الهيدروجين الأخضر.. تقنية جديدة تقلل تكلفة الإنتاج وتعمل 100 ساعة متواصلة

يبرز الهيدروجين الأخضر أحد الحلول المثالية التي تساعد على إزالة الكربون من الغلاف الجوي لكوكب الأرض، ما يجعله ركيزة أساسية في إنجاح جهود تحول الطاقة، وهو الهدف الذي يطمح السواد الأعظم من الدول لتحقيقه بحلول 2050، تماشيًا مع بنود اتفاقية باريس للمناخ المُبرمة في عام 2015.

وتشير توقعات وكالة الطاقة الدولية -التي نشرتها في نهاية عام 2019- إلى أن الطلب العالمي على الطاقة سيقفز بما يتراوح بين 25% و30% بحلول عام 2040، وهو ما يعني تفاقم آثار التغيرات المناخية بالنسبة للاقتصادات التي تعتمد على مصادر الوقود الأحفوري -النفط والغاز الطبيعي والفحم

ومن هنا تنشأ حاجة ملحّة لإنتاج الكهرباء النظيفة المتجددة الأكثر كفاءة واستدامة، من المصادر “الخضراء”، في مقدّمتها الهيدروجين الأخضر.

ونتيجة لارتفاع تكلفة إنتاج الهيدروجين الأخضر، من أجهزة التحليل الكهربائي، لا تكون الجدوى الاقتصادية للهيدروجين الأخضر عالية جدًا.

وتأتي التكلفة -أساسًا- من الحاجة لمواد خام باهظة الثمن، مثل الإيرديوم والبلاتين، المُستعملة في الطبقة التي تحمي الأقطاب الكهربائية في أجهزة التحليل الكهربائي للمياه التي تستعمل غشاء البوليمر.

وفي مسعى لتفادي تلك المعضلة، طوّر فريق بحثي من مركز أبحاث الهيدروجين وخلايا الوقود التابع لمعهد العلوم والتكنولوجيا الكوري الجنوبي، تقنية قادرة على خفض كمية البلاتين والإيرديوم المُستعملة في حماية الأقطاب الكهربائية، وتعزيز الأداء، وكذلك العمر الوظيفي لأجهزة التحليل الكهربائي المُنتِجة للهيدروجين الأخضر، مقارنة بالأجهزة المُستعملة حاليًا، حسبما ذكر موقع “إنسيبتيف مايند” Inceptive Mind.

وركّزت دراسات سابقة على تقليل كمية مُحفز الإيرديوم الفلزي الثقيل جدًا بطبيعته مع الحفاظ في الوقت ذاته على الهيكل الذي يستعمل كمية كبيرة من البلاتين والذهب، كونه طبقة لحماية القطب الكهربائي.

التقنية الجديدة

في الدراسة الجديدة، استبدل الباحثون بقيادة الدكتور “هيون إس. بارك” و”سونغ جونغ يونغ يو” نيتريد الحديد -مركب كيميائي غير عضوي من الحديد والنيتروجين ورمزه (Fe2N)- غير المكلف بالمعدن باهظ الثمن الموجود في طبقة حماية القطب الكهربائي، مع وجود مساحة سطح كبيرة ومُغلفة بكمية صغيرة من محفز الإيريديوم، ما يعزز كثيرًا الكفاءة الاقتصادية لجهاز التحليل الكهربائي المُنتج للهيدروجين الأخضر.

ويُنتج جهاز التحليل الكهربائي الذي يعمل بتقنية غشاء البوليمر هيدروجين وأكسجين ذات درجة نقاء عالية، عبر تفكيك جزيئات المياه باستعمال الكهرباء المزودة من قبل مصدر طاقة متجددة مثل الطاقة الشمسية.

ويؤدي جهاز التحليل الكهربائي دورًا بالغ الأهمية في إتاحة الهيدروجين إلى صناعات مختلفة، مثل الحديد والصلب والمواد الكيميائية.

المحلل الكهربائي

تبرز أجهزة التحليل الكهربائي مثالية جدًا لتخزين الكهرباء المتجددة، ولذا فإن زيادة الكفاءة الاقتصادية لهذه الأجهزة مهمة جدًا لخلق اقتصاد الهيدروجين الأخضر.

ويشتمل جهاز التحليل الكهربائي النموذجي على قطبين كهربائيين يُنتجان الهيدروجين والأكسجين.

وبالنسبة للقطب الكهربائي المُنتِج للهيدروجين، يُغلَّف سطح هذا القطب بطبقة من الذهب أو البلاتين، حجمها 1 مليغرام/سنتيمتر مربع، وتعمل طبقة واقية لتعزيز العمر الوظيفي والكفاءة الإنتاجية.

كما يُغلَّف الجزء العلوي من القطب الكهربائي ذاته -كذلك- بطبقة من محفز الإيريديوم يتراوح حجمها من 1-2 مليغرام/سنتيمتر مربع.

معضلة المعادن النفيسة

لا يوجد للمعادن النفيسة المستعملة في أجهزة التحليل الكهربائي سوى احتياطيات منخفضة للغاية، وهو ما ينطبق كذلك على حجم إنتاجها، ما يُعدّ عاملًا رئيسًا يعرقل التطبيق واسع النطاق لأجهزة التحليل الكهربائي، ويقوّض بدوره عملية إنتاج الهيدروجين الأخضر.

وبناءً عليه، استغنى الباحثون في مركز أبحاث الهيدروجين وخلايا الوقود التابع لمعهد العلوم والتكنولوجيا الكوري الجنوبي عن معدني الذهب والبلاتين النادرين المُستعملين كونهما طبقة واقية لقطب الأكسجين في أجهزة إنتاج الهيدروجين التي تستعمل غشاء البوليمر، ليستعيضوا عنها بمركب نيتريد الحديد رخيص الثمن.

ولهذا السبب لجأ الباحثون إلى تطوير عملية مركبة ترتكز على تغطية القطب الكهربائي أولًا بأكسيد الحديد، الذي تقلّ درجة توصيله للكهرباء، ثم تحويل أكسيد الحديد هذا إلى نيتريد الحديد لتعزيز إنتاجه.

وعلاوة على ذلك، طوّر الفريق البحثي عملية ابتكارية لوضع محفز الإيرديوم الذي يصل سمكه إلى نحو 25 نانومترًا، على السطح العلوي لطبقة نيتريد الحديد الوقائية، ما يقلل كمية محفز الإيريديوم المُستعملة إلى أقلّ من 0.1 مليغرام/سنتيمتر مربع.

أكثر من 100 ساعة عمل

جدير بالذكر أن وحدة التحليل الكهربائي بالمكونات الجديدة قد شُغِّلَت -على سبيل الاختبار- لأكثر من 100 ساعة، وذلك للتحقق من درجة استقرارها المبدئي.

وفي معرض تعقيبه على التجربة، قال الدكتور هيون إس. بارك من فريق البحث: “خفض كمية محفز الإيريديوم وتطوير مواد بديلة بالنسبة لطبقة البلاتين الوقائية لا غنى عنه للكفاءة الاقتصادية والاستعمال واسع النطاق لأجهزة التحليل الكهربائي التي تُنتج الهيدروجين الأخضر، كما أن استعمال نيتريد الحديد غير المكلف بدلًا من البلاتين، له أهمية كبيرة”.

وأضاف: “بعد ملاحظة الأداء، والعمر الوظيفي للقطب الكهربائي، سنطبّق تلك التقنية على الأجهزة التجارية في المستقبل القريب”.

المصدر: الطاقة