تجزیه پلاسمایی متان برای تولید هیدروژن بدون تولید CO₂

تجزیه پلاسمایی متان برای تولید هیدروژن بدون تولید CO₂

هیدروژن به عنوان حامل انرژی آینده، نقشی حیاتی در گذار انرژی جهانی و دستیابی به اهداف کاهش انتشار کربن ایفا می‌کند. در حال حاضر، بیش از 95 درصد هیدروژن جهان از طریق فرآیندهای مبتنی بر سوخت‌های فسیلی، عمدتاً اصلاح بخار متان (SMR)، تولید می‌شود که این فرآیندها مقادیر عظیمی دی‌اکسید کربن (CO2) به جو منتشر می‌کنند. این مسئله، مفهوم “هیدروژن پاک” را زیر سؤال می‌برد، مگر اینکه با جذب و ذخیره‌سازی کربن (CCS) همراه باشد که فرآیندی پرهزینه و از نظر اجرایی پیچیده است.

در پاسخ به این چالش، فناوری‌های نوظهوری مورد توجه قرار گرفته‌اند که هدف اصلی آن‌ها تولید هیدروژن با حفظ کربن در یک فرم قابل استفاده یا بی‌خطر است. تجزیه پلاسمایی متان (Methane Pyrolysis)، که اغلب به عنوان تجزیه حرارتی یا کراکینگ متان نیز شناخته می‌شود، به عنوان یک جایگزین پیشرو مطرح شده است. این فرآیند، متان (CH4​) را مستقیماً به هیدروژن مولکولی (H2​) و کربن جامد (C) تجزیه می‌کند، و بدین ترتیب از انتشار مستقیم CO2​ جلوگیری می‌نماید.

بیشتر بخوانید

اصول علمی و ترمودینامیک تجزیه پلاسمایی

تجزیه متان یک واکنش گرماگیر است که برای وقوع به ورودی انرژی قابل توجهی نیاز دارد. در تجزیه پلاسمایی، این انرژی از طریق یک محیط پلاسما (گاز یونیزه شده) فراهم می‌شود. پلاسما به دلیل پتانسیل‌های الکتریکی بالا، قادر است مولکول‌های متان را با کارایی بیشتری نسبت به گرمایش مقاومتی صرف، تجزیه کند.

واکنش اصلی که مورد هدف است، به شرح زیر است:

CH4(g)→2H2(g)+C(s)

این واکنش نسبت به مسیرهایی که از آب استفاده می‌کنند (الکترولیز)، از نظر مصرف انرژی، برتری نظری دارد، زیرا انرژی پیوند در CH4​ کمتر از انرژی مورد نیاز برای الکترولیز آب است. در عمل، چالش در فرآیند پلاسمایی، دستیابی به دمای بالا (معمولاً بالای 1000∘C تا 1500∘C بسته به فناوری) برای تعادل ترمودینامیکی بهینه و نرخ تبدیل بالا است.

خواص شیمیایی گاز متان

فناوری‌های کلیدی پلاسما در تجزیه متان

توسعه موفقیت‌آمیز این فناوری به نوع راکتور پلاسمایی مورد استفاده بستگی دارد که باید بتواند انرژی را به طور موثر به فاز گاز متان منتقل کند و همزمان از تجمع کربن بر روی اجزای داغ جلوگیری نماید. سه نوع اصلی از راکتورهای پلاسمایی در حال بررسی هستند:

1. پلاسمای تخلیه سد دی‌الکتریک (DBD)

راکتورهای DBD معمولاً برای کار در دماهای پایین‌تر (نسبت به قوس‌های حرارتی) استفاده می‌شوند و به عنوان “پلاسما-دمای پایین” طبقه‌بندی می‌شوند. در این سیستم‌ها، میدان الکتریکی متناوب (معمولاً فرکانس بالا) بین دو الکترود اعمال می‌شود که توسط یک ماده دی‌الکتریک جدا شده‌اند. این روش اجازه می‌دهد تا تجزیه در دماهای متوسط رخ دهد، که می‌تواند برای برخی کاربردهای خاص یا برای کنترل بیشتر بر فرآیند مطلوب باشد. چالش اصلی این روش، کنترل رسوب کربن روی سطح دی‌الکتریک است.

2. پلاسمای قوس حرارتی (Thermal Plasma Arc)

این روش از یک قوس الکتریکی پایدار بین دو الکترود برای ایجاد محیط پلاسمایی با دمای بسیار بالا (تا 10,000∘C در هسته قوس) استفاده می‌کند. متان به سرعت از این منطقه عبور داده می‌شود. مزیت این روش، نرخ تبدیل و سرعت واکنش بسیار بالا است. با این حال، نیاز به انرژی ورودی بالا و چالش‌های مهندسی مربوط به مواد مقاوم در برابر حرارت و خوردگی در مجاورت قوس، از محدودیت‌های آن است.

3. راکتورهای بستر سیال (Fluidized Bed Reactors)

در برخی طرح‌های پیشرفته، از ذرات کربن یا کاتالیزورها به عنوان بستر سیال استفاده می‌شود. پلاسما (اغلب از نوع شعله/قوس) در زیر بستر ایجاد شده و گازهای داغ و پلاسما باعث سیال شدن ذرات می‌شوند. این امر دو مزیت مهم دارد:

الف) انتقال حرارت موثر: به طور یکنواخت حرارت را در سراسر بستر توزیع می‌کند.

ب) حذف کربن: کربن در حال تجزیه بر روی ذرات بستر سیال رسوب می‌کند و می‌توان آن را به طور مداوم به عنوان محصول جامد خارج ساخت. این فرآیند به طور طبیعی مسیر راکتور را به سمت “تولید هیدروژن به همراه کربن با ارزش” هدایت می‌کند.

محصول جانبی حیاتی: کربن جامد

یکی از بزرگترین نقاط قوت این فناوری، محصول جانبی آن است. در مقابل SMR که CO2​ تولید می‌کند، تجزیه پلاسمایی کربن جامد تولید می‌کند. کیفیت و شکل این کربن به شدت به شرایط عملیاتی راکتور (دما، زمان ماند، نوع پلاسما) بستگی دارد.

دوده (Soot): در دماهای بالاتر، کربن ممکن است به صورت دوده تولید شود که می‌تواند برای کاربردهایی مانند مواد اولیه لاستیک، جوهر یا افزودنی‌های بتن استفاده شود.

نانوکربن‌ها: کنترل دقیق شرایط می‌تواند منجر به تولید ساختارهای کربنی پیشرفته مانند نانولوله‌های کربنی (CNT) یا گرافن شود. اگر کیفیت کربن تولید شده به این سطح برسد، ارزش اقتصادی فرآیند به طرز چشمگیری افزایش یافته و هزینه نهایی تولید هیدروژن را کاهش می‌دهد.

با وجود پتانسیل بالای تجزیه پلاسمایی، چند چالش کلیدی باید غلبه شود تا این فناوری بتواند مقیاس صنعتی پیدا کند:

مصرف انرژی: اگرچه از نظر ترمودینامیکی کارآمد است، اما تامین انرژی لازم برای تولید پلاسما (به ویژه در DBD) می‌تواند به شدت پرهزینه باشد، مگر اینکه مستقیماً از منابع برق تجدیدپذیر ارزان قیمت تامین شود.

عمر و دوام راکتور: شرایط شدید عملیاتی (دما، خوردگی، رسوب کربن) نیازمند توسعه مواد جدیدی است که بتوانند برای مدت طولانی در برابر این محیط سخت دوام بیاورند.

اقتصاد کربن: موفقیت تجاری به شدت وابسته به این است که کربن جامد تولید شده بتواند به عنوان یک محصول با ارزش بالا به بازار عرضه شود، نه اینکه صرفاً به عنوان یک “ضایعات کربنی” دفع گردد.

تجزیه پلاسمایی متان راهکاری قدرتمند برای دستیابی به هیدروژن با انتشار کربن صفر (در صورت استفاده از برق تجدیدپذیر) ارائه می‌دهد و همزمان یک جریان درآمدی بالقوه از طریق تولید کربن با کیفیت بالا ایجاد می‌کند. این فناوری، که در حال حاضر مرحله تحقیق و توسعه پیشرفته و اثبات مفهوم را پشت سر می‌گذارد، می‌تواند یکی از ارکان اصلی اقتصاد هیدروژن در دهه‌های آینده باشد و با حذف CO2​ از معادله تولید، تعهد ما به پایداری محیط زیست را محقق سازد.

برای کسب اطلاعات بیشتر با سپهر گاز کاویان در تماس باشید.