التمويل حسب طلبك

طور الباحثون في التخنيون طريقة جديدة لإنتاج الهيدروجين من الماء باستخدام الطاقة الشمسية. وستتيح الطريقة الجديدة إنتاج الهيدروجين بطريقة مركزة بعيدا عن مزرعة الطاقة الشمسية وبطريقة اقتصادية وفعالة

طور الباحثون في التخنيون طريقة جديدة لإنتاج الهيدروجين من الماء باستخدام الطاقة الشمسية. وفي مقال نشر في مجلة Nature Materials، أوضح الباحثون أن هذا النهج سيجعل من الممكن إنتاج الهيدروجين مركزيا عند نقطة البيع - على سبيل المثال، في محطة وقود لسيارة كهربائية تعمل بالهيدروجين - حتى لو كان بعيدًا عن مزرعة الطاقة الشمسية. ومن المتوقع أن تقلل التكنولوجيا الجديدة بشكل كبير من تكاليف إنتاج الهيدروجين ونقله إلى العميل.

قاد البحث أبيجيل لاندمان، طالبة الدكتوراه في برنامج الطاقة الكبير في التخنيون (GTEP)، والدكتور تشين دوتان من مختبر المواد والأجهزة الكهروكيميائية. تعمل أبيجيل على تحضير رسالة الدكتوراه تحت إشراف البروفيسور أفنير روتشيلد من كلية علوم وهندسة المواد والبروفيسور جدعون جيردر، عميد كلية الهندسة الكيميائية. تم دعم البحث من قبل مركز التميز (I-CORE) لأبحاث الوقود الشمسي (بتمويل من وزارة البنى التحتية الوطنية والطاقة والمياه)، والمشروع الأوروبي المشترك لخلايا الوقود والهيدروجين (FCH-JU)، وبرنامج الطاقة. التخنيون الكبير (GTEP)، الجهة المانحة إد ساتل ومؤسسة إدليس.

وقود المستقبل
يعتبر الهيدروجين من أكثر مصادر الطاقة الواعدة لدفع المركبات والاحتياجات المختلفة، وذلك لما يتمتع به من مزايا بارزة:

• يمكن استخلاص الهيدروجين من الماء، لذلك لا يعتمد إنتاجه على الوصول إلى المعادن الطبيعية المستنفدة.
• إن استخدام الوقود الهيدروجيني سيقلل من الاعتماد على الوقود الأحفوري مثل النفط والغاز الطبيعي، والذي يعتمد توفره على عوامل جغرافية وسياسية وغيرها، كما سيزيد من الطاقة المتاحة لسكان الأرض.
• على عكس محركات الديزل والبنزين التي تنبعث منها الكثير من التلوث في الهواء، فإن المنتج الثانوي الوحيد لمحركات الهيدروجين هو الماء.

ونظراً لمزايا الدفع الهيدروجيني، تستثمر العديد من الدول، بقيادة اليابان وألمانيا والولايات المتحدة الأمريكية، مبالغ ضخمة في برامج لتطوير تقنيات "خضراء" (صديقة للبيئة) لإنتاج الهيدروجين. يتم إنتاج معظم الهيدروجين حاليًا من الغاز الطبيعي في عملية تنبعث منها ثاني أكسيد الكربون في الهواء، ولكن من الممكن أيضًا إنتاج الهيدروجين عن طريق تحطيم جزيئات الماء إلى هيدروجين وأكسجين في عملية تسمى التحليل الكهربائي ("التحلل باستخدام الكهرباء"). ومع ذلك، نظرًا لأن إنتاج الكهرباء في حد ذاته عملية مكلفة وملوثة، يقوم الباحثون في التخنيون وفي جميع أنحاء العالم بتطوير خلية الكهروضوئية والذي يستخدم طاقة الشمس لتكسير الماء مباشرة دون الحاجة للكهرباء.

تحدي الانفصال

تتمثل التحديات الرئيسية في تطوير مزارع الطاقة الشمسية لإنتاج الهيدروجين في فصل الهيدروجين والأكسجين، وجمع الهيدروجين من ملايين الخلايا الكهروكيميائية الضوئية ونقله إلى نقطة البيع. قام باحثو التخنيون بحل المشكلة من خلال تطوير طريقة جديدة للتحلل الكهروكيميائي الضوئي للمياه. في هذه الطريقة يتكون الهيدروجين والأكسجين في خزانين منفصلينوالتي يتم توصيلها عن طريق التوصيلات الكهربائية فقط. وهذا على النقيض من الطريقة التقليدية، التي يتراكم فيها الهيدروجين والأكسجين في وعاء واحد (الخلية)، عندما يفصل بينهما غشاء رقيق ويمنع اختلاطهما مع بعضهما البعض. ومن الجدير بالذكر أن خليط الهيدروجين والأكسجين قابل للاشتعال والانفجار، لذا فإن هذا الفصل ضروري.

تسمح العملية الجديدة الانفصال الجغرافي بين مزرعة الطاقة الشمسية التي تتكون من ملايين الخلايا الكهروكيميائية الضوئية التي تنتج الأكسجين فقط، والموقع الذي يتم فيه إنتاج الهيدروجين بطريقة مركزة واقتصادية وفعالة. بمعنى آخر، هذه الطريقة تجعل من الممكن حصاد طاقة الشمس في مكان واحد وإنتاج الهيدروجين في مكان آخر، مثل محطة الوقود. كل ما هو مطلوب هو زوج من الأقطاب الكهربائية المساعدة من هيدروكسيد النيكل، وهي مادة غير مكلفة تستخدم في البطاريات القابلة لإعادة الشحن، وسلك معدني يربط بينهما.

تقول أبيجيل: "في هذه المقالة نصف إنتاج الهيدروجين باستخدام الطريقة الجديدة مع فصل إنتاج الهيدروجين عن إنتاج الأكسجين فيزيائيًا". "وفقًا لتقدير التكلفة الذي أجريناه، يمكن لطريقتنا أن تتنافس بنجاح مع الطرق الحالية لتقسيم المياه وتكون منصة رخيصة وآمنة لإنتاج الهيدروجين."

أتطلع قدما

الطريقة التي تم تطويرها في التخنيون لفصل إنتاج الهيدروجين وإنتاج الأكسجين شكلت الأساس لتطوير تقنية جديدة للتحليل الكهربائي على مرحلتين. هذه التقنية التي طورها الدكتور تشن دوتان تمكن من إنتاج الهيدروجين بكفاءة غير مسبوقة وضغط عالي، مما يقلل بشكل كبير من تكاليف إنتاج الهيدروجين. والآن أصبحت التكنولوجيا الجديدة في مراحل تطور ما قبل الصناعة.

قدمت طالبة الدكتوراه أبيجيل لاندمان مؤخرًا البحث المذكور في المسابقة أطروحة ثلاث دقائق في استراليا. حصلت هذه المحاضرة على المركز الأول في فئة الطاقة. في المسابقة، التي تقام بمبادرة من جامعة كوينزلاند، يُطلب من المشاركين تقديم بحث رائد في ثلاث دقائق فقط.

للدراسة الكاملة في مجلة Nature Materials