5 تقنيات حديثة لعملية تحويل الأمونيا إلى هيدروجين نظيف

تلعب الأمونيا دور هام كحاملة للهيدروجين بكثافة عالية مما يجعل عملية تحويل الأمونيا إلى هيدروجين محور اهتمام الأبحاث الحديثة وهناك 5 طرق لعملية التحويل حيث تتميز الأمونيا بسهولة تسييلها وتخزينها ونقلها مما يضعها في طليعة المواد التي تسهل إنشاء بنية تحتية عالمية للهيدروجين.

ويمثل البحث عن مصادر نظيفة ومستدامة للطاقة تحديًا عالميًا بالغ الأهمية في القرن الحادي والعشرين. يبرز الهيدروجين كوقود واعد لتحقيق الحياد الكربوني، نظرًا لكون ناتج احتراقه هو الماء فقط، ومع ذلك، فإن تحديات تخزين ونقل الهيدروجين تمثل عائقًا كبيرًا.

نتناول في هذا المقال الطرق الأساسية لـ تحويل الأمونيا إلى هيدروجين والتحديات التي تواجهها والتطبيقات الداغمة لتلك الصناعة.

الطرق الأساسية لـ تحويل الأمونيا إلى هيدروجين

تتعدد عملية تحويل الأمونيا إلى هيدروجين وتعتمد بشكل أساسي على تفكيك جزيء الأمونيا (الذي يحتوي على ذرة نيتروجين وثلاث ذرات هيدروجين) إلى مكوناته الأولية: الهيدروجين (H₂) والنيتروجين (N₂).

يُعرف هذا التفاعل بالتفكك أو التكسير الحراري للأمونيا. التفاعل الأساسي هو تفاعل ماص للحرارة لزيادة كفاءة هذا التفاعل، لا بد من استخدام محفزات ودرجات حرارة عالية نسبيًا (تتراوح عادة بين 400 و 600 درجة مئوية .

1-التفكك الحراري التحفيزي

هذه هي الطريقة الأكثر شيوعًا وفعالية. يتم تمرير غاز الأمونيا فوق محفز صلب عند درجة حرارة عالية، ةالمحفزات الأكثر دراسة هي تلك التي تعتمد على المعادن النبيلة مثل الروثينيوم (Ru) أو المعادن الانتقالية مثل النيكل (Ni) والحديد (Fe) والكوبالت (Co) ويتميز محفز الروثينيوم بنشاط فائق عند درجات حرارة منخفضة نسبيًا، مما يقلل من متطلبات الطاقة لعملية تحويل الأمونيا .

2-المفاعلات الغشائية

تعد هذه التقنية المتطورة واعدة للغاية. وهي تدمج عملية التفكيك التحفيزي مع عملية فصل الهيدروجين في نفس الوحدة, ويستخدم المفاعل غشاءً انتقائيًا للهيدروجين (مثل الأغشية المصنوعة من البلاديوم أو سبائكه). يعمل هذا الغشاء على إزالة الهيدروجين باستمرار فور تكوينه، مما يؤدي إلى سحب التوازن الكيميائي إلى الأمام وفقًا لمبدأ لوشاتيليه (Le Chatelier’s principle)، وبالتالي زيادة كفاءة عملية تحويل الأمونيا عند درجات حرارة وضغوط أقل.

3-العمليات الكهروكيميائية

استخدام خلايا التحليل الكهربائي لتفكيك الأمونيا مباشرة عند درجات حرارة أقل، وقد تكون قادرة على إنتاج الهيدروجين النقي وتوليد الكهرباء في نفس الوقت.

4-البلازما

استخدام أنواع مختلفة من مفاعلات البلازما (مثل البلازما الحرارية أو البلازما الباردة) لتفكيك الأمونيا بسرعة كبيرة (في أجزاء من الثانية)، مما يوفر بديلاً للمحفزات الحرارية التقليدية.

5- التحلل الضوئي التحفيزي

استخدام محفزات تُنشّط بالضوء (عادةً ضوء الشمس) لتفكيك الأمونيا عند درجات حرارة منخفضة جداً، لكن هذه التكنولوجيا لا تزال في مراحلها الأولية.

تحديات عملية تحويل الأمونيا إلى هيدروجين

المتطلبات الحرارية (Energy Demand): التفكك هو تفاعل ماص للحرارة، مما يعني أنه يتطلب إمدادًا مستمرًا بالطاقة الحرارية. مصدر هذه الطاقة (سواء كان من حرق جزء من الأمونيا، أو من مصادر حرارية أخرى) يؤثر بشكل مباشر على الكفاءة الكلية والبصمة الكربونية للعملية.
تنقية الهيدروجين (Hydrogen Purification): الناتج الغازي لعملية تحويل الأمونيا إلى هيدروجين هو خليط من الهيدروجين والنيتروجين وكميات ضئيلة من الأمونيا غير المتفاعلة. يتطلب استخدام الهيدروجين في تطبيقات حساسة مثل خلايا وقود غشاء تبادل البروتونات (PEM fuel cells) هيدروجينًا عالي النقاوة مما يستلزم عمليات تنقية إضافية (مثل الامتزاز بتغير الضغط – PSA) تزيد من التكلفة والتعقيد.

تطبيقات تحويل الأمونيا إلى هيدروجين

تتعدد التطبيقات تحويل الأمونيا إلى هيدروجين التقنية في اقتصاد الطاقة المتجددة كالتالي :

محطات تعبئة الهيدروجين الموضعية: يمكن لمحطات التعبئة استخدام الأمونيا السائلة المخزنة بسهولة وتكسيرها إلى هيدروجين عالي النقاء عند الطلب، مما يلغي الحاجة إلى نقل الهيدروجين المضغوط أو المبرد. هذا يقلل من مخاطر التخزين ويوفر بنية تحتية أكثر مرونة لمركبات خلايا الوقود.

تطبيقات الطاقة البحرية والبرية: توفر الأمونيا حلاً مثاليًا لتخزين الطاقة المنتجة من مصادر متجددة (مثل طاقة الرياح أو الشمس) في شكل كيميائي، ثم تحويل الأمونيا إلى هيدروجين لتوليد الكهرباء في محطات طاقة تعمل بخلايا الوقود عند الحاجة.
خلايا وقود الأمونيا المباشرة: تعمل الأبحاث على تطوير خلايا وقود تستخدم الأمونيا مباشرة كوقود (بدلاً من الهيدروجين)، ولكن كفاءة وموثوقية هذه الخلايا لا تزال أقل مقارنة بتلك التي تعتمد على تحويل الأمونيا إلى هيدروجين.

ختاما، يمثل تحويل الأمونيا إلى هيدروجين جسرًا حاسمًا لتمكين اقتصاد الهيدروجين العالمي واستمرار البحث في تطوير محفزات أكثر نشاطًا وأغشية فصل فعالة يعد مفتاحًا للتغلب على التحديات المتبقية وجعل هذه التقنية قابلة للتطبيق تجاريًا على نطاق واسع من أجل صناعة خضراء مستدامة .