تقنية إنتاج الهيدروجين عالية الكفاءة - خلية التحليل الكهربائي للأكسيد الصلب عالية الحرارة

خلية التحليل الكهربائي للأكسيد الصلب عالية الحرارة (SOEC) هي جهاز تحويل طاقة عالي الكفاءة والسرعة والمرونة. من خلال استخدام مواد خام مختلفة، يمكنها إنتاج منتجات متنوعة، مما يُمكّن من تطوير مُركّبات كهروكيميائية متعددة الوظائف. يمكن توصيلها بمصادر طاقة نظيفة، مثل طاقة الرياح والطاقة الكهروضوئية. تطبيقها الأكثر شيوعًا هو التحليل الكهربائي للبخار لإنتاج الهيدروجين. بالمقارنة مع تقنيات التحليل الكهربائي الشائعة للماء مثل القلوية (ALK) و غشاء تبادل البروتون التحليل الكهربائي باستخدام أكسيد البروتون (PEM)، يوفر SOEC العديد من المزايا: كفاءة أعلى (تصل إلى 85%)، وقابلية عكسية، والقدرة على الاستفادة من الحرارة المهدرة عالية الجودة من المنتجات المولدة. تُحوّل خلية التحليل الكهربائي للأكسيد الصلب (SOEC) الطاقة الكهربائية والحرارية إلى طاقة كيميائية. من حيث المبدأ، تعمل SOEC كعملية عكسية لخلية وقود أكسيد الصلب (SOFC). كما هو موضح في الشكل 1، تتكون SOEC من طبقة إلكتروليت كثيفة في المنتصف، وأقطاب كهربائية مسامية على كلا الجانبين، وقنوات غازية خارج الأقطاب لتزويد الغازات المتفاعلة وإزالة غازات المنتج، مما يُمكّن من نقل الغاز وتوزيعه بكفاءة. عند تطبيق جهد تيار مستمر (DC) على الأقطاب الكهربائية عند درجات حرارة عالية (600-900 درجة مئوية)، تنقسم جزيئات بخار الماء (H₂O) عند المهبط إلى بروتونات (H⁺) وأيونات أكسجين (O²⁻). تنتقل أيونات O²⁻ عبر طبقة أكسيد الإلكتروليت الصلبة إلى الأنود، حيث تطلق الإلكترونات (e⁻) وتشكل جزيئات الأكسجين (O₂).

تُوصل الإلكترونات عبر وصلة التوصيل إلى الكاثود، حيث تتحد مع الهيدروجين⁺ لتكوين جزيئات الهيدروجين (H₂). إنتاج الهيدروجين بتقنية SOEC، أي إنتاج الهيدروجين باستخدام خلايا التحليل الكهربائي للأكسيد الصلب، هو عملية تستخدم الموصلية الأيونية لأغشية إلكتروليت الأكسيد الصلب لفصل الماء إلى هيدروجين وأكسجين عند درجات حرارة عالية. يمكن استخدام هذه المنتجات على نطاق واسع في صناعات مثل مصانع الصلب، والمصانع الكيميائية، وصناعة الطيران. كما يمكن دمج SOEC حراريًا مع مجموعة من عمليات التخليق الكيميائي، مما يتيح إعادة تدوير ثاني أكسيد الكربون والماء الملتقطين إلى غاز طبيعي صناعي، أو بنزين، أو ميثانول، أو أمونيا. بالمقارنة مع تقنيات التحليل الكهربائي الأخرى للماء، تتميز تقنية SOEC بمزايا عديدة، بما في ذلك الكفاءة العالية، والتكلفة المنخفضة، والقدرة على التحليل الكهربائي المشترك، وقابلية الانعكاس، والملاءمة لسيناريوهات متنوعة. تعمل تقنية SOEC في درجات حرارة عالية (600-900 درجة مئوية)، وتستفيد من حركية مناسبة، مما ينتج عنه كفاءة عالية في التحليل الكهربائي. تقلل درجة حرارة التشغيل المرتفعة من استهلاك الطاقة الكهربائية، حيث تصل الكفاءة الإجمالية للنظام لإنتاج الهيدروجين إلى حوالي 85%. وهذا يعادل حوالي 1.5 مرة كفاءة نظام التحليل الكهربائي PEM ومرتين الكفاءة الإجمالية لـ التحليل الكهربائي للماء القلويمن حيث التطبيقات، تجعل ظروف التشغيل عالية الحرارة لتقنية SOEC متوافقةً للغاية مع السيناريوهات التي تنطوي على كميات كبيرة من الحرارة المهدرة، مثل مصانع الكيماويات التي تعمل بالفحم، وصناعة الصلب، وتصنيع الأمونيا، ومحطات الطاقة النووية. ويمكن لدمج الحرارة المهدرة في تشغيل تقنية SOEC أن يُعزز استهلاك الطاقة الكهربائية، مما يُحسّن الكفاءة الكهربائية ويُقلل تكاليف التشغيل. علاوة على ذلك، تتميز تقنية SOEC مقارنةً بالتقنيات الأخرى بقابليتها للانعكاس، حيث يُمكنها التبديل بمرونة بين وضع التحليل الكهربائي (SOEC) ووضع خلايا الوقود (SOFC).

يمكن لـ SOEC إنتاج الهيدروجين أو الغاز الاصطناعي لتخزين الطاقة باستخدام التحليل الكهربائي، أو تحويل الطاقة الكيميائية إلى كهرباء باستخدام خلايا الوقود، مما يُنشئ نظامًا تآزريًا لإنتاج الهيدروجين وتخزينه وتوليد الطاقة ("كهرباء-هيدروجين-كهرباء"). هذا يمنحها إمكانات كبيرة لتخزين الطاقة المتجددة وتقليل ذروة استهلاك الشبكة، مما يُسهم في الاستخدام الفعال للطاقة وتحقيق التوازن. بشكل عام، مع التقدم التكنولوجي المستمر ونضج السوق التدريجي، من المتوقع أن يلعب إنتاج الهيدروجين من SOEC دورًا حيويًا في مستقبل الطاقة، مما يُسهم في تحقيق أهداف الحياد الكربوني العالمية.