الطاقة/الطاقة الهيدروجينية

الوقود الأب

كيمياء الهيدروجين:

يتميز الهيدروجين بوضع خاص في الجدول الدوري ، فهو أخف العناصر ، و يمتلك أبسط تركيب إلكتروني ، فذرته تتألف من بروتون واحد و يتحرك إلكترونه الوحيد في المدار 1S و هو في سويته الطبيعية . يشبه المعادن القلوية ( عناصر الفصيلة IA ) باحتوائه على إلكترون واحد في المدار S و كذلك يشبه الهالوجينات ( عناصر الفصيلة VIIB ) بكونه يحتاج إلى إلكترون واحد ليصل إلى تركيب الغاز النادر ، و هو الهليوم ، و يشكل بذلك شاردة الهيدريد السالبة . فيزيائياً يتواجد بالحالة الغازية في درجة الحرارة و الضغط الطبيعيين يتميع تحت ضغوط عالية و درجات حرارة متدنية جداً ، و هو عنصر خفيف نفوذ ذو قيمة حرارية مرتفعة .

وجوده في الطبيعة :

الهيدروجين الحر موجود في الجو الشمسي و في الغازات البركانية و في الجو الأرضي بمقدار جزء من مليون ( نسبة حجمية ) سرعته الجزيئية عند درجات الحرارة العادية عالية جداً مما يسمح له بالخروج من مجال الجاذبية الأرضية ، و هو يدخل في تركيب الماء و المواد العضوية كالخشب و الزيوت ، و هو يوجد بمقدار 59% تقريباً من القشرة الأرضية .

الحصول على الهيدروجين

إن الخاصية التي يتميز بها الهيدروجين هو استحالة توفره في الطبيعة بصورة منفردة، بل يجب استخراجه من مواد أخرى مثل الماء والمكونات الهيدروكربونية أو الكربون المهدرج، أن ما يقرب من نصف الهيدروجين المنتج بالعالم يتم استخراجه من الغاز الطبيعي وذلك من خلال إجراء تفاعلات كيميائية بين الغازالطبيعي وبخار الماء وتعريضه لعوامل أخرى محفزة، حيث يتم في النهاية فصل ذرات الهيدروجين عن ثاني أكسيد الكربون الذي يلعب دورا أساسيا في ارتفاع درجة حرارة الأرض أو ما يسمى بظاهرة الاحتباس الحراري. ومن الممكن أيضا الحصول على الهيدروجين صناعياً من خلال طريقتين رئيسيتين: تعتمد الطريقة الأولى على تحويل الفحم الحجري إلى الحالة الغازية( طريقة بوش ) : تتم هذه الطريقة على عدة خطوات : إدخال البخار على فحم الكوك المسخن حتى 1200 C يتم التفاعل الماص للحرارة :

( غاز الماء ) C + H2O → CO + H2

تنخفض درجة الحرارة إلى حوالي 800 C يدخل في الخطوة التالية الهواء ( 4N2+O2) الذي يتفاعل مع الكربون و يؤدي إلى ارتفاع درجة الحرارة ثانية إلى حوالي 1200 C ذلك لأنه تفاعل ناشر للحرارة

2C + ( 4N2 + O2 ) → 2CO + 4N2

في الخطوة الأخيرة يعالج غاز الماء مع بخار الماء في الدرجة 450 C بوجود وسيط من أوكسيد الحديد

CO + H2 + H2O ↔ CO2 + 2 H2

و نلاحظ أن التفاعل عكوسي لذا يتخلص من CO2 بمعالجته بمحلول قلوي ساخن أو بواسطة الماء تحت ضغط مرتفع 50 bar . 2- الحصول على الهيدروجين كناتج ثانوي في تفاعلات تكسير الفحوم الهيدروجينية ( المتان مثلاً ) :

CH4 ∆→ C + 2 H2 ( 800-1100) C

لكن لهاتين الطريقتين عيوب كثيرة، أهمها التكلفة الباهظة وزيادة انبعاث غاز ثاني أكسيد الكربون. و قد ركزت التطبيقات الصناعية على الطريقة الأولى و هي طريقة بوش و فيما يلي إحدى التطبيقات الصناعية العملية لهذه الطريقة ( محطة توليد الهيدروجين ) : نص عريض

مخطط محطة توليد للطاقة الكهربائية و الهيدروجين :

تعتمد هذه المحطة على خطة فصل الهيدروجين من بخار الماء ثم دخوله في التفاعل مع غازات الجسم العامل ثم نعود لنزع الهيدروجين النقي من تيار الغاز العامل الذي يذهب إلى العنفات :

وصف النظام :

خطة الفصل الغشائية مبينة بينياً وتتكون المحطة من الأجزاء الرئيسية التالية :

1- وحدة فصل الهواء

2- وحدة تحويل الكربون إلى الحالة الغازية

3- مفاعل WGS منخفض درجة الحرارة

4- وحدة فصل الهيدروجين ( HSMR )

5- وحدات امتصاص تأرجحات الضغط( PSA )

6- دارة عنفة غازية لتوليد الكهرباء ( GTCC )

7- ضواغط الهيدروجين و ثاني أوكسيد الكربون

8- مبادلات حرارية

إنتاج غاز Syngas :

يتم استخدام فحم كولورادو القاري السريع التبخر الذي مكوناته: ( 73.4% C ، 5.1% H ، 6.5% O ، 1.3% N ، 0.6% S ) نسبة الرطوبة فيه : 11.4% ، و الرماد : 11.7% ، و القيمة الحرارية له : HHV=29.58 Mj/Kg . يتم تحويل هذا الفحم إلى الحالة الغازية وفق تيار مسحوب من الأوكسجين يتم تدويره بشكل إعصاري ، و تتم عملية تحويل الطين الخبثي إلى غاز تحت ضغط 70 bar ، و العملية بكاملها تعتمد على التوازن الكيميائي . يتم الحصول على الأوكسجين ذو النقاوة 95% بكامله في وحدة فصل الأوكسجين من الهواء ( ASU ) . يمر بعدها غاز Syngas الذي درجة حرارته 1330 C خلال المبرد حيث يتم تنقيته من الجزيئات و المياه المنحلة و يبرد إلى الدرجة 250 C ثم يتم إشباعه بالبخار حيث تكون نسبة البخار إلى الكربون لا تقل عن 2.1 و ذلك لتفادي تشكل أية مركبات للكربون في مفاعل WGS باتجاه الجريان ( و ذلك وفقاً للمرحلة الأولى لطريقة بوش ). ثم يمر بعد ذلك غاز Syngas على درجة حرارة عالية 450 C في عملية أديباتية في وحدة WGS التي تحول 87% من مركبات غاز Syngas إلى H2 و CO2 ( و ذلك وفقاً للمرحلة الثانية لطريقة بوش ) و ذلك وفق النسب التالية : (3.0% CO ، 23.3% CO2 ، 34.2% H2) مما يؤدي إلى رفع درجة الحرارة بحدود 200C . تستخدم كل مفاعلات WGS الكبريتيد و الأملاح الحامضية للكوبالت كمادة محفزة على شكل حاجز فصل ، حيث يجتاز H2S هذا الحاجز دون أن يتأثر بينما يتم تحويل COS إلى H2S .

قاعدة فصل الغاز :

تتم هذه العملية باستخدام غشاء فصل هيدروجيني و هو ما يرمز له بالرمز (HSMR) و هو اختصار لـ : (H2 separation membrane reactor ) و الذي يقوم بمهمة تغيير التركيب الكيميائي لغاز ( Syngas ) إضافة لعملية فصل الهيدروجين . إن درجة الحرارة القصوى التي تتم تحتها العملية 450 C تضمن حصول حركة كيميائية سريعة و أداء متوازن دائم من خلال تيار الهيدروجين المستمر الذي يتم انتزاعه في نفس الوحدة . التصنيفات الرئيسية الثلاثة للأغشية النفوذة للهيدروجين : الخزف النفوذ ، و الخزف الكثيف الناقل للأيونات الموجبة ، و المعدن الكثيف ، و نحن سوف نركز هنا على النوع الثالث و الذي يكون على شكل أنابيب ، و التي تتم فيها العملية بشكل أديباتي و بجريان منتظم للجسم العامل . يتكون الغشاء من الكبريتيد و فيلم رقيق من عنصر البلاديوم ( Pd ) سماكته ( 10 µm ) مخلوط بنسبة 40% بالنحاس ( Cu )، تحيط به قناة معدنية مسامية داعمة له ، مع وجود طبقة من الأوكسيد لمنع الامتزاج بين الفيلم الرقيق (Pd+Cu) و الركيزة ، و يتم اختبار هذه الأغلفة بظروف هي ( تحت درجة حرارة 300-600 C و ضغط 35 bar ، وبتركيز لغاز H2S أعلى بـ 10% من تركيز الهيدروجين ). يمكن استخدام و حدات فصل ( HSMR ) بسيطة التصميم و ذات كلفة غير عالية نسبياً. إن القسم الأكبر من العملية يتم بسرعة في حدود 20% الأولى من طول المفاعل و يتم فيها نفاذ القسم الأكبر من الهيدروجين . ثم يمرر الهيدروجين بعدها على مبادل حراري ليخرج منه بدرجة حرارة 30 C إلى ضاغط الهيدروجين ليرفع ضغطه إلى 60 bar و منه إلى أنابيب الهيدروجين . طبعاً تقوم دارة العنفة الغازية بتوليد الكهرباء كناتج آخر عن هذه المحطة ( إضافة للهيدروجين ) و ذلك وفقاً للأرقام التالية الموجودة مع مخطط المحطة .

الحصول على الهيدروجين بتحليل الماء كهربائياً :

يتشكل الهيدروجين بالتحليل الكهربائي للماء بوجود آثار من الحموض أو الأسس أو الأملاح حيث يتصعد الهيدروجين على المهبط و الأوكسجين على المصعد وفق المعادلة : H2O → 2 H2 + O2

و تصبح هذه الطريقة ملائمة اقتصادياً عند توفر الكهرباء و سيتم ذكر هذا لاحقاً في الدور الذي يلعبه الهيدروجين في نقل الطاقة الكهربائية المولدة في العنفات الريحية في عرض البحار .

استخدامات الهيدروجين

في كتابه (طاقة الغد: الهيدروجين وخلايا الوقود.. من أجل كوكب نظيف خال من التلوث)، يقول الكاتب «بيتر هوفمان»: } بواسطة الهيدروجين، نستطيع تشغيل الطائرات والسيارات والقطارات والسفن والمصانع وتدفئة المنازل والمكاتب والمستشفيات والمدارس وغيرها، ويستطيع الهيدروجين، في حالته الغازية، نقل الطاقة كالكهرباء لمسافات بعيدة وعبر أنابيب النقل وبكفاءة عالية وبأقل تكلفة ممكنة، وباستطاعة الهيدروجين اعتمادا على تقنية وقود الطاقة أو الآلات الأخرى المولدة للطاقة أن يوفر لجمهور المستهلكين الكهرباء والماء النقي الصالح للشرب، والهيدروجين، بوصفه عنصرا كيميائيا، له استخدامات وتطبيقات متنوعة خلاف الطاقة الكهربائية { . و يمكن أن نصنف استخدامات الوقود الهيدروجيني بشكل رئيسي ضمن الحقول الأربعة الرئيسية التالية :

1. وقود لوسائط النقل ( سيارات ، طائرات )العاملة على تقنية خلايا الوقود الهيدروجيني و تطبيقاتها الأوسع وصولاً لاستخدامها مستقبلاً في محطات توليد الطاقة .

2. استخدامه كبطارية بسعات تتدرج من الصغيرة المستخدمة في الحواسب الشخصية المحمولة و صولاً إلى بواخر نقل الهيدروجين التي تنقله من محطات الطاقة المتجددة إلى أماكن توليد الكهرباء البعيدة لحل مشاكل و تكاليف الشبكات الطويلة و الضياعات الطاقية عبرها .

3. وقوداً مولدأ للطاقة الحرارية باحتراقه المباشر في المراجل في محطات الطاقة ، إضافة لاستخدامه كوقود دفعي في الصواريخ .

4. وقودأ عاملاً في المفاعلات النووية ، و نخص بالذكر منها تقنية مفاعل ( ITER ) الذي يعمل على مبدأ توليد الطاقة على سطح الشمس .

إن المجالين الأول و الثاني يعتمدان بشكل مباشر على خلايا الوقود و التي تعتمد على تفاعلات الأكسدة و الإرجاع، أما المجالين الأخيرين فيعتمدان على القيمة الحرارية المرتفعة للهيدروجين و هي ( HHV=142 Mj/Kg ) . و يظهر الشكل نظرة كانت مستقبلية و تحولت إلى حقيقة مع بدء تنفيذ هذه المنظومة مع نهاية التسعينات ( 1998 )