دانشمندان با استفاده از قوطی های سودا و آب دریا ، هیدروژن سبز پایدار ایجاد می کنند

هیدروژن مدتهاست که به عنوان سوخت آینده دیده می شود – یک جایگزین تمیز و کارآمد برای سوخت های فسیلی. اما در حالی که به طور تمیز می سوزد ، بیشتر روش های امروز برای تکیه بر فرآیندهای کثیف. متداول ترین روش ، به نام اصلاحات متان بخار ، ۹ تا ۱۲ کیلوگرم دی اکسید کربن برای هر کیلوگرم هیدروژن تولید می کند. این دور از سبز است.

یک مطالعه جدید مسیری بهتر را ارائه می دهد. محققان MIT راهی برای تولید هیدروژن با استفاده از آلومینیوم و آب پیدا کرده اند ، با انتشار گازهای گلخانه ای که تقریباً یک هشتم به بالا است. حتی بهتر ، این فرآیند از فلز قراضه ، مواد بازیافت شده و گرمای زباله استفاده می کند و آن را نه تنها تمیزتر بلکه ارزان تر و مقیاس پذیر تر از بسیاری از فناوری های هیدروژن سبز موجود می کند.

هیدروژن می تواند سلولهای سوخت و موتورهای احتراق داخلی را بدون آزاد کردن دی اکسید کربن برق دهد. این امر آن را برای اتومبیل ها ، کامیون ها و سیستم های انرژی از راه دور جذاب می کند. اما ذخیره و حمل و نقل گاز سخت است. چگالی کم دارد ، بسیار قابل اشتعال است و باید در مخازن سنگین و گران قیمت ذخیره شود.

امروزه بیشتر هیدروژن از گاز طبیعی ، سوخت فسیلی ساخته شده است. حتی به اصطلاح “هیدروژن سبز” ، ساخته شده با انرژی خورشیدی یا باد از طریق الکترولیز ، پرهزینه و پیچیده است.

برای اینکه یک محلول آب و هوایی مناسب باشد ، تولید هیدروژن باید هم تمیزتر و هم ارزان تر شود. این جایی است که واکنش آلومینیومی آب (AWR) وارد می شود.

آلومینیوم فراوان ترین فلز در پوسته زمین است و از چگالی انرژی استثنایی برخوردار است-حدود دو برابر دیزل و ۴۰ برابر باتری های لیتیوم یون. هنگامی که با آب واکنش نشان می دهد ، گاز هیدروژن ، گرما و یک محصول جانبی جامد به نام اکسی هیدروکسید آلومینیوم تولید می کند.

اما یک صید وجود دارد. هنگامی که آلومینیوم هوا را لمس می کند ، یک لایه اکسید نازک تشکیل می دهد که از واکنش به آب جلوگیری می کند. تیم MIT راهی برای این کار پیدا کرد. آنها گلوله های آلومینیومی را با مقدار کمی از آلیاژ گالیم هندیوم ، که لایه اکسید را از بین می برد ، درمان کردند. این فعال سازی اجازه می دهد تا آلومینیوم با آب – حتی آب دریا – به راحتی واکنش نشان دهد.

“ما در حال توضیح علم این روند در کنفرانس ها بودیم و سؤالاتی که می خواهیم این بود:” این هزینه چقدر است؟ ” و ، “ردپای کربن آن چیست؟” در مهندسی مکانیک از MIT.

محققان تصمیم گرفتند از طریق ارزیابی کامل چرخه زندگی به این سؤالات پاسخ دهند. آنها هر مرحله را مورد بررسی قرار دادند – از تهیه آلومینیوم بازیافت شده تا انتقال سوخت هیدروژن به پمپ بنزین.

کارآمدترین راه اندازی این تیم از آلومینیوم بازیافت شده و آب دریا استفاده شده است. آنها ده ها سناریو را از طریق ابزاری به نام Earthster اجرا کردند که انتشار گازهای گلخانه ای کربن را در زنجیره های تأمین محاسبه می کند. بهترین نتیجه آنها نشان داد که فرآیند فقط ۱.۴۵ کیلوگرم دی اکسید کربن در هر کیلوگرم هیدروژن تولید شده منتشر شده است. این تقریباً با هیدروژن ساخته شده از انرژی خورشیدی یا باد-و به مراتب بهتر از روشهای مبتنی بر سوخت فسیلی است.

از دیدگاه هزینه ، این رویکرد امیدوار کننده به نظر می رسد. این تیم هزینه تولید حدود ۹.۲۰ دلار در هر کیلوگرم هیدروژن را محاسبه کرد. این شبیه به قیمت های فعلی هیدروژن سبز است. و این فرآیند یک محصول جانبی با ارزش را به همراه دارد: Boehmite ، نوعی اکسید آلومینیوم که در نیمه هادی ها و مواد صنعتی مورد استفاده قرار می گیرد. براساس این مطالعه ، فروش Boehmite می تواند بیش از پنج برابر سودآوری را بهبود بخشد.

کامبارگی گفت: “ما در قله هیدروژن سبز هستیم.” “این کار پتانسیل آلومینیوم را به عنوان یک منبع انرژی پاک برجسته می کند و یک مسیر مقیاس پذیر برای استقرار هیدروژن با انتشار کم در سیستم های حمل و نقل و انرژی از راه دور ارائه می دهد.”

پروفسور MIT داگلاس هارت و نویسندگان همکاری بروک بائو و انوخ الیس نیز در این کار نقش داشتند که در پایداری گزارش های سلولی منتشر شد.

واکنشهای شیمیایی این فرآیند ساده و مشهور است. هنگامی که آلومینیوم فعال شده با آب ملاقات می کند ، مولکول های آب را از هم جدا می کند ، گاز هیدروژن را آزاد می کند و بسته به دما و فشار ، بوهمیت یا هیدروکسید دیگر را تشکیل می دهد.

واکنش ها به این شکل به نظر می رسند:

2AL + 4H₂O → 2AlOOH + 2H₂ + گرما
2AL + 6H₂O → 2AL (OH) ₃ + 3H₂ + گرما

هر خال از آلومینیوم ۴۰۰ تا ۴۵۰ کیلوژول گرما را آزاد می کند. این انرژی کافی برای تولید هیدروژن به طور موثر در دمای اتاق است. تقریباً نیمی از انرژی به عنوان گرما بیرون می آید و نیمی دیگر از نظر شیمیایی در گاز هیدروژن ذخیره می شود.

محققان حتی نشان دادند که این فرایند می تواند در سیستم های کوچک و قابل حمل استفاده شود. آنها یک راکتور هیدروژن نمونه اولیه را به اندازه یک بطری آب ساختند. از گلوله های آلومینیومی و آب دریا برای برق یک دوچرخه برقی برای چند ساعت استفاده می کند. نسخه های آینده می توانند قایق های کوچک یا وسایل نقلیه زیر آب را تنها با استفاده از آب دریا اطراف خود نیرو بگیرند.

یکی از مهمترین مزیت های این روش نحوه ذخیره و حمل هیدروژن است. به جای حرکت گاز قابل اشتعال در مخازن تحت فشار ، شرکت ها می توانند گلوله های آلومینیومی جامد را حمل کنند. این گلوله ها ایمن ، متراکم و آسان برای کنترل هستند. در ایستگاه سوخت رسانی ، گلوله ها با آب دریا یا آب تصفیه شده مخلوط می شوند تا هیدروژن در صورت تقاضا آزاد شوند.

این امر به ویژه در مناطق ساحلی و از راه دور که زیرساخت های هیدروژن محدود است مفید خواهد بود. سوخت آلومینیوم را می توان به راحتی و با خیال راحت به مکانهایی منتقل کرد که تحویل سوخت سنتی امکان پذیر نیست.

حتی بهتر ، آلیاژ که آلومینیوم را فعال می کند-گالیم-هندوستان-قابل بازیابی و استفاده مجدد است. در آب شور ، آلیاژ به طور طبیعی از هم جدا می شود و می تواند برای استفاده در آینده جمع آوری شود. این به پایداری فرآیند می افزاید و هزینه های مواد را کاهش می دهد.

فرآیند جدید هیدروژن با افزایش تلاش های دولت برای مبارزه با تغییرات آب و هوا روبرو می شود. در سال ۲۰۲۴ ، آژانس حفاظت از محیط زیست ایالات متحده ۴.۳ میلیارد دلار بودجه برای پروژه هایی که هدف آن کاهش انتشار گازهای گلخانه ای است ، اعلام کرد. واکنش آلومینیومی آب با این هدف هماهنگ است و گزینه انرژی تمیز ، قابل اعتماد و انعطاف پذیر را ارائه می دهد.

این روش همچنین از استفاده از مواد زائد بهره می برد. بازیافت آلومینیوم فقط ۵ ٪ از انرژی مورد نیاز برای تولید اولیه آلومینیوم را استفاده می کند. این به طور چشمگیری باعث کاهش انتشار و هزینه ها می شود. با بازیافت بهتر و انرژی تجدید پذیر ، این روند می تواند رقابتی تر شود.

محققان خاطرنشان می کنند که انتشار گازهای بالادست – مانند ذوب و حمل و نقل – ماده. اما استفاده از کامیون های برقی یا هیدروژن و روش های ذوب جدید می تواند این انتشار را تا ۲۵ ٪ کاهش دهد. پیشرفت هایی مانند آندهای بی اثر و کاتدهای Tib₂ نوید تولید آلومینیوم تمیزتر را دارند.

این تیم اکنون در تلاش است تا سیستم را مقیاس کند و آن را برای استفاده تجاری پالایش کند. آنها در حال بررسی کاربردهای دنیای واقعی در حمل و نقل ، سیستم های انرژی خارج از شبکه و حتی وسایل نقلیه دریایی هستند. این فرایند با ترکیب مواد بازیافت شده ، شیمی هوشمند و تجزیه و تحلیل دقیق چرخه زندگی ، به آینده ای هیدروژن پاک کننده اشاره می کند.

این تحقیق تا حدودی توسط برنامه MIT پرتغال پشتیبانی شد. در صورت اتخاذ در مقیاس ، این روش تولید هیدروژن می تواند چشم انداز انرژی را تغییر شکل دهد – ضایعات روزمره را به سوخت برای موتورهای فردا منتقل می کند.