به گزارش ساوت چاینا مورنینگ پست، این تیم تحقیقاتی به سرپرستی دِنگ دهویی و لیو یانتینگ از مؤسسه فیزیک شیمی دالیان وابسته به آکادمی علوم چین، فناوری موجودی را که هزینه‌بر و پرمصرف بود، بهبود داده‌اند. نتایج این پژوهش در مجله علمی معتبر و داوری‌شده Nature Energy منتشر شده است.
چالش تولید هیدروژن از آب دریا
تولید هیدروژن از آب دریا با استفاده از انرژی‌های تجدیدپذیر، یکی از مسیرهای مهم برای تولید هیدروژن سبز محسوب می‌شود؛ اما دو روش اصلی موجود، هرکدام با مشکلاتی روبه‌رو هستند.
در روش الکترولیز مستقیم آب دریا، میزان بالای یون‌های کلرید با آند واکنش می‌دهد و باعث خوردگی الکترود می‌شود. همزمان، یون‌های کلسیم و منیزیم روی کاتد رسوب ایجاد می‌کنند و موجب کاهش بهره‌وری فرایند می‌شوند.
روش دوم، یک فرایند دو مرحله‌ای است: ابتدا آب دریا شیرین می‌شود و سپس آب شیرین به روش الکترولیز به هیدروژن تبدیل می‌شود.
در این روش، فناوری‌هایی مانند اسمز معکوس یا تقطیر، آب دریا را به آب خالص تبدیل می‌کنند و سپس از این آب برای تولید هیدروژن استفاده می‌شود.
استفاده دوباره از گرمای هدررفته
دانشمندان چینی فناوری بهبودیافته خود را بر پایه همین روش دوم توسعه داده‌اند؛ روشی که اگرچه از نظر فنی به بلوغ رسیده، اما به تجهیزات گران‌قیمت شیرین‌سازی و مقدار زیادی برق نیاز دارد.
این تیم در سال ۲۰۲۳ یک واحد کوچک ۲۵ کیلوواتی بر پایه فناوری شیرین‌سازی ساخت که از سوی فدراسیون صنایع نفت و شیمی چین به‌عنوان فناوری در سطح پیشرو بین‌المللی ارزیابی شد.
پژوهشگران سپس این طراحی را توسعه داده و یک واحد ۲۵۰ کیلوواتی ساختند. آنها در این مرحله روی بخشی از انرژی تمرکز کردند که در سامانه‌های موجود عملاً هدر می‌رود.
محاسبات نشان داد که این سامانه به دلیل استفاده کارآمدتر از انرژی می‌تواند از نظر اقتصادی نیز سودآور باشد.
تبدیل گرمای اتلافی به آب شیرین
در سامانه‌های تجاری موجود، در دمای ۸۰ تا ۹۰ درجه سانتی‌گراد، حدود ۳۰ درصد برق مصرفی به گرمای کم‌کیفیت تبدیل می‌شود که بازیابی آن دشوار است.
این گرما معمولاً از طریق سامانه‌های خنک‌کننده آبی دفع می‌شود؛ فرایندی که خود باعث افزایش مصرف انرژی و آب شیرین می‌شود.
برای حل این مشکل، پژوهشگران چینی بخش الکترولیز را به یک واحد شیرین‌سازی متصل کردند. در این طراحی، گرمای هدررفته حاصل از الکترولیز مستقیماً به یک برج تقطیر خلأ منتقل می‌شود.
این گرما باعث می‌شود آب دریا در دمای پایین‌تر، یعنی حدود ۴۰ تا ۵۰ درجه سانتی‌گراد، به جوش آمده و تبخیر شود. بخار حاصل سپس متراکم شده و به آب شیرین تبدیل می‌شود.
به گفته آکادمی علوم چین، این سامانه آن‌قدر آب شیرین تولید می‌کند که هم برای فعالیت بخش الکترولیز کافی است و هم مقدار اضافی باقی می‌ماند.
استخراج همزمان اورانیوم و دیگر منابع دریایی
نوآوری این فناوری تنها به تولید هیدروژن و آب شیرین محدود نمی‌شود.
بر اساس اعلام آکادمی علوم چین، از آب دریا که پس از فرایند شیرین‌سازی غلیظ‌تر شده است، می‌توان در چند مرحله نمک، اورانیوم، بروم و سایر منابع موجود در آب دریا را استخراج کرد.
به این ترتیب، یک سامانه واحد می‌تواند به‌طور همزمان چند محصول ارزشمند تولید کند و از بخش‌هایی از انرژی که در فرایندهای سنتی هدر می‌روند نیز استفاده مجدد داشته باشد.
تولید ۳۸۰ هزار مترمکعب هیدروژن در سال
واحد ۲۵۰ کیلوواتی این تیم قادر است سالانه حدود ۳۸۰ هزار مترمکعب هیدروژن استاندارد، معادل حدود ۱۳.۴ میلیون فوت مکعب استاندارد، تولید کند.
خلوص هیدروژن تولیدشده به ۹۹.۹۹۹۹ درصد می‌رسد.
این واحد همچنین سالانه حدود ۲۵۶ تن آب شیرین تولید می‌کند.
افزایش ۱۴.۴ درصدی بهره‌وری برق
نتایج این مطالعه نشان داد که این سامانه در مقایسه با روش سنتی الکترولیز قلیایی آب برای تولید هیدروژن، بهره‌وری استفاده از برق را ۱۴.۴ درصد افزایش می‌دهد.
این سیستم همچنین در یک آزمایش ۴۰ روزه، تحت شرایط روشن و خاموش شدن روزانه، عملکردی پایدار داشت و کاهش محسوسی در عملکرد آن مشاهده نشد.
دِنگ در مقاله پژوهشی اعلام کرده است که تحلیل هزینه‌ها نشان می‌دهد این سامانه از نظر اقتصادی می‌تواند در مقایسه با روش سنتی دو مرحله‌ای ــ یعنی ابتدا شیرین‌سازی آب دریا و سپس الکترولیز آن برای تولید هیدروژن ــ رقابت‌پذیرتر باشد.
هزینه تولید کمتر از قیمت فعلی هیدروژن
بر اساس این مقاله، این فناوری می‌تواند ظرفیت مناسبی برای تولید هیدروژن با سودآوری بالا داشته باشد.
برآوردها نشان می‌دهد متوسط هزینه تولید هیدروژن در صورتی که برق مورد استفاده از نیروگاه‌های بادی خشکی با قیمت ۰.۰۳۳ دلار به ازای هر کیلووات‌ساعت تأمین شود، حدود ۲.۱ دلار به ازای هر کیلوگرم خواهد بود.
در صورت استفاده از برق خورشیدی با قیمت ۰.۰۴۹ دلار به ازای هر کیلووات‌ساعت، هزینه تولید به حدود ۲.۹ دلار به ازای هر کیلوگرم می‌رسد.
این در حالی است که قیمت فعلی فروش هیدروژن حدود ۳.۹ دلار به ازای هر کیلوگرم است.
گام بعدی؛ کاتالیست‌های بهتر و استفاده از هوش مصنوعی
دِنگ همچنین اعلام کرده است که تحقیقات آینده باید روی چند حوزه متمرکز شود؛ از جمله توسعه کاتالیست‌های بهتر، بهبود بازیابی گرمای هدررفته از فرایند الکترولیز و استفاده از هوش مصنوعی برای بهینه‌سازی پارامترهای فرایند.
هدف نهایی این است که عملکرد کلی سامانه و بهره‌وری آن تا حد امکان افزایش پیدا کند.
در مجموع، این فناوری می‌تواند مسیر تازه‌ای برای استفاده از آب دریا ایجاد کند؛ مسیری که در آن یک سامانه واحد نه‌تنها هیدروژن پاک و آب شیرین تولید می‌کند، بلکه امکان استخراج اورانیوم، بروم و سایر منابع دریایی را نیز فراهم می‌سازد و همزمان بخشی از گرمای هدررفته فرایند را دوباره به چرخه تولید بازمی‌گرداند.
منبع: scmp
