أخبار التكنولوجيا

إنتاج الهيدروجين الأخضر المرن – أخبار إلكترونيات الطاقة


يُقترح مشروع تجريبي للتحقق من إنتاج الهيدروجين الأخضر والذي سيولد الهيدروجين النقي عند ضغط مرتفع بأمان، بدون ضواغط ميكانيكية، وعلى مقربة من مستهلكي الهيدروجين. تكنولوجيا التحليل الكهربائي1 متوافق مع طاقات الرياح البحرية والبرية، والطاقة الشمسية الكهروضوئية، وتحويل الطاقة الحرارية للمحيطات (OTEC)، وأنظمة الطاقة النووية. تستخدم هذه التقنية التحليل الكهربائي المتوازن للضغط للمياه، حيث يتطابق الضغط الداخلي الكهروكيميائي للخلية مع الضغط الهيدروستاتيكي الخارجي للخلية. يبلغ الضغط التفاضلي عبر جدار الخلية صفرًا تقريبًا، مما يسمح باستخدام مادة البولي إيثيلين، وهي مادة سلعية رأسمالية منخفضة التكلفة تتمتع بثبات شبه مثالي في مياه البحر، كمواد بناء رئيسية. يوضح الشكل 1 مزرعة هيدروجينية نموذجية تحت سطح البحر بقدرة 1 جيجاوات مدعومة بمجموعة من توربينات الرياح البحرية على مستوى سطح البحر بقدرة 1 جيجاوات. بالنسبة لطاقة الرياح البحرية وطاقة OTEC، يتم ضبط الضغط الهيدروستاتيكي المحيط حسب عمق المياه.

الشكل 1: ما وراء المقياس الهجين – مزرعة متكاملة لإنتاج وتخزين الهيدروجين تحت سطح البحر بسعة 1 جيجاوات

يوضح الشكل 2 رسمًا توضيحيًا نموذجيًا لتقنية المحلل الكهربائي GTA لإنتاج الهيدروجين الأخضر المدعوم بالتوليد الأرضي للكهرباء المتجددة. يتم احتواء مكدس المحلل الكهربي في غرفة الضغط الموضحة في عرض مقطوع بزاوية 180 درجة. يدخل ماء التبريد المضغوط من أسفل اليسار ويخرج من أعلى اليمين. يستخدم التحليل الكهربائي المتوازن الضغط للمياه لإنتاج الهيدروجين والأكسجين. يقتصر ضغط الغرفة والضغوط المقابلة لتيارات الهيدروجين والأكسجين فقط على معدل ضغط الغرفة. يتكون جهد الخلية للمحلل الكهربائي من عدة عناصر. ومن الجدير بالذكر أن زيادة جهد الخلية المطلوب للضغط الكهروكيميائي صغير ويمكن تقديره من معادلة نيرنست2:

إنتاج مرن للهيدروجين الأخضر مدعومًا بطاقة الرياح والطاقة الشمسية وطاقة المحيطات

في الظروف القياسية التي تبلغ 1 ATM (14.7 رطل لكل بوصة مربعة) و25 درجة مئوية (298 درجة كلفن)، يبلغ جهد Nernst 1.23 فولت. وبالنسبة لـ 272 ATM (4000 رطل لكل بوصة مربعة)، يكون 1.34 فولت. تعمل المحللات الكهربية في العالم الحقيقي بجهد خلية يبلغ 0.7 إلى 2 فولت أعلى من هذه القيم. ترتبط الفولتية الأعلى بكثافة التيار الكهربائي، والخصائص الخاصة بالمواد للأقطاب الكهربائية، والفقاعات الموجودة في خلية التحليل الكهربائي. زيادة الجهد المطلوبة للضغط الكهروكيميائي صغيرة نسبيًا. تعتبر ضواغط غاز الهيدروجين الميكانيكية باهظة الثمن وتحتاج إلى صيانة مجدولة. يعد دمج الضغط الكهروكيميائي في وقت إنتاج الهيدروجين هو الإستراتيجية التقنية والاقتصادية المفضلة لتقليل النفقات الرأسمالية والنفقات التشغيلية.

الشكل 2: رسم توضيحي لإنتاج الهيدروجين الإلكتروليتي المتوازن الضغط والمدعوم بالطاقة الشمسية.
الشكل 2: رسم توضيحي لإنتاج الهيدروجين الإلكتروليتي المتوازن الضغط والمدعوم بالطاقة الشمسية

مصنع تجريبي قابل للتطوير

يوضح الشكل 3 عرضًا تفصيليًا لوحدة الضغط العالي النموذجية للمحطة التجريبية بقدرة 100 كيلووات. تتكون الوحدة من مجموعة من المحللات الكهربائية GTA المتصلة على التوالي. توجد المكدس في غرفة ضغط مكونة من أنابيب فولاذية من الجدول 160 يبلغ قطرها الخارجي 12.75 بوصة، وقطرها الداخلي 10.13 بوصة، وطولها حوالي 26 قدمًا (8 أمتار). الحد الأقصى لتصنيف الضغط لأنبوب الجدول 160 هو 4485 رطل لكل بوصة مربعة (309 بار)3. في ظل حمل الطاقة الكامل، يوضح الشكل 3 أن تصنيف الطاقة 100 كيلووات يتكون من مصدر طاقة 500 فولت تيار مباشر يمكنه مصدر 200 أمبير. وبدلاً من ذلك، يمكن لوحدة 250 كيلووات، مع القياس المناسب، أن تعمل عند 1000 فولت و250 أمبير.

أعلنت الجامعة الألمانية بالقاهرة عن تقنية 5nm HBM3 PHY ووحدة التحكم من السيليكون بسرعة 8.4 جيجابت في الثانية

09.06.2023

كيفية حل تحدي سلامة البيانات لمتجر بيع بالتجزئة خالي من الاحتكاك

09.05.2023

مقدمة إلى حل الطاقة بدون مروحة Cincon للبيئة القاسية

31.08.2023

الشكل 3: منظر مقطوع بزاوية 180 درجة لوحدة تجريبية بقدرة 100 كيلووات موجودة في أنبوب OD جدول 160 مقاس 12.75 بوصة.  يتم إجراء التحليل الكهربائي المتوازن للضغط عند 4000 رطل لكل بوصة مربعة (246 بار).
الشكل 3: منظر مقطوع بزاوية 180 درجة لوحدة تجريبية بقدرة 100 كيلووات موجودة في أنبوب OD جدول 160 مقاس 12.75 بوصة. يتم إجراء التحليل الكهربائي المتوازن للضغط عند 4000 رطل لكل بوصة مربعة (246 بار)

إمكانية التنقل

يمكن دمج الوحدات عن طريق توصيلها بالتسلسل أو بالتوازي. ويبين الشكل 4 مثالاً للقياس وطريقة إمكانية الوصول إلى الهيدروجين الأخضر المتنقل لنظام التحليل الكهربائي بقدرة 1 ميجاوات يتكون من عشر وحدات بقدرة 100 كيلووات موضحة في الشكل 3. الحجم مشابه لشاحنات تسليم نصف مقطورة الغاز المضغوط المسطحة ذات الأسطوانات المكدسة.

الشكل 4: رسم بمقياس يوضح حجم نظام التحليل الكهربائي بقدرة ميجاوات واحد والذي يتكون من عشر وحدات بقدرة 100 كيلووات.
الشكل 4: رسم بمقياس يوضح حجم نظام التحليل الكهربائي بقدرة 1 ميجاوات والذي يتكون من عشر وحدات بقدرة 100 كيلووات

المرونة، النفقات الرأسمالية، النفقات التشغيلية، التخلص من المخاطر

على عكس المحللات الكهربائية PEM، تعتبر المحللات الكهربائية GTA آمنة من الفشل فيما يتعلق بالطقس تحت التجمد أثناء فترات توقف الطاقة غير المجدولة. لا تحتوي على أجزاء متحركة ولا تحتاج إلى صيانة مجدولة. أنظمة التحليل الكهربائي محمية من ضربات الإضاءة وأحداث النبض الكهرومغناطيسي (EMP). كما أنها محمية من الجليد المتساقط من شفرات توربينات الرياح، وتأثيرات طوف الجليد، والأعاصير، والقوة التدميرية للأمواج العالية. خلف العداد، يتم إرسال كهرباء توربينات الرياح إلى قاع البحر للتحليل الكهربائي، مما يتجنب تحديد مواقع اليابسة والسماح بها، واتصالات شبكة شركات المرافق، والنفقات الرأسمالية والنفقات الكبيرة لمحولات الطاقة الكبيرة، وكابلات التصدير عالية الجهد، والمنصات العائمة. الكهرباء خلف العداد هي أقل تكلفة ممكنة لكهرباء الرياح البحرية. يتم إنتاج الهيدروجين الأخضر وتخزينه بأمان في قاع البحر، في غياب الأكسجين القابل للاحتراق، وبعيدًا عن المراكز السكانية. يتم تصنيع خلايا وحدة مكدس المحلل الكهربائي بسرعة وبتكلفة زهيدة باستخدام قولبة حقن اللدائن الحرارية والطباعة ثلاثية الأبعاد. لقد تم التخلص من هذه التكنولوجيا بشكل كبير لأن جميع عمليات الوحدة اللازمة لإنتاج الهيدروجين الإلكتروليتي تحت سطح البحر يتم تنفيذها بالفعل بواسطة صناعة الغاز والنفط البحرية، وإن كان ذلك في سياقات مختلفة. القوى العاملة المدربة جاهزة وراغبة في تطبيق التكنولوجيا الآن.

مستويات الاستعداد التكنولوجي: TRL 4 وTRL 5

تم التحقق من صحة النموذج الأولي TRL 4 في NREL ضمن برنامج DOE H2@Scale CRADA.4 تم تصنيع مجموعة المحلل الكهربائي، التي تظهر في الخلفية، من الأكريليك المُشكَّل آليًا، والبلاستيك الهندسي، بالإضافة إلى أقطاب النيكل، وحشوات مطاط السيليكون، ومسامير غطاء مقاومة للتآكل، وغسالات وصواميل. قامت أسطوانة العينة، الموضحة في المقدمة، بتجميع الغاز لتحليله. وكان الهدف الأساسي للمشروع هو قياس نقاء الهيدروجين. معيار SAE J2719 هو أنقى غاز هيدروجين متوفر تجاريًا. كما هو مبين في جدول الشكل 5، كانت نسبة نقاء الهيدروجين الأصلي، الصف 6، أفضل من 99%. كما هو موضح في الصف 5، خفضت خطوة تنقية واحدة تركيز الأكسجين إلى 9.4 جزء في المليون.

الشكل 5: اليسار: مرفق الاختبار في المختبر الوطني للطاقة المتجددة بالولايات المتحدة المستخدم للتحقق من صحة TRL 4 لنظام التحليل الكهربائي GTA.  على اليمين: تقرير الكيمياء التحليلية لنقاء الهيدروجين.  تم استخدام بروتوكول SAE J2719 للهيدروجين من فئة خلايا الوقود.
الشكل 5: اليسار: مرفق الاختبار في المختبر الوطني للطاقة المتجددة بالولايات المتحدة المستخدم للتحقق من صحة TRL 4 لنظام التحليل الكهربائي GTA. على اليمين: تقرير الكيمياء التحليلية لنقاء الهيدروجين. تم استخدام بروتوكول SAE J2719 للهيدروجين من فئة خلايا الوقود

الحالة اليوم: TRL 5، IRL 4، MRL 5

واستنادًا إلى هذه النتائج الواعدة، قامت GTA بتطوير تقنية المحلل الكهربائي الخاصة بها إلى TRL 5، وهو إثبات المفهوم في بيئة ذات صلة. ويبين الشكل 6 TRL 5 وIRL 4 5، محلل كهربائي GTA تشغيلي مغمور في مياه البحر لإنتاج الهيدروجين والأكسجين الذي يتم تسليمه إلى أسطوانات التخزين الخاصة به. تمتلك المحللات الكهربائية GTA تصميمًا ميكانيكيًا بسيطًا يمكن تصنيعه باستخدام أدوات CNC.

الشكل 6: نظام إنتاج وتخزين الحوض المتكامل والهيدروجين تحت سطح البحر والأكسجين في مختبر GTA.
الشكل 6: نظام إنتاج وتخزين الحوض المتكامل والهيدروجين تحت سطح البحر والأكسجين في مختبر GTA

الاستنتاجات والتوصيات

تم إدراج الهيدروجين الأخضر في RFI كتقنية مرشحة لتمويل التحقق من الصحة. لقد وصفنا مشروع التحقق التشغيلي الذي يكون واقعيًا وقابلاً للقياس والتحقيق.

ملاحظات ومراجع

1 تقنية المحلل الكهربائي GTA محمية ببراءات الاختراع الأمريكية 8808512 و8888968 و9017529 و9222178 بالإضافة إلى براءات الاختراع الدولية وطلبات براءات الاختراع المعلقة.
2 M. Shen، N. Bennett، Y. Ding، K. Scott، “نموذج موجز لتقييم التحليل الكهربائي للمياه،” Int. ج. طاقة الهيدروجين 36، 14335 – 41 (2011).
3 إنجينيرز إيدج، “جدول تصنيف الضغط الأقصى 160، الجدول 40 والجدول 80″، https://www.engineersedge.com/fluid_flow/steel-pipe-pressure- ratings.htm.
4 G. بندر، 2020. أنظمة التحليل الكهربائي القابلة للتطوير لإنتاج الهيدروجين المتجدد: التقرير النهائي للبحث والتطوير التعاوني، رقم CRADA CRD-18-747. جولدن، كولورادو: المختبر الوطني للطاقة المتجددة. المختبر الوطني/TP-5900-76136.
5 يتم تعريف IRL 4 على أنه التحقق من صحة الوظائف المترابطة بين المكونات المدمجة في بيئة المختبر. يتم تعريف MRL 5 على أنها القدرة على إنتاج مكونات النموذج الأولي في بيئة ذات صلة بالإنتاج.

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *