Integrated SMR-Adsorption System for Blue Hydrogen Production: CFD Analysis of CO₂ Capture and Hydrogen Purification

في ظل التحول العالمي نحو الطاقة النظيفة، برز الهيدروجين كوقود واعد لأنه يحترق دون إطلاق ثاني أكسيد الكربون. ومع ذلك، فإن إنتاج هذا الوقود ليس عملية نظيفة دائمًا. فالطريقة الأكثر شيوعًا، والمعروفة باسم إصلاح الميثان بالبخار، تتضمن تسخين الغاز الطبيعي بالبخار لتفكيك الجزيئات وإطلاق الهيدروجين. ورغم فعاليتها، إلا أن هذه العملية تنتج حتمًا كمية كبيرة من ثاني أكسيد الكربون كمنتج ثانوي. ولجعل هذا الوقود "أزرق" حقًا — أي منخفض الكربون — يجب التقاط الكربون وتخزينه قبل دخوله إلى الغلاف الجوي. ويكمن التحدي في فصل الهيدروجين عن ثاني أكسيد الكربون بكفاءة، خاصة عندما يختلط الغازان معًا عند درجات حرارة وضغوط مرتفعة. ويسعى الباحثون باستمرار لإيجاد طرق لتحسين عملية الفصل هذه، بحثًا عن أساليب تتسم بكفاءة في استهلاك الطاقة وتكون قادرة على إنتاج هيدروجين فائق النقاء لاستخدامه في خلايا الوقود والصناعة.

لقد أجرى فريق من المهندسين في جامعة الملك فهد للبترول والمعادن في المملكة العربية السعودية دراسة تفصيلية حول كيفية تحسين عملية الفصل هذه باستخدام تقنية محددة تسمى "الامتزاز". في هذه الطريقة، تعمل مادة صلبة مثل الإسفنج، حيث تمتص ثاني أكسيد الكربون بينما تسمح للهيدروجين بالمرور. ركز الباحثون على نظام يجمع بين وحدة إنتاج الهيدروجين مباشرة مع نظام تبريد وطبقة ثابتة من الكربون المنشط، وهو مادة مسامية معروفة بقدرتها على حبس الغازات. وباستخدام عمليات محاكاة حاسوبية متقدمة، قاموا بنمذجة الرحلة الكاملة للغاز، بدءًا من اللحظة التي يغادر فيها مفاعل الإنتاج الساخن وصولًا إلى نقطة دخوله إلى وحدة الامتزاز الأبرد. كان هدفهم هو فهم كيف تؤثر ظروف التشغيل المختلفة، مثل درجة الحرارة والضغط وسرعة تدفق الغاز، على قدرة "الإسفنج الكربوني" على التقاط ثاني أكسيد الكربون غير المرغوب فيه.

بنى الباحثون نموذجًا رقميًا لعمود أسطواني مملوء بجزيئات صغيرة من الكربون المنشط. وقاموا بمحاكاة تدفق خليط الغاز عبر هذا العمود، وتتبع سلوك ثاني أكسيد الكربون والهيدروجين تحت ظروف متنوعة. ولضم دقة نموذجهم الحاسوبي، اختبروه أولاً مقابل بيانات واقعية من تجارب سابقة تضمنت مخاليط غازية مماثلة. وبمجرد إثبات موثوقية النموذج، بدأوا في إجراء آلاف عمليات المحاكاة لمعرفة كيفية استجابة النظام للتغيرات. واختبروا درجات حرارة تتراوح من درجة حرارة الغرفة حتى 448 كلفن (درجة حرارة عالية جدًا)، وضغوطًا من صفر حتى 20 بار، وسرعات مختلفة يتم بها دفع الغاز عبر العمود. كما قاموا بتغيير نسبة ثاني أكسيد الكربون إلى الهيدروجين في الغاز الداخل لمعرفة كيف يؤثر تكوين الخليط على عملية الالتقاط.

كشفت النتائج عن نمط واضح ومتسق: كلما كان الغاز أبرد، كان احتجاز ثاني أكسيد الكربون أفضل. فعندما دخل الغاز إلى العمود عند درجة حرارة 298 كلفن، بقي ثاني أكسيد الكربون في الطبقة لفترة طويلة، مما سمح للنظام بالعمل لمدة 680 ثانية قبل أن يبدأ ثاني أكسيد الكربون في التسرب. ومع ذلك، عندما رُفعت درجة الحرارة إلى 448 كلفن، اخترق ثاني أكسيد الكربون الطبقة في 70 ثانية فقط، مما جعل عملية الفصل غير فعالة. يحدث هذا لأن عملية الالتصاق بسطح الكربون تطلق حرارة؛ لذا فإن الحفاظ على برودة النظام يساعد الكربون على التمسك بالغاز بقوة أكبر. وبالمثل، أدى رفع الضغط إلى إحداث فرق كبير؛ ففي الضغوط المرتفعة، يُجبر ثاني أكسيد الكربون على الدخول بعمق أكبر في مسام الكربون، مما يزيد من كمية ما يمكنه احتواؤه بأكثر من ثلاثة أضعاف مقارنة بالضغوط المنخفضة. وهذا يشير إلى أن تشغيل النظام تحت الضغط أمر بالغ الأهمية لتعظيم كمية الكربون الملتقط.

كما لعبت سرعة تدفق الغاز وتكوين الخليط أدوارًا حاسمة. فعندما تحرك الغاز ببطء عبر العمود، كان لدى ثاني أكسيد الكربون وقت أطول للاستقرار داخل جزيئات الكربون، مما أدى إلى إطالة الفترة الزمنية التي يمكن للنظام العمل خلالها قبل الحاجة إلى إعادة التجديد. أما الغاز سريع الحركة فقد اندفع بسرعة كبيرة، مما قلل من وقت الالتقاط بشكل ملحوء. علاوة على ذلك، إذا احتوى الغاز الداخل على نسبة أعلى من ثاني أكسيد الكربون، فإن الإسفنج الكربوني يتشبع بشكل أسرع، مما يقصر النافذة التشغيلية. ووجد الباحثون أن الإعداد المثالي لهذا النظام المحدد يتضمن تبريد الغاز إلى 298 كلفن، وضغطه إلى 20 بار، والحفاظ على سرعة تدفق متوسطة. وتحت هذه الظروف، استطاع النظام العمل لأكثر من 2,200 ثانية قبل أن يبدأ ثاني أكسيد الكربون في الهروب، بينما تدفق الهيدروجين فورًا، ليظهر كمنتج عالي النقاء.

توفر هذه الدراسة خارطة طريق عملية لتصميم محطات هيدروجين أزرق أفضل. فمن خلال محاكاة العملية بأكملها من الإنتاج إلى التنقية، أثبت الباحثون أن التعديلات البسيطة على درجة الحرارة والضغط يمكن أن تحسن الكفاءة بشكل كبير. ورغم أن عملهم أُجري بالكامل من خلال النمذجة الحاسوبية، إلا أن الاتجاهات التي حددوها تتماشى مع المبادئ الفيزيائية الراسخة وتقدم توجيهات واضحة للمهندسين الذين يبنون أنظمة واقعية. وتشير النتائج إلى أن دمج خطوات التبريد والضغط الفعالة مباشرة في خط إنتاج الهيدروجين يمكن أن يؤدي إلى التقاط أكثر كفاءة للكربون، مما يجعل الانتقال إلى مستقبل طاقة منخفض الكربون أكثر جدوى. ويسلط هذا العمل الضوء على أنه بينما تعد كيمياء إنتاج الهيدروجين معقدة، فإن الطريق نحو وقود أنظف غالبًا ما يكمن في الإدارة الدقيقة للظروف الفيزيائية التي تتم تحتها عملية الفصل.