سیستم جدید دانشگاه ام آی تی برای تولید هیدروژن پاک از نور خورشید
مطب نما: سیستم های متعارف تولید هیدروژن به سوخت های فسیلی وابسته هستند اما سیستم جدیدی که مراحل طراحی را در دانشگاه «ام آی تی» می گذارند، فقط از انرژی خورشیدی استفاده می نماید.
به گزارش مطب نما به نقل از ایسنا و به نقل از ام آی تی نیوز، مهندسان دانشگاه «ام آی تی»(MIT) تلاش می کنند 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 فقط توسط خورشید هدایت می شود.
مهندسان ام آی تی در پژوهش جدید خود، طرح مفهومی یک سیستم را ارائه کرده اند که می تواند هیدروژن حرارتی خورشیدی را بطور موثر تولید نماید. این سیستم از گرمای خورشید برای شکافت مستقیم آب و تولید هیدروژن استفاده می نماید و یک سوخت پاک را تولید می کند که می تواند به کامیون ها، کشتی ها و هواپیماها برای پیمودن مسافت طولانی انرژی بدهد. در این پروسه هیچ گاز گلخانه ای منتشر نمی شود.
امروزه، هیدروژن عمدتاً بوسیله فرآیندهایی تولید می شود که شامل گاز طبیعی و سایر سوخت های فسیلی است و در نتیجه آنها، سوخت سبز از زمان شروع تولید تا استفاده نهایی، بیشتر به یک منبع انرژی خاکستری تبدیل می شود. انرژی خاکستری، نوعی انرژی است که از سوخت های فسیلی نشات می گیرد. در مقابل، «هیدروژن ترموشیمیایی خورشیدی»(STCH) یک جایگزین کاملا بدون آلایندگی را ارائه می دهد برای اینکه بطور کامل به انرژی خورشیدی تجدیدپذیر برای هدایت تولید هیدروژن متکی است. با این وجود، طرح های موجود هیدروژن ترموشیمیایی خورشیدی، کارآیی محدودی دارند و تنها حدود هفت درصد از نور خورشید ورودی برای تولید هیدروژن استفاده می شود. این سیستم ها تا حالا بازدهی کم و هزینه بالایی داشته اند.
گروه ام آی تی در یک گام بزرگ به سمت تحقق بخشیدن به سوخت های خورشیدی دریافتند که طراحی جدید آنها می تواند تا ۴۰ درصد از گرمای خورشید را برای تولید هیدروژن مهار کند. افزایش راندمان می تواند هزینه کلی سیستم را کم کند و هیدروژن ترموشیمیایی خورشیدی را به یک گزینه مقیاس پذیر و مقرون به صرفه برای کمک کردن به کربن زدایی صنعت حمل و نقل تبدیل کند.
«احمد گونیم»(Ahmed Ghoniem) استاد دانشکده مهندسی مکانیک «رونالد کرین»(Ronald Crane) در دانشگاه ام آی تی و پژوهشگر ارشد این پروژه اظهار داشت: ما هیدروژن را به عنوان سوخت آینده در نظر می گیریم که باید تولید ارزان و در مقیاس بالا داشته باشد. ما اهتمام 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 جمع آوری شده، در تولید هیدروژن استفاده می شود.
پایگاه های خورشیدی
مانند سایر طرح های پیشنهادی، سیستم ام آی تی نیز با یک منبع گرمای خورشیدی موجود مانند یک نیروگاه خورشیدی متمرکز همراه می شود. نیروگاه خورشیدی متمرکز، یک آرایه دایره ای متشکل از صدها آینه است که نور خورشید را جمع آوری می کنند و به یک برج گیرنده مرکزی انعکاس می دهند. سپس یک سیستم هیدروژن ترموشیمیایی خورشیدی، گرما را جذب می کند و آنرا برای شکاف آب و تولید هیدروژن راه می اندازد. این پروسه بسیار متفاوت با روش الکترولیز است که از الکتریسیته بجای گرما برای شکافت آب استفاده می نماید.
در قلب سیستم مفهومی هیدروژن ترموشیمیایی خورشیدی، یک واکنش حرارتی دو مرحله ای صورت می گیرد. در مرحله اول، آب بصورت بخار در معرض فلز قرار می گیرد و این موجب می شود که فلز، اکسیژن را از بخار بگیرد و هیدروژن را پشت سر بگذارد. این پروسه اکسیداسیون شبیه به زنگ زدن آهن در حضور آب است اما بسیار سریع تر اتفاق می افتد. بعد از جدا شدن هیدروژن، فلز اکسیدشده یا زنگ زده باردیگر در خلاء گرم می شود که پروسه زنگ زدگی را معکوس می سازد و فلز را بازسازی می کند. با حذف اکسیژن، فلز را می توان خنک کرد و باردیگر در معرض بخار قرار داد تا هیدروژن بیشتری را تولید نماید. این پروسه را می توان صدها بار تکرار کرد.
سیستم ام آی تی برای بهینه سازی این پروسه طراحی شده است. این سیستم در کل شبیه به قطاری از رآکتورهای مشابه جعبه است که روی یک مسیر دایره ای کار می کنند. در عمل، این مسیر در اطراف یک منبع حرارتی خورشیدی مانند یک برج نیروگاه خورشیدی متمرکز تنظیم می شود. هر رآکتور قطار، فلزی را در خود جای می دهد که تحت پروسه اکسایش-کاهش قرار می گیرد.
هر رآکتور ابتدا از یک پایگاه داغ عبور می کند و در آنجا تحت دمای ۱۵۰۰ درجه سلسیوس در معرض گرمای خورشید قرار می گیرد. این گرمای شدید بطور موثر اکسیژن را از فلز یک رآکتور بیرون می برد. سپس آن فلز در حالت کاهش قرار می گیرد تا برای جذب اکسیژن از بخار آماده شود. به جهت اینکه این اتفاق بیفتد، رآکتور به یک پایگاه خنک تر در دمای حدود ۱۰۰۰ درجه سلسیوس منتقل می شود تا برای تولید هیدروژن در معرض بخار قرار بگیرد.
سایر مفاهیم مشابه هیدروژن ترموشیمیایی خورشیدی با یک مانع مشترک روبه رو شده اند 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 می توان فلز را زنگ زدایی کرد. تعدادی از نمونه های اولیه با بهره گیری از پمپ های مکانیکی، خلاء را تولید می کنند اما پمپ ها برای تولید هیدروژن در مقیاس بزرگ بیش از حد انرژی بر و پرهزینه هستند.
طراحی ام آی تی برای مقابله کردن با این چالش ها، چندین راهکار را برای صرفه جویی در انرژی در خود جای داده است. برای بازیابی بیشتر گرمایی که در غیر این صورت از سیستم خارج می شود، رآکتورهایی که در طرف مقابل مسیر دایره ای قرار دارند، مجاز به تبادل گرما بوسیله تشعشعات حرارتی هستند. رآکتورهای داغ سرد می شوند و رآکتورهای سرد گرم می شوند. این کار به حفظ گرما در سیستم کمک می نماید. همچنین، پژوهشگران یک مجموعه دیگر از رآکتورها را اضافه کردند که دور قطار اول می چرخند و در راستای مخالف حرکت می کنند. این قطار بیرونی از رآکتورها عموما در دماهای سردتر کار می کند و برای تخلیه اکسیژن از قطار داخلی گرم تر، بدون نیاز به پمپ های مکانیکی انرژی زا استفاده می شود.
پژوهشگران شبیه سازی های دقیقی را از طرح مفهومی انجام دادند و دریافتند که بازدهی تولید هیدروژن ترموشیمیایی خورشیدی را از هفت درصد به ۴۰ درصد می افزاید.
گونیم اظهار داشت: ما باید به هر ذره انرژی در سیستم فکر نماییم و بدانیم چگونه از آن استفاده نمائیم تا هزینه را به حداقل برسانیم. ما با این طراحی متوجه شدیم که همه چیز را می توان با گرمای حاصل از خورشید تامین کرد. این سیستم قادر می باشد از ۴۰ درصد گرمای خورشید برای تولید هیدروژن استفاده نماید.
«کریستوفر موهیچ»(Christopher Muhich) استادیار مهندسی شیمی «دانشگاه ایالتی آریزونا» که در این پژوهش مشارکت نداشت، اظهار داشت: اگر این امر محقق شود، می تواند آینده انرژی ما را به شدت تغییر دهد و امکان تولید هیدروژن را بصورت ۲۴ ساعته فراهم آورد. 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 لابراتوار های وزارت انرژی آزمایش خواهد شد.
این پژوهش در «Solar Energy Journal» به چاپ رسید.
این مطلب را می پسندید؟
(1)
(0)
تازه ترین مطالب مرتبط
نظرات بینندگان در مورد این مطلب