انتاج الهايدروجين بطريقة الاصلاح البخاري Steam methane reforming (SMR)

مقدمة:

\nيستهلك العالم الوقود الأحفوري سنويا  بكميات كبيرة جدًا وبحسب تقرير   وكالة  الطاقة الدولية (IEA)   الذي قدرت فيه ارتفاع الطلب العالمي على النفط الخام  إلى 99.7 مليون برميل يوميا في عام 2022، ثم 101.8 مليون برميل يوميا في عام 2023, إن مستوى الاستهلاك هذا لا يأتي بدون مشاكل وتحديات كبيرة منها ما يتعلق بانبعاث الملوثات و المواد الضارة والغازات الدفيئة  وقضايا  الاحترار العالمي الحالية  ليست سوى عدد قليل من عيوب هذا الاستهلاك الكبير ,علاوة على ذلك ، فإن الصراع السياسي يسهم بشكل كبير بتذبذب وتقلب الاسعار بشكل يومي و  هو عيب واضح يهدد بالتأكيد حياة الناس ويعقد من اساليب الحياة المرنة  بالإضافة إلى ذلك ، فإن هذه الأنواع من الوقود عبارة عن مشتقات زيتية مع مجموعة واسعة من التركيبات حيث يمكن تغذية كل منها لمجموعة معينة ومحدودة من الآلات الاستهلاكية. يتم \"حرق\" هذه الأنواع من الوقود بشكل أساسي من أجل إطلاق محتواها من الطاقة ، مما يؤدي إلى إطلاق جزء كبير منها في الغلاف الجوي كنفايات حرارية في عملية الاحتراق .\n\nلذا فان مستقبل الطاقة يتجه الى استخدام حاملات طاقة بديلة عن الوقود الاحفوري ومن افضل السبل البديلة هي استخدام  الكهرباء والهيدروجين , ان  فكرة استخدام الهيدروجين كناقل للطاقة بدأت  بشكل ملحوظ بعد أزمة الطاقة العالمية في عام 1974  [1،  ويعتبر الهيدروجين (H2)  من اهم مصادر الطاقة في المستقبل خاصة فيما يتعلق في الطاقة  النظيفة والمستدامة [1] .\n\nيتم استخدام طرق مختلفة من أجل انتاج الهيدروجين  ويمكن ايضا استخلاص الهيدروجين حسب وفرته\n\nمن مجموعة متنوعة من المواد والمركبات ويتم باستخدام  مجموعة واسعة من الأساليب لكن  معظم انتاج  الهايدروجينH2 في العالم  يكون باستخدام عملية إعادة تشكيل غاز الميثان بالبخار (SMR), وفي هذا المقال نركز على خصائص الهايدروجين كناقل للطاقة و طريقة انتاجه بالاصلاح البخاري للميثان Steam methane reforming (SMR),\n

المميزات :

\nالهيدروجين هو من  المواد الأكثر وفرة وبساطة في الكون ,ويتميز غاز الهيدروجين بعدد من الخصائص الهامة التي تؤهله لأن يكون وقود المستقبل ,فهو وقود نظيف وآمن بيئيا ولا يطلق غازات ضارة عند حرقه، ويمتلك طاقة عالية، لذلك يعد من المصادر المميزة للطاقة كوقود أو كناقل للطاقة في خلايا الوقود، حيث يمكن استخدامه سواء بشكل مباشر أو عند خلطه بالغاز الطبيعي بنسب محددة.\n\nوعنصر الهيدروجين من أخف العناصر الكيميائية والأكثر وفرة في الكون، وهو غاز عديم الرائحة واللون والطعم وغير سام وقابل للاشتعال، ولا يوجد منفردا في الطبيعة، وفي العادة يكون متحدا مع عدد من العناصر ليشكل مركبات كيميائية مختلفة، سواء كانت بالحالة الغازية كالغاز الطبيعي، أو سائلة كالماء والنفط، أو صلبة كالمركبات الكاربونية المختلفة.\n\n \n\nويمكن استعمال الهيدروجين لإنتاج الطاقة بعدة طرق، منها استعماله لتشغيل محركات الاحتراق الداخلي للسيارات والمركبات، أو في خلايا الوقود لإنتاج التيار الكهربائي، كما يستعمل الهيدروجين كوقود في المركبات الفضائية وصواريخ الدفع.\n

انتاج الهايدروجين :

\n  يمكن الحصول على الهايدروجين من عدد كبير من المصادر وبطرق مختلفة، كالتحليل الكهربائي للماء والذي يؤدي إلى كسر الروابط الكيميائية بين الأوكسجين والهيدروجين في الماء، إلا أن هذه الطريقة مكلفة ماديا بسبب استهلاكها كميات كبيرة من الطاقة الكهربائية، ولذلك يتم إجراء عملية التحليل الكهربائي للماء على درجات حرارة عالية من أجل تقليل كمية الطاقة الكهربائية اللازمة لعملية التحليل.\n\nومن الطرق المستخدمة لإنتاج غاز الهيدروجين، طريقة البخار المحسن او الاصلاح البخاري للميثان ، ويستعمل في العادة الغاز الطبيعي الذي تتم مفاعلته مع البخار تحت حرارة عالية وفقا للخطوات الاتية:\n\nالخطوة الاولى: إصلاح الغاز الطبيعي\n\nتتضمن الخطوة الأولى في عملية SMR تفاعل الميثان مع بخار الماء  عند درجات حرارة مرتفعة  750-800 درجة مئوية (1380-1470  درجة فهرنهايت) لإنتاج غاز تخليقي (syngas) ، خليط يتكون أساسًا من\n\nالهيدروجين (H2) وأول أكسيد الكربون (CO)\n\nCH4 + H2O⇋ 3 H2 + CO\n\nالخطوة الثانية:  تفاعل التحويل Shift Reaction\n\nيتم في هذه الخطوة تفاعل  تحول غاز الماء  water gas shift (WGS) ، حيث  يتفاعل  أول أكسيد الكربون الناتج من   التفاعل الاول مع البخار باستخدام عوامل مساعدة( محفزات) لتكوين الهيدروجين وثاني أكسيد الكربون (CO2). تحدث هذه العملية على مرحلتين ،تتكون من تحول  في  درجة حرارة عالية (HTS) عند 350 درجة مئوية(662 درجة فهرنهايت) وتحول درجة حرارة منخفضة (LTS) عند\n\n190-210 درجة مئوية(374-410 درجة فهرنهايت)\n\nCO + H2O⇋ CO2 + H2\n\n\n

مخطط عملية انتاج الهايدروجين

\n \n\n \n\n \n

التنقية من الشوائب:

\nيتضمن الهيدروجين المنتج من عملية SMR كميات صغيرة من أول أكسيد الكربون وثاني أكسيد الكربون وكبريتيد الهيدروجين كشوائب ، وقد يتطلب ، حسب الاستخدام ، مزيدًا من التنقية. وكما يلي:\n\nاولا: تنقية المواد الأولية - هذه العملية تزيل السموم بما في ذلك الكبريت (S) والكلوريد (Cl) ، لزيادة عمر إعادة التشكيل بالبخار في المراحل النهائية والمحفزات الأخرى.\n\n \n\nثانيا: تنقية المنتج : يتم ازالة co2  من خلال عمليات الامتصاص ومن ثم يمرر الغاز  المنتج لخطوة معالجة الميثان لإزالة الآثار المتبقية من أكاسيد الكربون. تستخدم مصانع SMR الحديثة وحدة امتزاز تارجح الضغط  (PSA) بدلاً من ذلك وهي  تقنية تُستخدم لفصل بعض أنواع الغازات عن خليط مضغوط من الغازات، بحسب مميّزات جزيئات النوع المطلوب وألفتها للمادة الماصة, وتعمل التقنية عند درجات حرارة تقارب الطبيعية، فتختلف بذلك عن تقنيات فصل الغازات بالتقطير ذي التبريد العميق. ، وتنتج 99.99٪ من الهيدروجين المنتج النقي و تُستخدم مواد ذات خصائص ماصّة - مثل أحجار الزيولايت - كمصافي للجزيئات، فتمتصّ تفضيليًّا النوع المستهدف حال توفّر ضغط مرتفع,ثمّ يتأرجح الضغط في الفصل الثاني من العملية إلى ضغط منخفض فتنتز المادّة الممتصّة.\n\nالانتزاز : عكس الامتزاز، أي أنها عملية تغادر فيها الأنواع الكيميائية (الجسيمات  أو الذرات أو الشوارد من نوع معين) سطح مادة صلبة.\n\n \n\nالاستنتاجات :\n\nاولا:يوفر إعادة التشكيل البخاري للغاز الطبيعي عملية فعالة واقتصادية ومستخدمة على نطاق واسع لإنتاج الهيدروجين ، ويوفر أمن الطاقة على المدى القريب والمتوسط اضافة الى الفوائد البيئية..\n\nثانيا: تبلغ كفاءة عملية الإصلاح بالبخار حوالي 65٪ إلى  75% وتوجد ابحاث متعددة لتطوير هذه الطريقة خاصة في فيما يتعلق بالتخلص والاستفادة من ثاني اوكسيد الكاربون.\n\nثالثا:. الغاز الطبيعي هو مادة أولية مريحة وسهلة الاستخدام من الهيدروجين مع نسبة عالية من الهيدروجين إلى الكربون\n\nرابعا: . تعتمد تكلفة الهيدروجين الذي تنتجه SMR بشكل كبير على أسعار الغاز الطبيعي وهي حاليًا الأقل تكلفة بين جميع تقنيات إنتاج الهيدروجين بكميات كبيرة.\n\n \n\nالتحديات :\n\nان انتاج ثاني اوكسيد الكاربون خلال عملية انتاج الهايدروجين بواسطة الاصلاح البخاري للميثان يعد تحديا كبيراوان التقنيات المستخدمة للمعالجته اضافة الى تكلفتها فهي تقنيات حديثة لا توجد اختبارات طويلة المدى عليها لتثبت نجاحها وكفائتها  الكامل.\n\n \n\nالمصادر: \n

1 - K. Mazloomi, C. Gomes

\n

Hydrogen as an energy carrier: prospects and challenges

\n

Renew Sustain Energy Rev, 16 (5) (2012), pp. 3024-3033, 10.1016/j.rser.2012.02.028

\n

 

\n

2- Padro, C.E.G. and V. Putsche. Survey of the Economics of Hydrogen Technologies. National Renewable Energy Laboratory. September 1999.

\n

3- National Hydrogen Association. www.hydrogenus.com

\n

4- Hydrogen Plants for the New Millennium. Foster Wheeler. www.fwc.com/publications/tech_papers2/files/WARD1109.pdf