كيف يتم إنتاج الهيدروجين الأخضر ؟ وماهي أنواع المحلل الكهربائي المستخدمة لإنتاجه؟

التحليل الكهربائي

التحليل الكهربائي يعد التحليل الكهربائي خيارا واعدا لإنتاج الهيدروجين الخالي من الكربون من مصادر متجددة ونووية. يتم في هذه العملية استخدام الكهرباء لتفكيك الماء إلى الهيدروجين والأكسجين. يتم تنفيذ هذه العملية في وحدة تسمى المحلل الكهربائي. تتراوح أحجام المحللات الكهربائية من  وحدات صغيرة بحجم الأجهزة المنزلية، والتي تناسب إنتاج الهيدروجين على نطاق صغير، إلى  وحدات إنتاج كبيرة على المستوى المركزي.

كيف يعمل المحلّل الكهربائي؟

يتكون التحليل الكهربائي من قطب سالب وقطب موجب يفصل بينهما مادة إلكتروليت. تختلف أنواع المحلّلات الكهربائية بناءًا على طريقة عملها ونوع مادة الإلكتروليت المستخدمة.

النوع الأول :

المحلل الكهربائي ذو الغشاء البوليميري الصلب أو مايعرف ب (polymer electrolyte membrane (PEM)) 

فعلى سبيل المثال في حالة التحليل الكهربائي ذو الغشاء البوليمري الصلب “(polymer electrolyte membrane (PEM))”، يتفاعل الماء في القطب السالب لتكوين الأكسجين وأيونات الهيدروجين المشحونة إيجابيًا (بروتونات). تتدفق الإلكترونات عبر دائرة خارجية وتتحرك أيونات الهيدروجين إلى القطب الموجب. في القطب الموجب، تتحد أيونات الهيدروجين مع الإلكترونات من الغشاء البوليمري الصلب عبر الدائرة الخارجية لتكوين غاز الهيدروجين. 

تتمثل تفاعلات الأنود في -4H+ + 4e،

 وتتمثل تفاعلات الكاثود في -2 H2O + O2 + 4H+ + 4e-→ 2H2.

النوع الثاني:

الخلايا الكهربائية القلوية “أو مايعرف ب Alkaline Electrolyzers“

تعمل الخلايا الكهربائية القلوية عن طريق تحرك أيونات الهيدروكسيد OH- عبر المحلول الكهربائي من الكاثود إلى الأنود، حيث يتم توليد الهيدروجين على جانب الكاثود. وقد تم استخدام الخلايا الكهربائية التي تستخدم محلولًا قلويا سائلاً من هيدروكسيد الصوديوم أو البوتاسيوم كمحلول كهربائي موصل لعدة سنوات.

The three types of electrolysers: (a) Acidic (PEM: Polymer Electrolyte Membrane); (b) Alkaline (AEL); and (c) Solid oxide (SOEC) electrolyser cells, Image Source: Noris Gallandat, 2017

 وتظهر الطرق الحديثة التي تستخدم أغشية تبادل أيونات قلوية صلبة كمحلول كهربائي واعدة على نطاق المختبر المحلّلات الكهربائية الأكسيدية الصلبة تنتج المحلّلات الكهربائية الأكسيدية الصلبة، التي تستخدم مادة سيراميكية صلبة كمادة إلكتروليتية توصل أيونات الأكسجين ذات الشحنة السالبة (02-) عند درجات حرارة مرتفعة، الهيدروجين بطريقة مختلفة قليلاً. يتفاعل البخار عند الكاثود مع الإلكترونات من الدائرة الخارجية لتكوين غاز الهيدروجين وأيونات الأكسجين ذات الشحنة السالبة.

 تمر أيونات الأكسجين عبر الغشاء السيراميكي الصلب وتتفاعل عند الأنود لتكوين غاز الأكسجين وتوليد الإلكترونات للدائرة الخارجية. تحتاج محللات الكهربائية الأكسيدية الصلبة إلى درجات حرارة عالية لتعمل بشكل صحيح، وتتراوح هذه الدرجات من 700 إلى 800 درجة مئوية. وهذا يعد تحديا كبيرا في تطبيقات الصناعة، حيث يتطلب ذلك استهلاگا عاليا للطاقة وتكاليف إنتاجية باهظة. 

ومن المقارنة بين محلّلات solid oxide membranes التي تعمل عند 70-90 درجة مئوية، ومحللات الكهرليز القلوية التجارية التي تعمل عادة عند أقل من 100 درجة مئوية، يتضح أن محللات الكهرليز الأكسيدية الصلبة تتطلب درجات حرارة أعلى بكثير للعمل بشكل صحيح. ومع ذلك، فإن محللات الكهرليز الأكسيدية الصلبة المتقدمة التي تعتمد على الكهرليتات السيراميكية الموصلة للبروتونات تعمل عند درجات حرارة أقل تتراوح بين 500 إلى 600 درجة مئوية. وهذا يعني أنه لا يتعين على هذه المحللات الحاجة إلى درجات حرارة عالية للعمل بشكل صحيح، مما يقلل من استهلاك الطاقة وتكاليف الإنتاج. ويمكن لمحلّلات الكهرليز الأكسيدية الصلبة استخدام الحرارة المتاحة عند هذه الدرجات الحرارة المرتفعة من مصادر مختلفة، بما في ذلك تستخدم الطاقة النووية، لتقليل كمية الطاقة الكهربائية المطلوبة لإنتاج الهيدروجين من الماء. وهذا يجعل محللات الكهرليز الأكسيدية الصلبة خيارا مثاليا لإنتاج الهيدروجين بطريقة صديقة للبيئة وفعالة من حيث التكلفة.