فرآیند بهبود یافته Solar Thermochemical حدود 40 از گرمای خورشید را برای تولید هیدروژن سبز جذب می کند.

وزارت انرژی ایالات متحده هدفی را تعیین کرده است که تا سال 2030، هیدروژن سبز را با قیمت 1 دلار در هر کیلوگرم در داخل کشور بسازد و هزینه های فعلی از 3 تا 8 دلار متغیر است و هیچ یک از آن ها در مقیاس انجام نمی شود.

کاهش هزینه هیدروژن سبز یک نگرانی جدی برای سیاستگذاران و صنعت است که بیشتر تلاش‌ها از طریق الکترولیز انجام می‌شود که از الکتریسیته برای تقسیم آبی که تولید هیدروژن را می‌رساند استفاده می‌کند.

جنیفر چو در MIT تحقیقاتی را در مورد فرآیند هیدروژن حرارتی خورشیدی (STCH) که از گرمای نور متمرکز خورشید استفاده می‌کند، توضیح می‌دهد.

طرح‌های STCH موجود کارایی محدودی دارند و هزینه بالایی دارند: تنها حدود 7 درصد از نور خورشید ورودی برای تولید هیدروژن استفاده می‌شود و فرآیند جدید دارای یک قطار دوار از ماژول‌های راکتور کوچک است که در آن بخار فوق‌گرم شده فلزی را اکسید می‌کند و هیدروژن را آزاد می‌کند.

این پیشرفت، روشی است که فلز به طور موثر کاهش می یابد (یعنی اکسیدزدایی می شود)، که این فرآیند را قادر می سازد دوباره شروع شود، سیستم جدید اجازه می دهد تا 40 درصد از نور خورشید استفاده شود.

این ماژولار و مقیاس پذیر است، اگرچه هنوز در مرحله طراحی است و تیم تحقیقاتی انتظار دارند در طول سال یک نمونه اولیه بسازند.

طراحی MIT 40 درصد از گرمای خورشید را برای تولید سوخت هیدروژنی تمیز مهار می کند، سیستم های متعارف برای تولید هیدروژن به سوخت های فسیلی بستگی دارد، اما سیستم جدید فقط از انرژی خورشیدی استفاده می کند.

هیدروژن ترموشیمیایی خورشیدی

در مطالعه‌ای که در مجله انرژی خورشیدی منتشر شد، مهندسان طرح مفهومی سیستمی را ارائه کردند که می‌تواند به طور موثر هیدروژن حرارتی خورشیدی تولید کند.

این سیستم از گرمای خورشید برای تقسیم مستقیم آب و تولید هیدروژن استفاده می‌کند - سوختی تمیز که می‌تواند به کامیون‌ها، کشتی‌ها و هواپیماهای مسافت طولانی انرژی دهد، در حالی که در این فرآیند هیچ گاز گلخانه‌ای منتشر نمی‌کند.

امروزه، هیدروژن عمدتاً از طریق فرآیندهایی تولید می‌شود که شامل گاز طبیعی و سایر سوخت‌های فسیلی می‌شود، که باعث می‌شود سوخت سبز رنگ از زمان شروع تولید تا استفاده نهایی، بیشتر به یک منبع انرژی خاکستری تبدیل شود.

در مقابل هیدروژن ترموشیمیایی خورشیدی، یا STCH، جایگزینی کاملاً بدون آلایندگی را ارائه می دهد، زیرا به طور کامل به انرژی خورشیدی تجدید پذیر برای هدایت تولید هیدروژن متکی است.

اما تاکنون طرح‌های STCH موجود، کارایی محدودی دارند: تنها حدود 7 درصد از نور خورشید ورودی برای تولید هیدروژن استفاده می‌شود. نتایج تا کنون کم بازده و هزینه بالا بوده است.

در یک گام بزرگ به سوی تحقق سوخت های خورشیدی، تیم MIT تخمین می زند که طراحی جدید آن می تواند تا 40 درصد از گرمای خورشید را برای تولید هیدروژن بسیار بیشتر مهار کند.

افزایش کارایی می تواند هزینه کلی سیستم را کاهش دهد و STCH را به یک گزینه بالقوه مقیاس پذیر و مقرون به صرفه برای کمک به کربن زدایی صنعت حمل و نقل تبدیل کند.

1 دلار در هر کیلوگرم تا سال 2030

احمد گونیم نویسنده ارشد این مطالعه، استاد مهندسی مکانیک رونالد سی کرین در MIT می‌گوید: ما به هیدروژن به‌عنوان سوخت آینده فکر می‌کنیم و نیاز به تولید ارزان و در مقیاس آن وجود دارد و ما در تلاش هستیم تا به هدف وزارت انرژی که تولید هیدروژن سبز تا سال 2030 با قیمت 1 دلار در هر کیلوگرم است، برسیم.

برای بهبود اقتصاد، ما باید کارایی را بهبود بخشیم و مطمئن شویم که بیشتر انرژی خورشیدی که جمع آوری می کنیم در تولید هیدروژن استفاده می شود.

نویسندگان همکار مطالعه Ghoniem ،Aniket Patankar، نویسنده اول و فوق دکترای MIT هستند، هری تولر، استاد علوم و مهندسی مواد MIT؛ شیائو یو وو از دانشگاه واترلو؛ و Wonjae Choi در دانشگاه Ewha Womans در کره جنوبی.

متفاوت از هیدروژن ساخته شده از الکترولیز

مشابه دیگر طرح‌های پیشنهادی، سیستم MIT با یک منبع گرمای خورشیدی موجود، مانند یک نیروگاه خورشیدی متمرکز (CSP) جفت می‌شود - آرایه‌ای دایره‌ای از صدها آینه که نور خورشید را جمع‌آوری کرده و به یک برج گیرنده مرکزی منعکس می‌کند.

سپس یک سیستم STCH گرمای گیرنده را جذب کرده و آن را به تقسیم آب و تولید هیدروژن هدایت می کند. این فرآیند بسیار متفاوت از الکترولیز است که از الکتریسیته به جای گرما برای شکافتن آب استفاده می کند.

فرآیند زنگ زدگی برگشت پذیر

در قلب یک سیستم مفهومی STCH یک واکنش حرارتی دو مرحله ای است. در مرحله اول آب به صورت بخار در معرض فلز قرار می گیرد. این باعث می شود که فلز اکسیژن را از بخار بگیرد و هیدروژن را پشت سر بگذارد و این اکسیداسیون فلزی شبیه زنگ زدن آهن در حضور آب است، اما بسیار سریعتر اتفاق می افتد.

پس از جدا شدن هیدروژن، فلز اکسید شده (یا زنگ زده) دوباره در خلاء گرم می شود که فرآیند زنگ زدگی را معکوس می کند و فلز را بازسازی می کند. با حذف اکسیژن، فلز را می توان خنک کرد و دوباره در معرض بخار قرار داد تا هیدروژن بیشتری تولید کند. این فرآیند را می توان صدها بار تکرار کرد.

سیستم MIT برای بهینه سازی این فرآیند طراحی شده است، این سیستم در کل شبیه قطاری از راکتورهای جعبه‌ای شکل است که روی یک مسیر دایره‌ای کار می‌کنند. در عمل، این مسیر در اطراف یک منبع حرارتی خورشیدی، مانند یک برج CSP تنظیم می شود.

هر رآکتور در قطار، فلزی را در خود جای می‌دهد که تحت فرآیند ردوکس یا زنگ‌زدگی برگشت‌پذیر قرار می‌گیرد.

هر رآکتور ابتدا از یک ایستگاه داغ عبور می کند، جایی که در دمای 1500 درجه سانتیگراد در معرض گرمای خورشید قرار می گیرد و این گرمای شدید به طور موثر اکسیژن را از فلز یک راکتور خارج می کند. سپس آن فلز در حالت کاهش یافته قرار می گیرد - آماده گرفتن اکسیژن از بخار.

برای اینکه این اتفاق بیفتد، راکتور به یک ایستگاه خنک‌تر در دمای حدود 1000 درجه سانتیگراد منتقل می‌شود، جایی که برای تولید هیدروژن در معرض بخار قرار می‌گیرد.

زنگ و ریل

سایر مفاهیم مشابه STCH با یک مانع مشترک روبرو شده اند: با گرمای آزاد شده توسط راکتور کاهش یافته در هنگام خنک شدن چه باید کرد، بدون بازیابی و استفاده مجدد از این گرما، راندمان سیستم بسیار کم است که عملی نباشد.

چالش دوم مربوط به ایجاد یک خلاء با انرژی کارآمد است که در آن فلز می تواند زنگ زدایی کند. برخی از نمونه‌های اولیه با استفاده از پمپ‌های مکانیکی خلاء تولید می‌کنند، اگرچه پمپ‌ها برای تولید هیدروژن در مقیاس بزرگ بیش از حد انرژی بر و پرهزینه هستند.

برای مقابله با این چالش ها، طراحی MIT چندین راه حل صرفه جویی در انرژی را در خود جای داده است و برای بازیابی بیشتر گرمایی که در غیر این صورت از سیستم خارج می‌شود، راکتورهایی که در طرف مقابل مسیر دایره‌ای قرار دارند، مجاز به تبادل گرما از طریق تشعشعات حرارتی هستند.

راکتورهای داغ سرد می شوند در حالی که راکتورهای سرد گرم می شوند، این باعث حفظ گرما در داخل سیستم می شود. محققان همچنین مجموعه دومی از راکتورها را اضافه کردند که دور قطار اول می چرخند و در جهت مخالف حرکت می کنند.

این قطار بیرونی از راکتورها در دماهای عموماً سردتر کار می‌کند و برای تخلیه اکسیژن از قطار داخلی گرم‌تر، بدون نیاز به پمپ‌های مکانیکی انرژی‌زا استفاده می‌شود.

این راکتورهای بیرونی نوع دومی از فلز را حمل می‌کنند که می‌تواند به راحتی اکسید شود و همانطور که راکتورهای بیرونی به دور خود می چرخند، اکسیژن را از راکتورهای داخلی جذب می کنند و به طور موثر فلز اصلی را بدون نیاز به استفاده از پمپ های خلاء پر انرژی، زنگ می زنند.

هر دو قطار رآکتور به طور مداوم کار می کنند و جریان های جداگانه ای از هیدروژن و اکسیژن خالص تولید می کنند.

راندمان از 7% تا 40%

محققان شبیه‌سازی‌های دقیقی از طرح مفهومی انجام دادند و دریافتند که بازده تولید هیدروژن ترموشیمیایی خورشیدی را از 7 درصد به 40 درصد افزایش می‌دهد.

Ghoniem می‌گوید: ما باید به هر ذره انرژی در سیستم فکر کنیم و چگونه از آن استفاده کنیم تا هزینه را به حداقل برسانیم. و با این طراحی، متوجه شدیم که همه چیز می‌تواند با گرمای خورشید تامین شود، قادر است از 40 درصد گرمای خورشید برای تولید هیدروژن استفاده کند.

کریستوفر موهیچ، استادیار مهندسی شیمی در دانشگاه ایالتی آریزونا که در این تحقیق مشارکتی نداشت، می‌گوید: اگر بتوان این موضوع را محقق کرد، می‌تواند آینده انرژی ما را به شدت تغییر دهد - یعنی تولید هیدروژن را 24 ساعته و 7 روز هفته فعال کنیم.

توانایی ساخت هیدروژن، پایه اصلی تولید سوخت مایع از نور خورشید است.

در سال آینده، این تیم در حال ساخت نمونه اولیه سیستمی است که قصد دارند در تاسیسات انرژی خورشیدی متمرکز در آزمایشگاه‌های وزارت انرژی آمریکا که در حال حاضر بودجه پروژه را تامین می‌کند، آزمایش کنند.

پاتانکار توضیح می دهد: وقتی این سیستم به طور کامل اجرا شود، در یک ساختمان کوچک در وسط میدان خورشیدی قرار می گیرد.

در داخل ساختمان، ممکن است یک یا چند قطار وجود داشته باشد که هر کدام حدود 50 راکتور دارند، ما فکر می کنیم که این می تواند یک سیستم مدولار باشد، که در آن می توانید راکتورهایی را به یک تسمه نقاله اضافه کنید تا تولید هیدروژن را افزایش دهید.

مالکیت معنوی مجله انرژی (energymag.ir) علامت تجاری ناشر است. سایر علائم تجاری مورد استفاده در این مقاله متعلق به دارندگان علامت تجاری مربوطه می باشد. ناشر وابسته یا مرتبط با دارندگان علامت تجاری نیست، و توسط دارندگان علامت تجاری حمایت، تایید یا ایجاد نشده است، مگر اینکه خلاف آن ذکر شده باشد و هیچ ادعایی از سوی ناشر نسبت به حقوق مربوط به علائم تجاری شخص ثالث وجود ندارد.