كيف يمكن توليد كهرباء من الفحم بلا احتراق؟

ارتبط الفحم منذ استخدامه على نطاق واسع في توليد الطاقة بمستويات مرتفعة من التلوث، وانبعاثات كربونية كبيرة، وكفاءة منخفضة نسبياً.

غير أن نهجاً جديداً لإنتاج الكهرباء من الفحم بدأ يتحدى هذا التصور السائد، عبر الاستغناء عن عملية الاحتراق.

ابتكر فريق بحثي بقيادة شي هيبينغ من الأكاديمية الصينية للعلوم في جامعة شنتشن (Shenzhen University)، تقنية لتوليد الطاقة تحمل اسم" خلية وقود الفحم المباشر الخالية من الانبعاثات الكربونية" (ZC-DCFC) اختصاراً لـZero-Carbon-emission Direct Coal Fuel Cell.

ويعتمد النظام الجديد على التحويل المباشر للطاقة الكيميائية الكامنة في الفحم إلى كهرباء، متجاوزاً دورة الاحتراق المعمول بها في محطات الطاقة الحرارية.

وعلى خلاف محطات الفحم التقليدية، التي تهدر جزءاً كبيراً من الطاقة على شكل حرارة وتطلق غازات دفيئة نتيجة الاحتراق، ترتكز التقنية على تفاعل كهروكيميائي داخل خلية وقود مخصصة للفحم المعالج، وهو ما يقلل اعتماد عملية التوليد على القيود الميكانيكية والحرارية للأنظمة الصناعية التقليدية.

آلية التفاعل الكهروكيميائيتشغيلياً، لا تعتمد التقنية المبتكرة على الفحم بشكله الخام، بل تتطلب معالجة مسبقة تتضمن تجفيفه وتنقيته وطحنه بدقة وتعديل خصائصه السطحية لرفع كفاءته التفاعلية.

بعد ذلك، يُضخ مسحوق الفحم المعالج إلى حجرة" المصعد" (الأنود - القطب السالب) داخل خلية الوقود، بالتزامن مع تزويد حجرة" المهبط" (الكاثود - القطب الموجب) بغاز الأكسجين النقي، ويفصل بين الحجرتين غشاء أكسيدي صلب.

تقنية صينية مبتكرة قد تولد الكهرباء بكفاءة مضاعفة تحت الأرض وبصفر انبعاثات كربونيةوعند التشغيل، تتأكسد جزيئات الفحم بفعل الأيونات العابرة للغشاء، ما يؤدي إلى تحرير إلكترونات تنتقل عبر دائرة خارجية لتوليد تيار كهربائي مستمر قابل للتوجيه إلى الشبكة واستغلاله.

ويجري هذا التفاعل كاملاً ضمن بيئة مغلقة ومحكمة، حيث تلعب درجات الحرارة وخصائص الغشاء دوراً حاسماً في استقرار النظام واستدامته لتلبية متطلبات التوليد الكهربائي الصناعي.

تجاوز قيود الديناميكا الحراريةوعلى الصعيد الفيزيائي، يتيح هذا التحويل الكهروكيميائي المباشر تجاوز قيود الديناميكا الحرارية الصارمة، وتحديداً ما يُعرف بـ" كفاءة كارنو".

فبينما يُقيد هذا القانون محطات الفحم التقليدية - المعتمدة على تحويل الحرارة إلى حركة ميكانيكية من خلال تدوير توربينات بالبخار - بكفاءة قصوى تتراوح بين 35% و40%، لا تخضع الخلية المطورة لهذا الحد بالطريقة نفسها بفضل عملها المباشر عبر التفاعلات الأيونية والإلكترونية.

ونتيجة لذلك، تشير التقديرات الهندسية إلى أن النظام الجديد يستطيع نظرياً بلوغ مستويات كفاءة تقارب 80%، وهو ما يُترجم عملياً إلى مضاعفة الاستفادة من طاقة الفحم، مع تقليل الاستهلاك الكلي للوقود لإنتاج نفس القدر من التيار الكهربائي، ومن دون إطلاق مباشر للانبعاثات الكربونية في الغلاف الجوي.

إدارة الانبعاثات وتحويل الغازاتوإلى جانب مضاعفة الكفاءة، يقدم النظام المبتكر مساراً مختلفاً لإدارة الانبعاثات الكربونية؛ فخلافاً للاحتراق المفتوح الذي يطلق غاز ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي، تعمل خلية الوقود ضمن دائرة مغلقة ومحكمة.

إذ يُحتجز الغاز المتولد عند حجرة" المصعد" فورياً داخل بيئة معزولة، وبدلاً من اعتباره نفاية ملوثة، يُعاد توجيهه في مسارات كيميائية لتحويله إلى منتجات ذات قيمة اقتصادية.

وتشمل هذه العملية التثبيت الكيميائي لإنتاج أملاح صلبة كبيكربونات الصوديوم، أو الاعتماد على محفزات نانوية لتحويله إلى" الغاز التخليقي" (Syngas)؛ وهو خليط من أول أكسيد الكربون والهيدروجين يُعد عنصراً أساسياً في الصناعات البتروكيميائية لإنتاج الوقود والمواد البلاستيكية.

ومع نجاح هذه التقنية في رفع الكفاءة الطاقوية والحد من الانبعاثات الكربونية المباشرة، فقد تتجاوز آفاقها المستقبلية حدود محطات التوليد المركزية، لتمتد نحو تطبيق ما يُعرف بـ" التوليد الموقعي المباشر" تحت القشرة الأرضية.

ويدرس الباحثون حالياً زرع هذه الخلايا مباشرة داخل طبقات الفحم العميقة التي قد تصل إلى عمق كيلومترين تحت الأرض، والتي يصعب أو يستحيل تعدينها تقليدياً.

علماً بأن تطوير هذه التقنية يجري بخطوات حثيثة منذ عام 2018.

وتعتمد الفكرة هندسياً على حقن السوائل التفاعلية وعوامل الأكسدة مع تركيب أقطاب كهربائية في مكامن الفحم الطبيعية؛ لتحفيز التفاعل الكهروكيميائي واستخراج الطاقة كتيار كهربائي يُنقل فوراً إلى السطح عبر كابلات معزولة.

ومن شأن هذا النهج المستقبلي إن تم تطبيقه بنجاح أن يقلص تكاليف ومخاطر التعدين في مناجم الفحم، ويقلل الحاجة لنقل ملايين الأطنان منه إلى المحطات الحرارية، ما قد يفتح مساراً لاستغلال بعض الموارد الأحفورية بآثار بيئية أقل، إذا ثبتت جدواه الصناعية.