رؤية لمستقبل غير مكتمل

يتم تقديم هذا المقال المدعوم لك من قبل كلية الهندسة في جامعة نيويورك تاندون.

نظرًا لأن العالم يتصارع مع الحاجة الملحة للانتقال إلى أنظمة الطاقة الأنظف ، فإن عدد متزايد من الباحثين يتخلفون عن تصميم وتحسين التقنيات الناشئة. في طليعة هذا الجهد Dharik Mallapragadaأستاذ مساعد في الهندسة الكيميائية والجزيئات الحيوية في جامعة نيويورك تاندون. تكرس Mallapragada لفهم كيفية دمج تقنيات الطاقة الجديدة في مشهد الطاقة المتطور ، مما يلقي الضوء على التفاعل المعقد بين الابتكار ، قابلية التوسع ، وتنفيذ العالم الحقيقي.

Mallapragada’s انتقالات الطاقة المستدامة تهتم Group بتطوير أساليب النمذجة الرياضية لتحليل تقنيات الكربون المنخفضة وتكامل نظام الطاقة الخاص بها في إطار سياسة مختلفة للسياسة والسياقات الجغرافية. تهدف أبحاث المجموعة إلى إنشاء المعرفة والأدوات التحليلية اللازمة لدعم انتقالات الطاقة المتسارعة في الاقتصادات المتقدمة مثل الولايات المتحدة وكذلك السوق الناشئة وبلدان الاقتصاد النامية في الجنوب العالمي والتي تعتبر أساسية لجهود التخفيف من المناخ العالمي.

سد البحوث والواقع

يقول Mallapragada: “تركز مجموعتنا على تصميم وتحسين تقنيات الطاقة الناشئة ، مما يضمن أنها تتناسب بسلاسة مع أنظمة الطاقة المتطورة بسرعة”. يستخدم فريقه أدوات محاكاة ونمذجة متطورة لمواجهة التحدي المزدوج: توسيع نطاق الاكتشافات العلمية من المختبر مع التكيف مع الحقائق الديناميكية لشبكات الطاقة الحديثة.

“أنظمة الطاقة ليست ثابتة” ، أكد. “ما قد يكون هدفًا مثاليًا للتصميم اليوم قد يتحول غدًا. هدفنا هو تزويد أصحاب المصلحة – سواء كان صانعي السياسات أو أصحاب رأس المال الاستثماري أو قادة الصناعة – مع رؤى قابلة للتنفيذ توجه كل من البحث وتطوير السياسات. “

Dharik Mallapragada هو أستاذ مساعد في الهندسة الكيميائية والجزيئات الحيوية في جامعة نيويورك تاندون.

غالبًا ما تستخدم أبحاث Mallapragada دراسات الحالة لتوضيح تحديات دمج التقنيات الجديدة. أحد الأمثلة البارزة هو إنتاج الهيدروجين عبر التحليل الكهربائي للماء-وهي عملية تعد بالهيدروجين منخفض الكربون ولكنها تأتي مع مجموعة فريدة من العقبات.

“لكي ينتج عن التحليل الكهربائي الهيدروجين منخفض الكربون ، يجب أن تكون الكهرباء المستخدمة نظيفة” ، أوضح. هذا يثير تساؤلات حول الطلب على الكهرباء النظيفة وتأثيرها على إزالة الكربون الشبكة. هل يتسارع هذا الطلب الجديد أو يعيق قدرتنا على إزالة الكربون؟ “

بالإضافة إلى ذلك ، على مستوى المعدات ، تكثر التحديات. تعتمد المنحلال الكهربائية التي يمكن أن تعمل بمرونة ، لاستخدام مصادر الطاقة المتجددة المتقطعة مثل الرياح والطاقة الشمسية ، غالبًا على المعادن الثمينة مثل إيريديوم ، والتي ليست باهظة الثمن فحسب ، بل يتم إنتاجها أيضًا بكميات صغيرة حاليًا. قد يتطلب تحجيم هذه الأنظمة لتحقيق أهداف إزالة الكربون العالمية سلاسل توريد المواد المتوسعة بشكل كبير.

وقال مالابراجادا: “نحن ندرس سلاسل التوريد للعمليات الجديدة لتقييم كيف تؤثر استخدام المعادن الثمينة وغيرها من معلمات الأداء على احتمالات التحجيم في العقود المقبلة”. “يترجم هذا التحليل إلى أهداف ملموسة للباحثين ، وتوجيه تطوير التقنيات البديلة التي توازن بين الكفاءة ، وقابلية التوسع ، وتوافر الموارد.”

على عكس الزملاء الذين يقومون بتطوير محفزات أو مواد جديدة ، يركز Mallapragada على أطر عمل دعم القرار التي يجسرون ابتكار المختبر والتنفيذ على نطاق واسع. وقال: “تساعد نمذجةنا في تحديد قيود المرحلة المبكرة ، سواء كانت تنبع من سلاسل إمداد المواد أو تكاليف الإنتاج ، والتي قد تعيق قابلية التوسع”.

على سبيل المثال ، إذا كان أداء محفز جديد جيدًا ولكنه يعتمد على مواد نادرة ، فإن فريقه يقيم قابليته لليوم من وجهات نظر التكلفة والاستدامة. يخبر هذا النهج الباحثين عن مكان توجيه جهودهم – سواء أكان ذلك تحسين الانتقائية ، أو تقليل استهلاك الطاقة ، أو تقليل تبعية الموارد.

يقدم الطيران قطاعًا صعبًا بشكل خاص لإزالة الكربون بسبب متطلبات الطاقة الفريدة والقيود الصارمة على الوزن والقوة. تتطلب الطاقة المطلوبة للإقلاع ، إلى جانب الحاجة إلى إمكانيات الطيران لمسافات طويلة ، وقودًا شديد الكثافة في الطاقة يقلل من الحجم والوزن. حاليًا ، يتم تحقيق ذلك باستخدام توربينات الغاز التي تعمل بالوقود السائل الطيران التقليدي.

“إن الطاقة المطلوبة للإقلاع تحدد الحد الأدنى من متطلبات الطاقة” ، كما أشار ، مع التركيز على العقبات الفنية لتصميم أنظمة الدفع التي تلبي هذه المطالب مع تقليل انبعاثات الكربون.

Mallapragada يسلط الضوء على استراتيجيتين أوليتين لتصنيع الكربون: استخدام الوقود السائل المتجدد ، مثل تلك المشتقة من الكتلة الحيوية ، والكهرباء ، والتي يمكن تنفيذها من خلال الأنظمة التي تعمل بالبطارية أو وقود الهيدروجين. على الرغم من أن كهربة الكهربة اكتسبت اهتمامًا كبيرًا ، إلا أنها تظل في مهدها لتطبيقات الطيران. الهيدروجين ، مع طاقته العالية لكل كتلة ، يحمل وعدًا كبديل أنظف. ومع ذلك ، توجد تحديات كبيرة في كل من تخزين الهيدروجين وتطوير تقنيات الدفع اللازمة.

فحص بحث Mallapragada قوة محددة مطلوبة لتحقيق تخفيض الصفر وخفض الحمولة النافعة اللازمة لتلبية قوة متغيرة لخلايا الوقود المستهدفة ، من بين عوامل أخرى.

يبرز الهيدروجين بسبب كثافة الطاقة حسب الكتلة ، مما يجعلها خيارًا جذابًا للتطبيقات الحساسة للوزن مثل الطيران. ومع ذلك ، فإن تخزين الهيدروجين بكفاءة على الطائرة يتطلب إما تسييل ، والذي يتطلب تبريدًا شديدًا إلى -253 درجة مئوية ، أو احتواء عالي الضغط ، مما يستلزم أنظمة تخزين قوية وثقيلة. تشكل تحديات التخزين هذه ، إلى جانب الحاجة إلى خلايا الوقود المتقدمة ذات كثافات الطاقة العالية ، حواجز كبيرة أمام تحجيم الطيران الذي يعمل بالهيدروجين.

ركزت أبحاث Mallapragada حول استخدام الهيدروجين للطيران على متطلبات الأداء لأنظمة التخزين وأنظمة خلايا الوقود على متن الطائرة لرحلات 1000 نانومتر أو أقل (على سبيل المثال نيويورك إلى شيكاغو) ، والتي تمثل شريحة أصغر ولكنها ذات مغزى من صناعة الطيران. حدد البحث الحاجة إلى التقدم في أنظمة تخزين الهيدروجين وخلايا الوقود لضمان بقاء قدرات الحمولة غير متأثرة. ستتطلب التقنيات الحالية لهذه الأنظمة تخفيضات الحمولة ، مما يؤدي إلى رحلات أكثر تكرارًا وزيادة التكاليف.

“أنظمة الطاقة ليست ثابتة. ما قد يكون هدف التصميم المثالي اليوم قد يتحول غدًا. هدفنا هو تزويد أصحاب المصلحة – سواء كان صانعي السياسات أو أصحاب رأس المال الاستثماري أو قادة الصناعة – مع رؤى قابلة للتنفيذ توجه كل من البحث وتطوير السياسات. ” —Dharik Mallapragada ، NYU TANDON

الاعتبار المحوري في اعتماد الهيدروجين للطيران هو التأثير في المنبع على إنتاج الهيدروجين. يمكن أن يزيد الطلب الإضافي من الطيران الإقليمي بشكل كبير من إجمالي الهيدروجين المطلوب في الاقتصاد غير الكربوني. إن إنتاج هذا الهيدروجين ، وخاصة من خلال التحليل الكهربائي مدعوم من الطاقة المتجددة ، من شأنه أن يضع مطالب إضافية على شبكات الطاقة ويتطلب المزيد من التوسع في البنية التحتية.

يستكشف تحليل Mallapragada كيف يتفاعل هذا الطلب مع اعتماد الهيدروجين الأوسع في قطاعات أخرى ، مع الأخذ في الاعتبار الحاجة إلى التقنيات التقاط الكربون والآثار المترتبة على التكلفة الإجمالية لإنتاج الهيدروجين. يؤكد هذا المنظور المنهجي على تعقيد دمج الهيدروجين في قطاع الطيران مع الحفاظ على أهداف إزالة الكربون الأوسع.

يؤكد عمل Mallapragada على أهمية التعاون عبر التخصصات والقطاعات. من تحديد الاختناقات التكنولوجية إلى تشكيل حوافز السياسة ، فإن أبحاث فريقه بمثابة جسر حاسم بين الاكتشاف العلمي والتحول المجتمعي.

مع تطور نظام الطاقة العالمي ، يضيء الباحثون مثل Mallapragada الطريق إلى الأمام – الضمان ضمان أن الابتكار ليس ممكنًا فحسب ، بل عمليًا.