Design and Control of Atmospheric Water Electrolysis Systems for Green Hydrogen in Arid Environments

تخيل أن العالم يحاول تغيير مصدر طاقته من الوقود الملوث والمنبعث منه الدخان إلى طاقة نظيفة وغير مرئية تسمى الهيدروجين. فكر في الهيدروجين كأنه "بطارية نظيفة" مثالية يمكنها تشغيل الشاحنات الثقيلة، ومصانع الصلب، وحتى السيارات دون إطلاق الكربون في الهواء. ولصنع هذا "الهيدروجين الأخضر"، نقوم عادةً بتفكيك جزيئات الماء باستخدام الكهرباء المستمدة من الشمس أو الرياح. ولكن هنا تكمن المشكلة: صنع الهيدروجين يتطلب الكثير من المياه العذبة. وفي أماكن مثل الشرق الأوسط وشمال أفريقيا، حيث تسطع الشمس بقوة وتعتبر مثالية للطاقة الشمسية، تكون المياه العذبة نادرة كثلج في الصحراء. إنها مواجهة كلاسيكية: لدينا الشمس لصنع الطاقة، لكن ليس لدينا الماء لصنع الوقود.

لقد حاول العلماء حل هذه المشكلة عن طريق استخراج الماء من الهواء، تماماً كما "يعرق" جسم علبة صودا باردة في يوم رطب لتظهر قطرات الماء. هناك طريقتان للقيام بذلك. إحدى الطريقتين هي استخدام "إسفنجة عطشى" مشبعة بالحمض تلتقط بخار الماء مباشرة من الهواء وتفككه في مكانه. أما الطريقة الأخرى فهي استخدام مكيف هواء ضخم ومتطور لتجميد الرطوبة من الهواء وتحويلها إلى ماء سائل أولاً، ثم تفكيك هذا الماء. هذه الورقة البحثية هي غوص عميق لمقارنة هاتين الطريقتين لمعرفة أيهما سيكون البطل الأفضل للصحاري الجافة والمشمسة في العالم.

---

عملية سرقة المياه الكبرى: الإسفنج مقابل مكيفات الهواء

في الحرارة الحارقة والجافة في القاهرة، مصر، طرح فريق من المهندسين سؤالاً كبيراً: إذا أردنا صنع الهيدروجين الأخضر في مكان تندر فيه المياه، هل يجب أن نستخدم "المحلل الكهربائي للهواء المباشر" (DAE) الذي يشرب الهواء مباشرة، أم "المحلل الكهربائي القلوي المزود بجهاز إزالة الرطوبة" (DH-AE) الذي يبرد الهواء لصنع الماء أولاً؟

للإجابة على ذلك، لم يكتفوا بالتخمين؛ بل بنوا "توأماً رقمياً" للمشكلة. لقد نظروا إلى أسوأ حالة طقس يمكن أن تفرضها القاهرة عليهم: وقت يكون فيه الهواء جافاً للغاية، حيث تبلغ الرطوبة النسبية 38.19% فقط. الأمر يشبه محاولة العثور على قطرة ماء في نسيم صحراوي.

المتنافسان

المتنافس الأول: الإسفنجة العطشى (DAE)
تخيل إسفنجة مصنوعة من رغوة زجاجية، مشبعة بحمض قوي (حمض الكبريتيك). هذه الإسفنجة هي مغناطيس للماء. حتى عندما يكون الهواء جافاً، يسحب الحمض بخار الماء مباشرة من الغلاف الجوي ويحتفظ به داخل مسام الإسفنجة الصغيرة. وبمجرد أن تمتلئ الإسفنجة بالماء، يمرر الفريق الكهرباء عبرها، مما يؤدي إلى تفكيك الماء إلى هيدروجين وأكسجين في مكانها تماماً.

• التجهيزات: صمموا مجموعة من أربعة وحدات من هذه النوعية. كل وحدة عبارة عن صندوق صغير، بأبعاد 6.21 سم × 6.21 سم × 1.5 سم.
• الهدف: إنتاج 0.5 لتر من الهيدروجين في الساعة.
• السحر: لأن الماء يتم التقاطه مباشرة من الهواء ويُفكك فوراً، فلا توجد مضخات، ولا أنابيب، ولا حاجة لتبريد الهواء. إنه خط مباشر من السماء إلى خزان الوقود.

المتنافس الثاني: مكيف الهواء الضخم (DH-AE)
هذه الطريقة تشبه النهج التقليدي. فهي تستخدم وحدة تبريد (مثل مكيف هواء شديد البرودة) لتدفع الهواء فوق ملفات باردة. تتجمد الرطوبة الموجود في الهواء لتصبح ماءً سائلاً، والذي يتم جمعه في وعاء. ثم يتم ضخ هذا الماء السائل إلى محلل كهربائي قياسي لصنع الهيدروجين.

• التجهيزات: يستخدم ضاغطاً ودورة تبريد لتكثيف الهواء.
• الهدف: إنتاج نفس كمية الهيدروجين التي ينتجها نظام الإسفنجة.
• العائق: يستهلك مكيف الهواء الكثير من الكهرباء لتشغيل الضاغط، مما يجعل العملية برمتها أقل كفاءة.

المواجهة: ماذا كشفت عمليات المحاكاة

أجرى الباحثون آلاف عمليات المحاكاة الحاسوبية (باستخدام أداة تسمى ANSYS) لمعرفة كيف ستتصرف هذه الأنظمة في الحرارة. حتى أنهم بنوا نموذجاً أولياً صغيراً لـ "الإسفنجة العطشى" ليروا ما إذا كانت حساباتهم ستصمد في العالم الحقيقي.

1. سباق الكفاءة
فازت "الإسفنجة العطشة" (DAE) بسباق الكفاءة بفارق شاسع.

• حقق نظام DAE كفاءة طاقة بلغت 87.8%. وهذا يعني أن معظم الكهرباء التي وضعوها ذهبت مباشرة في صنع الهيدروجين.
• أما نظام "مكيف الهواء" (DH-AE) فقد حقق كفاءة قدرها 68.5% فقط. لماذا؟ لأن الضاغط الذي يحتاج لتشغيل دورة التبريد استهلك جزءاً كبيراً من الطاقة.
• الخلاصة: الإسفنجة أفضل بكثير في عدم إهدار الكهرباء.

2. اختبار الحرارة
بما أن الإسفنجة مشبعة بالحمض والكهرباء، فإنها تصبح ساخنة. كان الفريق قلقاً من أن الأجزاء المعدنية قد تذوب أو تصدأ. قاموا بمحاكاة الحرارة ووجدوا أنه حتى في أسوأ حالات حرارة الصيف البالغة 40 درجة مئوية، فإن مجموعة الإسفنجة لم ترتفع حرارتها إلا إلى 46.83 درجة مئوية.

• استخدموا نوعاً خاصاً من الفولاذ المقاوم للصدأ (درجة 904L) يمكنه تحمل هذه الحرارة والحمض دون تآكل. أظهرت عمليات المحاكاة أن النظام يظل آمناً، مثل محرك سيارة يعمل ببرودة في يوم حار.

3. الاختبار الواقعي (نموذج "الإسفنجة" الأولي)
بنى الفريق نسخة فيزيائية من DAE. وعندما قاموا بتشغيلها، نجحت! رأوا فقاعات الهيدروجين وهي تتشكل.

• ومع ذلك، كان الجهد الكهربائي في الواقع أعلى قليلاً من نموذجهم الحاسوبي المثالي. توقع النموذج 1.686 فولت، لكن النموذج الأولي الحقيقي عمل بين 1.82 فولت و1.95 فولت.
• لماذا هذا الاختلاف؟ افترض النموذج الحاسوبي وجود أقطاب بلاتينية لامعة ومثالية. أما النموذج الأولي الحقيقي فقد استخدم فولاذًا مقاومًا للصدأ أرخص ثمناً، وهو أبطأ قليلاً في التفاعل الكيميائي، وكان هناك مقاومة إضافية حيث تلامس الأسلاك مع الإسفنجة. لكن الفرق كان صغيراً بما يكفي ليظل التصميم فعالاً.

4. الحديث عن المال (التكلفة)
حسب الفريق "التكلفة المستوية للهيدروجين" (LCOH)، وهي متوسط سعر إنتاج كيلوغرام واحد من الهيدروجين على مدار عمر المحطة.

• بالنسبة لمحطة صغيرة، تعتبر طريقة مكيف الهواء أرخص لأن المعدات أبسط.
• ولكن بالنسبة لمحطة كبيرة (تنتج 1,000 كجم يومياً)، تصبح "الإسفنجة العطشة" هي الفائزة.
• عند هذا النطاق الكبير، تبلغ تكلفة DAE حوالي 4.7 دولار لكل كجم (بناءً على المحاكاة). وعند إضافة الصيانة والتآكل الواقعي، ترتفع التكلفة إلى حوالي 5.8 دولار لكل كجم.
• تنتهي طريقة مكيف الهواء بكونها أغلى بنسبة 15% تقريباً عند هذا النطاق لأنها تضطر للاستمرار في تشغيل ذلك الضاغط المستهلك للطاقة.

الذكاء الاصطناعي: أنظمة التحكم
صمم الباحثون أيضاً "عقلاً" للنظام باستخدام متحكم PID (وهي طريقة متطورة لقول "منظم حرارة ذكي" للكهرباء).

• كيف يعمل: يحتوي النظام على مستشعرات تتحقق من الرطوبة. إذا كان الهواء رطباً، يقوم بتشغيل الإسفنجة. وإذا أصبح الهواء جافاً جداً، يمكنه تشغيل جهاز إزالة الرطوبة للمساعدة.
• النتيجة: في عمليات المحاكاة الحاسوبية، استجاب هذا "العقل" بسرعة (خلال 3.4 ثانية) للتغيرات في الطقس، مما حافظ على استقرار إنتاج الهيدروجين دون أن يرتبك النظام أو يسخن بشكل مفرط. ومع ذلك، يشدد المؤلفون على أن أوقات الاستجابة السريعة هذه تعتمد على النموذج الحاسوبي وحده؛ ولم يتم اختبار هذا المنطق في التحكم على النموذج الأولي الفيزي الحقيقي بعد.

الحكم النهائي: ما الخطوة التالية؟

تخلص الورقة البحثية إلى أن "الإسفنجة العطشة" (DAE) هي وسيلة واعدة جداً لصنع الهيدروجين الأخضر في الأماكن الجافة مثل الشرق الأوسط. فهي توفر الماء، وتوفر الطاقة، وتوفر المال على نطاق واسع.

ومع ذلك، يوضح المؤلفون أن هذا ليس منتجاً نهائياً بعد.

• الإسفنجة لا تزال نموذجاً أولياً: لم يقوموا بتشغيلها لشهور لمعرفة ما إذا كان الحمض سيأكل المعدن بمرور الوقت، أو ما إذا كان غبار الصحراء سيسد الإسفنجة.
• الحمض أمر حساس: استخدموا حمض الكبريتيك، وهو مادة مسببة للتآكل بشدة. ويقترحون أنه في المستقبل، قد يجد العلماء مادة كيميائية مختلفة أقل خطورة وتعمل بنفس الكفاءة.
• مشكلة الغبار: في صحراء حقيقية، يمكن للغبار أن يغطي الإسفنجة ويمنعها من شرب الماء. يقترح الفريق استخدام فلاتر بسيطة للحفاظ على نظافة الهواء، لكنهم يعترفون بأنهم بحاجة لاختبار ذلك أكثر.

باخت-صار، تُظهر هذه الورقة أن سحب الماء من الهواء لصنع الوقود ليس مجرد حلم؛ بل هو خطة سليمة رياضياً. "الإسفنجة العطشة" هي الخيار الأذكى والأكثر كفاءة لمستقبل الطاقة الخضراء في الصحراء، بشرماً حل الألغاز الصغيرة المتعلقة بالغبار والمتانة طويلة الأمد.