محطات توليد الطاقة الهيدروجينية - الاتجاهات والآفاق

على الرغم من اعتبار محطات الطاقة النووية منذ فترة طويلة آمنة للغاية ، إلا أن الحادث الذي وقع في محطة فوكوشيما اليابانية للطاقة النووية في عام 2011 أجبر مهندسي الطاقة في جميع أنحاء العالم مرة أخرى على التفكير في المشاكل البيئية المحتملة المرتبطة بهذا النوع من الطاقة.

أعلنت حكومات العديد من البلدان ، بما في ذلك عدد من دول الاتحاد الأوروبي ، عن نيتها الواضحة لتحويل اقتصاداتها إلى الطاقة البديلة ، دون ادخار أي استثمار ، ووعدت بمليارات اليورو لهذه الصناعة على مدى السنوات الخمس إلى العشر القادمة. ومن أكثر الأنواع الواعدة والأكثر أمانًا من الناحية البيئية لمثل هذا البديل الهيدروجين.

إذا نفد الفحم والغاز والنفط ، فهناك ببساطة هيدروجين غير محدود في المحيطات ، على الرغم من أنه لا يتم تخزينه هناك في شكله النقي ، ولكن في شكل مركب كيميائي مع الأكسجين - في شكل ماء.

الهيدروجين هو مصدر الطاقة الأكثر صداقة للبيئة. يتطلب الحصول على الهيدروجين ونقله وتخزينه واستخدامه توسيع معرفتنا بتفاعله مع المعادن.

هناك العديد من المشاكل هنا.فيما يلي بعض منها فقط التي تنتظر حلها: إنتاج نظائر الهيدروجين عالية النقاء باستخدام مرشحات غشائية (على سبيل المثال ، من البلاديوم) ، وإنشاء بطاريات هيدروجين مفيدة تقنيًا ، ومشكلة مكافحة تكلفة الهيدروجين للمواد ، إلخ.

السلامة البيئية للهيدروجين ، مقارنة بأنواع تقليدية أخرى من مصادر الطاقة ، لا أحد يشك: منتج احتراق الهيدروجين مرة أخرى هو الماء على شكل بخار ، في حين أنه غير سام تمامًا.

يمكن بسهولة استخدام الهيدروجين كوقود في محركات الاحتراق الداخلي دون تغييرات أساسية ، وكذلك في التوربينات ، وسيتم الحصول على طاقة أكثر من البنزين. إذا كانت الحرارة النوعية لاحتراق البنزين في الهواء حوالي 44 ميجا جول / كجم ، فإن هذا الرقم بالنسبة للهيدروجين يبلغ حوالي 141 ميجا جول / كجم ، وهو أعلى بثلاث مرات. المنتجات البترولية سامة أيضا.

لن يتسبب تخزين الهيدروجين ونقله في حدوث مشكلات معينة ، فاللوجستيات تشبه تلك الخاصة بالبروبان ، لكن الهيدروجين أكثر انفجارًا من الميثان ، لذلك لا تزال هناك بعض الفروق الدقيقة هنا.

حلول تخزين الهيدروجين هي كما يلي. الطريقة الأولى هي الضغط والإسالة التقليدية ، عندما يكون من الضروري ضمان درجة حرارة منخفضة للغاية للحفاظ على الحالة السائلة للهيدروجين. هذا مكلف.

الطريقة الثانية واعدة أكثر - فهي تعتمد على قدرة بعض الإسفنج المعدني المركب (سبائك عالية المسامية من الفاناديوم والتيتانيوم والحديد) على امتصاص الهيدروجين بشكل فعال ، وعند التسخين المنخفض ، إطلاقه.

تعمل شركات النفط والغاز الرائدة مثل Enel و BP بنشاط على تطوير طاقة الهيدروجين اليوم.قبل بضع سنوات ، بدأت شركة Enel الإيطالية أول محطة للطاقة الهيدروجينية في العالم ، والتي لا تلوث الغلاف الجوي ولا تنبعث منها غازات الاحتباس الحراري. لكن نقطة الاحتراق الرئيسية في هذا الاتجاه تكمن في السؤال التالي: كيف نجعل الإنتاج الصناعي للهيدروجين أرخص؟

المشكلة هي التحليل الكهربائي للماء يتطلب الكثير من الكهرباء ، وإذا تم تشغيل إنتاج الهيدروجين على وجه التحديد من خلال التحليل الكهربائي للماء ، فإن طريقة الإنتاج الصناعي للهيدروجين في بلد واحد ستكون مكلفة للغاية: ثلاث مرات ، إن لم يكن أربع مرات ، من حيث الحرارة المكافئة للاحتراق من المنتجات البترولية. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن الحصول على 5 أمتار مكعبة من الغاز كحد أقصى في الساعة من متر مربع واحد من الأقطاب الكهربائية في المحلل الكهربائي الصناعي. هذا بطيء وغير عملي اقتصاديًا.

تعد طريقة البلازما الكيميائية إحدى الطرق الواعدة لإنتاج الهيدروجين بكميات صناعية. هنا ، يتم الحصول على الهيدروجين بسعر أرخص من التحليل الكهربائي للماء. في البلازماترونات غير المتوازنة ، يمر تيار كهربائي عبر غاز مؤين في مجال مغناطيسي ، ويحدث تفاعل كيميائي في عملية نقل الطاقة من الإلكترونات "المسخنة" إلى جزيئات الغاز.

تتراوح درجة حرارة الغاز من +300 إلى +1000 درجة مئوية ، بينما يكون معدل التفاعل المؤدي إلى إنتاج الهيدروجين أعلى منه في التحليل الكهربائي. تتيح هذه الطريقة الحصول على الهيدروجين ، والذي تبين أنه أغلى مرتين (وليس ثلاث مرات) من الوقود التقليدي الذي يتم الحصول عليه من الهيدروكربونات.

تتم عملية البلازما الكيميائية على مرحلتين: أولاً ، يتحلل ثاني أكسيد الكربون إلى أكسجين وأول أكسيد الكربون ، ثم يتفاعل أول أكسيد الكربون مع بخار الماء ، مما يؤدي إلى إنتاج الهيدروجين وثاني أكسيد الكربون الذي كان في البداية (لا يتم استهلاكه ، إذا نظرت إلى تحويل الحلقة بالكامل).

في المرحلة التجريبية - الإنتاج الكيميائي للبلازما من الهيدروجين من كبريتيد الهيدروجين ، والذي يظل منتجًا ضارًا في كل مكان في تطوير حقول الغاز والنفط. تقوم البلازما الدوارة ببساطة بإخراج جزيئات الكبريت من منطقة التفاعل بواسطة قوى الطرد المركزي ، ويتم استبعاد التفاعل العكسي للتحويل إلى كبريتيد الهيدروجين. هذه التقنية تعادل سعر الهيدروجين المنتج مع الأنواع التقليدية للوقود الأحفوري ، بالإضافة إلى أن الكبريت يُستخرج بالتوازي.

وقد بدأت اليابان بالفعل في التطوير العملي لطاقة الهيدروجين اليوم. تخطط شركة Kawasaki Heavy Industries و Obayashi لبدء استخدام الطاقة الهيدروجينية لتشغيل مدينة كوبي بحلول عام 2018. وسيصبحون روادًا بين أولئك الذين سيبدأون فعليًا في استخدام الهيدروجين لإنتاج الكهرباء على نطاق واسع ، مع عدم وجود انبعاثات ضارة تقريبًا.

سيتم بناء محطة لتوليد الطاقة الهيدروجينية بقدرة 1 ميغاواط مباشرة في كوبي ، حيث ستوفر الكهرباء لمركز مؤتمرات دولي ومكاتب عمل لـ 10000 من السكان المحليين. وستصبح الحرارة المتولدة في المحطة أثناء عملية توليد الكهرباء من الهيدروجين تدفئة فعالة للمنازل المحلية ومباني المكاتب.

بالطبع ، لن يتم تزويد توربينات الغاز التي تنتجها شركة Kawasaki Heavy Industries بالهيدروجين النقي ، ولكن بخليط وقود يحتوي فقط على 20٪ هيدروجين و 80٪ غاز طبيعي.سيستهلك المصنع ما يعادل 20000 مركبة تعمل بخلايا الوقود الهيدروجينية سنويًا ، ولكن هذه التجربة ستكون بداية تطوير الطاقة الهيدروجينية الرئيسية في اليابان وخارجها.

سيتم تخزين احتياطيات الهيدروجين مباشرة على أراضي محطة الطاقة ، وحتى في حالة حدوث زلزال أو كارثة طبيعية أخرى ، سيكون هناك وقود في المحطة ، ولن يتم قطع المحطة عن الاتصالات الحيوية. بحلول عام 2020 ، سيكون لميناء كوبي بنية تحتية لواردات الهيدروجين الرئيسية حيث تخطط شركة Kawasaki Heavy Industries لتطوير شبكة كبيرة من محطات توليد الطاقة الهيدروجينية في اليابان.