تطوير تقنيات لإنتاج الطاقة من الهيدروجين

يتزايد الوعي العام بأضرار حرق الوقود الأحفوري (كالفحم والبترول) من تلوث الهواء والبيئة وتراكم غازات الاحتباس الحراري داخل الغلاف الجوي للأرض، وما يستتبع ذلك من احترار كوني وتغيرات مناخية تتمثل بتصحر وجفاف وفيضانات وكوارث أخرى.
دفع كل ذلك إلى تنامي الاهتمام بالبحث عن مصادر للطاقة المتجددة والنظيفة التي لا تسبب تلوثاً واحتراراً وأمراضاً وطفرات وراثية. وقد حظي غاز الهيدروجين في السنوات الماضية باهتمام خاص نظراً لآفاقه الواعدة، ونظافته كوقود أخضر، وتوافر مصادره، وانخفاض تكلفة إنتاجه، وتتابع جهود تطوير تقنيات استخدامه.
كحول الإيثانول مصدر للهيدروجين
تمكن باحثون من جامعتي مينيسوتا الأميركية وباتراس اليونانية من تصميم خلايا لإنتاج الطاقة، تعتمد على حرق الهيدروجين، بصورة أقل تكلفة وأعلى كفاءة، وذلك باستخدام الكحول الأبيض.
استطاع الباحثون استخلاص غاز الهيدروجين مباشرة من كحول الإيثانول (الأبيض)، مما يفتح المجال لمصدر متجدد للطاقة؛ ويعزز ذلك سهولة الحصول على الكحول عن طريق تحويل مصادر رخيصة نسبياً كالنشا إلى سكر يتم تخميره إلى كحول.
والمعروف أن خلايا الطاقة التي تحرق غاز الهيدروجين تعمل على تحويل الروابط الكيميائية بين ذرات الهيدروجين إلى طاقة، تعادل 3 أمثال الطاقة الناتجة من احتراق الوقود العضوي التقليدي (الهايدروكربونات). ولكن الصعوبة كانت تكمن في إيجاد وسائل اقتصادية ونظيفة لتصميم هذه الخلايا.
وكانت العقبة التي تواجه الباحثين سابقا لدى استخلاص الهيدروجين من الكحول هي قابلية الكحول للاشتعال. كما أن الحافز الكيميائي الذي يستعمل عادة في تفاعلات استخلاص الهيدروجين، كما هو الأمر في الزيوت، يصيبه العطب في حالة الكحول الأبيض.
تقنية جاهزة للاستخدام
توصل هؤلاء العلماء إلى حل مشكلة قابلية الكحول للاشتعال باستخدام حاقن وقود مما يستخدم في صناعة السيارات، وهو يعمل على تبخير خليط الماء والهواء والكحول بسرعة لا تسمح للكحول بالاشتعال.
كما أمكن حل مشكلة عطب الحافز الكيميائي في التفاعل، مصادفة، بواسطة استخدام خليط من عنصري السيريوم والروديوم عوضاً عن استخدام عنصر الروديوم وحده، والذي يستخدم في استخلاص الهيدروجين من زيت الديزل.
وقد أكد الباحثون أن جهاز تحويل الكحول إلى هيدروجين (كمصدر للطاقة) جاهز للاستعمال، حتى في نطاق الاستخدام المنزلي، ولن يزيد حجمه عن حجم "غلاية الشاي". ورغم أن سعر الكحول يزيد بحوالي 50 بالمائة عن سعر الغازولين في الوقت الحالي، يأمل الباحثون في أن التمكن من إنتاج الكحول من مصادر أقل تكلفة مثل قطع الخشب أو الأعشاب أو بقايا المحاصيل أو النفايات العضوية، سيجعل اختراعهم اقتصادي أكثر.
يذكر أن الحكومة الأميركية قد خصصت 350 مليون دولاراً لمشروعات البحث الهادفة إلى تطوير خلايا طاقة من الهيدروجين لتسيير الشاحنات والسيارات. ورصد القطاع الخاص الأميركي أيضاً 225 مليون دولاراً لنفس الغرض على مدى خمس سنوات.
وكانت شركتا فورد ودايملر– كرايزلر لصناعة السيارات قد كشفتا منذ عام 2004 عن خطط إنتاج نحو 67 طرازاً من المركبات المسيرة بخلايا طاقة الهيدروجين.
تخزين الهيدروجين لإنتاج الطاقة
كان مختبر سانديا القومي الأميركي وشركة جنرال موتورز لصناعة السيارات قد دشنا مبادرة بحثية لتصميم واختبار وسائل متقدمة لتخزين الهيدروجين باستخدام الهايدريدات المعدنية، من أجل إنتاج طاقة نظيفة لمختلف أنواع المركبات.
تتكون الهايدريدات المعدنية (metal hydrides) من إضافة الهيدروجين إلى سبائك المعادن، وتستطيع أن تخزن الهيدروجين داخل بنيتها. وعندما تتعرض للحرارة، تطلق ما بها من هيدروجين، بحيث يمكن استخدامه مع الأكسجين لإنتاج طاقة كهربية في خلايا الوقود.
تهدف الشراكة البحثية بين جنرال موتورز (لصناعة المركبات) ومختبر سانديا الوطني (المعني بإدارة الأمن النووي) إلى تصميم واختبار خزانات لتخزين الهيدروجين في أحد أنواع الهايدريدات المعقدة، وهو هايدريد الصوديوم والألومنيوم (أي المكون الناتج من إضافة الهيدروجين أثناء سبك الصوديوم والألومنيوم)، وتسمّى هذه السبيكة "ألانات الصوديوم".
خلايا الوقود
ويأتي هذا المشروع ضمن جهود تُبذل على أكثر من صعيد لإيجاد طرق لتخزين ما يكفي من الهيدروجين في المركبات التي تعمل بخلايا الوقود، بما يوازي مقدار الطاقة الذي ينتجه خزان من الغاز الطبيعي.
وخلايا الوقود هي أجهزة كهروكيميائية تحوّل بصورة مستمرة الطاقة الكيميائية في الوقود (الهيدروجين) وعنصر مؤكسد (الأكسجين) إلى طاقة كهربية وحرارة، وذلك بدون احتراق.
والطاقة الكهربية الناتجة يمكن استغلالها في تدفئة المنازل أو في تسيير المركبات، وهي طاقة نظيفة لأنها لم تنتج من احتراق، وطاقة هادئة لأن عملية إنتاجها لا تتضمن أجزاء متحركة كما هو الأمر في آلات الاحتراق الداخلي التقليدية في السيارات.
تصاميم واختبارات وعقبات
جاء المشروع البحثي على مرحلتين. الأولى لدراسة كل التصاميم الهندسية الممكنة لخزانات ألانات الصوديوم. ثم تحليل هذه التصاميم باستخدام أساليب بناء النماذج الميكانيكية والحرارية، ثم تصميم أنظمة التحكم لنقل وتخزين الهيدروجين، ثم تطوير أنظمة إدارة الحرارة خارج خلايا الوقود نفسها.
وفي المرحلة الثانية، يتم تعريض أفضل التصاميم التي نتجت عن المرحلة الأولى لاختبارات أمان صارمة، ثم بناء أو صياغة نموذج أولي (prototype) من خزانات ألانات الصوديوم لتخزين الهيدروجين بناءاً على المعرفة المكتسبة من المرحلة الأولى من المشروع البحثي.
ورغم الآمال المعلقة بخلايا الوقود لإنتاج طاقة نظيفة باستخدام الهايدريدات المعدنية، فلا تزال ثمة عقبات أمام الوصول للكفاءة القصوى.
فمعظم الهايدريدات المعدنية المعقدة، مثل ألانات الصوديوم، تحتاج إلى درجة حرارة عالية للغاية، مما يؤدي إلى استهلاك بعض الهيدروجين بداية لإنتاج حرارة كافية لإطلاق باقي الهيدروجين المخزن بين ذرات سبيكة ألانات الصوديوم.
ولإعادة شحن سبيكة ألانات الصوديوم بالهيدروجين (بعد استنفاد محتواها منه)، يستغرق الأمر وقتا طويلا؛ حوالي 30 دقيقة، وهي مدة غير عملية، (مقارنة بمحطات الغازولين حالياً)، إذا تصورنا أن كل سيارة ستحتاج أن تتوقف أمام محطة "إعادة شحن الهيدروجين" لنصف ساعة مثلاً.