هيدروجين مياه البحر

طور العلماء نظامًا يمكنه إنتاج الهيدروجين الأخضر مباشرة من مياه البحر دون الحاجة إلى أي عمليات معالجة مسبقة مثل تحلية المياه. يقول الفريق الذي يقف وراء التطوير، والذي يتضمن إدخال طبقة حمض لويس على محفز أكسيد الفلز الانتقالي، إن الطريقة تظهر إمكانات عالية للتطبيق التجاري.

أكثر من 97% من المياه الموجودة على سطح الأرض هي مياه مالحة في المحيطات، و2% منها مخزنة كمياه عذبة في القمم الجليدية والأنهار الجليدية وسلاسل الجبال المغطاة بالثلوج، و1% فقط متاح لاحتياجاتنا اليومية من إمدادات المياه.

 
يمكن تحويل المياه المالحة إلى مياه صالحة للشرب من خلال عملية تسمى تحلية المياه، وهي تقنية تعتمد عليها بعض المناطق حول العالم لإنتاج المياه العذبة للاستهلاك البشري وللاستخدام المنزلي والصناعي. لكن تحلية المياه هي عملية تتطلب الطاقة، والأسوأ من ذلك أنها غالباً ما يتم تشغيلها بمصادر طاقة غير مستدامة.

إن تقسيم الماء إلى الأجزاء المكونة له أمر مفهوم جيدًا أيضًا. تستخدم هذه العملية، المعروفة باسم التحليل الكهربائي، تيارًا مباشرًا بين قطبين كهربائيين مغمورين في محلول كهربائي لتقسيم الماء إلى هيدروجين وأكسجين. يتكون الهيدروجين عند الكاثود، أو القطب السالب، والأكسجين عند القطب الموجب، أو الأنود.

ولأن مزيج الغازات يمكن أن ينفجر، فإن معظم المحللات الكهربية تفصل الأنود والكاثود بطبقة بلاستيكية سميكة مسامية، ويتم استخدام المحفزات المعدنية مثل النيكل والحديد لتسريع التفاعلات.

إن الجمع بين هاتين العمليتين معًا، أي تحلية مياه البحر، ثم تقسيمها لإنتاج الهيدروجين، تم الترحيب به منذ فترة طويلة باعتباره أحد أفضل الحلول لتوفير وقود نظيف وبأسعار معقولة للطاقة، والذي يمكنه بدوره تشغيل كل شيء بدءًا من كهرباء المدينة إلى صنع الطاقة. الصلب، وإنتاج الأسمدة، وحتى كوقود للطائرات - قائمة الاستخدامات المحتملة طويلة.

ومع ذلك، فإن أحد أسباب عدم استخدامنا بالفعل لوقود الهيدروجين للطيران حول العالم، هو أن المياه المالحة والشوائب الأخرى تؤدي إلى تآكل الأقطاب الكهربائية، مما يؤدي إلى تقصير عمرها الافتراضي. وبما أن هذه المكونات عادة ما تكون مصنوعة من معادن نادرة مثل البلاتين، فإن الاستمرار في استبدالها يكلف الكثير. تمثل أيونات الكلوريد الموجودة في مياه البحر أيضًا مشكلة وتتنافس تفاعلات الأكسدة الكهربائية للكلور (ClOR) مع تفاعل تطور الأكسجين (OER) على الأنود أثناء التحليل الكهربائي. يؤدي هذا التفاعل إلى إطلاق أنواع الكلور السامة والمسببة للتآكل مثل هيبوكلوريت. الهيبوكلوريت غير مستقر نسبيًا، ويمكن أن يطلق غاز الكلور السام عند مزجه مع الأمونيا أو الحمض ويمكنه أيضًا تآكل الفولاذ المقاوم للصدأ.

للتغلب على هذه المشكلة، يمكن تحلية مياه البحر وتنقيتها قبل معالجتها، لكن هذا ليس دائمًا مجديًا من الناحية المالية أيضًا. هناك خيار آخر يتمثل في طلاء الأقطاب الكهربائية بالأيونات المتعددة لمنع التآكل، لكن هذا قد يكون مكلفًا أيضًا.

القليل من الحلول المناخية تأتي دون سلبيات. يمكن للهيدروجين "الأخضر"، الذي يتم تصنيعه باستخدام الطاقة المتجددة لتقسيم جزيئات الماء، تشغيل المركبات الثقيلة وإزالة الكربون من صناعات مثل صناعة الصلب دون إطلاق نفحة من ثاني أكسيد الكربون. ولكن نظرًا لأن آلات تقسيم المياه، أو المحللات الكهربائية، مصممة للعمل بالمياه النقية، فإن زيادة الهيدروجين الأخضر يمكن أن يؤدي إلى تفاقم النقص العالمي في المياه العذبة. الآن، تقوم العديد من فرق البحث بالإبلاغ عن التقدم في إنتاج الهيدروجين مباشرة من مياه البحر، والذي يمكن أن يصبح مصدرا لا ينضب للهيدروجين الأخضر.

اليوم، يتم تصنيع كل الهيدروجين تقريبًا عن طريق تفكيك غاز الميثان، وحرق الوقود الأحفوري لتوليد الحرارة والضغط اللازمين. كلتا الخطوتين تطلقان ثاني أكسيد الكربون. يمكن للهيدروجين الأخضر أن يحل محل هذا الهيدروجين القذر، لكنه في الوقت الحالي يكلف أكثر من الضعف، أي حوالي 5 دولارات للكيلوغرام الواحد. ويرجع ذلك جزئيًا إلى ارتفاع تكلفة المحللات الكهربائية، التي تعتمد على المحفزات المصنوعة من المعادن الثمينة. أطلقت وزارة الطاقة الأميركية مؤخراً جهداً دام عقداً من الزمن لتحسين المحللات الكهربائية وخفض تكلفة الهيدروجين الأخضر إلى دولار واحد للكيلوغرام الواحد.

وإذا نجحوا وارتفع إنتاج الهيدروجين الأخضر بشكل كبير، فقد يتزايد الضغط على إمدادات المياه العذبة في العالم. إن توليد كيلوغرام واحد من الهيدروجين باستخدام التحليل الكهربائي يتطلب حوالي 10 كيلوغرامات من الماء. وقد يتطلب تشغيل الشاحنات والصناعات الرئيسية بالهيدروجين الأخضر ما يقرب من 25 مليار متر مكعب من المياه العذبة سنويا، أي ما يعادل استهلاك المياه في بلد يبلغ عدد سكانه 62 مليون نسمة، وفقا للوكالة الدولية للطاقة المتجددة.

مياه البحر لا حدود لها تقريبًا، لكن تقسيمها له مشاكله الخاصة. يتم تصنيع المحللات الكهربية بشكل يشبه البطاريات إلى حد كبير، حيث تحتوي على زوج من الأقطاب الكهربائية محاطًا بمحلول كهربائي مائي. في أحد التصميمات، قامت المحفزات الموجودة عند الكاثود بتقسيم جزيئات الماء إلى أيونات الهيدروجين (H+) والهيدروكسيل (OH-). تقوم الإلكترونات الزائدة عند الكاثود بدمج أزواج أيونات الهيدروجين في غاز الهيدروجين (H2)، الذي يخرج من الماء. وفي الوقت نفسه، تنتقل أيونات OH- عبر غشاء بين الأقطاب الكهربائية للوصول إلى القطب الموجب، حيث تقوم المحفزات بربط الأكسجين وتحويله إلى غاز الأكسجين (O2) الذي يتم إطلاقه.

ومع ذلك، عند استخدام مياه البحر، فإن نفس الهزة الكهربائية التي تولد الأكسجين عند الأنود تحول أيضًا أيونات الكلوريد الموجودة في المياه المالحة إلى غاز الكلور شديد التآكل، والذي يؤدي إلى تآكل الأقطاب الكهربائية والمحفزات. يؤدي هذا عادةً إلى فشل المحللات الكهربائية خلال ساعات فقط، في حين يمكنها العمل بشكل طبيعي لسنوات.

الهيدروجين مادة كيميائية متعددة الاستخدامات تستخدم لإنتاج العديد من المنتجات، بما في ذلك الأسمدة. ويعد الهيدروجين أيضًا عنصرًا رئيسيًا في تكنولوجيا خلايا الوقود، التي تستغل الكهرباء التي تنتجها مصادر الطاقة المتجددة ولكن المتقطعة مثل الطاقة الشمسية وطاقة الرياح. معظم الهيدروجين المنتج في جميع أنحاء العالم مستمد من عملية يتعرض فيها الميثان للحرارة والبخار لإنتاج الهيدروجين.

يمكن أيضًا إنتاج الهيدروجين من التحليل الكهربائي للمياه، والذي يستخدم الكهرباء لتقسيم جزيئات الماء إلى هيدروجين وأكسجين مدعوم بمصادر متجددة مثل الطاقة الشمسية وطاقة الرياح. ولكن هناك صيد. يتطلب التحليل الكهربائي مياهًا نظيفة جدًا منزوعة الأيونات، مما يعني أنه يجب أولاً إزالة جميع الشوائب والمعادن والجسيمات المشحونة إلكترونيًا. تتطلب عمليات تنقية المياه التقليدية معدات باهظة الثمن ويمكن أن تؤدي إلى فقدان الطاقة.

توصل باحثون في قسم الصحة البيئية والهندسة بجامعة جونز هوبكنز، بالتعاون مع جامعة ولاية بنسلفانيا، إلى طريقة لاستخدام مياه البحر كمصدر مباشر للهيدروجين، دون الحاجة إلى تحلية أولية. تظهر نتائجهم في العلوم والتكنولوجيا البيئية.

"لقد وجدنا أنه يمكننا استخدام الأغشية المركبة ذات الأغشية الرقيقة، والتي تستخدم لتنقية المياه المالحة، في المحللات الكهربائية للمياه، وتقسيم الماء إلى غاز الهيدروجين والأكسجين، مع تجنب إنتاج غاز الكلور الضار، وهو ما يحدث مع أنواع الأغشية الأخرى."
في دراستهم، اختبر روسي وزملاؤه أغشية مركبة رقيقة مباشرة في المحلل الكهربائي - وهو جهاز يستخدم الكهرباء لتقسيم الماء إلى هيدروجين وأكسجين - مما أدى في خطوة واحدة إلى تنقية الماء وإنتاج الهيدروجين. ووجدوا أن البنية المجهرية المسامية للمادة تسمح فقط للبروتونات الصغيرة وأيونات الهيدروكسيد بالانتقال عبر الغشاء، ورفض الشوائب والأيونات الأخرى التي يمكن أن تنتج تفاعلات غير مرغوب فيها. ويقول الباحثون إن هذا النهج الجديد يمكن أن يحل محل الأنظمة التقليدية، حيث يتم استخدام أغشية التبادل الأيوني باهظة الثمن مع تغذية المياه فائقة النقاء.

وقال روسي: "يمكن أن تكون أغشية تحلية المياه الرخيصة بديلاً للأغشية الأكثر تكلفة القائمة على البوليمر، ويمكن استخدامها لإنتاج الهيدروجين من مصادر المياه منخفضة الجودة مثل مياه البحر". "والنتيجة هي عملية إنتاج هيدروجين فعالة من مصادر الطاقة المتجددة التي تلغي الحاجة إلى تنقية المياه."

وأشار إلى أن استخدام مياه البحر في المحللات الكهربائية يمثل تحديًا بسبب ملوحتها العالية. ومع ذلك، فهي وفيرة ومتوفرة في مواقع مثل المناطق الساحلية، حيث يمكن توليد الكهرباء المتجددة مثل الطاقة الشمسية وطاقة الرياح، ولكن حيث يكون توافر المياه العذبة منخفضًا. وفي مثل هذه المواقع، يمكن استخدام مصادر مياه أخرى منخفضة الجودة مثل مياه الصرف الصحي بدلاً من مياه البحر في هذه العملية.

قام الفريق الممول من مؤسسة العلوم الوطنية الأمريكية بدمج تكنولوجيا تنقية المياه في تصميم جديد لإثبات المفهوم لمحلل كهربائي لمياه البحر، والذي يستخدم تيارًا كهربائيًا لفصل الهيدروجين والأكسجين في جزيئات الماء.

هذه الطريقة الجديدة لـ "تقسيم مياه البحر" يمكن أن تسهل تحويل طاقة الرياح والطاقة الشمسية إلى وقود قابل للتخزين والنقل، وفقا لبروس لوجان، مهندس البيئة.

وقال لوغان: "الهيدروجين وقود عظيم، ولكن عليك أن تصنعه". "إن الطريقة المستدامة الوحيدة للقيام بذلك هي استخدام الطاقة المتجددة وإنتاجها من الماء. وتحتاج أيضًا إلى استخدام المياه التي لا يرغب الناس في استخدامها لأشياء أخرى، والتي ستكون مياه البحر. لذا، فإن الكأس المقدسة لإنتاج الهيدروجين سيكون الجمع بين مياه البحر وطاقة الرياح والطاقة الشمسية الموجودة في البيئات الساحلية والبحرية.

على الرغم من وفرة مياه البحر، إلا أنها لا تستخدم عادة لتقسيم المياه. وما لم تتم تحلية المياه قبل دخولها إلى المحلل الكهربائي، وهي خطوة إضافية باهظة الثمن، فإن أيونات الكلوريد الموجودة في مياه البحر تتحول إلى غاز الكلور السام، الذي يؤدي إلى تحلل المعدات ويتسرب إلى البيئة.

ولمنع ذلك، قام الباحثون بإدخال غشاء رقيق شبه نافذ، تم تطويره في الأصل لتنقية المياه في عملية المعالجة بالتناضح العكسي. حل غشاء التناضح العكسي محل غشاء التبادل الأيوني الشائع الاستخدام في المحللات الكهربائية.
وقال لوغان: "الفكرة وراء التناضح العكسي هي وضع ضغط عالٍ على الماء ودفعه عبر الغشاء والحفاظ على أيونات الكلوريد في الخلف".

من خلال سلسلة من التجارب المنشورة في مجلة الطاقة والعلوم البيئية، اختبر الباحثون اثنين من أغشية التناضح العكسي المتوفرة تجاريًا واثنين من أغشية التبادل الكاتيوني، وهو نوع من غشاء التبادل الأيوني الذي يسمح بحركة جميع الأيونات الموجبة الشحنة في النظام.

تعتبر الطاقة النظيفة أولوية قصوى بالنسبة للبلدان في جميع أنحاء العالم. في حين تعتمد الطاقة التقليدية على الوقود الأحفوري مثل الفحم والغاز الطبيعي والنفط، فإن الطاقة النظيفة تأتي في أشكال مختلفة مثل الطاقة الشمسية وطاقة الرياح والطاقة الحرارية الأرضية والطاقة الكهرومائية والكتلة الحيوية.

يعد الهيدروجين أيضًا خيارًا رائدًا لتخزين الطاقة لمصادر الطاقة المتجددة ويمكن أن يساعد في تقليل المستويات المرتفعة من انبعاثات الكربون.
تشير الأبحاث الحالية إلى أن التحليل الكهربائي للمياه المالحة - عملية تقسيم الماء إلى أكسجين وهيدروجين - هو حل قابل للتطبيق للتحديات الشائعة للتحليل الكهربائي للمياه العذبة. يمكن للتحليل الكهربائي لمياه البحر أن ينتج هيدروجينًا مستدامًا دون تفاقم النقص العالمي في المياه العذبة.

وفقًا لمركز بيانات الوقود البديل التابع لوزارة الطاقة الأمريكية، يعد الهيدروجين النقي عنصرًا وفيرًا على الأرض ويظهر وعدًا كبيرًا في دعم التحول إلى طاقة نظيفة ومستدامة ومتجددة.

بعد إنتاج الهيدروجين، يمكنه توليد الكهرباء في خلية الوقود ولا ينبعث منه سوى بخار الماء والهواء الدافئ. نظرًا لأن الهيدروجين لا يطلق أي غازات دفيئة أو أكاسيد النيتروجين أو الهيدروكربونات أو أي مواد جسيمية أخرى، فإنه لا يؤثر سلبًا على البيئة.
للهيدروجين فوائد أخرى من شأنها أن تساعد في خلق اقتصاد الطاقة النظيفة. إنه الحل الأمثل للطاقة في المناطق الصعبة عادة لإزالة الكربون. إنه يزيد من موثوقية ومرونة شبكة الطاقة الحديثة. ويمكنه أيضًا تحسين الصحة العامة وحالة البيئة.

وبالإضافة إلى ذلك، فإنه يمكن أن يزيد من عدد فرص العمل وأمن الطاقة في الصناعات العالمية. ويمكن أن يساعد صناعة النقل على أن تصبح أكثر استدامة ويدعم التحول إلى السيارات الكهربائية. ويمكن أن تساهم في زيادة الإيرادات وتقوية الاقتصاد العالمي.

أحد التحديات التي تؤدي إلى ارتفاع التكاليف المرتبطة بإنتاج الهيدروجين الأخضر هو أن المحللات الكهربائية تتطلب مياهًا فائقة النقاء. وهذا يجعل التحليل الكهربائي التقليدي للمياه المالحة صعبًا لأن العديد من مصادر المياه مليئة بالملوثات.
على الرغم من أن وكالة حماية البيئة لديها متطلبات صارمة فيما يتعلق بالمياه بسبب وجود الرصاص والكلور والبكتيريا، إلا أن هذا لا يعني بالضرورة أن جميع المياه خالية من الملوثات.

التحليل الكهربائي لمياه البحر
ظهرت أبحاث التحليل الكهربائي لمياه البحر في أوائل القرن التاسع عشر. على الرغم من أن العلماء حققوا تقدمًا في إنتاج الهيدروجين، إلا أنه لم يكتسب أي قوة أو أصبح حلاً قابلاً للتطبيق للطاقة. في القرن العشرين، تم استخراج الهيدروجين في الغالب من الغاز الطبيعي واستخدامه لتشغيل السيارات والحافلات والمناطيد والصواريخ.

ورغم أن استخدام هذا الهيدروجين كان ممكنًا، إلا أن إنتاجه كان يستهلك الكثير من الطاقة وساهم في انبعاثات الكربون، وهو أحد الأسباب الرئيسية لتغير المناخ. بالإضافة إلى ذلك، تقوم بعض المدن بتصفية النفايات الصلبة البلدية باستخدام تكنولوجيا خلايا وقود الهيدروجين، التي تنتج الهيدروجين وتمنع التلوث الناجم عن النفايات في إمدادات المياه المحلية.

يقوم العديد من الباحثين والعلماء بتطوير تقنيات متقدمة باستخدام التحليل الكهربائي لمياه البحر لتجنب هذه التحديات. وإذا عملت هذه التقنيات بشكل صحيح، فسوف تنتج الهيدروجين المستدام دون استخدام موارد المياه العذبة أو المساهمة في انبعاثات الكربون.

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.