مفهوم ضاغط هيدريد معدني يستخدم الهيدروجين كسائل لنقل الحرارة

طريقة جديدة لضغط الهيدروجين

يُمدح الهيدروجين كثيراً كوقود نظيف للمستقبل، لكن تعبئته في خزانات بضغط عالٍ لا تزال تستهلك طاقة كبيرة وتكلفة مالية مرتفعة. تعتمد محطات تعبئة الهيدروجين الحالية على ضواغط ميكانيكية كبيرة تكون صاخبة وتتعرض للتآكل مع الزمن وتبدد قدراً كبيراً من الكهرباء. تبحث هذه الورقة في نوع مختلف من الضواغط لا يحتوي على مكابس وبكاد يحتوي على أجزاء متحركة. بدلاً من ذلك، يستخدم مساحيق معدنية خاصة تمتص وتطلق الهيدروجين، والأهم من ذلك — يستخدم غاز الهيدروجين نفسه لتحريك الحرارة داخل النظام. النتيجة هي مفهوم قد يضغط الهيدروجين بهدوء أكبر، وباستهلاك كهرباء أقل، والاستفادة من حرارة نفايات تتاح بالفعل في كثير من الصناعات.

لماذا يحتاج الهيدروجين إلى دفعة أفضل

يملك غاز الهيدروجين في ظروف الغرفة سعة طاقية منخفضة جداً لكل لتر، ما يجعل تخزينه ونقله تحدياً. لملء خزانات السيارات أو تزويد الصناعة، يجب ضغط الهيدروجين إلى ضغوط عالية جداً، عادة مئات البارات. تستطيع الضواغط الميكانيكية القياسية تحقيق ذلك، لكنها تستهلك 2–4 كيلowatt-ساعة من الكهرباء لكل كيلوغرام من الهيدروجين المضغوط وتتطلب صيانة منتظمة. كما يمكن أن تلوث الهيدروجين بالزيوت وتسبب الضوضاء والاهتزاز. تقدم ضواغط الهيدريد المعدني بديلاً: فهي تستخدم سبائك تمتص الهيدروجين عكسياً عند التبريد وتطلقه عند التسخين، فتعمل كنوع من «مضخة الإسفنج الحراري». ومع ذلك، تكافح التصاميم الحالية لنقل الحرارة بكفاءة عبر أسرّة معدنية سميكة عبر التوصيل الحراري البطيء عبر جدران ومبادلات حرارية ثقيلة، مما يحد من سرعة عملها.

تحويل الهيدروجين إلى وسيط التبريد والتسخين ذاته

يقترح المؤلفون تصميم ضاغط جديد يسمونه «دورة الهيدروجين»، حيث يكون الهيدروجين هو الغاز المراد ضغطه والوسيط الذي ينقل الحرارة في الوقت نفسه. يربط خزانان محشوان بمسحوق الهيدريد المعدني في دائرة غاز مغلقة مع منفاخ ومبادل حراري. يُدوَّر الهيدروجين البارد مباشرة عبر أحد الخزانات، حاملاً معه الحرارة الناتجة أثناء امتصاص المعدن للهيدروجين. في الوقت نفسه، يمر الهيدروجين الساخن عبر الخزان الآخر، ناقلاً الحرارة اللازمة لتحرير الهيدروجين من المعدن. تضيف مبادلات حرارية خارجية غاز-سائل أو تزيل حرارة من هذين الدورتين، لكن لا حاجة لمبادلات حرارية داخلية ضخمة داخل أوعية الضغط. بعد أن يملأ أحد الخزانات بالهيدروجين ويفرغ الآخر، تُعاد معادلة الضغوط لفترة وجيزة، وتبدل الصمامات الدوائر الحارة والباردة إلى الخزانات المقابلة، ويتكرر الدورة—آخذة باستمرار الهيدروجين عند ضغط أدنى وتوصيله عند ضغط أعلى.

اختبار الفكرة في نماذج حاسوبية مفصلة

لمعرفة ما إذا كان هذا المفهوم يعمل عملياً، بنى الفريق نموذجاً حركياً للنظام الكامل باستخدام برنامج محاكاة تجاري. نمذجوا العمليات المعقدة داخل أسرّة المسحوق المعدني—تدفق الهيدروجين ونقل الحرارة والتفاعل الكيميائي—باستخدام تمثيل أحادي البعد تحققوا منه مقابل محاكيات ثلاثية الأبعاد أكثر تفصيلاً. استخدم التصميم خزانين يحتويان إجمالاً على 100 كيلوغرام من الهيدريد المعدني المصنوع من سبائك بين فلزية متينة معروفة بأنها تتحمل آلاف الدورات. من خلال تشغيل دراسات حالة عبر نطاق من ضغوط الدخول والخروج، وافتراض تسخين وتبريد واقعي بين 10 °C و90 °C، درسوا كمية الهيدروجين التي يمكن للضاغط معالجتها في الساعة ومقدار الطاقة الكهربائية التي يستهلكها المنفاخ. مقياس أداء يُدعى معامل الأداء قارن العمل المثالي لضغط الهيدروجين بالمدخل الكهربائي الفعلي.

ما مدى السرعة والكفاءة الممكنة؟

تُظهر المحاكاة أن تدوير الهيدروجين مباشرة عبر الأسرّة المعدنية يمكن أن يحسن نقل الحرارة بشكل كبير، مما يسمح بإنتاجية نوعية تقارب 200–300 لتر قياسي من الهيدروجين في الساعة لكل كيلوغرام من الهيدريد المعدني. في بعض نوافذ التشغيل، تجاوزت الكفاءة الكهربائية لدورة الهيدروجين، المقاسة بكفاءة متساوية الحرارة، القيمة النموذجية حوالي 75 في المئة التي تحققها الضواغط الميكانيكية الحديثة ذات المكابس. أظهرت دراسة الحساسية أن أهم عوامل التصميم هي سهولة مرور الهيدروجين عبر سرير المسحوق—التي يتحكم بها حجم الجسيمات والمسامية—بدلاً من الموصلية الحرارية للمادة الصلبة أو الحجم المضاف للأنابيب والمكونات. ومن المثير للاهتمام أن كفاءة المنفاخ كان لها تأثير متوسط فقط مقارنة بخصائص التدفق هذه، لأن غاز الهيدروجين الكثيف عند ضغط أعلى يعزز بطبيعته نقل الحرارة ومعدلات التفاعل.

ماذا قد يعني هذا لأنظمة الهيدروجين المستقبلية

من منظور هندسي، فإن معظم أجزاء الضاغط المقترح—الخزانات والصمامات ومبادلات الصفائح والأنابيب—متاحة بالفعل أو يمكن بناؤها باستخدام معدات قياسية مصنفة للضغط. الجزء المفقود الرئيسي هو منفاخ مصمم للتعامل مع الهيدروجين عند الضغوط المطلوبة. إذا طُوّر مثل هذا المنفاخ، فقد يعمل النظام إلى حد كبير على حرارة نفايات من العمليات الصناعية، مما يقلل بشكل كبير الكهرباء الإضافية المطلوبة للضغط بينما يتجنب تلوث الزيت والأجزاء الميكانيكية المتحركة. ببساطة، تشير هذه الدراسة إلى أنه بالسماح للهيدروجين بأن يبرد ويسخن نفسه أثناء تنقله عبر مساحيق معدنية مرتبة بذكاء، قد نتمكن من بناء ضواغط أكثر هدوءاً وكفاءة ومتانة تساعد في جعل نظام الطاقة القائم على الهيدروجين أكثر عملية.

الاستشهاد: Fleming, L., Passing, M., Puszkiel, J. et al. A Metal Hydride Compressor Concept using Hydrogen as a Heat Transfer Fluid. Commun Eng 5, 49 (2026). https://doi.org/10.1038/s44172-026-00615-6

الكلمات المفتاحية: ضغط الهيدروجين, الهيدريد المعدني, استخدام حرارة النفايات, تخزين الهيدروجين, بنية تحتية للطاقة النظيفة