تولید هیدروژن پاک از نور خورشید در ام آی تی

به نقل از ام‌آی‌تی نیوز، مهندسان دانشگاه «ام‌آی‌تی»(MIT) سعی دارند یک نوع سوخت هیدروژنی کاملا سازگار با محیط زیست و بدون کربن تولید کنند و یک سیستم جدید از رآکتورهایی شبیه به قطار بسازند که صرفا توسط خورشید هدایت می‌شود.

مهندسان ام‌آی‌تی در پژوهش جدید خود، طرح مفهومی یک سیستم را ارائه کرده‌اند که می‌تواند هیدروژن حرارتی خورشیدی را به طور موثر تولید کند. این سیستم از گرمای خورشید برای شکافت مستقیم آب و تولید هیدروژن استفاده می‌کند و یک سوخت پاک را تولید می‌کند که می‌تواند به کامیون‌ها، کشتی‌ها و هواپیماها برای پیمودن مسافت طولانی انرژی بدهد. در این فرآیند هیچ گاز گلخانه‌ای منتشر نمی‌شود.

امروزه، هیدروژن عمدتا از طریق فرآیندهایی تولید می‌شود که شامل گاز طبیعی و سایر سوخت‌های فسیلی است و در نتیجه آنها، سوخت سبز از زمان آغاز تولید تا استفاده نهایی، بیشتر به یک منبع انرژی خاکستری تبدیل می‌شود. انرژی خاکستری، نوعی انرژی است که از سوخت‌های فسیلی نشات می‌گیرد. در مقابل، «هیدروژن ترموشیمیایی خورشیدی»(STCH) یک جایگزین کاملا بدون آلایندگی را ارائه می‌دهد زیرا به طور کامل به انرژی خورشیدی تجدیدپذیر برای هدایت تولید هیدروژن متکی است. با وجود این، طرح‌های موجود هیدروژن ترموشیمیایی خورشیدی، کارآیی محدودی دارند و تنها حدود هفت درصد از نور خورشید ورودی برای تولید هیدروژن استفاده می‌شود. این سیستم‌ها تاکنون بازدهی کم‌ و هزینه بالایی داشته‌اند.

گروه ام‌آی‌تی در یک گام بزرگ به سوی تحقق بخشیدن به سوخت‌های خورشیدی دریافتند که طراحی جدید آنها می‌تواند تا ۴۰ درصد از گرمای خورشید را برای تولید هیدروژن مهار کند. افزایش بهره‌وری می‌تواند هزینه کلی سیستم را کاهش دهد و هیدروژن ترموشیمیایی خورشیدی را به یک گزینه مقیاس‌پذیر و مقرون‌به‌صرفه برای کمک کردن به کربن‌زدایی صنعت حمل و نقل تبدیل کند.

«احمد گونیم»(Ahmed Ghoniem) استاد دانشکده مهندسی مکانیک «رونالد کرین»(Ronald Crane) در دانشگاه ام‌آی‌تی و پژوهشگر ارشد این پروژه گفت: ما هیدروژن را به عنوان سوخت آینده در نظر می‌گیریم که باید تولید ارزان و در مقیاس بالا داشته باشد. ما سعی داریم تا به هدف وزارت انرژی برسیم که تولید هیدروژن سبز تا سال ۲۰۳۰ با قیمت یک دلار در هر کیلوگرم است. برای بهبود اقتصاد باید کارآیی را بهبود ببخشیم و مطمئن شویم که بیشتر انرژی خورشیدی جمع‌آوری‌شده، در تولید هیدروژن استفاده می‌شود.

پایگاه‌های خورشیدی

مانند سایر طرح‌های پیشنهادی، سیستم ام‌آی‌تی نیز با یک منبع گرمای خورشیدی موجود مانند یک نیروگاه خورشیدی متمرکز همراه می‌شود. نیروگاه خورشیدی متمرکز، یک آرایه‌ دایره‌ای متشکل از صدها آینه است که نور خورشید را جمع‌آوری می‌کنند و به یک برج گیرنده مرکزی انعکاس می‌دهند. سپس یک سیستم هیدروژن ترموشیمیایی خورشیدی، گرما را جذب می‌کند و آن را برای شکاف آب و تولید هیدروژن راه‌ می‌اندازد. این فرآیند بسیار متفاوت با روش الکترولیز است که از الکتریسیته به جای گرما برای شکافت آب استفاده می‌کند.

در قلب سیستم مفهومی هیدروژن ترموشیمیایی خورشیدی، یک واکنش حرارتی دو مرحله‌ای صورت می‌گیرد. در مرحله اول، آب به صورت بخار در معرض فلز قرار می‌گیرد و این باعث می‌شود که فلز، اکسیژن را از بخار بگیرد و هیدروژن را پشت سر بگذارد. این فرآیند اکسیداسیون شبیه به زنگ زدن آهن در حضور آب است اما بسیار سریع‌تر اتفاق می‌افتد. پس از جدا شدن هیدروژن، فلز اکسیدشده یا زنگ زده دوباره در خلاء گرم می‌شود که فرآیند زنگ‌زدگی را معکوس می‌سازد و فلز را بازسازی می‌کند. با حذف اکسیژن، فلز را می‌توان خنک کرد و دوباره در معرض بخار قرار داد تا هیدروژن بیشتری را تولید کند. این فرآیند را می‌توان صدها بار تکرار کرد.

سیستم ام آی‌تی برای بهینه‌سازی این فرآیند طراحی شده است. این سیستم در کل شبیه به قطاری از رآکتورهای مشابه جعبه است که روی یک مسیر دایره‌ای کار می‌کنند. در عمل، این مسیر در اطراف یک منبع حرارتی خورشیدی مانند یک برج نیروگاه خورشیدی متمرکز تنظیم می‌شود. هر رآکتور قطار، فلزی را در خود جای می‌دهد که تحت فرآیند اکسایش-کاهش قرار می‌گیرد.

هر رآکتور ابتدا از یک پایگاه داغ عبور می‌کند و در آنجا تحت دمای ۱۵۰۰ درجه سلسیوس در معرض گرمای خورشید قرار می‌گیرد. این گرمای شدید به طور موثر اکسیژن را از فلز یک رآکتور بیرون می‌برد. سپس آن فلز در حالت کاهش قرار می‌گیرد تا برای جذب اکسیژن از بخار آماده شود. برای اینکه این اتفاق بیفتد، رآکتور به یک پایگاه خنک‌تر در دمای حدود ۱۰۰۰ درجه سلسیوس منتقل می‌شود تا برای تولید هیدروژن در معرض بخار قرار بگیرد.

سایر مفاهیم مشابه هیدروژن ترموشیمیایی خورشیدی با یک مانع مشترک روبه‌رو شده‌اند و این پرسش پدید آمده است که با گرمای آزاد شده توسط رآکتور هنگام خنک شدن چه باید کرد. بدون بازیابی و استفاده مجدد از این گرما، راندمان سیستم بسیار کمتر از آن خواهد بود که عملی باشد.

چالش دوم مربوط به ایجاد یک محفظه خالی با انرژی کارآمد است که در آن می‌توان فلز را زنگ‌زدایی کرد. برخی از نمونه‌های اولیه با استفاده از پمپ‌های مکانیکی، خلاء را تولید می‌کنند اما پمپ‌ها برای تولید هیدروژن در مقیاس بزرگ بیش از اندازه انرژی‌بر و پرهزینه هستند.

طراحی ام‌آی‌تی برای مقابله کردن با این چالش‌ها، چندین راه حل را برای صرفه‌جویی در انرژی در خود جای داده است. برای بازیابی بیشتر گرمایی که در غیر این صورت از سیستم خارج می‌شود، رآکتورهایی که در طرف مقابل مسیر دایره‌ای قرار دارند، مجاز به تبادل گرما از طریق تشعشعات حرارتی هستند. رآکتورهای داغ سرد می‌شوند و رآکتورهای سرد گرم می‌شوند. این کار به حفظ گرما در سیستم کمک می‌کند. همچنین، پژوهشگران یک مجموعه دیگر از رآکتورها را اضافه کردند که دور قطار اول می‌چرخند و در جهت مخالف حرکت می‌کنند. این قطار بیرونی از رآکتورها عموما در دماهای سردتر کار می‌کند و برای تخلیه اکسیژن از قطار داخلی گرم‌تر، بدون نیاز به پمپ‌های مکانیکی انرژی‌زا استفاده می‌شود.

پژوهشگران شبیه‌سازی‌های دقیقی را از طرح مفهومی انجام دادند و دریافتند که بازدهی تولید هیدروژن ترموشیمیایی خورشیدی را از هفت درصد به ۴۰ درصد افزایش می‌دهد.

گونیم گفت: ما باید به هر ذره انرژی در سیستم فکر کنیم و بدانیم چگونه از آن استفاده کنیم تا هزینه را به حداقل برسانیم. ما با این طراحی متوجه شدیم که همه چیز را می‌توان با گرمای حاصل از خورشید تامین کرد. این سیستم قادر است از ۴۰ درصد گرمای خورشید برای تولید هیدروژن استفاده کند.

«کریستوفر موهیچ»(Christopher Muhich) استادیار مهندسی شیمی «دانشگاه ایالتی آریزونا» که در این پژوهش مشارکت نداشت، گفت: اگر این امر محقق شود، می‌تواند آینده انرژی ما را به شدت تغییر دهد و امکان تولید هیدروژن را به صورت ۲۴ ساعته فراهم کند. توانایی ساخت هیدروژن، عامل اصلی تولید سوخت مایع از نور خورشید است.

این گروه پژوهشی قصد دارند در سال آینده، نمونه اولیه سیستمی را بسازند که در تاسیسات انرژی خورشیدی متمرکز در آزمایشگاه‌های وزارت انرژی آزمایش خواهد شد.

این پژوهش در «Solar Energy Journal» به چاپ رسید.