4 نوامبر 2024 -توسط کاترین شوارتز، فراونهوفر-گسلشافت-شماتیک اصل سیستم SOFC آمونیاکی. اعتبار: Fraunhofer-Gesellschaft
استفاده از هیدروژن برای تولید الکتریسیته هیچ گونه انتشار مخرب آب و هوایی ایجاد نمی کند. اما ذخیره و انتقال گاز با چالش های فنی مواجه است. با در نظر گرفتن این موضوع، محققان فراونهوفر از آمونیاک، یک مشتق هیدروژنی که کار با آن راحت‌تر است، به عنوان ماده اولیه استفاده می‌کنند. آمونیاک در یک سیستم پیل سوختی با دمای بالا شکسته می شود و هیدروژن تولید شده در این فرآیند به الکتریسیته تبدیل می شود. برای مثال، گرمای هدر رفته را می توان به عنوان انرژی گرمایی استفاده کرد.امیدهای زیادی برای هیدروژن و مشتقات آن به عنوان منابع انرژی وجود دارد. آنها نقش اصلی را در بخش انتقال انرژی در استراتژی ملی هیدروژن دولت فدرال آلمان ایفا می کنند. آمونیاک (NH3) به عنوان دارای پتانسیل بالا شناخته شده است، زیرا هیدروژن ذخیره و حمل و نقل به شکل آمونیاک آسان تر است.
تیمی از محققان با پروفسور لورا نوش از موسسه فناوری‌ها و سیستم‌های سرامیک فراونهوفر IKTS در درسدن، یک نمایشگر مبتنی بر پشته پیل سوختی با دمای بالا پیل سوختی اکسید جامد، SOFC ایجاد کرده‌اند که می‌تواند از آمونیاک برای تولید مستقیم برق و با راندمان بالا الکتریسیته و گرما در یک سیستم فشرده تولید می شوند – بدون انتشار CO2 یا سایر محصولات جانبی مضر استفاده کند..
لورا نوش، محقق فراونهوفر، مزیت های این روش را توضیح می دهد: “آمونیاک برای دهه ها در صنایع شیمیایی به عنوان مثال برای تولید کود استفاده می شود، بنابراین فرآیندهای شناخته شده و آشنای برای دست زدن به این ماده وجود دارد. با این حال، هنوز باید با احتیاط با آن رفتار شود.
آمونیاک به عنوان یک حامل هیدروژن، چگالی انرژی بالایی را ارائه می دهد و در عین حال ذخیره و حمل و نقل آن نسبتاً آسان است. آمونیاک یک ماده اولیه ایده آل برای تولید انرژی الکتریکی و گرمایی سازگار با آب و هوا است.
در این فرآیند، ابتدا آمونیاک آماده شده و به کراکر وارد می شود و در آنجا تا دمای 300 درجه سانتیگراد یا بالاتر گرم می شود. در پاسخ، به هیدروژن (H2) و نیتروژن (N2) تجزیه می شود. هنگامی که فرآیند تکمیل شد، نیتروژن به سادگی می تواند همراه با بخار آب به عنوان گازهای خروجی بی ضرر آزاد شود. سپس هیدروژن به پیل سوختی با دمای بالا وارد می شود.
در الکترولیت سرامیکی، روی آند جریان می یابد، در حالی که جریان های هوا از کاتد عبور می کنند. با تقسیم هیدروژن الکترون هایی آزاد می شود که از آند به کاتد حرکت می کنند. به این ترتیب برق شروع به جریان می کند. این واکنش الکتروشیمیایی علاوه بر بخار آب، انرژی حرارتی نیز تولید می کند. پس از سوختن نیز گرما ایجاد می کند.
نوش توضیح می دهد: “گرما برای حفظ دمای بالا در داخل ترقه استفاده می شود و همچنین به عنوان گرمای اتلاف آزاد می شود. سپس می توان از گرما برای اهدافی مانند گرمایش ساختمان ها استفاده کرد.”
هنگام طراحی این سیستم، محققان Fraunhofer IKTS از دهه ها تخصص خود در کار با پشته های پیل سوختی سرامیکی استفاده کردند. این تیم توانست یک نمایشگر سلول سوختی بسازد که کل فرآیند تجزیه آمونیاک به هیدروژن و متعاقباً تولید برق از آن را در یک دستگاه انجام می دهد.
راندمان این روش، درست مانند روش های مبتنی بر گاز طبیعی، 60 درصد است، اما با این تفاوت که سیستم های SOFC آمونیاکی نسبتاً ساده و ساختاری قوی دارند.
این سیستم برای شرکت‌های صنعتی کوچک‌تری که می‌خواهند برق بدون انتشار کربن تولید کنند، اما به شبکه اصلی هیدروژن آینده متصل نیستند، یا برای شهرداری‌ها و شرکت‌های برق محلی که به دنبال تامین گرمای سبز برای مشتریان خود هستند، عالی است. حتی کشتی‌های بزرگ را نیز می‌توان به محرکه‌های سازگار با محیط زیست مبتنی بر آمونیاک/هیدروژن مجهز کرد.
هر چه دمای کراکر بیشتر باشد، آمونیاک بیشتری به هیدروژن تجزیه می شود. به نوبه خود، در دماهای پایین تر، یعنی کمی بیش از 400 درجه سانتیگراد، بخش قابل توجهی از آمونیاک باقی می ماند.
نوش می گوید: “با این حال، آزمایشات ما نشان داد که مولکول های آمونیاک نیز به طور کامل به هیدروژن در پیل سوختی با دمای بالا تجزیه می شوند. این حتی می تواند عملکرد کلی سیستم را افزایش دهد.” و این گزینه های مختلفی را برای مدیریت حرارتی باز می کند.
“طراحی هدفمند و مدیریت حرارتی هوشمند با سایر اصلاحات در جنبه هایی مانند قدرت و اندازه پشته های پیل سوختی ترکیب شده است. بنابراین، ما می توانیم راه حل های سفارشی برای تولید برق و گرما سازگار با آب و هوا، به ویژه برای کوچک و شرکت های متوسط،” او توضیح می دهد.
