جدول المحتويات
مقدمة
يعد الهيدروجين من العناصر الأساسية والموجودة في الطبيعة ويدخل في تطبيقات كثيرة ومهمة مثل وسائل النقل والصناعة وغيرها، لكنه لا يتوفر بشكل منفصل على نطاق واسع في الطبيعة بل مرتبط بعناصر أخرى.
تمكن العلماء والخبراء من إنتاج الهيدروجين وذلك من خلال عملية التحليل الكهربائي للماء، وهي عملية ثابتة وموحدة يتم فيها فصل جزيئات الماء كهربائياً إلى أوكسجين وهيدروجين، لكن تتنوع الطرق التي تتم بها موزانة الخلايا عند حدوث هذه العملية، هذا التنوع أدى إلى اختلاف وتعدد طرق التحليل الكهربائية للماء، نتعرف على هذه الطرق وعلى مزايا وعيوب كل طريقة منها في هذا المقال:
1. محلل الهيدروجين بتقنية «E-TAC»
محلل الهيدروجين «الكهروميكانيكي والكيميائي المفعل بالحرارة – Electrochemical, Thermally Activated Chemical»، وهو نوع جديد من المحللات ينتج الهيدروجين والأكسجين بشكل منفصل في مرحلتين منفصلتين، في المرحلة الأولى “المرحلة الكهروكيميائية” التي يتم فيها إنتاج الهيدروجين عند المهبط، وفي هذه المرحلة يتم شحن المصعد، ثم في المرحلة الثانية “المرحلة الكيميائية المفعلة بالحرارة” يتم تفريغ شحنة المصعد وإنتاج الأكسجين عنده وهذه الطريقة تلغي احتمالية الاختلاط بين الأكسجين والهيدروجين مما يلغي الحاجة لوجود حاجز بين المصعد والمهبط.
المزايا:
- تكلفة المواد وتجميعها منخفضة.
- تحمل عالي للشوائب، إذ يمكن تطبيقها باستخدام مياه الصنبور أو مياه البحر دون معالجة مسبقة.
- كفاءة تحويل عالية تصل إلى 98.7% (HHV) مقارنة بكفاءة المحللات الكهربائية التقليدية التي تبلغ كفاءتها حوالي 75% (HHV)، هذا يعني أنها تستخدم كمية أقل من الطاقة.
* نسبة HHV تعني الكفاءة الحرارية وتعبر عن نسبة كمية الحرارة المنقولة إلى كمية الحرارة المستهلكة - التشغيل على الأحمال الجزئية، حيث يمكنها ضبط إنتاجها وفقاً للطلب وتوافر الكهرباء.
- كفاءة فاراداي عالية، وهي نسبة الكمية الفعلية للهيدروجين المنتج إلى الكمية النظرية له.
2. «محلل الهيدروجين بغشاء تبادل الأنيون – AEM»
يستخدم محلل الهيدروجين بغشاء تبادل الأنيون غشاء نصف نفاذ مصمم خصيصاً لتوصيل الأنيونات (الأيونات سالبة الشحنة مثل الهيدروكسيد OH⁻). إذ يتم تمرير الماء من المصعد باتجاه المهبط مروراً بهذا الغشاء، يتم تكثيف الهيدروجين عند المهبط وتحريره عن طريق طبقة انتشار الغاز، وإطلاق الهيدروكسيد عبر الغشاء عودةً للمصعد حيث يتم استخراج الأوكسجين عند طبقة انتشار السائل والغاز.
المزايا:
- تكلفة أقل من محللات الهيدروجين بغشاء تبادل البروتون «PEM»، حيث تستخدم مواد ومحفزات أقل سعراً.
- دوام أعلى من محللات الهيدروجين بغشاء تبادل البروتون، حيث تتعرض لمشاكل التدهور والتآكل بشكل أقل.
- أقل حساسية للشوائب من محللات الهيدروجين بغشاء تبادل البروتون، حيث يمكنها تحمل مستويات أعلى من ثاني أكسيد الكربون وشوائب أخرى في الماء.
العيوب:
- كفاءة تحويل الطاقة في هذه الطريقة أقل من كفاءة «PEM»
- الهيدروجين المنتج ذو نقاء أقل مقارنةً بـ «PEM»
- وقت استجابة أقل بسبب تغير مدخلات الطاقة.
3. «محلل الهيدروجين بغشاء تبادل البروتون – PEM»
تستخدم محللات الهيدروجين بغشاء تبادل البروتون غشاء بوليمر صلب نفّاذ لتوصيل البروتونات، ويفصل هذا الغشاء بين غرفة المصعد وغرفة المهبط، عند تطبيق جهد تيار مستمر على المحلل تتم أكسدة الماء إلى أوكسجين وبروتونات، ويتم تكثيف البروتونات (H+) عند المهبط ثم تلتقي بإلكترونات هناك وينتج عن ذلك الهيدروجين.
المزايا:
- وقت استجابة سريع، حيث يمكنها البدء والإيقاف بسرعة والتكيف مع مصادر الطاقة المتقلبة مثل الطاقة المتجددة.
- كفاءة عالية، حيث تعمل عند كثافة تيار عالية وجهد منخفض وتحتوي على أقل فاقد بسبب المقاومة وإنتاج الحرارة.
- تنتج هيدروجين عالي النقاء.
العيوب:
- التكلفة العالية بسسب استخدام مواد مكلفة مثل المحفزات البلاتينية.
- الحساسية ضد الشوائب الموجودة في الماء.
- متانة النظام محدودة بسبب إماكنية تدهور النظام بسبب الإلكتروليت.
4. «خلية تحليل الهيدروجين بالتغذية الشعرية – CFE»
تستخدم هذه الطريقة تصميماً بسيطاً ومبتكراً لتقليل من تكلفة وتعقيد عملية تحليل الماء، إذ تعتمد الفكرة الأساسية فيها على التغذية الشعرية وهي خاصية انتقال السائل من الأسفل إلى الأعلى.
ببساطة يتكون هذا الجهاز من مصعد ومهبط مع وجود فاصل شعري بينهما وخزان في الأسفل، تساعد الخاصية الشعرية وعملية الضخ المستمر لمادة الكهرليت في رفع الماء والكهرليت من أسفل الخزان إلى الأعلى وعند المرور بالفاصل الشعري يتم فصل جزيئات الماء وانتقال الهيدروجين إلى المهبط والأكسجين إلى المصعد.
المزايا:
- تكلفة رأس المال وتشغيل منخفضة، حيث لا تحتاج إلى مضخات أو صمامات أو أجهزة استشعار أو تحكمات.
- كفاءة طاقة عالية يمكن أن تصل إلى 98%.
5. «محلل الهيدروجين القلوي – AEL»
تستخدم محللات الهيدروجين القلوية محلولاً قلوياً مثل هيدروكسيد البوتاسيوم (KOH)، تغمس أقطاب المصعد والمهبط في هذا المحلول مع وجود غشاء مسامي يفصل بينهما، مع تطبيق جهد خارجي تتحرك جزيئات الأوكسجين باتجاه المصعد وجزيئات الهيدروجين الموجبة باتجها المهبط على شكل فقاعات. إن استخدام المحلول القلوي يساعد ويقوي من عملية تفكك الجزيئات.
المزايا:
- طول العمر وحاجة منخفضة للصيانة.
- تكاليف تشغيل قليلة، حيث تستخدم مواد ومحفزات منخفضة التكلفة.
- أقل حساسية للشوائب.
6. «خلية تحليل الهيدروجين بغشاء أوكسيد صلب – SOEC»
خلية تحليل الهيدروجين بغشاء أوكسيد صلب هي من محللات الهيدروجين عالية الحرارة وتستخدم غشاء سيراميكي يفصل بين المصعد والمهبط، فعند تسخين الماء حتى يتحول إلى بخار ينفصل إلى أوكسجين وهيدروجين عند الغشاء السيراميكي، تنفذ جزيئات الأوكسجين من خلال هذا الغشاء لتتحد مرة أخرى بعده، ولا يغادر الهيدروجين هذا الغشاء ويتم جمعه كهيدروجين نقي.
المزايا:
- كفاءة عالية يمكن أن تصل إلى 90% أو 100%
- قابلية التوسع
- مرونة عالية مرونة عالية وزيادة في إنتاج الطاقة تصل إلى 10% في الدقيقة، مما يسهل التعامل مع تقلبات الإنتاج لمصادر الطاقة المتجددة
- قابلية العكس، إذ يمكن استخدام هذه الطريقة لإنتاج الهيدروجين عند توفر الطاقة، أو يمكن إنتاج الطاقة من خلال عكس العملية لإنتاج الطاقة.
أخيراً، فإن مفهوم إنتاج الهيدروجين هو واحد ويتم من خلال فصل جزيئات الماء إلى أكسجين وهيدروجين، ونظراً لأنه هذه العملية تحتاج إلى كمية كبيرة من الطاقة أصبح بالإمكان الاعتماد على مصادر الطاقة المتجددة لإنتاجه.
لقد قمنا باستعراض طرق إنتاج الهيدروجين باستخدام المحللات إذ يمكن للشركات اختيار نوع المحلل الذي يناسب احتياجاتهم ومتطلباتهم لإنتاج الهيدروجين بطريقة فعالة وبيئياً.
وقد تتطور هذه التقنيات مستقبلاً، وقد يكون هناك المزيد من الابتكارات في المستقبل لزيادة كفاءة إنتاج الهيدروجين وتقليل تكاليفه.
تابعونا على لينكيد إن Linked-in لمعرفة كل جديد عن الطاقة المتجددة..
نتمنى لكم نهارًا مشمسًا..
المصادر: Nel Hydrogen Enapter, Nature, Jason Amiri
