المحلل الكهربائي القلوي

يعد تخفيض تكلفة الهيدروجين الأخضر الناتج عن التحليل الكهربائي للمياه أمرًا مرغوبًا للغاية لتقليل تكاليف تحول الطاقة. وهذا لا يتطلب كهرباء خضراء منخفضة التكلفة فحسب، بل يتطلب أيضا تكاليف رأسمالية أقل. وهذا الأخير مهم بشكل خاص، حيث سيتم تشغيل محطات التحليل الكهربائي المستقبلية على أساس الكهرباء المتجددة المتغيرة (الزائدة) مما يحد من عدد ساعات التشغيل وبالتالي زيادة المساهمة النسبية للتكاليف الرأسمالية. هناك ثلاث طرق لخفض تكاليف رأس المال: وفورات الحجم، وفورات الأرقام، والابتكار.
تعني "وفورات الحجم" أن المصانع الكبيرة أرخص نسبيًا. في الصناعة الكيميائية، من المعتاد أن يكون المصنع الذي يكون أكبر بعشر مرات أكثر تكلفة بخمس مرات فقط، مما يعني أن التكاليف الرأسمالية لكل وحدة من المنتج المنتجة هي أقل بعامل اثنين. والسؤال هو ما إذا كان هذا القياس سينطبق أيضًا على محطات التحليل الكهربائي، نظرًا لأن المحللات الكهربائية لا "تتوسع بشكل جيد": نظرًا للقيود في إدارة الحرارة، تقتصر المداخن القلوية الحالية على حوالي 10 ميجاوات في الحجم، ومن غير المتوقع أن يزيد هذا العدد كثيرًا في العام المقبل. مستقبل. وهذا يعني أنه بالنسبة للمصانع الكبيرة، ستحتاج المحللات الكهربائية فقط إلى "ترقيمها"، مما يعني أن هناك مزايا محدودة النطاق للمحللات الكهربائية. وفي الوقت نفسه، تساهم الأكوام بنسبة 10-20% فقط من إجمالي تكاليف المصنع والنسبة الأخرى بنسبة 80-90% من حجم التكاليف بشكل جيد. لذلك، ما زلنا نتوقع وفورات حجم جيدة لمحطات التحليل الكهربائي للمياه، على الرغم من أنها قد تكون أقل ملاءمة قليلاً من المصانع الكيميائية العادية.
"اقتصادات الأرقام" تعني أنه عندما يتم إنتاج المزيد من الوحدات من نفس المنتج، فإنها تصبح أرخص بسبب التصنيع الآلي والتحسينات الأخرى لسلسلة التوريد. المثال الأكثر شهرة هو الألواح الشمسية حيث تم تحقيق تخفيضات هائلة في التكاليف بهذه الطريقة. أيضًا، في مجال المحللات الكهربائية هناك إمكانات هائلة لتحقيق "وفورات الحجم"، نظرًا لأن معظم المحللات الكهربائية حاليًا لا تزال تُصنع بطريقة كثيفة العمالة مع التجميع اليدوي للخلايا في أكوام. نظرًا للطلب المتزايد على المحللات الكهربائية، نرى بالفعل الشركات المصنعة تبدأ في تطوير خطوط إنتاج آلية مما يؤدي إلى خفض كبير في التكلفة.
سوف تساهم كل من "وفورات الحجم" و"وفورات الأرقام" في خفض التكاليف، ولكن هناك أيضًا مقايضة بينهما: فالمداخن والوحدات الأكبر حجمًا (والتي تشمل مضخات ao، وفواصل الغاز والسائل، والمبادلات الحرارية) تشير ضمنًا إلى أن سيكون عدد الوحدات أقل وبالتالي ستكون مزايا "اقتصادات الأرقام" أصغر. ومع ذلك، فإن سوق محلل المياه الكهربائي سيكون كبيرًا جدًا لدرجة أنه حتى مع الأكوام والوحدات الكبيرة، ستظل هناك "وفورات في الأرقام" كبيرة. وهذا يجعل من الممكن أن تكون "وفورات الحجم" و"وفورات الأرقام" متكاملة فيما يتعلق بالتحليل الكهربائي للمياه.
سيكون الابتكار هو المحرك الرئيسي الآخر لخفض التكاليف. على الرغم من أن التكنولوجيا القلوية موجودة بالفعل منذ أكثر من 100 عام، إلا أنه لا يزال هناك مجال واسع للابتكارات التقنية، خاصة فيما يتعلق بالكثافة الحالية التي تعمل بها التكنولوجيا. بالمقارنة مع تقنية التحليل الكهربائي القلوي التقليدية، يمكن زيادة كثافة التيار بأكثر من عامل خمسة من خلال الابتكارات في الحجاب الحاجز وطلاءات الأقطاب الكهربائية وتصميم الخلايا. يوضح الشكل 3 تمثيلاً تخطيطيًا لمكدس التحليل الكهربائي القلوي المفاهيمي الذي يمكن أن يكون معروضًا في السوق في عام 2030. ويبين الجدول 2 خصائص الأداء المقابلة لمثل هذا المحلل الكهربي، مما يوضح أن إنتاج الهيدروجين لمثل هذا المحلل الكهربي يمكن أن يكون أعلى بعشر مرات من التقليدي المحللات الكهربائية القلوية. وهذا يقلل بشكل فعال من تكاليف الهيدروجين المنتج، حيث أن المكدس ليس أغلى بعشر مرات من المكدس التقليدي.

هناك العديد من الطرق التي يمكن أن يفيد بها التحليل الكهربائي لإنتاج الهيدروجين الأفراد والشركات. ولعل الميزة الرئيسية لهذه التقنية تكمن في إنتاج الهيدروجين الأخضر بدلاً من الاعتماد على الهيدروجين الأزرق (منتج مشتق من مصادر الوقود الأحفوري التقليدية مثل الغاز الطبيعي). وبعبارة أخرى، يوفر المحلل الكهربائي وسيلة متجددة لإنتاج الطاقة.

لذلك من الواضح أن نرى سبب استخدام المحلل الكهربائي غالبًا في صناعة خلايا وقود الهيدروجين. يمكن جمع هذا الغاز وتخزينه لإعادة شحن الخلايا بمجرد استنفادها؛ إطالة عمرها بشكل كبير مع ضمان مصادر موثوقة للطاقة.

هناك تطبيق آخر مثير للاهتمام يتعلق بتخزين الهيدروجين يتضمن كيفية دمجه في التقنيات الخضراء الحالية. على سبيل المثال، قد تكون هناك أوقات تكون فيها توربينات الرياح غير قادرة على إنتاج مستويات كافية من الطاقة بسبب الظروف الجوية. يمكن استخدام المحلل الكهربائي الموجود في الموقع كنظام زائد عن الحاجة.

مثال آخر ينطوي على المواقف التي يتم فيها إنتاج كمية زائدة من الكهرباء الرئيسية. وبدلاً من تقليص الإنتاج، يمكن إعادة توجيه هذه الطاقة إلى المُحلل الكهربائي؛ مما يؤدي إلى مخازن أكثر ملاءمة من الهيدروجين لاستخدامها في المستقبل.[9]

يتميز التحليل الكهربائي القلوي للمياه بقابليته الاستثنائية للتطوير، والتكيف بسهولة مع الاحتياجات المتنوعة لإنتاج الهيدروجين. وهذا التنوع يجعله قابلاً للتطبيق عبر مجموعة واسعة من السيناريوهات، بدءًا من المبادرات المتواضعة وحتى العمليات الصناعية الموسعة. بالإضافة إلى ذلك، يضمن العمر التشغيلي الممتد للتحليل الكهربائي القلوي إمدادًا ثابتًا ومستدامًا بالهيدروجين على مدار فترة ممتدة.
تعد فعالية التحليل الكهربائي القلوي من حيث التكلفة ميزة أخرى ملحوظة، حيث تتطلب معداته مواد أقل تكلفة مقارنة بطرق إنتاج الهيدروجين البديلة. تعمل هذه القدرة على تحمل التكاليف على توسيع إمكانية الوصول إليها، وتوسيع نطاق جاذبيتها لتشمل قاعدة متنوعة من المستخدمين، بما في ذلك المؤسسات الصغيرة والمؤسسات البحثية.

البساطة تحدد صيانة أنظمة التحليل الكهربائي القلوية. يتطلب تصميمها البسيط الحد الأدنى من الاهتمام والخدمة، مما يلغي الحاجة إلى المهارات المتخصصة أو إجراءات الصيانة المكلفة، مما يجعلها خيارًا مناسبًا لإنتاج الهيدروجين.

يعد التشغيل في درجات حرارة منخفضة من المزايا الرئيسية للتحليل الكهربائي القلوي، مما يساهم في تقليل استهلاك الطاقة وزيادة الكفاءة العامة. تؤدي هذه العملية الموفرة للطاقة إلى توفير التكاليف وتقليل البصمة البيئية.
يعد إنتاج الهيدروجين عالي النقاء ميزة إضافية للتحليل الكهربائي القلوي، وهو أمر بالغ الأهمية بشكل خاص للتطبيقات في صناعات مثل خلايا الوقود والمواد الكيميائية. إن ضمان الأداء والموثوقية من الدرجة الأولى في هذه القطاعات يعزز التحليل الكهربائي القلوي كطريقة مفضلة لإنتاج الهيدروجين.

وأخيرا، فإن الإمكانات الصديقة للبيئة للتحليل الكهربائي القلوي جديرة بالملاحظة. ومن خلال دمج مصادر الطاقة المتجددة مثل الطاقة الشمسية أو طاقة الرياح، تقلل هذه العملية بشكل كبير من انبعاثات الكربون وتقلل الاعتماد على الوقود الأحفوري، بما يتماشى مع الهدف الشامل المتمثل في تعزيز نظام طاقة مستدام وواعي بيئيًا.

باختصار، يوفر التحليل الكهربائي القلوي للمياه مجموعة متعددة الأوجه من المزايا لإنتاج الهيدروجين. إن قابليته للتطوير، وفعاليته من حيث التكلفة، وخصائص الصيانة المنخفضة، والقدرة على العمل في درجات حرارة منخفضة، وإنتاج الهيدروجين عالي النقاء، وخصائصه الصديقة للبيئة تجعله حلاً مقنعًا عبر التطبيقات المختلفة. سواء تم نشره في مشاريع صغيرة الحجم أو في بيئات صناعية واسعة النطاق، يظهر التحليل الكهربائي القلوي للمياه كمصدر موثوق ومستدام للهيدروجين.

المحلل الكهربائي القلوي هو جهاز يستخدم محلول إلكتروليت، عادةً هيدروكسيد البوتاسيوم أو الصوديوم، لتقسيم جزيئات الماء إلى هيدروجين وأكسجين من خلال عملية تسمى التحليل الكهربائي. يعتمد المبدأ الكيميائي وراء المحلل الكهربائي القلوي على مبادئ الكيمياء الكهربائية. في الكيمياء الكهربائية، تتم التفاعلات الكيميائية عن طريق نقل الإلكترونات من مادة إلى أخرى. عندما يتم تطبيق تيار كهربائي على محلول إلكتروليت، فإنه يتسبب في خضوع محلول الإلكتروليت لعملية تسمى التحليل الكهربائي. خلال هذه العملية، يتسبب التيار الكهربائي في انقسام جزيئات الماء إلى ذرات الهيدروجين والأكسجين المكونة لها.
في المحلل الكهربائي القلوي، تصبح العملية ممكنة بفضل وجود محلول الإلكتروليت، الذي يحتوي على أيونات الهيدروكسيد (OH-) التي تسهل نقل الإلكترونات بين الأقطاب الكهربائية وجزيئات الماء. تنجذب أيونات الهيدروكسيد إلى القطب الموجب الشحنة (القطب المتصل بالطرف الموجب لمصدر الطاقة) وتنجذب أيونات الهيدروجين (H+) إلى الكاثود سالب الشحنة (القطب المتصل بالطرف السالب لمصدر الطاقة) .
عند الأنود، تتأكسد جزيئات الماء لتكوين غاز الأكسجين وأيونات الهيدروجين الموجبة الشحنة: 2H2O → O2 + 4H+ + 4e-
عند الكاثود، يتم اختزال أيونات الهيدروجين لتكوين غاز الهيدروجين: 4H+ + 4e- → 2H2
بشكل عام، يمكن التعبير عن التفاعل على النحو التالي: 2H2O → 2H2 + O2
يلعب محلول الإلكتروليت دورًا مهمًا في العملية من خلال توفير وسط موصل لتدفق الإلكترونات بين الأقطاب الكهربائية وجزيئات الماء. تساعد أيونات الهيدروكسيد الموجودة في محلول الإلكتروليت أيضًا في الحفاظ على مستوى ثابت من الأس الهيدروجيني، وهو أمر مهم لأداء المحلل الكهربائي بكفاءة.
باختصار، يعمل المحلل الكهربائي القلوي باستخدام محلول إلكتروليت لتسهيل نقل الإلكترونات بين الأقطاب الكهربائية وجزيئات الماء، مما يؤدي إلى إنتاج غاز الهيدروجين والأكسجين.

يتم تصنيع المحللات الكهربائية القلوية عادةً باستخدام مواد مقاومة للتآكل ويمكنها تحمل الظروف القاسية لعملية التحليل الكهربائي. تشمل المواد الرئيسية المستخدمة في المحلل الكهربائي القلوي ما يلي:

الأقطاب الكهربائية:عادةً ما تكون الأقطاب الكهربائية الموجودة في المحلل الكهربائي القلوي مصنوعة من النيكل أو الفولاذ المطلي بالنيكل أو التيتانيوم المطلي بسبيكة أساسها النيكل. هذه المواد مقاومة للتآكل ويمكنها تحمل الظروف القاسية لعملية التحليل الكهربائي.

غشاء:تستخدم المحللات الكهربية القلوية إلكتروليت KOH سائل، لذا فهي لا تحتاج إلى غشاء.

مكونات الخلية:مكونات الخلية في المحلل الكهربائي القلوي، مثل إطارات الخلايا، والفواصل، وأوعية الضغط، عادة ما تكون مصنوعة من مواد مثل الفولاذ المقاوم للصدأ، أو الفولاذ الكربوني، أو سبائك النيكل. هذه المواد مقاومة للتآكل ويمكنها تحمل الظروف القاسية لعملية التحليل الكهربائي.

تعد المحللات الكهربائية القلوية خيارًا فعالاً من حيث التكلفة وفعالاً لإنتاج الهيدروجين. لديهم العديد من المزايا مقارنة بالأنواع الأخرى من المحللات الكهربائية، بما في ذلك كفاءة الطاقة العالية، والتكلفة المنخفضة، وإنتاج الهيدروجين عالي النقاء، والمتانة الميكانيكية. يتم تصنيع المحللات الكهربائية القلوية باستخدام مواد مقاومة للتآكل ويمكنها تحمل الظروف القاسية لعملية التحليل الكهربائي، مثل النيكل والفولاذ المطلي بالنيكل والتيتانيوم المطلي بسبائك أساسها النيكل والفولاذ المقاوم للصدأ والفولاذ الكربوني وسبائك النيكل. ومن خلال استخدام المحللات الكهربائية القلوية، يمكن للصناعات إنتاج هيدروجين عالي النقاء بكفاءة أكبر وبتكلفة أقل، مما يساهم في مستقبل طاقة أكثر استدامة ونظيفة.

تباع المنتجات في جميع مناطق الصين ويتم تصديرها إلى دول العالم. لقد تم بيعها في أكثر من 20 دولة ومنطقة بما في ذلك الولايات المتحدة، ألمانيا، المغرب، كينيا، المملكة العربية السعودية، فيتنام، الجزائر، الهند، تنزانيا، وتايوان. نجحت في توفير شركات معروفة مثل China Aerospace، وPetroChina، وChina Nuclear Group، وBYD، وJiuli Specialty، وTony Electronics، وZheng Energy Group وغيرها من الشركات المعروفة. هناك العديد من محطات هدرجة الهيدروجين الأخضر مثل وولانشابو، وهايكو، وهاينان، وهاينان هايكو، ويوننان كونمينغ، وما إلى ذلك توفر مشاريع خضراء وصناعية للهيدروجين.