تعرف على المحرّك رباعي الأشواط

إنتاج الهيدروجين من الميثان

الذي ينتج الهيدروجين من غاز الميثان “Methane” ويمتص غاز ثاني أكسيد الكربون “CO2”

متى يكون محرك الإحتراق الداخلي ليس بـ محرك إحتراق داخلي؟

عندما يتم تحويله إلى مفاعل إصلاح جزئي الذي بإمكانه جعل الهيدروجين مُتاحًا لتشغيل خلايا الوقود أينما توفّرت إمدادات الغاز الطبيعي.

بإضافة المادة المُحفِّزة، غشاء الهيدروجين الفاصل وثنائي أكسيد الكربون المُمتص إلى دورة محرك رباعي الأشواط القرن الماضي، أثبت الباحثون مخبريًّا أن نظام الإصلاح الهيدروجيني الذي يُنتج الوقود الأخضر في حرارة منخفضة نسبيًّا في عمليةٍ يمكن تكبيرها أو تصغيرها لتلبّي الاحتياجات المُحدّدة.

هذه العملية يمكنها أن توَّفر الهيدروجين المستخدم لخلايا وقود التجمّعات السكانيّة أو في محّطات الطاقة أو الكهرباء وإنتاج الطاقة في المركبات التي تعمل بالغاز الطبيعي وتزويد الحافلات المحلّية التي تعتمد على الهيدروجين بالوقود، وإلحاقها بمصادر الطاقة المتجددة كالخلايا الكهروضوئيّة.

مُفاعل (CHAMP) المعروف باسم “مكبس الغشاء الفعّال CO2/H2، حيث يعمل هذا الجهاز في درجة حرارةٍ أقل بكثير من عمليات إصلاح البخار التقليدية، ويستهلك الماء أقل بكثير ويمكنه أن يعمل أيضًا بأنواع الوقود الأخرى مثل الميتانول ” methanol” أو المواد الأوليّة الحيوية المشتقّة.

كما أنّه يمتص ويركّز إنبعاثات ثنائي أكسيد الكربون، وهو من المشتقات التي تفتقر هذه الأيام إلى الإستخدمات الثانويّة والتي من الممكن أن تتغيّر في المستقبل.

وعلى عكس المحركات التقليديّة والتي تعمل على آلاف اللفات في الدقيقة، فإن هذا المُفاعِل يعمل ببضع الدورات في الدقيقة الواحدة -أو أبطأ من ذلك بكثير-وذلك تبعًا لمقياس المُفاعِل ومعدّل الهيدروجين المطلوب إنتاجه.

وليس هنالك شمعات إشعال وذلك لعدم وجود أي وقودٍ لحرقها.

يقول البروفسور أندريه فيودوروف “Andrei Fedorov” من معهد جورجيا للتكنولوجيا والذي عمل على (CHAMP) منذ عام 2008:

“نحن نملك بالفعل البنية التحتيّة لتوزيع الغاز الطبيعي على الصعيد الوطني، ولذلك فمن الأفضل بكثير أن نقوم بإنتاج الهيدروجين اللازم للاستخدام بدلًا من محاولة توزيعه، وهذه التنقية التي نملكها بإمكانها أن تُنتج هذا الوقود في أي مكان يكون فيه الغاز الطبيعي متوفّرًا، وبذلك يمكن أن تَحُل واحدًا من التحديات الرئيسيّة مع اقتصادٍ في الهيدروجين”.

البروفسور آندريه فيدروف (يسارًا) والباحث الطالب يوزي بينغ
يُظهران نظام إصلاح الهيدروجين على المستوى المخبري والذي يُنتج الوقود الأخضر تحت درجة حرارة منخفضة نسبيًا

وفي ورقة بحثيّة نُشرت في 9 شباط في مجلة “البحوث الصناعيّة وهندسة الكيمياء” تصف النموذج التشغيلي لعملية (CHAMP)، بما في ذلك الخطوة الحرجة لامتصاص ثاني أكسيد الكربون داخليًّا، وعملية إصلاح المنتج الثانوي من غاز الميثان، لذلك من الممكن أن تتركز وتُطرد من المفاعل من أجل التخزين أو استغلالها لمجالات أخرى.

عمل على هذه الأطروحة ثلاثًا من خريجي الدكتوراه في معهد جورجيا للتكنولوجيا منذ بدء المشروع في 2008.

وكان هذا البحث مدعومًا من قبل المؤسسة الوطنيّة للعلوم، وزارة الدفاع من خلال مِنح NDSEG الدراسيّة، ومؤسسة البحث والتطوير المدنيّة الأمريكيّة (CRDF).

إنَّ مفتاح عمليّة رد الفعل هو حجم المتغيّر المُجهّز بمكبسٍ يرتفع وينخفض في أسطوانة.

وكما هو الحال في المحركات التقليديّة، يتحكّم صمّامٌ بتدفق الغاز داخل وخارج المفاعل مع حركة المكبس صعودًا وهبوطًا. وهكذا يعمل نظام الأربعة أشواط:

– الغاز الطبيعي (الميتان) والبخار يُسحبان من أسطوانة التحفيز عبر الصمّام عند انخفاض المكبس في الداخل، وعندما يُغلق الصمّام يكون المكبس قد وصل لأسفل الاسطوانة.

– يرتفع المكبس في الأسطوانة، ضاغطًا البخار والميتان عند تسخين المفاعل. وعندما تصل درجة الحرارة إلى قُرابة 400 درجة سلسيوس، فإن ردود فعل المحفِّز تشغل مكانًا داخل المفاعِل مُشكّلةً الهيدروجين وثاني أكسيد الكربون.

يخرج الهيدروجين المُتشكّل عبر غشاء انتقائي، وثاني أكسيد الكربون المضغوط يتكثّف من المواد الممتصة المدمجة مع المُحفِّز.

– ما إن يخرج الهيدروجين من المُفاعِل حتى يكون ثاني أكسيد الكربون قد تعلّق في أعلى (المادة الماصة/المكثّفة) عندها يهبط المكبس مُقلِّصًا معه الحجم (والضغط) في الاسطوانة عندها يتحرر ثاني أكسيد الكربون من (المادة الماصة/المكثّفة) في الإسطوانة.

– يرتفع بعدها المكبس مرّةً أخرى في التجويف ويفتح الصمّام، مُطلِقًا ثاني أكسيد الكربون المركّز جاعلًا المُفاعل خاليًا بالكامل لبدء دورة جديدة.

يقول البروفسور فيدروف “Fedorov”:

“كل قطعة من هذه الأحجية عَملت معًا، وإن التحدّيات القادمة ستكون إقتصاديّةً في المقام الأول، وخطوتنا القادمة ستكون إنشاء مُفاعل (CHAMP) تجريبي.”

مُفاعل(CHAMP) الذي يستخدمه المحرك لإنتاج الهيدروجين

وكان المشروع قد بدأ بمعالجة بعض التحديات الكامنة في استخدام الهيدروجين في خلايا الوقود.

فأغلب الهيدروجين المُستخدم هذه الأيام تم انتاجه في عملية إصلاح تحت درجة حرارة مرتفعة من اتّحاد غاز الميتان والبخار في درجة 900 مئوية.

وتتطلب هذه العملية على مِقياسٍ صناعي ما يصل إلى ثلاثة جزيئات ماء لكل جزيئ هيدروجين، والغاز الناتج ذو الكثافة القليلة يجب نقله إلى المكان الذي سيتم استخدامه.

مكونات مُفاعِل (CHAMP)

نفّذ مختبر “فيدروف” أول العمليات الحسابية التيرموديناميكيّة مما يشير إلى أنّ عملية “الأربعة أشواط” يمكن تعديلها لإنتاج الهيدروجين بكمياتٍ صغيرة نسبيًّا ليتم استخدامه.

كانت أهداف هذا البحث هي إنشاء عملية إصلاح جزئي بإمكانها العمل تحت درجة حرارة بين 400 إلى 500 درجة مئوية، وذلك باستخدام جُزيئا ماء لكل جزيء من غاز الميتان وذلك لإنتاج أربع جزيئات هيدروجين، وتكون قادرةً على الانخفاض وذلك لتلبية الاحتياجات المُحددة، والتقاط ثاني أكسيد الكربون الناتج ليَتم استغلاله أو عزله.

يُضيف البروفيسور “فيدروف”:

“أردنا أن نعيد التفكير بالكامل حول كيفيّة تصميمنا لنظام المُفاعل، وذلك للحصول على نوع التأثير والكفاءة التي نحتاجها، وقد أدركنا أننا بحاجة لتغيُّرٍ في حجم وعاء المُفاعِل، ونحن ننظر إلى الأنظمة الميكانيكيّة الموجودة والتي بإمكانها فعل ذلك، وأدركنا أن هذه القدرة يمكن أن توجد في نظامٍ قد مرّ عليه قرنٌ من التحسين والتطوير، والذي هو محرك الإحتراق الداخلي.

وإنَّ نظام (CHAMP) يمكن زيادته أو تخفيضه وذلك لإنتاج مئات الكيلوغرامات من الهيدروجين في اليوم الواحد لمحطات التزوّد بالوقود للسيارات النموذجية أو حتى بضعة كيلوغرامات للمركبات الفردية أو لخلايا وقود التجمعات السكنية.”

يمكن ضبط الحجم وسرعة المكبس في مُفاعل (CHAMP) لتحقيق متطلّبات الهيدروجين عند مطابقة الاحتياجات اللازمة لتجديد (المادة الماصة/المكثّفة) لثاني أكسيد الكربون وعزل تأثير غشاء الهيدروجين.

ومن المُحتمل أن تعمل عدّة مفاعلات معًا، ضمن الاستخدام العملي، لإنتاج تيّار مستمر من الهيدروجين على مستوى الإنتاج المطلوب.

يختم البروفيسور “فيدروف”:

“لقد أخذنا محطّة المعالجة الكيميائيّة التقليديّة وأنشأنا آلية متناظرة رائعة من محرك الإحتراق الداخلي، حيث أنَّ المُفاعل مُركب وقابل للتحجيم، وبالتالي يُمكنك الحصول على تركيب واحد أو مئة مركب تبعًا لكمية الهيدروجين التي تحتاجها عمليات إصلاح الوقود وتنقية الهيدروجين وإلتقاط ثاني أكسيد الكربون المنبعث جميعها متحدةً في نظام مدمج واحد.”

ترجمة: رامي الحرك
تدقيق: بدر الفراك

المصدر