موضوع مقاله: چرخه‌های ترموشیمیایی تولید هیدروژن | مخاطب: عمومی | لحن: دانشنامه‌ای | ساختار: عنوان، مقدمه، 3 بخش، جمع‌بندی | مقاله: | # چرخه‌های ترموشیمیایی تولید هیدروژن | مقدمه: این چرخه‌ها به‌عنوان یک فناوری نویدبخش برای تولید هیدروژن در مقیاس بزرگ، بلندمدت، پاک و پایدار شناخته می‌شوند.P. | ## بخش 1: چرخه‌های ترموشیمیایی تولید هیدروژن | چرخه‌های ترموشیمیایی با استفاده از گونه‌های شیمیایی واسطه‌ای که در طول فرآیند بازیافت می‌شوند، این مشکل را دور می‌زنند و امکان انجام واکنش کلی در دماهای بسیار پایین‌تر (عموماً زیر ۲۰۰۰°C) را فراهم می‌سازند.F. پیش از بحران نفت در دههٔ ۱۹۷۰، تولید سوخت به روش‌های کارآمد چندان مورد توجه نبود، اما در برخی حوزه‌ها مانند لجستیک نظامی، تولید سوخت در مناطق دورافتاده اهمیت داشت. با وجود امیدواری‌های اولیه، چالش‌های عملی مانند دمای ناکافی راکتورهای هسته‌ای، سرعت پایین واکنش‌ها، خوردگی تجهیزات و تلفات ترکیبات واسطه موجب کاهش علاقه به این فناوری در دهه‌های بعد شد. با این حال، نسخه‌های هیبریدی که از برق به‌عنوان بخشی از ورودی انرژی استفاده می‌کنند، همچنان مورد توجه باقی ماندند. در دهه‌های اخیر، با شدت گرفتن بحران انرژی و توسعهٔ فناوری‌های انرژی خورشیدی متمرکز، توجه مجددی به چرخه‌های ترموشیمیایی جلب شد.Steinfeld, A., 2005. امروزه از میان بیش از ۲۰۰ تا ۳۰۰ چرخهٔ شناسایی‌شده، تنها چند چرخه توانسته‌اند قابلیت خود را برای تولید در مقیاس صنعتی نشان دهند، از جمله چرخهٔ گوگرد–ید (S–I)، چرخهٔ مس–کلر (Cu–Cl)و چرخهٔ هیبریدی گوگرد (HyS). اصول عملکرد چرخه‌های ترموشیمیایی با هدف تجزیهٔ مولکول آب (H₂O) به عناصر سازندهٔ آن، یعنی هیدروژن (H₂) و اکسیژن (O₂) طراحی شده‌اند. Available: تجزیهٔ آب به هیدروژن و اکسیژن از طریق واکنش زیر صورت می‌گیرد: برای آن‌که این واکنش به سمت تولید هیدروژن و اکسیژن پیش برود، باید انرژی به سیستم داده شود. این انرژی به دو بخش تقسیم می‌شود: کار (ΔG): انرژی سازمان‌یافته‌ای مانند برق، که امکان کنترل واکنش را فراهم می‌کند (به‌عنوان مثال در الکترولیز آب، جریان الکتریکی پروتون‌ها را کاهش و یون‌های اکسیژن را اکسید می‌کند). با افزایش دما، بخش بیشتری از می‌تواند به‌صورت حرارت تأمین شود و نیاز به کار کاهش می‌یابد؛ این اساس الکترولیز در دمای بالا است. برای دستیابی به تجزیهٔ کامل آب بدون نیاز به کار (ترمولیز خالص)، دماهای بسیار بالایی بیش از ۳۰۰۰ کلوین لازم است که طراحی و بهره‌برداری از راکتورهای مربوطه را دشوار می‌کند. یکی از مراحل واکنش در این نوع چرخه‌ها الکتروشیمیایی است، به‌گونه‌ای که مصرف انرژی الکتریکی آن به‌مراتب کمتر از مقدار مورد نیاز برای الکترولیز مستقیم آب است. به‌طور کلی، افزایش تعداد مراحل واکنش در یک چرخه باعث می‌شود دمای بیشینهٔ مورد نیاز برای فرآیند کاهش یابد، زیرا انرژی کل در میان واکنش‌های مختلف تقسیم می‌شود. گام حرارتی (در دمای ۱۰۰۰ تا ۱۲۰۰ کلوین): گام الکتروشیمیایی (در دمای ۳۵۰ تا ۴۰۰ کلوین): مزیت اصلی این چرخه آن است که ولتاژ مورد نیاز برای الکترولیز تنها حدود 0.17 ولت است، در حالی که برای الکترولیز مستقیم آب حدود 1.23 ولت نیاز است. چرخهٔ اکسید فلزی (MOx) چرخه‌های دو‌مرحله‌ای خالص هستند که بر پایهٔ احیای حرارتی و اکسیداسیون مجدد اکسیدهای فلزی عمل می‌کنند.B. چرخهٔ CeO₂: دارای بازدهٔ بالا و دمای کاری پایین‌تر (حدود ۳۰۰ K اختلاف دما بین مراحل). در مرحلهٔ تولید هیدروژن (در دمای محیط): و در مرحلهٔ تجزیهٔ حرارتی (در حدود ۲۵۰°C): این چرخه از تشکیل گاز سمی کلر جلوگیری می‌کند و برای استفاده از حرارت اتلافی صنعتی مناسب است.M. در مرحلهٔ هیدرولیز: در مرحلهٔ کلر‌سازی: و در مرحلهٔ الکترولیز: مشکلات اصلی این چرخه شامل تشکیل لایهٔ غیرقابل نفوذ روی MgO و افزایش مصرف انرژی در صورت تولید HCl آبی است. | ## بخش 2: چرخه‌های ترموشیمیایی تولید هیدروژن | چرخهٔ وانادیوم–کلر (V–Cl) چرخهٔ وانادیوم–کلر (V–Cl) یک فرآیند چهارمرحله‌ای ترموشیمیایی برای شکافت آب است که در خانوادهٔ چرخه‌های کلر قرار می‌گیرد. با وجود پتانسیل بالای این چرخه،توسعهٔ گستردهٔ آن با چندین مانع فنی مهم مواجه است، از جمله کمبود داده‌های ترمودینامیکی کافی دربارهٔ اکسیدهای وانادیوم، دشواری‌ها در جداسازی مواد و کندی سینتیک واکنش . چرخه روی–گوگرد–ید (Zn–S–I) چرخه‌ای چندمرحله‌ای جدید است که واکنش‌های S–I را با ترکیبات روی ترکیب می‌کند. ویژگی متمایز آن، توانایی تبدیل هم‌زمان CO₂ به CO همراه با تولید H₂ است، که به کاهش انتشار کربن کمک می‌کند. انرژی خورشیدی انرژی خورشیدی متمرکز یکی از محرک‌های کلیدی چرخه‌های ترموشیمیایی است، به‌ویژه چرخه‌هایی که به دماهای بسیار بالا نیاز دارند، مانند چرخه‌های دو مرحله‌ای MOx (مثلاً ZnO/Zn)، که از طریق کلکتورهای خورشیدی مانند بازتابنده‌های سهموی تأمین می‌شوند. تولید ترموشیمیایی مبتنی بر خورشید به‌عنوان یک مسیر بلندمدت برای تولید هیدروژن شناخته شده است، زیرا قابل اعتماد بوده و تأثیر زیست‌محیطی کمی دارد، هرچند در حال حاضر راندمان تبدیل آن نسبت به روش‌های دیگر تولید پایین‌تر است. برای مثال، چرخهٔ چهار مرحله‌ای Cu−Cl می‌تواند با حرارت اتلافی یک کورهٔ فولادسازی ادغام شود تا انرژی حرارتی لازم برای تولید همزمان برق و هیدروژن فراهم شود. مزایاو محدودیت‌ها مزایا پاک و پایدار: چرخه‌های ترموشیمیایی فرایندهایی پاک هستند که از آب به‌عنوان ورودی استفاده می‌کنند و تنها هیدروژن و اکسیژن را به‌عنوان محصولات نهایی تولید می‌نمایند. در نتیجه، پتانسیل گرمایش جهانی (GWP) آن‌ها بسیار کمتر از روش‌های مبتنی بر سوخت‌های فسیلی است. کارایی مواد: ترکیبات شیمیایی مورد استفاده در TCCها بازیافت می‌شوند، بنابراین تنها آب به‌عنوان ماده مصرفی استفاده می‌شود و این فرآیند از نظر مصرف مواد بسیار کارآمد است. پتانسیل بازده بالا: چرخه‌های ترموشیمیایی می‌توانند بازده انرژی بالاتری (به طور کلی بین ۲۰ تا ۴۵٪، و حتی بیشتر برای برخی چرخه‌ها) نسبت به فناوری‌هایی مانند فوتوالکترولیز داشته باشند. محدودیت‌ها و چالش‌ها دمای بالا و خورندگی: بسیاری از چرخه‌های مطرح (مانند S–I و HyS) نیازمند دماهای بالا هستند و از مواد خورنده یا سمی استفاده می‌کنند که چالش‌هایی در انتخاب مواد، ایمنی و دوام تجهیزات ایجاد می‌کند. هزینه بالا: هزینه سرمایه‌گذاری اولیه زیاد، همراه با بازده پایین‌تر (به‌ویژه در چرخه‌های خورشیدی)، باعث می‌شود این فناوری‌ها هنوز از نظر اقتصادی نسبت به روش‌های سنتی مانند اصلاح بخار (SMR) کمتر رقابت‌پذیر باشند. برای مثال، هزینه تولید هیدروژن با ترمولیز خورشیدی ZnO/Zn حدود ۱۴٫۷۵ دلار به ازای هر کیلوگرم برآورد شده است. پیچیدگی و جداسازی: چرخه‌های چندمرحله‌ای ممکن است از نظر شیمیایی پیچیده باشند و جداسازی محصولات در آن‌ها دشوار باشد. پژوهش‌های جاری پژوهش در زمینه چرخه‌های ترموشیمیایی همچنان ادامه دارد و تمرکز آن بر مقیاس‌پذیری فناوری، نوآوری در مواد و بهینه‌سازی فرایند است. بهینه‌سازی و یکپارچه‌سازی افزایش بازده: پژوهش‌های اخیر به‌طور گسترده بر استفاده از روش‌های مدیریت حرارتی مانند تحلیل پینچ برای طراحی شبکه‌های مبدل حرارتی متمرکز هستند. به عنوان نمونه، در چرخه Cu–Cl این روش‌ها با هدف کاهش نیاز به حرارت خارجی، افزایش بازده حرارتی و کاهش هزینه نهایی تولید هیدروژن به کار گرفته می‌شوند.S. | ## بخش 3: چرخه‌های ترموشیمیایی تولید هیدروژن | سیستم‌های چندتولیده: چرخه‌های ترموشیمیایی در حال ادغام با نیروگاه‌های هسته‌ای یا خورشیدی هستند تا به‌طور هم‌زمان برق، هیدروژن و محصولات مفیدی مانند آب شیرین یا آمونیاک تولید کنند؛ این رویکرد بازده و پایداری کل سیستم را بهبود می‌دهد. بهبود مراحل الکتروشیمیایی: مطالعات جدید به بهینه‌سازی مراحل الکتروشیمیایی در چرخه‌های ترکیبی (مانند Cu–Cl) اختصاص دارند تا مشکلاتی مانند عبور یون‌های فلزی و مصرف زیاد انرژی الکتریکی کاهش یابد. توسعه چرخه‌های نوین بهره‌برداری از حرارت اتلافی کم‌دما: توسعه چرخه‌های نوین مانند Fe–Cl با هدف استفاده مؤثر از حرارت اتلافی صنعتی در دماهای پایین در حال انجام است. نوآوری در چرخه S–I: تلاش‌ها برای ساده‌سازی فرایند S–I ادامه دارد، از جمله استفاده از روش‌های الکتروشیمیایی (EED) برای غلیظ‌سازی HI یا توسعه کاتالیست‌های جدید برای تجزیه HI در محیط‌های خورنده. در نهایت، برای رقابت‌پذیر شدن چرخه‌های ترموشیمیایی مبتنی بر انرژی‌های تجدیدپذیر، نیاز به تحقیقات فناورانه بیشتر، توسعه تجهیزات ارزان‌تر و کارآمدتر، و نیز اجرای سیاست‌هایی مانند مالیات بر انتشار کربن در تولید سوخت‌های فسیلی وجود دارد. نقش چرخه‌های ترموشیمیایی در توسعه پایدار چرخه‌های ترموشیمیایی تولید هیدروژن نقش کلیدی در تحقق توسعه پایدار ایفا می‌کنند، زیرا راهکاری برای تولید هیدروژن بدون انتشار گازهای گلخانه‌ای و کاهش وابستگی به سوخت‌های فسیلی فراهم می‌سازند. این فناوری با فراهم کردن امکان استفاده از انرژی‌های تجدیدپذیر مانند گرمای خورشیدی یا انرژی هسته‌ای برای تجزیهٔ آب، به کاهش پیامدهای منفی زیست‌محیطی و افزایش امنیت انرژی کمک می‌کند. ارتباط با توسعه زیست‌محیطی چرخه‌های ترموشیمیایی به دلیل عدم نیاز به مواد اولیهٔ فسیلی و حذف یا کاهش چشمگیر انتشار دی‌اکسید کربن، یکی از سبزترین روش‌های تولید هیدروژن محسوب می‌شوند. همچنین بخش عمده‌ای از فرایند با بازیابی پیوستهٔ ترکیبات شیمیایی همراه است و ضایعات قابل‌توجهی تولید نمی‌شود. توسعهٔ این فناوری‌ها همچنین فرصت‌های شغلی جدیدی در حوزه‌های پژوهشی، مهندسی و مدیریت انرژی ایجاد می‌کند که به ارتقای اجتماعی و رشد فناوری منجر می‌شود. نقشهٔ راه برای آیندهٔ پایدار ادغام چرخه‌های ترموشیمیایی در صنایع می‌تواند راه‌حلی مؤثر برای گذار به اقتصاد هیدروژنی و تحقق اهداف جهانی کاهش آلاینده‌ها باشد. با تجاری‌سازی و گسترش این چرخه‌ها، امکان تولید هیدروژن پاک در مقیاس صنعتی فراهم خواهد شد، که به توسعهٔ پایدار در بخش‌های صنعتی، تولید مواد شیمیایی و حمل‌ونقل سبز کمک می‌کند. در مجموع، چرخه‌های ترموشیمیایی تولید هیدروژن با فراهم کردن زیرساخت‌های تولید انرژی پاک، نقشی بنیادین در تحقق توسعهٔ پایدار ایفا می‌کنند و مسیری علمی و عملی برای اصلاح نظام‌های انرژی جهانی ارائه می‌دهند. جمع‌بندی چرخه‌های ترموشیمیایی یکی از امیدبخش‌ترین فناوری‌ها برای تولید هیدروژن پاک در مقیاس وسیع به‌شمار می‌آیند. این چرخه‌ها با بهره‌گیری از واکنش‌های شیمیایی برگشت‌پذیر و انرژی حرارتی، امکان تجزیه آب به هیدروژن و اکسیژن را بدون نیاز به سوخت‌های فسیلی فراهم می‌کنند. با این حال، چالش‌هایی همچون نیاز به دماهای بالا، خوردگی مواد، پیچیدگی فرآیندها و هزینه زیاد تجهیزات صنعتی هنوز مانع از تجاری‌سازی گسترده این فناوری شده است. پیشرفت در طراحی مواد مقاوم، بهینه‌سازی حرارتی، و توسعه چرخه‌های هیبریدی با دمای پایین‌تر می‌تواند مسیر صنعتی‌سازی این روش را هموار کند. | ## جمع‌بندی | در نهایت، با توجه به ضرورت جهانی برای کاهش انتشار کربن و گذار به اقتصاد سبز، چرخه‌های ترموشیمیایی می‌توانند نقش کلیدی در آینده سامانه‌های انرژی ایفا کنند و به‌عنوان بخشی از زیرساخت پایدار برای تولید هیدروژن سبز در صنایع سنگین، حمل‌ونقل و تولید برق مورد استفاده قرار گیرند.