رصد أخبار الطاقة

Aenert. Research Laboratory news
الهيدروجين مادة وفيرة تشكل نحو 75 في المائة من كتلة الكون. وهو أيضًا عنصر سيتم استخدامه يومًا ما على نطاق أوسع لدفع المركبات. ومن أجل تحقيق هذا الهدف، يعد تحسين طرق التخزين ذا أهمية أساسية حيث أن تخزين هذه المواد بكفاءة يعد مهمة صعبة ويجب استيفاء معايير معينة من أجل التوافق مع معايير السلامة. يتمتع الهيدروجين بطاقة عالية لكل كتلة، ولكنه منخفض الطاقة لكل وحدة حجم بسبب انخفاض درجة الحرارة المحيطة. يمكن تخزينه فيزيائياً على شكل غاز أو سائل. يتطلب التخزين على شكل غاز خزانات ضغط عالي. من ناحية أخرى، إذا تم تخزينه كسائل، فإنه يحتاج إلى درجات حرارة مبردة لأن نقطة غليان الهيدروجين هي -252.8 درجة مئوية. ويمكن أيضًا تخزينه على أسطح المواد الصلبة أو داخل المواد الصلبة. تشترك جميع خيارات التخزين المتوفرة في شيء واحد: أنها تحتاج إلى صهاريج تخزين كبيرة. هذه ليست مشكلة كبيرة إذا كان الأمر يتعلق بالتطبيقات الثابتة. ومع ذلك، عندما يتعلق الأمر بالتنقل الذي يعمل بخلايا الوقود، فإن تمكين مدى يتراوح بين 200 و300 كيلومتر مع توفير إعادة التزود بالوقود بشكل آمن وسهل يصبح أكثر صعوبة.

في الآونة الأخيرة ( 2021 )، صمم العلماء في فراونهوفر وقودًا يعتمد على الهيدروجين ومناسبًا للمركبات الصغيرة. يعتمد الوقود على هيدريد المغنيسيوم الصلب ويسمى POWERPASTE. تم تصميم POWERPASTE بطريقة تمكنه من تخزين الهيدروجين في صورة كيميائية في درجة حرارة الغرفة والضغط الجوي ثم إطلاقه عند الطلب. كما تأكد العلماء من أن POWERPASTE لن يبدأ في التحلل إلا عند درجات حرارة تبلغ حوالي 250 درجة مئوية، مما يعني أنه لا يشتعل ذاتيًا حتى عند تعرض السكوتر الإلكتروني لأشعة الشمس لساعات. علاوة على ذلك، فإن إعادة التزود بالوقود أمر بسيط للغاية: لا حاجة إلى محطات تعبئة، فما على سائقي السيارات سوى استبدال خرطوشة فارغة بأخرى جديدة ثم إعادة ملء الخزان بالمياه الرئيسية سواء في المنزل أو قيد التشغيل.

كانت المادة الأولية لـPOWERPASTE هي المغنيسيوم، وهو عنصر وفير ومادة خام متاحة بسهولة. تم خلط مسحوق المغنيسيوم مع الهيدروجين لتكوين هيدريد المغنيسيوم في عملية أجريت عند 350 درجة مئوية وخمسة إلى ستة أضعاف الضغط الجوي. ثم أضاف العلماء إسترًا وملحًا معدنيًا لتكوين المنتج النهائي. تم تركيب POWERPASTE في السيارة، وتم إطلاقه من الخرطوشة بواسطة مكبس. ومن خلال إضافة الماء من خزان على متن الطائرة، أدى التفاعل الناتج إلى توليد غاز الهيدروجين بكمية تتوافق مع المتطلبات الفعلية لخلية الوقود. ومن الميزات المفيدة الأخرى أن نصف الهيدروجين فقط جاء من POWERPASTE، وتم إنتاج الباقي عن طريق الماء المضاف، مما زاد من كثافة تخزين الطاقة للمنتج.

لقد حاول العلماء منذ فترة طويلة تحسين المحركات التي تعمل بالهيدروجين. في عام 2019، تم تطوير خلية وقود خفيفة الوزن ومرنة تعتمد على الركيزة الورقية ورقائق الألومنيوم، والتي تم استخدامها كمصدر للهيدروجين في الموقع عن طريق التفاعل مع محلول إلكتروليت أثناء التشغيل. نظرًا لمنع نقل الهيدروكسيل عن طريق شبكة السليلوز المسامية، يمكن التحكم في تفاعل التآكل القوي، على الرغم من استخدام المنحل بالكهرباء القلوي القوي، بحيث يمكن تفريغ خلية الوقود لأكثر من 5 ساعات عند 0.83 فولت. وكانت كفاءة الطاقة تصل إلى 72٪. كانت مرونة خلية الوقود أيضًا جيدة جدًا عند مواجهة زوايا الانحناء المختلفة. ونظرًا لانتاج الطاقة المعتدل، كانت خلية الوقود الهيدروجينية الورقية المرنة هذه مناسبة لتشغيل العديد من الأجهزة المرنة والمنخفضة القوة، مثل الأجهزة الإلكترونية القابلة للارتداء. ومع ذلك، يمكن الحصول على طاقة أعلى عن طريق التراص المناسب لخلايا الوقود.

Image: Schematic diagrams of the flexible hydrogen PBFC: (a) Working principle; (b) Exploded view of the cell structure



Source: Yifei Wang, Holly Kwok, Yingguang Zhang, Wending Pan/ Flexible hydrogen fuel cell fabricated on paper with embedded aluminium foil/ E3S Web of Conferences 83:01004, January 2019/ DOI:10.1051/e3sconf/20198301004/ Open Source This is an Open Access article is distributed under the terms of the Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0)

في عام 2022 ، قام فريق من العلماء بإعداد أغشية Nafion لتخليق الهيدروجين من الميثانول والتي تتكون من مركبين مختلفين من مركب النانو MF. -4SC وتم تعديل أغشية البوليانيلين (PANI) من خلال طريقة الصب في عمليتين مختلفتين لتسلل البوليانيلين. تم تحسين ظروف التشغيل فيما يتعلق بالكثافة الحالية والاستقرار وتركيز الميثانول. تم تحليل أداء الخلية لمختلف العوامل، مثل تركيز الميثانول، والماء، وجهد الخلية. تم تقييم الطاقة اللازمة للتحليل الكهربائي للمياه النقية عند درجات حرارة مختلفة للأغشية المختلفة. تبين أن المحلل الكهربائي PEM يوفر إنتاجًا أفضل للهيدروجين بمقدار 30 مل/دقيقة، ويعمل عند 160 مللي أمبير/سم ² . وجد أن التحليل الكهربائي للماء والميثانول يتطلب طاقة كهربائية أقل من التحليل الكهربائي للماء النقي. بلغ استهلاك الطاقة في التحليل الكهربائي للميثانول 2.34 كيلو واط ساعة / كجم من الهيدروجين. وكان هذا أقل عدة مرات من الطاقة الكهربائية اللازمة لإنتاج 1 كجم من الهيدروجين عن طريق التحليل الكهربائي للماء.

Image: SEM images of the surface of the MF-4SC membrane (a) and composite membrane MF-4SC/PANI-3H* (b). SEM images of the cross section of an MF-4SC membrane (c) and composite membrane MF-4SC/PANI-3H* (d)



Source: Carlos Sanchez, Francisco J. Espinos, Arturo Barjola, Jorge Escorihuela/ Hydrogen Production from Methanol–Water Solution and Pure Water Electrolysis Using Nanocomposite Perfluorinated Sulfocationic Membranes Modified by Polyaniline/ Polymers 14(21):4500, October 2022/ DOI:10.3390/polym14214500/ Open Source This is an Open Access article is distributed under the terms of the Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0)

يعد معجون الطاقة اختراعًا مفيدًا لعدة أسباب: أولاً، يحتوي على كثافة تخزين عالية للطاقة والتي تعتبر بشكل كبير أعلى من خزان الضغط العالي 700 بار. وبالمقارنة بالبطاريات، فهي تتمتع بكثافة تخزين طاقة تبلغ عشرة أضعاف. كما أن كثافة تخزين الطاقة العالية تجعله وقودًا مناسبًا للسيارات ومركبات التوصيل وموسعات المدى في السيارات الكهربائية التي تعمل بالبطاريات. يمكن لـPOWERPASTE أيضًا إطالة زمن طيران الطائرات الكبيرة بدون طيار بشكل كبير، مما يجعلها مفيدة بشكل خاص لأعمال المسح، مثل فحص الغابات أو خطوط الكهرباء. بالإضافة إلى توفير نطاق تشغيل عالي، لا يتطلب المعجون بنية تحتية باهظة الثمن. إذا لم تكن هناك محطات للهيدروجين، فيمكن لمحطات التعبئة بيعه ببساطة في خراطيش أو عبوات بدلاً من ذلك، حيث أن المعجون سائل وقابل للضخ. في البداية، يمكن لمحطات التعبئة هذه توفير كميات أقل من POWERPASTE، الموجودة في براميل معدنية، على سبيل المثال، ثم التوسع بما يتماشى مع الطلب. وهذا يتطلب نفقات رأسمالية أقل بكثير من تخزين الهيدروجين التقليدي. كما أن نقل المعجون رخيص الثمن، حيث لا يتم استخدام خزانات الضغط العالي المكلفة ولا استخدام الهيدروجين السائل شديد البرودة.

يقوم Fraunhofer IFAM حاليًا ببناء مصنع إنتاج لـ POWERPASTE في مركز مشروع Fraunhofer لتخزين الطاقة وأنظمة ZESS. ومن المقرر أن يبدأ هذا المصنع العمل في عام 2021 وسيكون قادرًا على إنتاج ما يصل إلى أربعة أطنان منه سنويًا – وليس فقط للدراجات البخارية الإلكترونية.

من قبل هيئة التحرير