نظام مبتكر لإنتاج الهيدروجين الأخضر يحل أزمة انقطاع الطاقة المتجددة

دينا قدري

2024-02-25

0 843

علماء يتوصل إلى نظام جديد لإنتاج الهيدروجين الأخضر

طوّر علماء كوريون نظامًا جديدًا لإنتاج الهيدروجين الأخضر، عن طريق دمج تخزين الكهرباء بالهواء المضغوط الثابت الحرارة وخلايا التحليل الكهربائي للأكسيد الصلب.

ووفق المعلومات التي اطّلعت عليها منصة الطاقة المتخصصة، اقترح الباحثون من المعهد الكوري للآلات والمواد الجمع بين نظام تخزين الكهرباء والخلايا لإنتاج الهيدروجين الأخضر عبر الكهرباء الزائدة من منشآت الرياح والطاقة الشمسية.

وشدد الباحثون على أن الهيدروجين الأخضر الناتج من التحليل الكهربائي باستعمال الطاقة المتجددة أصبح ذا أهمية متزايدة لتحقيق الحياد الكربوني؛ إذ يُمكن استعماله في خلايا الوقود في قطاعي الطاقة والنقل، وبوصفه مادة خامًا للقطاعات الصناعية الأخرى، بما في ذلك الصلب والأسمنت والمواد الكيميائية والزراعة.

علاوةً على ذلك، يُمكن أن يكون الهيدروجين الأخضر الحل الأفضل للتخزين الموسمي لمعالجة التقطع والتقلب في مصادر الطاقة المتجددة.

طريقة عمل نظام إنتاج الهيدروجين الأخضر

أكد العلماء -في ورقة بحثية اطّلعت عليها منصة الطاقة المتخصصة- أن تخزين الطاقة الكهربائية يُمكن أن يساعد في حل مشكلة انقطاع الطاقة المتجددة عند إنتاج الهيدروجين الأخضر.

ويتكون نظام تخزين الكهرباء بالهواء المضغوط الثابت الحرارة من محرك وضاغط ووحدات تخزين الطاقة الحرارية، متصلة بكل من التوربينات لتوليد الكهرباء، ووحدة خلايا التحليل الكهربائي للأكسيد الصلب.

ويبرّد النظام الهواء المضغوط الساخن في وحدة تخزين الطاقة الحرارية، ومن ثم يخزّنه في كهوف كبيرة تحت الأرض.

في عملية التفريغ، يُطلق الهواء المضغوط من الكهف، ويُسخَّن بوساطة تخزين الطاقة الحرارية، ثم يُنقل الهواء المضغوط الساخن إلى الموسع التوربيني لتوليد الكهرباء، أو إلى وحدة خلايا التحليل الكهربائي للأكسيد الصلب.

وقال الباحثون: "تنقسم وحدة تخزين الطاقة الحرارية إلى وحدات درجة حرارة عالية ودرجة حرارة متوسطة للاستعمال الفاعل".

وأضافوا: "خلال عملية التفريغ، يقوم الهواء المضغوط الذي سُخِّن بوساطة وحدة تخزين الطاقة الحرارية، بتزويد نظام خلايا التحليل الكهربائي للأكسيد الصلب بالحرارة الخارجية عبر مبادل حراري عالي الحرارة".

ويوضح الإنفوغرافيك التالي -الذي أعدّته منصة الطاقة المتخصصة- متطلبات تشغيل جهاز التحليل الكهربائي:

الهيدروجين الأصفر ومتطلبات الماء والكهرباء لإنتاج الهيدروجين باستخدام جهاز التحليل الكهربائي

مزايا النظام الجديد لإنتاج الهيدروجين الأخضر

يُمكن لنظام تخزين الكهرباء بالهواء المضغوط الثابت الحرارة، تخزين الحرارة المضغوطة أو الهواء المضغوط في خزانات تخزين الطاقة الحرارية وخزانات تخزين الهواء، على التوالي، ثم إطلاق الحرارة والهواء المضغوط لإنتاج الكهرباء.

ويختلف هذا النظام عن نظام تخزين الكهرباء بالهواء المضغوط التقليدي في تنفيذ العملية "بشكل ثابت الحرارة"، وهو ما يعني عدم فقدان الحرارة أو اكتسابها.

وتستعمل خلايا التحليل الكهربائي للأكسيد الصلب جهاز التحليل الكهربائي للأكسيد الصلب -أو السيراميك- لإنتاج وقود الهيدروجين والغاز الاصطناعي من خليط من الماء وثاني أكسيد الكربون أو الأكسجين من ثاني أكسيد الكربون، على التوالي.

وأوضح العلماء أنه يُمكن استعمال نظام تخزين الكهرباء بالهواء المضغوط الثابت الحرارة بوصفه نظامًا مشتركًا للتبريد والحرارة والكهرباء؛ ما يوفر الحرارة والكهرباء لخلايا التحليل الكهربائي للأكسيد الصلب من أجل تحقيق أقصى قدر من كفاءة استعمال الطاقة في النظام.

وتابعوا: "على عكس نظام تخزين الكهرباء بالهواء المضغوط مع مصدر حرارة خارجي، فإنه في حالة نظام تخزين الكهرباء بالهواء المضغوط الثابت الحرارة، تُستردّ الحرارة من الضغط، وتُخزَّن في وحدة تخزين الطاقة الحرارية، وتُستعمل لاحقًا لتسخين الهواء المضغوط لعملية التمدد".

نتائج النظام الجديد لإنتاج الهيدروجين الأخضر

حلّل العلماء الكوريون أداء النظام مع الأخذ في الحسبان تخزين الهواء ذا الضغط الثابت، والإمكانات الضئيلة، وتأثيرات الطاقة الحركية، بالإضافة إلى اختلاف في درجة الحرارة بحد أدنى 10 درجات مئوية لنقل الحرارة بين تخزين الطاقة الحرارية والهواء.

وافترضوا -أيضًا- أن ضغط الهواء المضغوط يكون ثابتًا عند 70 بارًا (وحدة قياس الضغط)، في حين افترضوا أن قوة الضغط تبلغ 100 ميغاواط/ساعة، مع تطابق أوقات الشحن والتفريغ.

وأظهر التحليل أن النظام يتمتع بكفاءة ذهابًا وإيابًا (النسبة المئوية للكهرباء المخزنة التي تُسترد لاحقًا) تبلغ نحو 70%، وأن نسبة 30% المتبقية من طاقة الإدخال قد شُتِّتَت في صورة حرارة بسبب خاصية "عدم الرجوع" في عمليات تخزين الكهرباء بالهواء المضغوط الثابت الحرارة.

وشدد الباحثون على أنه "عندما يُدمج نظام تخزين الكهرباء بالهواء المضغوط الثابت الحرارة مع خلايا التحليل الكهربائي للأكسيد الصلب، يُمكن استعمال الطاقة الحرارية من تخزين الكهرباء لتبخير الماء في جهاز التحليل الكهربائي للأكسيد الصلب".

وأشاروا إلى أن وحدة خلايا التحليل الكهربائي للأكسيد الصلب يُمكن أن تعمل لمدة 24 ساعة، بغضّ النظر عن أوضاع التفريغ أو الشحن.

وتوصّل العلماء إلى أن إجمالي كفاءة الرحلة ذهابًا وإيابًا لنظام تخزين الكهرباء بالهواء المضغوط الثابت الحرارة بوصفه نظامًا مشتركًا للتبريد والحرارة والكهرباء، يبلغ 121.2%، وكانت كفاءته الزائدة عن الوحدة في حدود 100% إلى 120%.

موضوعات متعلقة..

اقرأ أيضًا..