اتجاهات وآفاق خلايا وقود الهيدروجين للنقل النظيف

ستركز هذه المقالة على خلايا وقود الهيدروجين والاتجاهات والآفاق لتطبيقها. تجذب خلايا الوقود القائمة على الهيدروجين اهتمامًا متزايدًا في صناعة السيارات اليوم ، لأنه إذا كان القرن العشرين هو قرن محرك الاحتراق الداخلي ، فقد يصبح القرن الحادي والعشرون قرن طاقة الهيدروجين في صناعة السيارات. بالفعل اليوم ، بفضل خلايا الهيدروجين ، تعمل سفن الفضاء ، وفي بعض دول العالم ، تم استخدام الهيدروجين لأكثر من 10 سنوات لتوليد الكهرباء.

خلية وقود الهيدروجين هي جهاز كهروكيميائي مثل البطارية التي تولد الكهرباء من خلال تفاعل كيميائي بين الهيدروجين والأكسجين ، ومنتج التفاعل الكيميائي هو الماء النقي ، بينما حرق الغاز الطبيعي ، على سبيل المثال ، ينتج ثاني أكسيد الكربون الضار بالبيئة.

بالإضافة إلى ذلك ، يمكن أن تعمل خلايا الهيدروجين بكفاءة أعلى ، وهذا هو السبب في أنها واعدة بشكل خاص. تخيل محركات سيارات فعالة وصديقة للبيئة.لكن البنية التحتية بأكملها مبنية حاليًا ومتخصصة في المنتجات البترولية ، ويواجه الإدخال الواسع النطاق لخلايا الهيدروجين في صناعة السيارات هذه المشكلة وغيرها.

في هذه الأثناء ، منذ عام 1839 ، من المعروف أن الهيدروجين والأكسجين يمكن أن يتحدان كيميائيًا وبالتالي الحصول على تيار كهربائي ، أي أن عملية التحليل الكهربائي للماء قابلة للعكس - هذه حقيقة علمية مؤكدة. بالفعل في القرن التاسع عشر ، بدأت دراسة خلايا الوقود ، لكن تطوير إنتاج الزيت وإنشاء محرك الاحتراق الداخلي ترك مصادر طاقة الهيدروجين وأصبحت شيئًا غريبًا وغير مربح ومكلف الإنتاج.

في الخمسينيات من القرن الماضي ، اضطرت وكالة ناسا إلى اللجوء إلى خلايا وقود الهيدروجين ، ثم بدافع الضرورة. لقد احتاجوا إلى مولد طاقة مدمج وفعال لمركبتهم الفضائية. نتيجة لذلك ، طار أبولو وجوزاء إلى الفضاء على خلايا وقود الهيدروجين ، والتي تبين أنها الحل الأفضل.

اليوم ، أصبحت خلايا الوقود خارج التكنولوجيا التجريبية تمامًا ، وفي العشرين عامًا الماضية تم إحراز تقدم كبير في تسويقها على نطاق أوسع.

ليس عبثًا أن تولى آمال كبيرة على خلايا وقود الهيدروجين. في عملية عملهم ، يكون التلوث البيئي في حده الأدنى ، والمزايا التقنية والسلامة واضحة ، بالإضافة إلى أن هذا النوع من الوقود مستقل بشكل أساسي وقادر على استبدال بطاريات الليثيوم الثقيلة والمكلفة.

يتم تحويل وقود خلية الهيدروجين إلى طاقة مباشرة في سياق تفاعل كيميائي ، وهنا يتم الحصول على طاقة أكثر من الاحتراق التقليدي.يستهلك وقودًا أقل وكفاءة أعلى بثلاث مرات من جهاز مشابه يستخدم الوقود الأحفوري.

ستكون الكفاءة أعلى ، وكانت الطريقة المنظمة بشكل أفضل لاستخدام الماء والحرارة المتولدة أثناء التفاعل. تكون انبعاثات المواد الضارة ضئيلة ، حيث يتم إطلاق الماء والطاقة والحرارة فقط ، بينما تتشكل حتمًا حتى مع أكثر العمليات المنظمة نجاحًا لحرق الوقود التقليدي ، وأكاسيد النيتروجين والكبريت والكربون ومنتجات الاحتراق الأخرى غير الضرورية.

بالإضافة إلى ذلك ، فإن صناعات الوقود التقليدية نفسها لها تأثير ضار على البيئة ، وخلايا وقود الهيدروجين تتجنب غزوًا خطيرًا للنظام البيئي ، لأن إنتاج الهيدروجين ممكن من مصادر الطاقة المتجددة تمامًا. حتى تسرب هذا الغاز غير ضار لأنه يتبخر على الفور.

لا يهم خلية الوقود من أي وقود الهيدروجين يتم الحصول عليها لتشغيلها. ستكون كثافة الطاقة في kWh / l هي نفسها ، وهذا المؤشر يتزايد باستمرار مع تحسين تقنية إنشاء خلايا الوقود.

يمكن الحصول على الهيدروجين نفسه من أي مصدر محلي مناسب ، سواء كان غازًا طبيعيًا أو فحمًا أو كتلة حيوية أو تحليلًا كهربائيًا (من خلال الرياح والطاقة الشمسية وما إلى ذلك).

درجات حرارة تشغيل الخلية منخفضة جدًا ويمكن أن تتراوح من 80 إلى 1000 درجة مئوية ، اعتمادًا على نوع العنصر ، بينما تصل درجة الحرارة في محرك الاحتراق الداخلي الحديث التقليدي إلى 2300 درجة مئوية.خلية الوقود مضغوطة ، وتصدر الحد الأدنى من الضوضاء أثناء التوليد ، ولا يوجد بها انبعاثات للمواد الضارة ، لذلك يمكن وضعها في أي مكان مناسب في النظام الذي تعمل فيه.

من حيث المبدأ ، ليس فقط الكهرباء ، ولكن أيضًا الحرارة التي يتم إطلاقها أثناء تفاعل كيميائي يمكن استخدامها لأغراض مفيدة ، على سبيل المثال لتسخين المياه أو تدفئة الأماكن أو التبريد - مع هذا النهج ، ستقترب كفاءة توليد الطاقة في الخلية 90٪.

الخلايا حساسة للتغيرات في الحمل ، لذلك مع زيادة استهلاك الطاقة ، يجب توفير المزيد من الوقود. هذا مشابه لكيفية عمل محرك البنزين أو مولد الاحتراق الداخلي. من الناحية الفنية ، يتم تنفيذ خلية الوقود بكل بساطة ، نظرًا لعدم وجود أجزاء متحركة ، والتصميم بسيط وموثوق ، واحتمال الفشل في الأساس صغير للغاية.

تحتوي خلية وقود الهيدروجين والأكسجين بغشاء تبادل البروتون (على سبيل المثال "مع إلكتروليت بوليمر") على غشاء موصل للبروتونات من بوليمر (نافيون ، بولي بنزيميدازول ، إلخ) ، والذي يفصل بين قطبين - الأنود والكاثود. عادة ما يكون كل قطب كربون صفيحة كربون (مصفوفة) مع محفز مدعوم - بلاتين أو سبيكة من بلاتينويد ومركبات أخرى.

على محفز الأنود ، ينفصل الهيدروجين الجزيئي ويفقد الإلكترونات. يتم نقل الكاتيونات الهيدروجينية عبر الغشاء إلى الكاثود ، ولكن يتم التبرع بالإلكترونات للدائرة الخارجية لأن الغشاء لا يسمح للإلكترونات بالمرور. على محفز الكاثود ، يتحد جزيء الأكسجين مع إلكترون (يتم توفيره عن طريق الاتصالات الخارجية) وبروتون وارد ويشكل الماء ، وهو المنتج الوحيد للتفاعل (في شكل بخار و / أو سائل).

نعم ، تعمل السيارات الكهربائية اليوم على بطاريات الليثيوم. ومع ذلك ، يمكن أن تحل محلها خلايا وقود الهيدروجين. بدلاً من البطارية ، سيدعم مصدر الطاقة وزنًا أقل بكثير. بالإضافة إلى ذلك ، لا يمكن زيادة قوة السيارة على الإطلاق بسبب الزيادة في الوزن بسبب إضافة خلايا البطارية ، ولكن ببساطة عن طريق ضبط إمداد الوقود للنظام أثناء وجوده في الأسطوانة. لذلك ، فإن مصنعي السيارات لديهم توقعات عالية لخلايا وقود الهيدروجين.

منذ أكثر من 10 سنوات ، بدأ العمل على إنشاء سيارات الهيدروجين في العديد من البلدان حول العالم ، وخاصة في الولايات المتحدة الأمريكية وأوروبا. يمكن استخراج الأكسجين مباشرة من الهواء الجوي باستخدام وحدة ضاغط ترشيح خاصة موجودة على متن السيارة. يُخزن الهيدروجين المضغوط في أسطوانة شديدة التحمل تحت ضغط يبلغ حوالي 400 ضغط جوي. يستغرق التزود بالوقود بضع دقائق.

تم تطبيق مفهوم النقل الحضري الصديق للبيئة في أوروبا منذ منتصف العقد الأول من القرن الحادي والعشرين: تم العثور على حافلات الركاب هذه منذ فترة طويلة في أمستردام وهامبورغ وبرشلونة ولندن.في المدن الكبرى ، يعد غياب الانبعاثات الضارة وتقليل الضوضاء أمرًا بالغ الأهمية. تم إطلاق Coradia iLint ، وهو أول قطار ركاب يعمل بالسكك الحديدية يعمل بالهيدروجين ، في ألمانيا في عام 2018. وبحلول عام 2021 ، من المقرر إطلاق 14 قطارًا آخر من هذا القبيل.

على مدار الأربعين عامًا القادمة ، يمكن أن يؤدي التحول إلى الهيدروجين كمصدر أساسي للطاقة للسيارات إلى إحداث ثورة في الطاقة والاقتصاد في العالم. على الرغم من أنه من الواضح الآن أن النفط والغاز سيظلان سوق الوقود الرئيسي لمدة 10 سنوات أخرى على الأقل.ومع ذلك ، تستثمر بعض البلدان بالفعل في إنشاء مركبات بخلايا وقود الهيدروجين ، على الرغم من حقيقة أن العديد من الحواجز التقنية والاقتصادية تحتاج إلى التغلب عليها.

إن إنشاء بنية تحتية للهيدروجين ومحطات وقود آمنة هي المهمة الرئيسية ، لأن الهيدروجين غاز قابل للانفجار. في كلتا الحالتين ، يمكن تقليل تكاليف الهيدروجين ووقود السيارة والصيانة بشكل كبير ويمكن زيادة الموثوقية.

وفقًا لتوقعات بلومبرج ، بحلول عام 2040 ، ستستهلك السيارات 1900 تيراواط / ساعة بدلاً من 13 مليون برميل يوميًا حاليًا ، والتي ستكون 8 ٪ من الطلب على الكهرباء ، بينما يذهب 70 ٪ من النفط المنتج في العالم اليوم إلى إنتاج وقود النقل. . بالطبع ، في هذه المرحلة ، تكون آفاق سوق السيارات الكهربائية التي تعمل بالبطاريات أكثر وضوحًا وإثارة للإعجاب مما كانت عليه في حالة خلايا وقود الهيدروجين.

في عام 2017 ، بلغ سوق السيارات الكهربائية 17.4 مليار دولار ، في حين بلغت قيمة سوق السيارات الهيدروجينية 2 مليار دولار فقط. على الرغم من هذا الاختلاف ، لا يزال المستثمرون مهتمين بالطاقة الهيدروجينية وتمويل التطورات الجديدة.

وهكذا ، في عام 2017 ، تم إنشاء مجلس الهيدروجين ، والذي يضم 39 شركة كبرى لتصنيع السيارات مثل Audi و BMW و Honda و Toyota و Daimler و GM و Hyundai. والغرض منه هو البحث وتطوير تقنيات الهيدروجين الجديدة وتوزيعها اللاحق على نطاق واسع.