خلايا التحليل الكهربائي للتخزين وإمدادات الطاقة في المستقبل

أحد الحلول للفجوة بين قدرة أنظمة الطاقة البديلة على إنتاج الطاقة وأوقات وأماكن الاستهلاك هو تخزين الطاقة الزائدة في الخلايا التحليلية واستخدامها خلال الساعات التي لا يتم فيها إنتاج طاقة كافية

إن الحاجة إلى الحد من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون تتطلب استخدام نسبة أعلى من الطاقة المتجددة من إجمالي الطاقة. وهذا الاستنتاج يسرع من تطوير حلول جديدة تتطلب تغييرات كبيرة في نسب استخدام طاقة الرياح والطاقة الهيدرولوجية والطاقة الشمسية وغيرها. أحد الحلول هو نظام الطاقة الموزعة. في هذا النظام سيكون من الممكن تخزين الطاقة الزائدة محليًا باستخدام، على سبيل المثال، الخلايا الإلكتروليتية المحلية.

واليوم، يتم إنتاج معظم الطاقة عن طريق محطات الطاقة الإقليمية التي تعتمد على الوقود الأحفوري مثل: الفحم والنفط والغاز الطبيعي. بالإضافة إلى ذلك، هناك الطاقة التي تنتجها محطات الطاقة الكهرومائية ومحطات الطاقة النووية ومزارع الرياح. وتتدفق هذه الطاقة في اتجاه واحد فقط – من المحطة إلى شبكات الكهرباء ومن هناك إلى المستهلكين. واليوم، أصبحت الفكرة مقبولة بضرورة تزويد هذا النظام بكمية أكبر بكثير من الطاقة القادمة من مصادر متجددة. أحد إمكانيات تحقيق ذلك يكمن في نظام الطاقة الموزع.

يتكون نظام الطاقة الموزع من عدد كبير من وحدات الإنتاج الصغيرة المنتشرة على مساحة جغرافية واسعة وعدد صغير من الوحدات المركزية الأكبر حجمًا. تعمل الأجزاء المنفصلة من نظام توزيع الطاقة بشكل مستقل، ولكن يمكن أيضًا دمجها معًا من خلال استخدام تكنولوجيا المعلومات (تكنولوجيا المعلومات، وهو اسم عام لطرق الحوسبة ومعالجة المعلومات واتصال البيانات)، مما يسمح باستخدام كل من المخرجات المحلية و المخرج المركزي لسد الحاجة الكاملة لتلك اللحظة.

وسيتطلب مثل هذا النظام تطوير القدرة على تحويل الكهرباء الزائدة من المصادر المتجددة إلى طاقة يمكن تخزينها واستخدامها عند الحاجة. أحد الخيارات هو تخزين الناتج الزائد كطاقة كيميائية، على سبيل المثال في شكل مركبات مثل الميثانول السائل أو الغازات (مثل الغاز الطبيعي) أو الغاز - أول أكسيد الكربون والهيدروجين. بمجرد تحويل الطاقة إلى هذه المركبات الكيميائية، المعروفة بالوقود الاصطناعي، يصبح تخزينها في الخزانات أسهل بكثير. ويمكن استخدام الوقود الاصطناعي مباشرة في المركبات وكمواد أولية للصناعة الكيميائية. في الواقع، ليس هناك جديد في هذه الفكرة. المشكلة الوحيدة هي أن التقنيات الموجودة اليوم تتكيف مع المحطات المركزية الكبيرة التي تستخدم درجات حرارة عالية. لذلك، من الضروري تطوير أنواع جديدة من النباتات التي تستخدم درجات حرارة أقل ومناسبة لدمجها مع توربينات الرياح المحلية.

يتطلب تحويل الكهرباء إلى طاقة كيميائية استخدام عمليات التحليل الكهربائي. من خلال التحليل الكهربائي، يتم تحويل الماء إلى هيدروجين وأكسجين بواسطة تيار كهربائي. "لهذا الغرض، يتم اليوم تطوير الخلايا الإلكتروليتية من نوع SOEC"، كما يوضح البروفيسور موجينز موجينسن من جامعة الدنمارك. "يتكون هذا النوع من الخلايا التحليلية من مواد خزفية."

إن العملية التي تحدث في الخلايا التحليلية هي في الواقع موازية لمرحلة التمثيل الضوئي في الطبيعة، حيث تمتص النباتات الخضراء ثاني أكسيد الكربون من الهواء وتحوله إلى طاقة كيميائية يتم تخزينها على شكل سكريات. ولذلك، قد تساهم الخلايا الإلكتروليتية في إزالة ثاني أكسيد الكربون من الهواء. بمعنى آخر، تشبه هذه الخلايا دور غابات الأشجار في امتصاص ثاني أكسيد الكربون من الهواء.

ومن خلال تحويل ثاني أكسيد الكربون إلى وقود اصطناعي سائل في خلية التحليل الكهربائي، ستكون وسائل النقل لدينا قادرة على استهلاك الطاقة المستدامة، والطاقة من توربينات الرياح والخلايا الشمسية. عندما تستخدم السيارة الوقود الاصطناعي، فإنها تنبعث منها ثاني أكسيد الكربون في الهواء، ولكنها بنفس الكمية التي تم استخدامها لإنتاج الوقود الاصطناعي في المقام الأول - أي في النهاية، لم يتم إطلاق أي كمية من ثاني أكسيد الكربون يضاف إلى الغلاف الجوي.

تعتبر الخلايا التي تعمل في درجات حرارة عالية أكثر كفاءة مقارنة بطرق التحليل الكهربائي الأخرى لأنها تنتج المزيد من الأكسجين وأول أكسيد الكربون من نفس الكمية من الكهرباء. תוצאה זו מתקבלת מאחר שבטמפרטורות גבוהות השימוש בחום גורם לפירוקם של המים והפחמן הדו-חמצני לגזים (מימן ופחמן חד-חמצני) ולחמצן, ועל-כן סוג תא כזה מקרר את עצמו: החום הנוצר באופן בלתי נמנע כאשר חשמל זורם ברכיב מסוים משמש לקידום התהליך האלקטרוליטי نفسه. بالإضافة إلى ذلك، يمكن استخدام الحرارة الزائدة التي يتم الحصول عليها من العمليات الكيميائية التي تحدث في الصناعة أو المصانع لهذا الغرض بالذات.

"ستكون هذه الخلايا التحليلية مناسبة جدًا للمصانع المركزية والكبيرة لإنتاج الوقود الاصطناعي من الغاز. تتطلب المراحل التحفيزية التي تتبع عملية التحليل الكهربائي وجود منشأة شاملة تحتوي على مفاعل تحفيزي متصل بنظام من الخلايا التحليلية، حيث أن الهيدروكربونات الاصطناعية التي يتم الحصول عليها في هذه المرحلة ليست مستقرة عند درجة الحرارة العالية هذه (أكثر من 650 درجة مئوية). يقول الباحث: "ربما يتعين على مثل هذه المنشأة أن تتجاوز 100 مليون واط لتكون مجدية اقتصاديًا". بالإضافة إلى ذلك، يتم تجنب فقدان الحرارة في المصانع الكبيرة. ولظروف الإنتاج المحلي، من الضروري تطوير خلايا يمكنها العمل في نطاق درجة حرارة يتراوح بين مائتين وأربعمائة درجة مئوية. وبهذه الطريقة، سيكون من الممكن إنشاء مصانع إلكتروليتية محلية وصغيرة يمكن ربطها مباشرة بتوربينات الرياح المحلية وإنتاج الوقود الاصطناعي للاستخدام المحلي. يوضح الباحث: "رؤيتنا هي أننا سنكون قادرين على بناء مصانع صغيرة ونموذجية، سيتم ربط كل منها بتوربينات رياح محلية".

درجات الحرارة المنخفضة تعني فقدانًا أقل للحرارة وتسمح ببناء محطات التحليل الكهربائي الصغيرة المعيارية بشكل أسهل. لنجاح هذا المشروع، من الضروري تطوير مواد جديدة تماما. في المشروع الحالي، نقوم باختبار نوعين من الخلايا التحليلية - أحدهما يتكون من مادة خزفية متوسطة المسام، قادرة على امتصاص الشوارد السائلة في المسام النانوية والاحتفاظ بها بالداخل. النوع الثاني يعتمد على مواد موصلة للبروتونات ذات درجة حرارة منخفضة تحتوي على إلكتروليت سيراميكي صلب.

إن فصل ثاني أكسيد الكربون مباشرة عن الهواء أمر معقد ومكلف. ويدرك الباحث الرئيسي بعين عقله، ولهذا السبب، الحاجة إلى امتصاص الغاز من مصادر أخرى. على سبيل المثال، مصانع الجعة ومصانع الكحول، حيث يتم الحصول على كميات كبيرة من الغاز في عمليات التخمير. هناك خيار آخر يكمن في استخدام المادة الخام الأكثر شيوعًا في الدنمارك - الحجر الجيري (كربونات الكالسيوم). تسخين هذه المادة يطلق ثاني أكسيد الكربون ويتم الحصول على مادة أكسيد الكالسيوم. يضاف الماء العادي إلى هذه المادة ثم يتم الحصول على هيدروكسيد الكالسيوم (الجير المطفأ، الجير الحي المسحوق المستخدم كخليط لتجصيص الجدران وكذلك للزراعة) بحيث يتم إطلاق معظم الحرارة المدخلة إلى الخارج، أي أن هذه الطريقة تحافظ على تركيز ثابت للغاز دون إطلاقه في الهواء الطلق.

الخبر من الجامعة