- طور علماء صينيون نظامًا بقدرة 250 كيلوواط لإنتاج الهيدروجين والمياه العذبة من مياه البحر.
- ارتفعت كفاءة استخدام الكهرباء في النظام بنسبة 14.4% مقارنة بالتحليل الكهربائي القلوي التقليدي.
- يمكن للنظام إنتاج ما يكفي من المياه العذبة لتغذية خلية التحليل، واستعادة الموارد البحرية.
- يخطط الباحثون لتحسين المحفزات واستعادة الحرارة المهدرة من خلية التحليل بشكل أكبر.
طور علماء صينيون نظامًا بقدرة 250 كيلوواط قادرًا على إنتاج الهيدروجين والمياه العذبة من مياه البحر، مع استعادة موارد بحرية قيمة في الوقت نفسه. ووفقًا لدراسة جديدة، تفوق كفاءة استخدام الكهرباء في هذا الجهاز بنسبة 14.4% على التحليل الكهربائي القلوي التقليدي للمياه. وقاد هذا البحث دنغ دهوي (Deng Dehui) وليو يانتينغ (Liu Yanting) من معهد داليان للفيزياء الكيميائية التابع للأكاديمية الصينية للعلوم، بهدف حل المشكلات الرئيسية في عملية إنتاج الهيدروجين من مياه البحر. وجمع الباحثون بين عمليتي التحليل الكهربائي وإزالة الملح، مما أتاح إعادة استخدام الحرارة التي عادة ما تُهدر أثناء إنتاج الهيدروجين.
يُستكشف الهيدروجين المنتج باستخدام الكهرباء المتجددة كمصدر طاقة أنظف. ويمكن أن يوفر استخدام مياه البحر مصدرًا وفيرًا للمياه، لكن التحليل الكهربائي المباشر لمياه البحر يثير مشكلات تقنية متعددة. فقد تتفاعل أيونات الكلوريد في مياه البحر عند القطب الموجب مسببة تآكل الأقطاب الكهربائية، بينما قد تشكل أيونات الكالسيوم والمغنيسيوم رواسب معدنية على القطب السالب، مما يقلل الأداء بمرور الوقت. أما الطريقة الثانية فتتمثل في إزالة الملح من مياه البحر أولاً، ثم استخدام المياه العذبة الناتجة في التحليل الكهربائي. ويمكن للتناضح العكسي والتقطير توفير مصدر مياه مناسب، إلا أن إزالة الملح تزيد من متطلبات المعدات وترفع الطلب على الكهرباء.
دمج تقنيات التحليل الكهربائي وإزالة الملح
استند الباحثون إلى هذه الطريقة للبحث عن حلول لاستعادة الطاقة التي عادة ما تُفقد أثناء العملية. وتعمل أنظمة التحليل الكهربائي التجارية عند درجات حرارة تبلغ حوالي 176 إلى 194 درجة فهرنهايت (80 إلى 90 درجة مئوية). وعند هذه الدرجات، قد يتحول نحو 30% من الكهرباء إلى حرارة مهدرة منخفضة الجودة. وربط الباحثون خلية التحليل بوحدة إزالة الملح لالتقاط هذه الحرارة. وتوجه الحرارة المهدرة إلى برج تقطير فراغي، مما يساعد مياه البحر على الغليان والتبخر عند 104 إلى 122 درجة فهرنهايت فقط (40 إلى 50 درجة مئوية)، ثم يتكثف البخار الناتج ليصبح مياهًا عذبة.
أفادت الأكاديمية الصينية للعلوم بأن النظام قادر على إنتاج ما يكفي من المياه لتغذية خلية التحليل، مع توفر مياه عذبة إضافية للاستخدام. كما يمكن معالجة مياه البحر المركزة بشكل أكبر لاستخراج الملح واليورانيوم والبروم وموارد بحرية أخرى.
أداء النظام وإنتاجه
تستند هذه الدراسة إلى وحدة بقدرة 25 كيلوواط طورها الفريق في عام 2023. وتستخدم النظام نفس تقنية إزالة الملح، وحصلت على تقييم "رائد دوليًا" من اتحاد صناعة البترول والكيميائيات الصيني. وقد وسع الباحثون التصميم الآن ليصل إلى 250 كيلوواط، ويمكن لهذا المرفق الأكبر إنتاج 380,000 متر مكعب قياسي (نحو 13.4 مليون قدم مكعب قياسي) من الهيدروجين سنويًا، بنقاوة تصل إلى 99.99%. كما يمكن للمرفق إنتاج 256 طنًا متريًا (نحو 282 طنًا أمريكيًا) من المياه العذبة سنويًا.
خلال فترة الاختبار، عمل النظام لمدة 40 يومًا مع عمليات تشغيل وإيقاف يومية، دون أي تراجع ملحوظ في الأداء.
وجدت الدراسة أن كفاءة استخدام الكهرباء في هذا النظام المتكامل تفوق بنسبة 14.4% على التحليل الكهربائي القلوي التقليدي للمياه. وأشار الباحثون أيضًا إلى أن قدرة هذا النظام على المنافسة قد تتفوق على الطريقة التقليدية المتمثلة في إزالة ملح مياه البحر ثم تحليلها. وعندما يبلغ سعر الكهرباء من طاقة الرياح البرية 0.033 دولار هونغ كونغ لكل كيلوواط ساعة، يُقدر تكلفة إنتاج الهيدروجين بـ 2.10 دولار أمريكي للكيلوغرام (نحو 16 دولار هونغ كونغ)؛ بينما ترتفع التكلفة إلى 2.90 دولار أمريكي للكيلوغرام (نحو 22 دولار هونغ كونغ) عندما تبلغ تكلفة كهرباء الطاقة الشمسية 0.049 دولار هونغ كونغ لكل كيلوواط ساعة.
قورنت هذه الأرقام بسعر بيع الهيدروجين الحالي البالغ نحو 3.90 دولار أمريكي للكيلوغرام (نحو 30 دولار هونغ كونغ). وقال دنغ دهوي إن العمل المستقبلي يجب أن يركز على محفزات أفضل، وتحسين استعادة الحرارة المهدرة من خلية التحليل، وتحسين معلمات التشغيل القائمة على الذكاء الاصطناعي، لزيادة كفاءة النظام بشكل أكبر. وقد نُشرت الدراسة في دورية "Nature Energy".
البند المواصفات القدرة 250 كيلوواط إنتاج الهيدروجين السنوي 380,000 متر مكعب قياسي إنتاج المياه العذبة السنوي 256 طنًا متريًا نقاوة الهيدروجين 99.99%
اختراق وتحديات تقنية تحليل مياه البحر كهربائيًا
يُظهر نظام تحليل مياه البحر الكهربائي بقدرة 250 كيلوواط الذي طوره علماء صينيون إمكانات دمج تقنيات التحليل الكهربائي وإزالة الملح، مما يتيح استخدام موارد مياه البحر بكفاءة لإنتاج الهيدروجين والمياه العذبة. لا ترفع هذه التقنية كفاءة استخدام الكهرباء فحسب، بل تتيح أيضًا استعادة الموارد البحرية، وهو ما يكتسي أهمية كبيرة لحل مشكلتي نقص الطاقة والموارد المائية. ومع ذلك، لا يزال تحليل مياه البحر يواجه تحديات تقنية، مثل تآكل أيونات الكلوريد وترسب المعادن. ويحتاج البحث المستقبلي إلى التركيز على تحسين المحفزات وتحسين تشغيل النظام، لتعزيز قدرته التنافسية التجارية بشكل أكبر.