إنتاج الهيدروجين باستخدام الطاقة الشمسية – تحويل البلاستيك إلى شيء مفيد

يبحث العلماء منذ عقود عن طرق لإنتاج الهيدروجين باستخدام الطاقة الشمسية. ومن الأساليب الواعدة الجمع بين توليد الهيدروجين وإعادة التدوير الكيميائي للبلاستيك. طوّر باحثون في غوتنغن عملية كهروكيميائية لتفكيك البوليسترين وإنتاج مركبات مفيدة، مع توليد الهيدروجين عند القطب المقابل. وفيما يلي أهم ما تناولته الدراسة.

حتى تقنيات الطاقة النظيفة تحتاج إلى مواد وطاقة لتصنيع معداتها وتشغيلها وصيانتها. لذلك يجب تقييم أثرها على امتداد دورة الحياة. يسعى هذا البحث إلى الاستفادة من الكهرباء المتجددة في تحويل نفايات بلاستيكية إلى مواد نافعة، لكنه لا يثبت أن العملية عديمة الأثر البيئي.

نفايات البلاستيك

تمثل النفايات البلاستيكية مشكلة عالمية متنامية. يورد المقال تقديرًا بإنتاج 220 مليون طن في 2024، مع معدلات إعادة تدوير منخفضة. أما النفايات التي لا يعاد تدويرها فتذهب إلى مسارات متعددة، منها الطمر والحرق والتسرب إلى البيئة؛ ولا يصح افتراض أن جميعها تبقى في الشوارع والمجاري المائية.

احتمال تفاقم المشكلة

قد يؤدي نمو الإنتاج والاستهلاك، ما لم تصاحبه إجراءات فعالة للحد من النفايات، إلى زيادة العبء البيئي خلال السنوات المقبلة. ويتوقف المسار الفعلي على السياسات وطرق الاستخدام والجمع والمعالجة.

تفاقم مخاطر البلاستيك

يمكن أن يتفتت البلاستيك إلى جسيمات صغيرة وأن يطلق بعض الإضافات الكيميائية. وتبحث الدراسات آثاره الصحية المحتملة وعلاقته بمشكلات مثل مقاومة المضادات الحيوية، إلى جانب التأثيرات البيئية. وقد عُثر على جسيمات بلاستيكية دقيقة في السلسلة الغذائية. ولا يعني ذلك أن جميع أنواع التعرض ثبت أنها تسبب السرطان أو مقاومة المضادات الحيوية لدى البشر.

استهدفت الدراسة البوليسترين، وهو أحد أنواع البلاستيك المستخدمة في التغليف وغيرها، لتحويله إلى مركبات أصغر مع توليد الهيدروجين كهروكيميائيًا.

إعادة تدوير الكربون تهدف إلى تقليل النفايات

تشمل إعادة التدوير الكيميائي تفكيك البوليمرات أو تعديلها للحصول على مواد يمكن استخدامها مرة أخرى. وهي تختلف عن التقاط ثاني أكسيد الكربون، رغم أن المجالين قد يندرجان ضمن الاستخدام الدائري للكربون.

الهدف هو تقليل النفايات وإنتاج مواد ذات قيمة. وفيما يلي بعض الأساليب التي تُبحث أو تُستخدم لمعالجة البلاستيك.

التحلل الكهروكيميائي

يستخدم التفكيك الكهروكيميائي التيار الكهربائي والكواشف أو المحفزات لتغيير الروابط في البوليمرات وإنتاج جزيئات أصغر. ويختلف استهلاك الطاقة والناتج بحسب المادة وظروف التفاعل.

التحلل الحيوي

يعتمد التحلل الحيوي على كائنات دقيقة أو إنزيمات قادرة على تفكيك أنواع معينة من البوليمرات. ولا تستطيع جميع البكتيريا أو الفطريات معالجة كل أنواع البلاستيك. وتعتمد النواتج على المادة والظروف.

قد يعمل هذا النهج في ظروف أخف من بعض الطرق الحرارية، لكنه قد يكون بطيئًا. كما تؤثر درجة الحرارة وتركيب البلاستيك وظروف الوسط في سرعته وكفاءته.

التحلل الحراري

يستخدم التحلل الحراري الحرارة لتفكيك البلاستيك، عادة في غياب الأكسجين أو مع تقييده. وقد ينتج زيوتًا وغازات ومواد صلبة يمكن الاستفادة منها. وتختلف الانبعاثات والحاجة إلى تنقية المنتجات باختلاف العملية؛ ولا تكون هذه الطريقة منخفضة التلوث تلقائيًا.

دراسة تجمع إعادة التدوير بإنتاج الهيدروجين

نشر فريق من معهد فريدريش فولر لأبحاث الكيمياء المستدامة في غوتنغن دراسة¹ في مجلة Angewandte Chemie عن تفكيك البوليسترين باستخدام التحفيز الكهروكيميائي بالحديد، مع توليد الهيدروجين.

المصدر: معهد فريدريش فولر لأبحاث الكيمياء المستدامة في غوتنغن

تساعد محفزات الحديد على تفكيك سلاسل البوليسترين إلى جزيئات أصغر، تشمل منتجات بنزويل أحادية. وفي الوقت نفسه يولد التفاعل عند المهبط الهيدروجين. وقد أظهر الباحثون إمكان تشغيل التجربة بلوح شمسي تجاري.

اختبار

اختبر الفريق أنواعًا مختلفة من نفايات البوليسترين، بما في ذلك تجارب على مقياس الغرام. واستخدم معقّدات بورفيرين الحديد التي تتبادل حالات الأكسدة أثناء التفاعل لتحفيز تفكيك البوليمر.

النتائج

أنتجت التجارب الهيدروجين ومركبات مثل حمض البنزويك والبنزالدهيد، إلى جانب جزيئات بوليمرية أصغر. ولا يعني تفكيك السلاسل تحويل كل البلاستيك بالكامل إلى منتج واحد نقي. ويجمع البحث بين الاستفادة من النفايات والتفاعل المنتج للهيدروجين.

الفوائد

من مزايا الدراسة استخدام الحديد في المحفز. فهو عنصر واسع التوافر وأقل تكلفة من كثير من المعادن النفيسة. لكن المحفز ليس المكوّن الوحيد في العملية، التي تستخدم أيضًا أقطابًا ومذيبات وكواشف.

رخيص

قد يساهم استخدام الحديد والكهرباء المتجددة في خفض بعض التكاليف. أما الجدوى الاقتصادية مقارنة بطرق أخرى فتحتاج إلى حساب استهلاك الكهرباء والمواد وفصل المنتجات واستعادة المذيبات عند التوسع.

الحديد عنصر متاح على نطاق واسع

توافر الحديد وانخفاض تكلفة بعض محفزاته ميزتان مهمتان. ومع ذلك لا يمكن وصف العملية كلها بأنها غير سامة لمجرد استخدام الحديد؛ فخصائص المعقّدات والمذيبات والكواشف وظروف المعالجة يجب أن تؤخذ في الحسبان.

فعّال

أظهر الباحثون إمكان تشغيل التفاعل باستخدام الكهرباء من لوح شمسي تجاري. وهذا يربط إعادة التدوير بمصدر متجدد للطاقة، لكنه لا يجعل دورة الإنتاج والاستخدام مغلقة تمامًا أو خالية من النفايات.

يمكن لتحسين كفاءة الألواح والمعدات الكهروكيميائية أن يساعد في تطوير النهج. لكن التقدم نحو الاستخدام الواسع يحتاج إلى اختبارات هندسية واقتصادية، وليس مجرد توقع تحسن خلال أسابيع.

قابلية التوسع

تجارب مقياس الغرام وإمكان التشغيل بالطاقة الشمسية خطوات مشجعة نحو التوسع. لكنها لا تعني أن التقنية جاهزة للنشر الصناعي السريع؛ فما زالت إدارة المواد وفصل المنتجات والعمر التشغيلي والتكلفة بحاجة إلى تقييم.

الباحثون

قاد لوتز أكرمان وزملاؤه في معهد فريدريش فولر لأبحاث الكيمياء المستدامة في غوتنغن الدراسة. ودرس الفريق كيف يمكن الجمع بين تفكيك البلاستيك كهروكيميائيًا وتوليد الهيدروجين.

شركات ذات صلة بمجال الهيدروجين وتقنيات الكربون

قد تتابع الشركات العاملة في معالجة الغازات وإعادة التدوير تطورات كهذه. لكن وجود نشاط في مجال قريب لا يثبت أن شركة معينة ستتبنى التقنية أو تحقق أرباحًا منها. المثال التالي يوضح شركة تعمل في تقنيات الغازات والتقاط الكربون.

Chart Industries GTLS

تنتج Chart Industries معدات وتقنيات لمعالجة الغازات وتخزينها، بما فيها المعدات المبردة. وقد توسعت في مجال التقاط الكربون عبر عمليات استحواذ، منها Earthly Labs وSustainable Energy Solutions.

استحوذت Chart على Earthly Labs في 2021، وهي تطور أنظمة صغيرة النطاق لالتقاط ثاني أكسيد الكربون وإعادة استخدامه. أما تقنية Cryogenic Carbon Capture فارتبطت باستحواذها على Sustainable Energy Solutions في 2020. والتقاط ثاني أكسيد الكربون يختلف عن تفكيك البوليسترين موضوع هذه الدراسة.

يذكر المقال أن تقييم عدد من المحللين للسهم وقت الكتابة كان «احتفاظ». وللشركة منشآت وأعمال دولية وتاريخ من الاستحواذات. وتتغير آراء المحللين والأوضاع المالية بمرور الوقت.

قد تكون التطورات في المعالجة الكيميائية ذات صلة عامة بقطاع الشركة، لكن لم يثبت هنا أنها ستدمج هذه الطريقة أو أن الدراسة سترفع سعر سهمها. يورد المقال قيمة سوقية قدرها 7.09 مليارات دولار وعائدًا منذ بداية العام قدره 21.48%، وهما رقمان تاريخيان يحتاجان إلى التحقق قبل أي قرار استثماري.

الهيدروجين المدعوم بالطاقة الشمسية – المستقبل

الجمع بين الطاقة الشمسية وتحويل البلاستيك إلى مواد مفيدة وتوليد الهيدروجين اتجاه بحثي واعد. ويتطلب تطبيقه تقييم الكفاءة والتكلفة والسلامة والأثر البيئي على نطاق أكبر. وفي الوقت الراهن يظل تقليل النفايات والتعامل المسؤول معها مهمين.

تعرّف على المزيد من مشاريع الطاقة.

مرجع الدراسة:

^{1. Hourtoule, M., Trienes, S., & Ackermann, L. (2024). إعادة تدوير بوليمرات السلع الأنودية: دمج التحفيز الكهربي للحديد مع تفاعل تطور الهيدروجين القابل للتوسع. Angewandte Chemie International Edition, 63(48), e202412689. https://doi.org/10.1002/anie.202412689}.