمن قانون خفض التضخم ميزة ضريبية للهيدروجين منخفض الكربون بهدف تسريع إنتاج الهيدروجين النظيف واعتماد سيارات الوقود الخلية الكهربائية. بينما يهدف برنامج REPowerEU التابع للمفوضية الأوروبية إلى مضاعفة طاقة الهيدروجين النظيف إلى 80 جيجاواط بحلول عام 2030.
وفقًا لمجلس استثمار البلاتين العالمي، يمكن لهذا الدفع العالمي أن يجعل إنتاج الهيدروجين النظيف أكبر مصدر (35٪) للطلب على البلاتين بحلول عام 2040.
إلى جانب الديناميكيات غير المتوازنة بين العرض والطلب، يفرض استخدام المعادن الثمينة مثل البلاتين تحديات إضافية، مثل التكاليف العالية، والتدهور المحتمل، والقلق البيئي. نتيجة لذلك، يعمل الباحثون باستمرار على إيجاد طرق لإزالة البلاتين كحفاز للهيدروجين وإيجاد بدائل أفضل.
انقر هنا لتعرف كل شيء عن الاستثمار في البلاتين.
صنع محفزات خالية من البلاتين
في سعيهم للحصول على هيدروجين خالٍ من البلاتين، يجري الباحثون من جامعة UNSW في سيدني دراسة لمعالجة القضايا المرتبطة باستخدام المعدن الثمين في خلايا وقود الهيدروجين.
طور الباحثون تقنية جديدة لفهم سبب انخفاض استقرار بعض مواد الحفاز مقارنةً بالبلاتين، مما سيساعد الباحثين الآخرين على تطوير مواد جديدة وتعزيز آفاق المستقبل للمحفزات الخالية من البلاتين في خلايا وقود الهيدروجين.
كشفت التقنيات المطورة أن ما يصل إلى 75٪ من المواقع النشطة القائمة على الحديد في خلية الوقود أصبحت غير نشطة خلال أول 10 ساعات من التشغيل. وكان ذلك في الغالب بسبب فقدان المواقع النشطة للحديد، بالإضافة إلى تآكل الكربون كسبب آخر.
دراسة منفصلة، اكتشف الباحثون من جامعة ويسكونسن-ماديسون، جامعة كورنيل، وجامعة ووهان، طريقة جديدة لتحفيز التفاعل لصنع خلايا وقود الهيدروجين.1
استخدم الباحثون النيكل، وهو معدن غير ثمين ورخيص، لكل من أقطاب الكاثود والأنود في خلية الوقود. تم تصميم الحفاز الكهربائي القائم على النيكل بغطاء بسمك 2 نانومتر مصنوع من الكربون المُدمج بالنيتروجين.
إن إدماج ذرات النيكل الفردية في غلاف شبيه بالجرافين مكوّن من ذرات الكربون والنيتروجين جعلها مقاومة للأكسدة وربطت ذرات الهيدروجين بالقوة المثالية المطلوبة لتفاعل أكسدة الهيدروجين (HOR) الفعال.
وبالتالي، باستخدام محفز أنود من نواة نيكل صلبة محاطة بغطاء كربوني، وكاثود من الكوبالت-منغنيز، أنشأ الباحثون خلية وقود هيدروجين خالية من أي معدن ثمين بإنتاجية تتجاوز 200 ملي واط/سم².
في عام 2020، اكتشف العلماء في مختبر أرغون الوطني التابع لوزارة الطاقة (DOE) وطوروا أكثر محفز واعد خالٍ من البلاتين لخلايا وقود الهيدروجين التي تعتمد على تفاعل اختزال الأكسجين (ORR). كان يعتمد على الحديد والنيتروجين والكربون، التي تم خلطها وتسخينها بين 900 و1100 درجة مئوية في عملية التحلل الحراري.
بعد ذلك، تم ربط ذرات الحديد في المادة مع ذرات النيتروجين وتضمينها في الجرافين. هنا، كل ذرة حديد تشكل موقعًا يمكن أن يحدث فيه تفاعل ORR، مما يجعل القطب أكثر كفاءة.
في ظل هذا الاهتمام المتزايد بتقليل الاعتماد على البلاتين المكلف وتحسين كفاءة وتكلفة خلايا وقود الهيدروجين والتحليل الكهربائي، طور العلماء الآن محفزًا من صفائح النانو القائمة على البلاديوم يتمتع بأداء مماثل للبلاتين في إنتاج الهيدروجين.
البلاديوم كبديل للبلاتين لإنتاج هيدروجين ميسور التكلفة
الدراسة الأخيرة2 جاءت من باحثي جامعة طوكيو للعلوم (TUS) الذين طوروا محفزًا جديدًا لتطور الهيدروجين، وهو صفائح نانوية من تنسيق البلاديوم (PdDI).
البلاديوم هو معدن لامع فضي، وهو أحد أكثر معادن مجموعة البلاتين وفرةً بكثافة أقل بكثير من البلاتين.
استخدام البلاديوم، الذي يقدم كفاءة مماثلة للبلاتين بجزء من التكلفة، يمهد الطريق لإنتاج هيدروجين ميسور ومستدام لتسريع ثورة الطاقة النظيفة.
بقيادة الأستاذ هيروشي نيشيهارا والدكتور هيرواكي مايدا من TUS بالتعاون مع باحثين من مؤسسات أخرى، تمثل الدراسة اختراقًا في تقنية تفاعل تطور الهيدروجين (HER).
تسهل أقطاب محفز HER تحويل الهيدروجين (H) الذي يُنتج على سطح القطب أثناء تحليل الماء إلى غاز الهيدروجين (H2). لتجاوز قيود البلاتين التي تحد من تطبيقه على نطاق واسع كحفاز HER، يقدم الفريق بديلًا عالي الكفاءة لمحفزات البلاتين باستخدام عملية تخليق بسيطة.
أنشأ الفريق صفائح نانوية قائمة على البلاديوم تتمتع بالقدرة على تحقيق نشاط تحفيزي مرتفع مع تقليل استخدام المعادن الثمينة، مما يخفض بشكل كبير تكاليف إنتاج H2.
كما أشار الدكتور مايدا، “تطوير محفزات HER الكهربائية الفعّالة هو المفتاح لإنتاج H2 المستدام” و”صفائح التنسيق المعدنية (Bis(diimino)) ذات التوصيلية العالية والمساحة السطحية الكبيرة ونقل الإلكترونات الفعال هي مرشحات واعدة”. بالإضافة إلى هذه الخصائص، يقلل التوزيع المتناثر للمعادن في الصفائح من استهلاك المواد.
تم تطوير صفائح PdDI النانوية، أي E-PdDI و C-PdDI، بنجاح باستخدام طريقتين مختلفتين:
- الأكسدة الكهروكيميائية
- التخليق على واجهة الغاز والسائل
بعد التفعيل، أظهرت صفائح E-PdDI جهدًا زائدًا منخفضًا قدره 34 مللي فولت، مما يعني أن القليل من الطاقة الإضافية مطلوبة لإنتاج الهيدروجين. فهي لا تتطابق فقط مع الجهد الزائد للبلاتين، وهو 35 مللي فولت، بل أيضًا مع أداء الحفاز للمعادن الثمينة بكثافة التيار التبادلي 2.1 مللي أمبير/سم².
تشير الدراسة إلى أن “الأداء الم Remarkable” يتجاوز ليس فقط أقطاب Pd المعدنية ولكن أيضًا صفائح MDI التقليدية (M=Ni, Co, Cu)، مضيفة أن هذا الأداء الاستثنائي تم تحقيقه رغم استخدام كميات قليلة جدًا من المعادن الثمينة.
مع هذه النتائج، تقدم E-PdDI أكثر محفزات HER كفاءة تم تطويرها حتى الآن، مما يجعلها بديلًا منخفض التكلفة واعدًا للبلاتين.
فيما يتعلق بالاستقرار على المدى الطويل، وهو أحد الجوانب الحرجة لأي محفاز, أظهرت صفائح PdDI النانوية أيضًا متانة ممتازة. فقد بقيت سليمة بعد 12 ساعة في ظروف حمضية، مما يؤكد صلاحيتها لتطبيقات أنظمة إنتاج الهيدروجين في العالم الحقيقي.
“تقريب أبحاثنا خطوة واحدة نحو جعل إنتاج H2 أكثر تكلفة معقولة ومستدامة، وهي خطوة حاسمة لتحقيق مستقبل طاقة نظيفة.”
– الدكتور مايدا
من خلال تقليل الاعتماد على البلاتين النادر والمكلف، تتماشى صفائح التنسيق النانوية (PdDI) مع أهداف التنمية المستدامة للأمم المتحدة (SDGs)، مما يعزز الطاقة الميسورة والنظيفة وكذلك الابتكار والبنية التحتية.
ومن الجدير بالذكر أن الدراسة لا تقتصر على التجارب المخبرية. ففعالية التكلفة، والقابلية للتوسع، والنشاط المعزز لصفائح PdDI النانوية تجعلها مفيدة للغاية في أنظمة تخزين الطاقة على نطاق واسع، وخلايا وقود الهيدروجين، وإنتاج الهيدروجين الصناعي.
علاوة على ذلك، يمكن أن يقلل PdDI من الانبعاثات المرتبطة بالتعدين المرتبطة بالمحفزات القائمة على البلاتين، مما يسرع الانتقال إلى اقتصاد هيدروجين مستدام. الخطوة التالية لفريق TUS هي تحسين صفائح PdDI النانوية للاستخدام في العالم الحقيقي.
انقر هنا لتعرف كل شيء عن الاستثمار في البلاديوم
الشركات المبتكرة القابلة للاستثمار
دعونا الآن نلقي نظرة على اسم بارز في المجال يساعد على تقدم تقنيات الطاقة النظيفة، بما في ذلك تطوير محفزات الهيدروجين الخالية من البلاتين.
Plug Power Inc.
تختص الشركة ذات القيمة السوقية البالغة 1.54 مليار دولار في أنظمة خلايا وقود الهيدروجين وقد قامت بالبحث عن محفزات غير بلاتينية لتقليل التكاليف وتحسين الكفاءة.
في وقت كتابة هذا المقال، يتم تداول أسهم PLUG عند 1.71 دولار، بانخفاض 21.6٪ منذ بداية العام. ربح السهم (TTM) هو -2.54، ومضاعف السعر إلى الأرباح (P/E) (TTM) هو -0.65.
PLUG مخطط السعر
بالنسبة للربع الرابع من عام 2024، أفادت Plug Power (PLUG ) بإيرادات قدرها 191.5 مليون دولار وخسارة في هامش الربح الإجمالي بنسبة 122٪، بينما تحسن التدفق النقدي التشغيلي بنسبة 46٪ على أساس سنوي. أنهت السنة بأكثر من 200 مليون دولار من النقد غير المقيد. أغلقت الشركة مؤخرًا برنامج ضمان قرض DOE بقيمة 1.66 مليار دولار.
خلال هذه الفترة، استمر عمل محولات التحليل الكهربائي لشركة Plug Power في التوسع، وتعزز عمل الهيدروجين.
“كان عام 2024 عامًا من التنفيذ القوي والتقدم الاستراتيجي الهام لشركة Plug بينما كنا نُطوّر مبادراتنا وحققنا خطوات كبيرة في دفع اقتصاد الهيدروجين إلى الأمام.”
– الرئيس التنفيذي آندي مارش
آخر الأخبار عن Plug Power
الخلاصة
مع النمو السريع لسكان العالم، المتوقع أن يرتفع إلى حوالي 10.3 مليار بحلول منتصف الثمانينات من القرن الحادي والعشرين، ستصبح مشكلة انبعاثات الغازات الدفيئة أكثر حدة. وهذا يخلق حاجة لخفض اعتمادنا على طاقة الوقود الأحفوري واعتماد مصادر طاقة نظيفة، أكثر أمانًا، وفيرة، وصديقة للبيئة.
هنا، برزت طاقة الهيدروجين كمحرك رئيسي لمستقبل نظيف ومستدام، مقدمة بديلًا خالٍ من الانبعاثات للوقود الأحفوري. وعلى الرغم من واعديتها، يعتمد الإنتاج الضخم للهيدروجين بشكل كبير على محفزات باهظة التكلفة قائمة على البلاتين، مما يجعل التكلفة تحديًا كبيرًا للصناعة.
من خلال استبدال معدن البلاتين الثمين بصفائح PdDI النانوية، حققت الدراسة الأخيرة اختراقًا في إنتاج الأقطاب بتكلفة فعّالة وأنتجت نتائج رائعة في صناعات توريد الأقطاب، وإنتاج الهيدروجين، والسيارات.
انقر هنا للحصول على قائمة بأهم أسهم الطاقة النظيفة التي تركز على البيئة.
الدراسات المشار إليها:
1. Gao, Y., Yang, Y., Schimmenti, R., Murray, E., Peng, H., Wang, Y., Ge, C., Jiang, W., Wang, G., DiSalvo, F. J., Muller, D. A., Mavrikakis, M., Xiao, L., Abruña, H. D., & Zhuang, L. (2022). خلّية وقود قلوية خالية تمامًا من المعادن الثمينة مع أداء محسّن باستخدام أنود من النيكل المغطى بالكربون. Proceedings of the National Academy of Sciences, 119(13), e2119883119. https://doi.org/10.1073/pnas.2119883119
2. Maeda, H., Phua, E. J. H., Sudo, Y., Nagashima, S., Chen, W., Fujino, M., Takada, K., Fukui, N., Masunaga, H., Sasaki, S., Tsukagoshi, K., & Nishihara, H. (2024). تحضير صفائح نانوية من Bis(diimino)بلاديوم كمحفزات كهربائية عالية النشاط لتطور الهيدروجين. Chemistry – A European Journal. https://doi.org/10.1002/chem.202403082
