أغشية تبادل أنيون: مستقبل الهيدروجين الأخضر؟

يتحول الباحثون الذين يقومون بتطوير الإلكتروليزرات لإنتاج الهيدروجين بشكل متزايد إلى منصة غشاء تستخدم أصلاً في خلايا الوقود لتوسيع نطاق التكنولوجيا. استراتيجيتهم: استخدم أغشية تبادل الأنيون ، التي يمكن أن يكون أكثر فعالية من حيث التكلفة و اجمع بين أفضل ميزات أغشية تبادل البروتون التقليدية ونهج القلوية.

تتيح تقنية غشاء تبادل الأنيون (AEM) النقل الانتقائي للأيونات المشحونة سلبًا بين الكاثود والأنود. في خلية وقود الهيدروجين ، يساعد الغشاء في تسهيل التفاعلات الكيميائية اللازمة لتوليد الكهرباء. في التحليل الكهربائي للهيدروجين ، يساعد الغشاء على تقسيم الماء عن طريق فصل الهيدروجين عن الأكسجين.

حتى الآن ، تم نشر AEM فقط على نطاق صغير. لكن العديد من شركات الهيدروجين المتجددة تستعد لتغيير ذلك. في 7 مايو ، إيثاكا ، إيكوليكترو ومقرها نيويورك أعلن شراكة مع Framingham ، RE: Massachusetts مقراً لها: بناء التصنيع لنشر الكهارل AEM المتقدمة في الولايات المتحدة. وفي مارس ، أطلقت شركة Michelin الفرنسية Michelin والعديد من مؤسسات الأبحاث الفرنسية تعاونًا متعدد السنوات لتطوير إصدارات أكثر متانة من هذه الأغشية كجزء من توسع ميشلان في الأسواق المتجددة.

تراهن هذه الشركات ، والعديد من الشركات الأخرى على مستوى العالم ، على تقنية AEM للوفاء بالوعد الذي طال انتظاره بالهيدروجين “الأخضر” المنتجة بالطاقة المتجددة. يقول: “لقد اعتبر هذا منذ فترة طويلة المنقذ المحتمل لكثير من المشكلات مع أنواع أخرى من التحليل الكهربائي الذي نحاول توسيعه”. ليندسي موتلو، وهو عالم فيزيائي ومدير أبحاث في دارسي بارتنرز ، وهي شركة استخبارات السوق في هيوستن ، تكساس.

تحجيم الهيدروجين الأخضر يأتي مع التحديات التي جعلتها أقل تنافسية من طرق إنتاج الهيدروجين الأخرى. يعتمد الحقل على المنحلوليات بالكهرباء ، والتي تستخدم الكهرباء لتقسيم جزيئات الماء لإطلاق الهيدروجين. يستخدم معظمهم إما غشاء تبادل بروتون (PEM) ، والذي يستخدم محفزات معدنية ثمينة وأغشية البوليمر لتقسيم الجزيئات ، أو التحليل الكهربائي القلوي ، الذي يعمل مع محلول كهربائي.

يمكن لـ PEM أن تندفع بسرعة لأعلى ولأسفل استجابة لمصادر الطاقة المتغيرة مثل الرياح والطاقة الشمسية ، ولكنها تتطلب إيريديوم ، وهو في العرض المحدود. التحليل الكهربائي القلوي أقل كثافة في رأس المال وأكثر رسوخًا على نطاقات أكبر ، لكنه يفتقر إلى الكفاءة ويؤدي الحل الأساسي القاسي إلى تعقيد تصميم النظام.

أدى ذلك إلى التحول إلى مجموعات إلى AEM ، والتي تحل محل النيكل والصلب للمعادن المكلفة لـ PEM. وبينما يستخدم حلًا أساسيًا ، فإن AEM لديها كفاءة أفضل من التحليل الكهربائي القلوي ، على الأقل على نطاق المختبر.

سايركبيك ، مقرها ألمانيا Enapter تقدم Agastya ومقرها تكساس مقراً لها من مكوريات كهربائية Megawatt على نطاق Megawatt المستخدمة في الصناعة من أجل التفاعلات الكيميائية والتدفئة. في الصين ، أطلقت شركة Hygreen Energy التي تتخذ من شاندونغ مقراً لها في سبتمبر 2024 ، إلكتروليزر AEM على نطاق كيلووات لاستخدام المكونات والعب في الحدائق الصناعية والمباني المجتمعية والنقل. ومع ذلك ، لا تزال هذه المظاهرات محدودة في الحجم والنضج. لم يثبت تقنية AEM بعد على نطاق تجاري لإمداد الهيدروجين الصناعي المستمر.

يستخدم مكدس AEM electrolyzer من ECOLECTRO منصة غشاء خالية من PFAS وخالية من الإيريديوم.ecolectro

لماذا تختار AEM للهيدروجين الأخضر؟

تهدف الشراكة بين Ecolectro و Re: Build إلى تقليل التكاليف المرتفعة التي أعاقت توسيع نطاق الهيدروجين الأخضر للاستخدام الصناعي. بالإضافة إلى تحديد مصادر مواد أرخص لمكونات الإلكتروليزر ، فإن Ecolectro تتعافى من التصنيع لإعادة: مصانع Build في نيويورك وبنسلفانيا. بالنسبة للأغشية ، ستستخدم Ecolectro مزيجًا خاصًا من المواد الكيميائية مع محفز النيكل لتحسين المتانة.

يقول المؤسس والرئيس التنفيذي إن Ecolectro يأخذها خطوة واحدة في كل مرة غابرييل رودريغيز-سياليرو. أول وحدات تجارية للشركة ، والتي يتم تطويرها هذا العام على مصنع التصميم في RE: Build’s في Rochester ، نيويورك ، ستكون 250-500 كيلووات. يقول رودريغيز كاليفورنيا إن فريقه يخطط للوصول إلى مقياس ميجاوات في عام 2026.

للنشر إلى ما وراء مقياس المختبر ، يواجه تشغيل AEM مع مصادر الطاقة المتجددة عقبات هندسية كبيرة. تفترض الكفاءة العالية على مقياس المختبر تدفقًا ثابتًا للكهرباء التي تعمل بالوقود الأحفوري ، لكن القدرة على الاستجابة بسرعة للتقلبات في الطاقة المتجددة لم يتم اختبارها على نطاق واسع. تعتبر المتانة الغشائية تحديًا آخر ، لأن المواد يجب أن تصمد أمام الظروف الأساسية القاسية. تعتبر أغشية البوليمر المفلورة خيارًا فعالًا ، لكنها تلوث المياه وتدخل المواد الكيميائية إلى الأبد.

لحل قضية الغشاء ، أطلقت ميشلان في كليرمونت فيراند وفرنسا وشركاء الأبحاث أ تعاون يسمون alcal’hylab. سيقوم الباحثون بتطوير غشاء جديد أكثر متانة باستخدام مزيج من المواد الكيميائية إلى جانب محفز معدني فعال من حيث التكلفة-وهو نموذج مشابه لـ Ecolectro. هدف Alcal’Hylab هو نشر هذا الغشاء في مكدس electrolyzer AEM 25 كيلو وات بحلول عام 2027.

يقول: “من الصعب العثور على بنية بوليمر متوافق حقًا مع ظروف التشغيل هذه لفترة طويلة”. جاك مادالونو، مدير الكيمياء في المركز الوطني الفرنسي للبحوث العلمية (CNRS) ، والذي سيستضيف المختبر التعاوني. “تحصل على نتائج جيدة جدًا في Time Zero ، لكنها تتحلل بسرعة كبيرة.”

هل يمكن للهيدروجين الأخضر التنافس مع الكهرباء المتجددة؟

على الرغم من العديد من مجموعات البحث التي تعمل على المشكلة ، لا يزال الشك حول الهيدروجين الأخضر. العقبات العلمية والاقتصادية لتطويرها على نطاق صناعي لا تقرض نفسها استثمار جدير بالاهتماميقول جوزيف روم ، عالم الفيزياء في جامعة بنسلفانيا ومؤلف كتاب “كومبانيا” ، حتى بالنسبة لشركة مثل ميشلان الضجيج حول الهيدروجين: وعود كاذبة وحلول حقيقية في السباق لإنقاذ المناخ. يقول: “حقيقة أنهم يقومون بصفقات مع المنظمات البحثية تخبرك إلى أي مدى يجب أن تذهب”.

صحيح أن الهيدروجين الأخضر لم يرق إلى مستوى الضجيج. يقول: “أعتقد أن وتيرة تبني بعض سوق الهيدروجين الجديد هذه كانت أبطأ مما كان يأمل الكثير من الناس”. يرى أن Ecolectro خطوة ذات معنى نحو التنافس مع الهيدروجين المشتق من الوقود الأحفوري للمستخدمين الصناعيين الذين يحتاجون إلى إنتاجه في الموقع.

ولكن لتجاوز هذه الأنواع من بدائل من نقطة إلى نقطة ، لا يزال الهيدروجين الأخضر يكافح من أجل التنافس مع الكهرباء المتجددة. تفتقر الصناعة أيضًا إلى البنية التحتية لنقل المسافات الطويلة للهيدروجين. يقول روم: “المشكلة الأكبر لـ AEM هي أن الهيدروجين ليس لديه مشكلة واحدة فقط.”