IT
USA
DE
FR
ES
AR
IT
EN
USA
DE
ZH
ES
FR
PT
JP
RU
KR
PL
RO
VN
HE
TR
CS
HR
DA
FI
EL
NL
SR
SK
SV
HU
الهيدروجين هو أبسط عنصر يمكن أن نجده على الأرض. تتكون ذراته من بروتون واحد وإلكترون واحد
. ليس من قبيل المصادفة أن الهيدروجين هو العنصر الأول في الجدول الدوري
كما قد يعتقد الكثيرون ، الهيدروجين ليس مصدرًا للطاقة ، بل هو ناقل للطاقة ، لأنه قادر على تجميع الطاقة وبالتالي توفيرها. كما في حالة خلايا الوقود ، التي تولد الكهرباء باستخدام تفاعل كيميائي للهيدروجين ، منتجتنا كمنتجات ثانوية
فقط الماء والحرارة و الكهرباء
على الرغم من أن الهيدروجين هو العنصر الأكثر وفرة في الكون ، إلا أنه يتم إنتاجه على الأرض باستخدام موارد داخلية مختلفة ، بما في ذلك الوقود الأحفوري مثل الغاز الطبيعي والفحم والماء والطاقة النووية ومصادر الطاقة المتجددة الأخرى ، مثل الكتلة الحيوية والرياح والطاقة الشمسية ، الطاقة الحرارية الجوفية والطاقة الكهرومائية ، باستخدام مجموعة واسعة من العمليات.
يمكن إنتاج الهيدروجين
• في موقع الاستخدام أو بالقرب منه ؛
• في المرافق الكبيرة ويتم تسليمها لاحقًا إلى نقطة الاستخدام ؛
• في مرافق متوسطة الحجم تقع على مقربة (40 إلى 160 كم) من نقطة الاستخدام
يمكن إنتاج الهيدروجين من خلال عمليات مختلفة.
تستخدم العمليات الكيميائية الحرارية الحرارة والتفاعلات الكيميائية لإطلاق الهيدروجين من المواد العضوية مثل الوقود الأحفوري والكتلة الحيوية
يمكن تقسيم الماء إلى هيدروجين وأكسجين عن طريق العمليات الكهروضوئية أو عن طريق الطاقة الشمسية مع العمليات الضوئية
حتى الكائنات الحية الدقيقة مثل البكتيريا والطحالب يمكن أن تنتج الهيدروجين من خلال العمليات البيولوجية
لكن دعنا نرى الآن لكل فئة من هذه الفئات ما هي أكثر التقنيات شيوعًا لإنتاج الهيدروجين.
العمليات الكيميائية الحرارية ، كما يوحي الاسم ، تستخدم الحرارة والتفاعلات الكيميائية لاستخراج الهيدروجين من التركيب الجزيئي: الغاز الطبيعي ، الفحم ، الكتلة الحيوية ، أو حتى من الماء.
يعد رد الفعل باستخدام الغاز الطبيعي الطريقة الأكثر استخدامًا في الوقت الحاضر لإنتاج الهيدروجين. تستخدم الهيدروكربونات ، مثل الميثان ، في هذا النوع من التفاعل.
يحتوي الغاز الطبيعي على الميثان الذي يمكن استخدامه لإنتاج الهيدروجين من خلال العمليات الكيميائية الحرارية ، مثل إصلاح البخار والأكسدة الجزئية للميثان.
في إصلاح البخار (أو "إعادة التشكيل بالبخار") ، يتفاعل الميثان والهيدروكربونات الأخرى مع البخار عند درجة حرارة وضغط مرتفعين ، وبفضل وجود عامل حفاز ، يتم تسريع التفاعل الكيميائي.
نواتج التفاعل هي: الهيدروجين و أحادي أكسيد الكربون. عملية إعادة التشكيل بالبخار ماصة للحرارة ، مما يعني أنه يجب توفير الحرارة للعملية حتى يستمر التفاعل ، عادةً عن طريق حرق بعض الميثان
إصلاح التفاعل باستخدام البخار
ومع ذلك ، في عملية الأكسدة الجزئية ، يتفاعل الميثان مع كمية محدودة من الأكسجين والتي لا تكفي لأكسدة الهيدروكربونات بالكامل إلى ثاني أكسيد الكربون والماء. تكون نواتج التفاعل دائمًا هيدروجين وأول أكسيد الكربون ، ولكن كما يمكن رؤيته في التفاعلات الكيميائية ، ينتج عن الأكسدة الجزئية كمية أقل من الهيدروجين بنفس كمية الوقود مقارنة بإصلاح البخار. ومع ذلك ، فإن الأكسدة الجزئية للميثان هي عملية طاردة للحرارة ، أي تنبعث منها حرارة ، وهذا هو السبب في أنها أسرع بكثير من الإصلاح بالبخار.
تفاعل الأكسدة الجزئي للميثان
في وقت لاحق ، في كلتا العمليتين ، يتفاعل أول أكسيد الكربون والبخار بمساعدة محفز في "تفاعل تحويل الغاز المائي" ، لإنتاج ثاني أكسيد الكربون والمزيد من الهيدروجين. في المرحلة الأخيرة من العملية ، والتي تسمى (امتزاز تأرجح الضغط " ، تتم إزالة ثاني أكسيد الكربون مما ينتج عنه هيدروجين نقي.
تفاعل انزياح ماء-غاز
دعنا ننتقل إلى العمليات الكهروضوئية ، حيث يتم استخدام الكهرباء لتطوير تفاعلات كيميائية.
. ليس من قبيل المصادفة أن الهيدروجين هو العنصر الأول في الجدول الدوري
كما قد يعتقد الكثيرون ، الهيدروجين ليس مصدرًا للطاقة ، بل هو ناقل للطاقة ، لأنه قادر على تجميع الطاقة وبالتالي توفيرها. كما في حالة خلايا الوقود ، التي تولد الكهرباء باستخدام تفاعل كيميائي للهيدروجين ، منتجتنا كمنتجات ثانوية
فقط الماء والحرارة و الكهرباء
على الرغم من أن الهيدروجين هو العنصر الأكثر وفرة في الكون ، إلا أنه يتم إنتاجه على الأرض باستخدام موارد داخلية مختلفة ، بما في ذلك الوقود الأحفوري مثل الغاز الطبيعي والفحم والماء والطاقة النووية ومصادر الطاقة المتجددة الأخرى ، مثل الكتلة الحيوية والرياح والطاقة الشمسية ، الطاقة الحرارية الجوفية والطاقة الكهرومائية ، باستخدام مجموعة واسعة من العمليات.
يمكن إنتاج الهيدروجين
• في موقع الاستخدام أو بالقرب منه ؛
• في المرافق الكبيرة ويتم تسليمها لاحقًا إلى نقطة الاستخدام ؛
• في مرافق متوسطة الحجم تقع على مقربة (40 إلى 160 كم) من نقطة الاستخدام
يمكن إنتاج الهيدروجين من خلال عمليات مختلفة.
تستخدم العمليات الكيميائية الحرارية الحرارة والتفاعلات الكيميائية لإطلاق الهيدروجين من المواد العضوية مثل الوقود الأحفوري والكتلة الحيوية
يمكن تقسيم الماء إلى هيدروجين وأكسجين عن طريق العمليات الكهروضوئية أو عن طريق الطاقة الشمسية مع العمليات الضوئية
حتى الكائنات الحية الدقيقة مثل البكتيريا والطحالب يمكن أن تنتج الهيدروجين من خلال العمليات البيولوجية
لكن دعنا نرى الآن لكل فئة من هذه الفئات ما هي أكثر التقنيات شيوعًا لإنتاج الهيدروجين.
العمليات الكيميائية الحرارية ، كما يوحي الاسم ، تستخدم الحرارة والتفاعلات الكيميائية لاستخراج الهيدروجين من التركيب الجزيئي: الغاز الطبيعي ، الفحم ، الكتلة الحيوية ، أو حتى من الماء.
يعد رد الفعل باستخدام الغاز الطبيعي الطريقة الأكثر استخدامًا في الوقت الحاضر لإنتاج الهيدروجين. تستخدم الهيدروكربونات ، مثل الميثان ، في هذا النوع من التفاعل.
يحتوي الغاز الطبيعي على الميثان الذي يمكن استخدامه لإنتاج الهيدروجين من خلال العمليات الكيميائية الحرارية ، مثل إصلاح البخار والأكسدة الجزئية للميثان.
في إصلاح البخار (أو "إعادة التشكيل بالبخار") ، يتفاعل الميثان والهيدروكربونات الأخرى مع البخار عند درجة حرارة وضغط مرتفعين ، وبفضل وجود عامل حفاز ، يتم تسريع التفاعل الكيميائي.
نواتج التفاعل هي: الهيدروجين و أحادي أكسيد الكربون. عملية إعادة التشكيل بالبخار ماصة للحرارة ، مما يعني أنه يجب توفير الحرارة للعملية حتى يستمر التفاعل ، عادةً عن طريق حرق بعض الميثان
إصلاح التفاعل باستخدام البخار
ومع ذلك ، في عملية الأكسدة الجزئية ، يتفاعل الميثان مع كمية محدودة من الأكسجين والتي لا تكفي لأكسدة الهيدروكربونات بالكامل إلى ثاني أكسيد الكربون والماء. تكون نواتج التفاعل دائمًا هيدروجين وأول أكسيد الكربون ، ولكن كما يمكن رؤيته في التفاعلات الكيميائية ، ينتج عن الأكسدة الجزئية كمية أقل من الهيدروجين بنفس كمية الوقود مقارنة بإصلاح البخار. ومع ذلك ، فإن الأكسدة الجزئية للميثان هي عملية طاردة للحرارة ، أي تنبعث منها حرارة ، وهذا هو السبب في أنها أسرع بكثير من الإصلاح بالبخار.
تفاعل الأكسدة الجزئي للميثان
في وقت لاحق ، في كلتا العمليتين ، يتفاعل أول أكسيد الكربون والبخار بمساعدة محفز في "تفاعل تحويل الغاز المائي" ، لإنتاج ثاني أكسيد الكربون والمزيد من الهيدروجين. في المرحلة الأخيرة من العملية ، والتي تسمى (امتزاز تأرجح الضغط " ، تتم إزالة ثاني أكسيد الكربون مما ينتج عنه هيدروجين نقي.
تفاعل انزياح ماء-غاز
دعنا ننتقل إلى العمليات الكهروضوئية ، حيث يتم استخدام الكهرباء لتطوير تفاعلات كيميائية.
يمكننا أن نذكر التحليل الكهربائي للمياه الأكثر شيوعًا ، حيث يتم استخدام الكهرباء لتقسيم الماء إلى هيدروجين وأكسجين.
يمكن أن تكون هذه طريقة مستدامة لإنتاج الهيدروجين ، حيث يمكن استخدام مصادر الطاقة المتجددة للتحليل الكهربائي الذي تم إنتاجه بنفسه دون انبعاثات غازات الاحتباس الحراري.
في التحليل الكهربائي للماء ، تتكون الخلية الإلكتروليتية من أنود وكاثود مفصولين بواسطة إلكتروليت ، تمامًا كما هو الحال في خلايا الوقود ، ومع ذلك ، في الأخير ، فإن العملية التي تحدث داخلها هي عكس ذلك تمامًا.
في هذا المحلل الكهربائي لغشاء البوليمر المنحل بالكهرباء ، يتكون المحلول الكهربائي من مادة بلاستيكية صلبة خاصة.
يتفاعل الماء مع القطب الموجب ليشكل
- أكسجين
- أيونات الهيدروجين موجبة الشحنة (أي البروتونات) التي تتحرك بشكل انتقائي عبر الغشاء البوليمري المنحل بالكهرباء إلى الكاثود.
- الإلكترونات التي تتدفق عبر دائرة خارجية حتى تصل أيضًا إلى القطب السالب.
عند الوصول إلى الكاثود ، تتحد أيونات الهيدروجين مع الإلكترونات في الدائرة الخارجية لتكوين غاز الهيدروجين.
بينما تستخدم عمليات التحليل الكهربائي الكهرباء ، تستخدم العمليات الضوئية بدلاً من ذلك طاقة الضوء لتقسيم الماء إلى هيدروجين وأكسجين. توفر هذه العمليات إمكانية الإنتاج المستدام للهيدروجين بتأثير بيئي منخفض.
في الخلية الكهروضوئية ، تشبه أشباه الموصلات تلك المستخدمة في توليد الكهرباء الشمسية الكهروضوئية. وهي مغمورة في إلكتروليت ذو أساس مائي ، حيث تثير أشعة الشمس عملية تقسيم الماء إلى هيدروجين وأكسجين في عملية مشابهة للتحليل الكهربائي للماء.
من بين العمليات الحيوية ، يمكننا تضمين عمليات التحويل للكتلة الحيوية الميكروبية ، والتي تستغل قدرة الكائنات الحية الدقيقة على استهلاك وهضم الكتلة الحيوية وإطلاق الهيدروجين.
لكن كيف تعمل دورة الإنتاج هذه بالتحديد؟
في الأنظمة القائمة على التخمير ، تقوم الكائنات الحية الدقيقة مثل البكتيريا بتفكيك المواد العضوية لإنتاج الهيدروجين. خلايا التحليل الكهربائي الميكروبية هي أجهزة تستغل الطاقة والبروتونات التي تنتجها الميكروبات لتوليد الهيدروجين.
دعونا نرى كيف يعمل:
تتكون خلية التحليل الكهربائي من أنود وكاثود ؛ الميكروبات الموجودة في قسم الأنود تستهلك مواد عضوية مثل حمض الأسيتيك وتنتج الإلكترونات والبروتونات. تمر الإلكترونات عبر سلك إلى القطب في قسم الكاثود. بمساعدة جهد كهربائي صغير ، يتم دمج البروتونات مع الإلكترونات لإنتاج غاز الهيدروجين. يتم إنتاج ما يسمى بالهيدروجين الأخضر من مصادر متجددة.
على الرغم من أن العيب الرئيسي لإنتاج الهيدروجين الأخضر هو الحاجة إلى كمية كبيرة من الكهرباء المنتجة من مصادر الطاقة المتجددة ، فإن الخبر السار هو أن أسعار الطاقة النظيفة قد انخفضت بشكل حاد في السنوات الأخيرة ؛ وفي الوقت نفسه ، أدى ارتفاع أسعار الوقود الأحفوري وانخفاض احتياطياته وحلول مكافحة تغير المناخ وتلوث الهواء إلى دفع العديد من الدول إلى الاستثمار في هذه التكنولوجيا في قطاعات مثل: النقل ، والصناعات الكيماوية ، والصناعات الثقيلة. .
في عالم حيث 7 مليارات شخص هم عبيد النفط ، هل تعتقد أن الهيدروجين الأخضر سيكون البديل الأكثر نظافة وفعالية للوقود الأحفوري؟ اسمحوا لنا أن نعرف أدناه في التعليقات!
يمكن أن تكون هذه طريقة مستدامة لإنتاج الهيدروجين ، حيث يمكن استخدام مصادر الطاقة المتجددة للتحليل الكهربائي الذي تم إنتاجه بنفسه دون انبعاثات غازات الاحتباس الحراري.
في التحليل الكهربائي للماء ، تتكون الخلية الإلكتروليتية من أنود وكاثود مفصولين بواسطة إلكتروليت ، تمامًا كما هو الحال في خلايا الوقود ، ومع ذلك ، في الأخير ، فإن العملية التي تحدث داخلها هي عكس ذلك تمامًا.
في هذا المحلل الكهربائي لغشاء البوليمر المنحل بالكهرباء ، يتكون المحلول الكهربائي من مادة بلاستيكية صلبة خاصة.
يتفاعل الماء مع القطب الموجب ليشكل
- أكسجين
- أيونات الهيدروجين موجبة الشحنة (أي البروتونات) التي تتحرك بشكل انتقائي عبر الغشاء البوليمري المنحل بالكهرباء إلى الكاثود.
- الإلكترونات التي تتدفق عبر دائرة خارجية حتى تصل أيضًا إلى القطب السالب.
عند الوصول إلى الكاثود ، تتحد أيونات الهيدروجين مع الإلكترونات في الدائرة الخارجية لتكوين غاز الهيدروجين.
بينما تستخدم عمليات التحليل الكهربائي الكهرباء ، تستخدم العمليات الضوئية بدلاً من ذلك طاقة الضوء لتقسيم الماء إلى هيدروجين وأكسجين. توفر هذه العمليات إمكانية الإنتاج المستدام للهيدروجين بتأثير بيئي منخفض.
في الخلية الكهروضوئية ، تشبه أشباه الموصلات تلك المستخدمة في توليد الكهرباء الشمسية الكهروضوئية. وهي مغمورة في إلكتروليت ذو أساس مائي ، حيث تثير أشعة الشمس عملية تقسيم الماء إلى هيدروجين وأكسجين في عملية مشابهة للتحليل الكهربائي للماء.
من بين العمليات الحيوية ، يمكننا تضمين عمليات التحويل للكتلة الحيوية الميكروبية ، والتي تستغل قدرة الكائنات الحية الدقيقة على استهلاك وهضم الكتلة الحيوية وإطلاق الهيدروجين.
لكن كيف تعمل دورة الإنتاج هذه بالتحديد؟
في الأنظمة القائمة على التخمير ، تقوم الكائنات الحية الدقيقة مثل البكتيريا بتفكيك المواد العضوية لإنتاج الهيدروجين. خلايا التحليل الكهربائي الميكروبية هي أجهزة تستغل الطاقة والبروتونات التي تنتجها الميكروبات لتوليد الهيدروجين.
دعونا نرى كيف يعمل:
تتكون خلية التحليل الكهربائي من أنود وكاثود ؛ الميكروبات الموجودة في قسم الأنود تستهلك مواد عضوية مثل حمض الأسيتيك وتنتج الإلكترونات والبروتونات. تمر الإلكترونات عبر سلك إلى القطب في قسم الكاثود. بمساعدة جهد كهربائي صغير ، يتم دمج البروتونات مع الإلكترونات لإنتاج غاز الهيدروجين. يتم إنتاج ما يسمى بالهيدروجين الأخضر من مصادر متجددة.
على الرغم من أن العيب الرئيسي لإنتاج الهيدروجين الأخضر هو الحاجة إلى كمية كبيرة من الكهرباء المنتجة من مصادر الطاقة المتجددة ، فإن الخبر السار هو أن أسعار الطاقة النظيفة قد انخفضت بشكل حاد في السنوات الأخيرة ؛ وفي الوقت نفسه ، أدى ارتفاع أسعار الوقود الأحفوري وانخفاض احتياطياته وحلول مكافحة تغير المناخ وتلوث الهواء إلى دفع العديد من الدول إلى الاستثمار في هذه التكنولوجيا في قطاعات مثل: النقل ، والصناعات الكيماوية ، والصناعات الثقيلة. .
في عالم حيث 7 مليارات شخص هم عبيد النفط ، هل تعتقد أن الهيدروجين الأخضر سيكون البديل الأكثر نظافة وفعالية للوقود الأحفوري؟ اسمحوا لنا أن نعرف أدناه في التعليقات!