◄ تأمین آب شیرین و گاز هیدروژن از آب شور دریا

بخش 21 از سلسله مقاله های مربوط به موضوع «انرژی های تجدید پذیر در حمل‌ و‌ نقل» هفته گذشته منتشر شد، بخش 22  آن در ادامه می آید.

خمیر  هیدروژنی

استفاده از مخازن پُرفشار (700 بار) برای خودروهای بزرگ پیل سوختی، نظیر کامیون و اتوبوس امکان‌پذیر است. ولی برای خودروهای کوچک، موتورسیکلت ها و اسکوترها به خاطر حمل مسافر در نقاط شهری با موانع متعددی از سوی تنظیم‌ گرهای دولتی مواجه می گردد. اما موسسه تحقیقات فناوری ساخت و مواد پیشرفته فرانهوفر (Fraunhofer Institute)، غول صنعت درسدن آلمان با استفاده از خمیر هیدرات منیزیم توانسته تا حدودی این مشکل را مرتفع کند.  البته استفاده از هیدرات فلزی برای ذخیره کردن هیدروژن به صورت شیمیایی ایده چندان جدیدی نیست.  

منیزیم در ترکیب با آب و هیدروژن و در فشار 5 تا 6 آتمسفر و 350 درجه سانتی گراد به هیدرات منیزیم تبدیل می شود. با افزودن استر(ester) و نمک فلزی به آن، خمیری غلیظ حاصل می شود. برای استخراج هیدروژن، این خمیر توسط یک پیستون به محفظه ای رانده شده و در آنجا طی یک فرایندکنترل شده، پس از ترکیب شدن با آب، هیدروژن آزاد می گردد. هیدروژن در پیل سوختی مصرف شده و برق تولید می گردد (تصویر زیر). با این خمیر می توان هیدروژن را در دما و فشار طبیعی به طور مؤثری ذخیره کرد. در دمای 250 درجه سانتی گراد، نیمی از هیدروژن خمیر بر اثر گرما تجزیه شده و نیمی دیگر با اضافه کردن آب به خمیر، آزاد می شود.

مؤسسه ی فرانهوفر مدعی است که میزان چگالی انرژی «خمیر قدرت»، افزونتر از هیدروژن مورد استفاده رایج  (در مخازنی با فشار 700 بار) و بیشتر از 10 برابر فناوری باتری های لیتیومی موجود است.  مخازن این نوع خمیر به خاطر چگالی زیاد انرژی مربوطه، به مراتب کوچکتر، سبکتر و کم خطرتر از مخازن هیدروژنی است. مطلب مهم درباره این خمیر، سهولت ذخیره و پمپ کردن آن است. مثلاً یک ایستگاه شارژ گاز را می توان با سرمایه‌گذاری به مبلغ 20 تا 30 هزار دلار برپا کرد و متناسب با میزان تقاضا (در سطوح پایین یا بالا)، هیدروژن موجود در خمیر را مستقیما از مخزن فلزی مصرف کرد. در تصویر زیر یک نوع جایگاه پمپ خمیر قدرت برای خودروهای پیل سوختی دیده می شود.

با یک مخزن مملو از آن که ظرف چند دقیقه پر می شود، می توان نسبت به خودروهای بنزینی مشابه مسافت های طولانی‌تری را پیمود. اگرچه هیدروژن موجود در خمیر قدرت در دمای 250 درجه سانتی گراد آزاد می شود، ولی لازم به ذکر است که قرار گرفتن خودرو یا موتورسیکلت در زیر آفتاب تابستان، دمای آن را به 250 درجه نمی رساند. در تصویر شماتیک زیر یک موتورسیکلت ویژه با کاربری خمیر قدرت نشان داده شده است.

این سیستم به لحاظ وزن، سهولت کاربری و تا حدی ارزانی، برای وسایل نقلیه کوچک نظیر اسکوتر و پهپادهای سبک بسیار مناسب است. لذا اخیراً این مؤسسه به جای پمپ کردن خمیر در مخزن، از سیستم کارتریج کاملاً عایق بندی شده استفاده به عمل آورده است. بدین ترتیب در جایگاه های سوخت، به سرعت کارتریج های خالی با پر تعویض می گردد. آنگاه پس از نصب کارتریج، فقط کافیست که در مخزن مربوطه قدری آب نیز افزوده شود.  

مؤسسه فرانهوفر به عنوان نمونه اولیه، تأسیساتی را ساخته که 4 تن خمیر در سال تولید می کند. از مزایای خمیر مزبور اینست که میزان انرژی بر حسب لیتر یا کیلوگرم از مشابه سوخت های فسیلی و باتری بیشتر است. همچنین برخلاف باتری، بر اثر مصرف نکردن «خمیر قدرت» به مدت های طولاتی، از میزان انرژی و کیفیت آن کاسته نمی شود. از معایب این خمیر، لزوم استفاده از انرژی، آب و منیزیم در مرحله ساخت آن و همچنین مصرف آب به هنگام تبدیل خمیر به هیدروژن در وسیله  نقلیه است که هزینه های آن را کمی بالا می برد.   

برنامه پیل سوختی منازل مسکونی

افزایش علاقه خانواده ها در استفاده از انرژی های تجدیدپذیر موجب گردیده که سرمایه‌ گذاری برای ارتقای فناوری های خورشیدی و بادی مستمرا ازدیاد یابد. مزایای ذخیره کردن انرژی از منابع تجدیدپذیر، علاوه بر ارزانتر بودن، موجب مصرف کمتر برق شبکه سراسری و ایجاد قابلیت بهره‌برداری در مواقع قطعی برق می شود. در این میان یکی از مسائل مهم، نحوه ذخیره کردن انرژیهاست. در حال حاضر بهترین وسیله ذخیره سازی انرژی باتریست. اما سوخت هیدروژن هم مزایای متنوعی دارد که ممکن است به زودی رقیبی جدی برای ذخیره‌سازی انرژی در خانه ها شود. مدت ها بود که بهره‌ گیری از سوخت هیدروژن همراه با پیل های سوختی ویژه منازل، بسیار گران و حجیم بوده و به سرمایه گذاری بین 35 تا 100 هزار دلار نیار داشت. اما مشوق های دولتی طی سال های 2018 تا 2021 قیمت ها را تا حدود زیاد کاهش داده است.

بر اساس تصویر شماتیک زیر، با نوآوری های جدید در ساعات روز (مسیر قرمز رنگ) بخشی از انرژی پانل های خورشیدی سقف ساختمان به دستگاه الکترولیز منتقل شده و آب را تجزیه و در مخازن هیدروژن و اکسیژن ذخیره می کند. بخشی دیگر مستقیما برای نیازهای برقی خانه یا خودرو برقی مصرف می شود. شب ها گاز هیدروژن از طریق پیل سوختی به برق تبدیل شده (مسیر آبی رنگ) و مجدداً برای همان نیازهای خانوار مصرف می گردد. 

اخیرا بر اثر نوآوری هایی دیگر، راه برای کاربری بیشتر سیستم پیل سوختی در مناطق مسکونی هموارتر شده است. این سیستم پیل سوختی، از طریق واکنش های الکترومغناطیسی، مستقیما گاز طبیعی را بدون هر گونه انتشاز گاز گلخانه‌ ای، به برق تبدیل می کند. کل این پیل سوختی که در جعبه ای فلزی کوچک تعبیه و ارائه شده، به طور موازی با شبکه برق شهری کار می کند. ضمن اینکه برای تأمین نیروی مورد نیاز در همان منطقه، با منابع تجدید‌پذیر دیگر از جمله نیروی خورشیدی هم قابل استفاده است.

سیستم پیل سوختی جمع‌ و‌ جور، پاک و بی‌ صدای مزبور، قادر به تأمین انرژی در همه زمان هاست. در حال حاضر از این پیل سوختی برای فرآوری سوخت از هوا (که به اکسیداسیون جزئی partial oxidation موسوم است)، بهره‌ گیری می شود. سیستم مزبور با وجودی که ساده ترین و کم هزینه‌ ترین شکل فرآوری سوخت است، ولی با بازدهی 40 درصد و تولید بیش از دو کیلو وات برق، از بازدهی نسبتاً کمی برخوردار است. هم اینک آزمایش هایی با بخار آب در حال انجام است که بازدهی آن را به 60 درصد ارتقا بخشیده است (تصویر زیر). لازم به یادآوریست در سیستم جدید، گازکربنیک تولید شده به دام افتاده و برای امور دیگر مصرف می شود. هر چه حجم پیل سوختی افزونتر شود، از هزینه های مربوطه به تناسب کاسته می گردد. ضمن اینکه نصب دستگاه های مزبور در منازل مسکونی، به مرور زمان عیوب فناوری موجود در آنها را نشان داده و امکان ساخت نمونه دستگاه های برتر «بتا» را به دنبال می آورد. 

مدت هاست که به سبب قابلیت های صرفه مالی و حفظ محیط‌ زیست، توسط اتحادیه اروپا به پروژه های تولیدکننده برق و حرارت در محل (زندگی، کار و تولید)، کمک اقتصادی ارائه می گردد تا هر چه بیشتر از هزینه های مربوطه کاسته شده و کاربری عمومی‌تری یابند. در میان انواع پیل های سوختی، نوع دوگانه برقی- حرارتی (Micro Combined Heat &Power- Micro-CHP) به 90 درصد بازدهی (60 درصد برقی و 30 درصد حرارتی) رسیده است. به دلیل تقاضای بالاتر خانوارها به انرژی برق (نسبت به انرژی گرمایشی محیط و آب)، درصدهای مزبور مطلوب‌تر است. با وجود بازدهی سیستم Micro-CHP ، هنوز به صورت تجاری کامل در نیامده است.

در حال حاضر انواع سیستم های مزبور توسط شرکت های مختلف عرضه می شود (تصویر زیر).

به نظر می رسد طراحان پروژه ی (Heat Stack) که آن هم توسط اتحادیه اروپا پشتیبانی مالی می گردد، بر چالش های هزینه های سرمایه ای چیره شوند. در این پروژه، پژوهشگران بر دو بخش گرانبهای سیستم های پیل سوختی متمرکز گردیده اند: مبدل فعل و انفعالات الکتروشیمیایی به برق مستقیم و مبدل حرارتی. بدین منظور در سیستم Micro-CHP ، پیل سوختی از نوع اکسید جامد (SOFC) طراحی و ساخته شده است. تا به حال این سیستم به طور آزمایشی در بسیاری از مناطق مسکونی کشورهای اروپایی نصب و راه اندازی شده و نتایج نسبتاً رضایت‌ بخشی حاصل گردیده است. در این مجموعه سیستم های نوین، بر اساس مبدل نوآورانه حرارتی (گاز- به- گاز)، به وسیله یک پیش گرمکن کاتدی (CAPH)، هوا در دمای کاملاً معینی به پیل سوختی رسانده می شود. کاهش هزینه های پیل سوختی اکسید جامد (SOFC) و پیش گرمکن کاتدی (CAPH) موجب افزایش قدرت رقابتی و جذابیت بازار پیل سوختی با میکرو انرژی دوگانه برقی- حرارتی می شود.

در یک سیستم جدیدِ دیگر، انرژی پانل های خورشیدی بام خانه ها توسط یک دستگاه پیشرفته به هیدروژن تبدیل می شود. تا کنون انرژی خورشیدی به شارژ باتری لیتیومی وصل و ذخیره می شده تا در زمانی که خورشید نیست، از انرژی ذخیره شده آن استفاده شود.

اما اخیراً یک شرکت استرالیایی دستگاهی به ابعاد 1.68*1.24*0.4 متر و به وزن 324 کیلوگرم ساخته است که در گوشه ای ازخانه قرار می گیرد. این دستگاه به اینورتر خورشیدی و یک تصفیه آب خانگی متصل می شود.

با استفاده از انرژی مازادی که به یک الکترولیز داده می شود، علاوه بر متصاعد شدن اکسیژن، هیدروژن تحت فشار30 بار یا  PSI 435 حاصل می شود. این دستگاه می تواند 400 کیلو وات ساعت انرژی ذخیره کند که سه برابر باتری های لیتیومی شرکت تسلا است و برای مصرف دو روز یک خانه  معمولی کفایت می کند. البته برای تأمین این انرژی هیدروژنی به یک باتری 5 کیلوواتی واسط هم نیاز است تا بلافاصله انرژی حاصل شود. برای تأمین مصارف بالاتر می توان این دستگاها را به صورت موازی به کار گرفت. قیمت فعلی این دستگاه 27 هزار دلار می باشد و قرار است در اواخر سال دیگر به 22 هزار دلار تنزل یابد.

منافع آن نسبت به باتری، عمر دو برابر (حدود 30 سال)، نبود آلودگی ناشی از باتری های از کار افتاده و اشغال فضای کمتر است. نقاط ضعف آن ایمنی کمتر ناشی از احتمال نشتی و بازدهی نازل‌تر نسبت به باتری (80% درصد نسبت به 90 درصد) است. حال اگر اُفت بازدهی در مرحله تبدیل هیدروژن به انرژی برقی توسط پیل سوختی در نظر گرفته شود، در مجموع  بازدهی به 50 درصد تقلیل می یابد. ضعف دیگر آن محدود بودن حداکثر توان خروجی پیل سوختی به میزان 5 کیلووات می باشد. با توجه به مصرف یک کولر اسپلیت به میزان 7 کیلووات، این سیستم با مشکل مواجه می گردد. بنابراین در حال حاضر در رقابت با باتری، چندان مطلوب بازار نیست. ولی همچنان سرمایه‌ گذاری های مناسبی برای افزایش بازدهی و رفع ضعف های موجود آن در حال انجام است.

تأمین آب شیرین و گاز هیدروژن از آب شور دریا

آب دریا، حدود 96 درصد از آب موجود در زمین را دربر می گیرد، به همین سبب بهترین منبع برای تأمین آب شرب تمیز همراه با انرژی بدون کربن است. ده ها سال است که دانشمندان توانسته‌ اند عملیات شیرین کردن آب و تهیه هیدروژن را به طور جداگانه انجام دهند. ولی تأمین آب شیرین و گاز هیدروژن در یک فرایند پیوسته امری نسبتاٌ جدید است. در حال حاضر مهمترین مانع بر سر تداوم این کار، به صرفه شدن و انجام فرایند مزبور به صورت تجاری است. روش های متداول تأسیسات آب شیرین‌ کن دارای: فرایند چند مرحله ای، دمای زیاد، مصرف انرژی بالا، مدت طولانی و هزینه سنگین است، لذا برای بهبود تمامی موارد فوق، نیاز به تولید کاتالیستی با بازدهی کافی است.

اگر چه نمک زدایی آب دریا یک فرایند بسیار انرژی‌ بر و سرمایه‌ بر است، ولی قریب 300 میلیون نفر از مردم دنیا آب مصرفی خود را از طریق دستگاه های آب شیرین‌ کن دریافت می کنند. حال تصور شودکه چه اتفاقی می افتد که امر نمک‌ زدایی به جای مصرف انرژی به تولید انرژی منتهی شود. یک گروه پژوهشی در سنگاپور موفق شده‌ اند با طراحی و ساخت یک گونه راکتور خورشیدی، آب دریا را به آبِ شیرین و گاز هیدروژن تبدیل کنند. اصولاً شدت انرژیِ امر شیرین کردنِ آبِ دریا 10 برابر آب آشامیدنی محلی است، لذا برای مناطق خشک ساحلی این راه حل جدید ممکن است که یک گزینه ی ضروری باشد.  

روش فعلی نمک‌ زدایی، گرم کردن چند مرحله ای آب شور در خل برای تبخیر و تهیه آب تصفیه شده تمیز است. در روش دیگر‌، از فرایند اسمزی معکوس استفاده می شود که با راندن آب شورِ تحت فشار از میان یک غشای دارای مانع یونی، آب کم نمک حاصل می گردد. اگر بتوان شیرین کردن آب دریا را با صرف انرژی کم هزینه‌ تری ممکن ساخت، آنگاه اقیانوس ها که 96 درصد آبهای جهان را تشکیل می دهند، منبع بیکرانی از آب شیرین را در اختیار بشر قرار می دهند.

این گروه محقق در دانشگاه ملی سنگاپور، موادی را ساخته اند که میزان این هزینه ها را معکوس می کند. کمپوزیت های نانویی ساخت آنها شامل ذرات نانویی نقره ای معلق در ذرات ریز سیلیکا هستند و همه با یک پوشش نازک از جنس تیتانیا پوشیده شده‌ اند. ریخت آنها به طور ماهرانه ای طراحی شده تا ضمن بهره‌ گیری بهتر از خواص هر جزو، اثر هم افزایی بین آنها برقرار شود. پوسته خارجی تیتانیا یک فتوکاتالیست است که فتون های انرژی بالای فرابنفش را جذب کرده تا مولکول های آب را به گازهای اکسیژن و هیدروژن تجزیه کند. ولی فتون های انرژی پایین فروسرخ، از لایه تیتانیا عبور کرده و جذب ذرات نانویی نقره می شوند.

آنها بر اثر فتوگرمایی، حرارت ایجاد می کنند که نه تنها به تولید بخار می انجامد، بلکه نرخ فعل و انفعالات تولید هیدروژن بر روی سطح را ازدیاد می بخشند. ذرات نانویی همچون نقاط غیرهسته ای عمل کرده و لذا بخار در دمای بسیار پایین‌تر از نقطه جوش حاصل می شود (تصویر زیر).

هم افزایی بین خواص فتوکاتالیست و فتوگرمایی بسیار جالب است. این پژوهش ها قسمت نمایان فناوری فتوگرمایی کوانتومی (نوسان یافته ی چگالی بار الکتریکی) را آشکار ساخته که تاکنون مکشوف نبوده است و در سایر حوزه ها نیز کاربری وسیعی دارد. در کل این گروه یک راکتور خورشیدی ساخته اند که وقتی با آب دریا پُر می شود، با تقطیر بخار آب، آب شیرین و همزمان به طور جداگانه هیدروژن تولید می کند.    

یک روش دیگر در رابطه با فناوری انرژی خورشیدی- آب اینست که توسط فتوکاتالیست  (PEC)، دو فرایند نمک‌ زدایی آب شور همراه با تولید مولکول های هیدروژن صورت می پذیرد. برای انجام این کار، میله ای با ریخت کاملا نانویی از جنس Tio2 ، همراه با ردیفی از فتوآندهای پرداخته شده هیدروژنی  (H-TNR) در سلول آند و یک ورق پلاتینی در سلول کاتد قرار می گیرند. در همین حال سلول میانی که حاوی آب شور (0.17 M NaCl) است، با این دو سلول از طریق غشای تبادلی آنیون ها و کاتیون ها مرتبط می شود (تصویر زیر).

بر اثر تابش شبیه سازی شده خورشید (AM 1.5G, 100 mW cm⁻²) ، یعنی تابش فتون های حاصل از بار الکتریکی، جابجایی کلر و سدیم در سلول میانی به سلول های آند و کاتد شروع می شود که به نمک زدایی می انجامد. کلر در سلول آند به گونه کلر فعال (RCS) تبدیل می گردد که اوره را به N2 (بیش از 80 درصد محصول اولیه) تجزیه می کند و در همان حال سدیم در سلول کاتد، تولید هیدروژن از آب را با انرژی فارادی 80 درصد تسریع می نماید.

کارکرد فتوالکتروکاتالیست H-TNR آند، بر فرایندهای کاتدی برتری دارد. زیرا مقاومت انتقال بار الکتریکی تنزل یافته و انرژی جنبشی انتقال بار الکتریکی زیر نانو ثانیه (ns0.19) به مصرف انرژی ویژه (4.4 kW h m⁻³) برای 50 درصد نمک زدایی و بازیافت انرژی (∼0.8 kW h m⁻³) منتهی می شود. فرایندهای دوگانه مزبور با کارکرد تقریبی 60 ساعت با آب طبیعی دریا، مورد بررسی علمی قرار گرفته و عملاً نشان داده شده است که تمامی فتوآندها قابلیت به پیش راندن فرایندهای دوگانه را دارند. در واقع آزمایش مزبور روشی برای اثبات مفهوم نمک‌ زدایی همزمان با تولید هیدروژن بوده است. امری که برای بسیاری از کشورهای کم آب و کم انرژی یک فرصت استثنایی فراهم می کند.

محققان دانشگاه هوستون آمریکا نیز ساخت کاتالیست اکسیژنی را گزارش کرده‌ اند که ظرف مدت چند دقیقه در سطح دمای اتاق و با استفاده از نوعی کف نیکل (سنتزی حاصل از تزریق سولفور به نیکل/ آهن متخلخل) امکان انجام فرایندی ارزان قیمت فراهم می شود. بدین ترتیب که این کاتالیست همراه با کاتالیست هیدروژن، تحت ولتاژ پایین و در چگالی صنعتی، آب دریا را به مولکول های هیدروژن و اکسیژن تفکیک می کند. پیش بینی می شود سیستم مزبور که به دلیل توانایی کار در دمای عادی، موجب پایین آمدن قیمت تمام شده و ثبات فرایند گردیده، در بازارهای جهانی مشتریان زیادی را به خود جلب کند. گاز اکسیژن، یک محصول جانبی از این فرایند انرژی‌ بر است که برای تولید انواع بیوسوخت ها قابل استفاده می باشد.

طبق طرح آمایش سرزمین، مطالعه شده توسط مشاور خارجی در قبل از انقلاب، قرار بود که به سبب زلزله خیز و کم آب بودن بخش بزرگی از فلات ایران، مازاد رشد جمعیت کشور به شهرهای تازه تأسیس سواحل مکران (بین بندرعباس و چابهار) منتقل شده و سکنا گزینند. ضمناً بنا بر این بود که آب مصرفی این جمعیت بزرگ از طریق ایجاد تأسیسات عظیم، متعدد و سرمایه‌بر آب‌ شیرین‌ کن‌ تأمین شود، کاری که متعاقبا توسط کشورهای حاشیه جنوبی خلیج فارس صورت پذیرفته است. اما هم اینک  استفاده از روش های مدرن، به سبب تولید گاز هیدروژن و خاصیت انرژی‌ زایی آن، از میزان هزینه های مربوط به فرایند نمک‌زدایی آب دریا به طرز قابل توجهی کاسته می شود. 

(این نوشتار ادامه دارد)

* مشاور انجمن صنفی شرکت‌های حمل و نقل ریلی و خدمات وابسته