الأمونيا.. هل هي وقود مستقل أم ناقل للهيدروجين؟

في السنوات القليلة الماضية، أخذ التعامل مع الدافع لتقليل الأثر الكربوني منحى متعمقًا وجدّيًا، حيث أعلنت العديد من الشركات العالمية عن إستراتيجياتها لتحقيق أهداف خفض الكربون أو الحياد الكربوني، مما يتطلب استخدام أنواع وقود بديلة.

وقد كتبت كبيرة مهندسي عمليات النفط والغاز لدى شركة بلاك أند فيتش الأميركية، الدكتورة جاكلين كاريوشيا، مقالاً لتحديد دور الأمونيا فيما إذا كانت وقودًا مستقلاً أم ناقلاً للهيدروجين، ونشرت المقال منصة شركة باور-إنج المهتمة بالاستشارات الهندسية والبيئية.

وقالت الدكتورة جاكلين كاريوشيا، إن هناك نوعين من الوقود يتنافسان على الوقود الأساس هما الهيدروجين والأمونيا. وبينما يتميز الهيدروجين بكثافة الطاقة العالية (على أساس الكتلة)، فإن أحجام التخزين الكبيرة المطلوبة والبنية التحتية الحالية المحدودة تعدّ الهيدروجين حجر عثرة في اقتصاد الوقود.

يتمثل أحد الحلول لهذه العقبة في اعتبار ناقل الهيدروجين، مثل الأمونيا، لنقل وتخزين الوقود وتكسيره مرة أخرى إلى الهيدروجين لدى المستخدم.

استخدام الأمونيا ناقلًا للهيدروجين أو وقودًا

لا يوجد جواب صريح عن أفضلية استخدام الأمونيا وقودًا مستقلًا أم الهيدروجين من الأمونيا المكسرة، ويعدّ أفضل خيار للوقود هو وظيفة الاستخدام المقصود والكمية والنضج التكنولوجي لمستخدم الوقود.

تجدر الإشارة إلى أن استخدام الأمونيا وقودًا لمحركات الاحتراق الداخلي يعود إلى أوائل القرن التاسع عشر، وشهدت زيادة في استخدامه وقودًا بديلًا خلال الحرب العالمية الثانية، عندما انخفضت مخزونات النفط.

وقد أُجري بحث محدود على محرّكات الإشعال بالشرارة أو الاحتراق الداخلي باستخدام الأمونيا وقودًا حتى عام 2010، على الرغم من هذه البداية المبكرة، وبُحِث استخدام الأمونيا للوقود البحري بشكل أكثر قوة منذ عام 2007، حسبما أوردت منصة شركة باور-إنج.

حتى وقت قريب، كان استخدام الأمونيا في خلايا الوقود محدودًا بسبب ميل الأمونيا إلى إذابة غشاء الخلية. أثبتت التطورات في خلايا وقود الأكسيد الصلب وخلايا وقود غشاء البوليمر بالكهرباء، أن الأمونيا وبوصفها وقودًا لخلايا الوقود يمكن أن تكون خيارًا قابلاً للتطبيق.

من ناحية ثانية، أعلن مطوّرو أنظمة الوقود، مثل ألفا لافال، ومطوّرو المحركات، مثل جابان إنجين كوربوريشن، عن خطط لتضمين الأمونيا في عروضهم، وأعلنت شركة مان إنرجي عن سعيها لإنتاج عمليات بحرية تعمل بالأمونيا.

المتطلبات التكنولوجية

يُعدّ إجراء بعض التعديلات على محركات الاحتراق الداخلي للتشغيل على الأمونيا، التحدي الفني الأول لهذا الوقود، وبشكل أكثر تحديدًا، عادةً ما تكون المساحة المطلوبة لتخزين الوقود، أكبر وتتطلب بعض تعديلات اختيار المواد.

وقالت الدكتورة جاكلين كاريوشيا، إنه يلزم وجود نسب ضغط أعلى، مما يؤدي غالبًا إلى حقن وقود مزدوج (مثل الأمونيا + الديزل، والأمونيا + الهيدروجين) للحفاظ على نسبة الضغط متواضعة.

بالإضافة إلى ذلك، نُظِر في استخدامات الوقود المزدوج لتحسين استقرار اللهب وموازنة انبعاثات ثاني أكسيد الكربون وأكاسيد النيتروجين.

ويمثّل الفهم الواضح لطريقة تشغيل المحرك أمرًا بالغ الأهمية للتخفيف من أكاسيد النيتروجين والأمونيا غير المحترقة في غاز العادم، التحدي الثاني الذي تواجهه الأمونيا بصفتها وقودًا هو انبعاثات أكاسيد النيتروجين.

أظهرت بعض الدراسات أن انبعاثات أكاسيد النيتروجين تتجاوز 1000 جزء في المليون لتشغيل المحرك على الأمونيا. وقد تقدّم البحث لإظهار أنه يمكن تقليل انبعاثات أكاسيد النيتروجين المرتفعة بشكل كبير من خلال تصميم المحرك والضبط المنهجي.

وأوضحت الدكتورة جاكلين كاريوشيا أن الدراسات أظهرت أهمية درجة حرارة مدخل الاحتراق، وموقع منفذ الحقن، ومزيج الوقود، ومعدل حقن الهواء على أكاسيد النيتروجين وانبعاثات الأمونيا.

سيكون الضبط المناسب لتشغيل المحرك مهمًا للغاية مع تقدم هذه التقنية، من أجل تحديد الحجم المناسب لوحدات تقليل المحفز الانتقائي اللازمة لإزالة أكاسيد النيتروجين من غاز المداخن.

استخدام الهيدروجين وقودًا

استُخدم الهيدروجين وقودًا لعدّة قرون، وبُني أول محرك بالاحتراق الداخلي يعمل بوقود الهيدروجين في أوائل القرن التاسع عشر، بينما لم يظهر الاهتمام بالمحركات التي تعمل بوقود الهيدروجين حتى أوائل القرن العشرين، من بين استخدامات أخرى مثل رفع الغاز للمناطيد.

وقالت الدكتورة جاكلين كاريوشيا، إن الهيدروجين يُستخدم بشكل شائع، في الآونة الأخيرة، لوقود الصواريخ وتجريب المركبات التي تعمل بخلايا الوقود. أمّا التوربينات التي تعمل بالهيدروجين، فإنها تتطلب عادةً مزيجًا من الوقود، حسبما أوردت منصة شركة باور-إنج.

وتتطلب كثافة الهيدروجين سرعات اشتعال أعلى بكثير من الهيدروكربونات لانتشار اللهب المناسب في منطقة الاحتراق. ومن ثم، يجب أن يتم تكوين أجهزة الاحتراق خصوصًا لاستخدام الهيدروجين وقودًا، ويتمثّل الاستخدام الأكثر كفاءة للهيدروجين في المركبات باستخدام خلايا الوقود.

وحتى الآن، فإن السيارات التي تعمل بخلايا وقود الهيدروجين متوفرة تجاريًا لدى 3 علامات تجارية للسيارات.

يعدّ إنتاج الهيدروجين من الأمونيا المكسرة أمرًا مباشرًا، ويجري بشكل شائع للتطبيقات الصناعية، مثل تطبيقات نتردة المعادن، باستخدام التحفيز غير المتجانس.

كما تُمَرَّر الأمونيا عبر سخّان، ثم فوق طبقة محفزة لاستخدام أكسدة الأمونيا (تحلّل الأمونيا إلى نيتروجين وماء) لتكملة التحلّل الماصّ للحرارة، للأمونيا إلى هيدروجين ونيتروجين.

مقارنة الطاقة والنفقات الرأسمالية

قالت الدكتورة كاريوشيا، إن كثافة كتلة الطاقة للهيدروجين تبلغ 120 ميغا جول/كغم مقارنة بـ 18.6 ميغا جول/كغم للأمونيا، ومن هنا تتضح شعبيتها وقودًا بديلًا.

ومع ذلك، بمجرد النظر في فقد الطاقة بسبب التسخين والتكسير وما بعد التلميع (أي إزالة الأمونيا المتبقية)، فإن الطاقة المتاحة للهيدروجين من الأمونيا المكسرة هي تقريبًا طاقة الأمونيا الأصلية نفسها، ويمكن أيضًا إنتاج الهيدروجين من الأمونيا باستخدام التحليل الكهربائي للأمونيا.

في هذه الآلية، تُستخدَم خلية التحليل الكهربائي القلوية لمزاوجة الأكسدة الكهربية للأمونيا وتطوّر الهيدروجين. حتى الآن، عُدَّت العملية بطيئة للغاية بالنسبة للتنفيذ العملي.

الخلاصة

قالت الدكتورة جاكلين كاريوشيا، إنه من المرجح أن يكون لكل من الأمونيا والهيدروجين مكان في إستراتيجيات الحياد الكربوني.

وبناءً على مقارنة عالية المستوى للتكلفة، مع مزيد من التطوير التكنولوجي، يجب أن يصبح استخدام الأمونيا وقودًا بدلاً من ناقل الهيدروجين الخيار الأكثر توفيرًا.

ومع ذلك، فإن الحجم المتاح ونضج محركات الأمونيا أو التوربينات أو خلايا الوقود مقارنةً بحجم ونضج مفرقعات الأمونيا ومحركات الهيدروجين وخلايا الوقود يجب أن تُقيَّم على أساس فردي لكل تطبيق بعينه.

 

اقرأ أيضًا..

• اليابان تستهدف استخدام 3 ملايين طن من وقود الأمونيا سنويًا
• الأمونيا والهيدروجين.. تعاون جديد يجمع بين الإمارات واليابان