وقود شمسي
الوقود الشمسي solar fuel، هو وقود ينتج من ضوء الشمس عن طريق التمثيل الضوئي الاصطناعي أو (تجريبياً كما في 2013) تفاعل كيميائي حراري.[1][2][3] يستخدم الضوء كمصدر للطاقة، حيث يتم تحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة كيميائية، عادة عن طريق تخفيض پروتون إلى هيدروجين، أو ثاني أكسيد الكربون إلى مركبات عضوئية. الوقود الشمسي يمكن انتاجه وتخزينه لاستخدامه فيما بعد، عندما يكون ضوء الشمس غير متوافر، مما يجعله بديل للوقود الأحفوري.
المحفزات الضوئية المتنوعة تم تطويرها للقيام بهذه التفاعلات بطريقة مستدامة وصديقة للبيئة.[4]
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
نظرة عامة
اعتماد العالم على المخزون المتناقص للوقود الأحفوري لا يضعه فقط في مواجهة مشكلات بيئية لكن أيضاً مشكلات جيوسياسية.[5] الوقود الشمسي، وخاصة الهيدروجي، ينظر إليه على أنه مصدر بديل للطاقة ليحل محل الوقود الأحفوري خاصة عندما يكون التخزين أمراً ضرورياً. الكهرباء يمكن انتاجها مباشرة من ضوء الشمس عن طريق الألواح الضوئية، لكن هذا الشكل من الطاقة أقل فعالية للتخزين مقارنة بالهيدروجين.[4] الوقود الشمسي يمكن انتاجه عندما يكون ضوء الشمس متوافراً، وتخزينه ونقله ليستخدم فيما بعد.
أكثر أنواع الوقود الشمسي بحثاً هما الهيدروجين ومنتجات الحد من ثاني أكسيد الكربون.
الوقود الشمسي يمكن انتاجه بعمليات مباشرة أو غير مباشرة. العمليات المباشرة تسخر الطاقة الموجودة في ضوء الشمس لانتاج الوقود بدون تفاعلات كيميائية وسيطة. في المقابل، العمليات الغير مباشرة يتم فيها تحويل الطاقة الشمسية إلى شكل آخر للطاقة (مثل الكتلة الحيوية أو الكهرباء) يمكن استخدامها لانتاج الوقود. العمليات الغير مباشرة أسهل في التنفيذ لكنها أقل كفاءة، مثل، فصل المياه لانتاج الهيدروجين، حيث تكون الطاقة مفقودة في التحويل الوسيط.[4]
الانتاج الكهربائي الضوئي للهيدروجين
يمكن انتاج الهيردوجين بواسطة التحفيز الكهربائي. لاستخدام ضوء الشمس في هذه العملية، يمكن استخدام خلية كهروضوئية، حيث يقوم القطب الكهربائي photosensitized بتحويل الضوء إلى تيار كهربائي يستخدم فيما بعد في فصل المياه. يعتبر مثل هذا النوع من الخلايا الشمسية الصبغية.[6] تعتبر هذه العملية غير مباشرة، حيث تنتج الكهرباء ثم تستخدم في صورة هيدروجين. العمليات الغير مباشرة الرئيسية الأخرى تستخدم ضوء الشمس لتحويل الكتلة الحيوية إلى وقود حيوي باستخدام العضيات الضوئية؛ إلا أن معظم الطاقة الناتج عن طريق التمثيل الضوئي يستخدم في عمليات الحفاظ على الحياة ومن ثم فهو طاقة مفقودة.[4]
العملية المباشرة قد تستخدم المحفظ الذي يخفض الپروتونات إلى هيدروجين جزيئي على إلكترونات من مادة ضيائية مثارة. العديد من هذه المحفزات تم تطويره كإثبات للمفهوم، لكنه حتى الآن لم يدخل حيز الاستخدام التجاري؛ مع ذلك، فالبساطة النسبية تعطي ميزة انخفاض التكلفة المحتملة وزيادة كفاءة تحويل الطاقة.[7][4] من الأدلة على إثبات المفهوم هذا "ورقة صناعية" طورتها نوكرا وكاوكرز: مزيج من المحفزات المعتمدة على أكاسيد الفلزات وخلية شمسية شبه موصلة تنتج الهيدروجين عند الاستضاءة، مع أكسجين كمنتج هامشي فقط.[8]
كذلك يمكن انتاج الهيدروجين من بعض العضيات الدقيقة الضوئية (الطحالب الدقيقة والطحالب الزرقاء) باستخدام مفاعل حيوي ضوئي. بعض هذه العضيات تنتج الهيدروجين في حالات تغير الوسط؛ على سبيل المثال، Chlamydomonas reinhardtii تنتج الهيدروجين لاهوائياً عند الحرمان من الكبريت، يحدث هذا، عندما تنتقل الخلية من وسط نمو إلى آخر لا يحتوي على الكبريت، وتنمو بدون الوصول للأكسجين.[9]
الحد الكيميائي الضوئي من ثاني أكسيد الكربون
ثاني أكسيد الكربون (CO2) يكن أن يخفض إلى ثاني أكسيد الكربون (CO) ومركبات أخرى مخفضة أكثر، مثل الميبثان، باستخدام المحفزات الضوئية المناسبة. من الأمثلة المبكرة على هذا استخدام ruthenium tris(bipyridine) chloride (Ru(bipy)3Cl2) وكلوريد الكوبلت (CoCl2) لتخفيض CO2 إلى CO.[10] الكثير من المركبات التي تقوم بتفاعل مماثل تم تطويرها، لكنها بصفة عامة تقوم بآداء ضعيف مع تركيزات الهواء من ثاني أكسيد الكربون، مما يتطلب تركيزات إضافية.[11] أبسط منتج من تخفيض ثاني أكسيد الكربون هو أول أكسيد الكربون، لكن لتطوير الوقود، مطلوب تخيض أكبر، وكذلك هناك خطوة أساسية مطلوبة للمزيد من التطوير وهي تحويل أنيونات الهيدروجين إلى أول أكسيد الكربون.[11]
في هذه الحالة أيضاً، تم دراسة استخدام العضيات الدقيقة. استخدام تقنيات الهندسة الوراثية وعلم الأحياء التركيبي، جزء من أو جميع المسارات الاستقلابية لانتاج الوقود الحيوي يمكن إدخالها على العضيات الدقيقة. مثال على هذا انتاج 1-بوتانول في Synechococcus elongatus باستخدام إنزيمات من Clostridium acetobutylicum، الإشريشيا المعوية وTreponema denticola.[12] كمثال على مرفق بحثي واسع النطاق لدراسة هذه الطريقة لانتاج الوقود الحيوي هو ألجايپارك (AlgaePARC) في جامعة ومركز أبحاث ڤانگنينگن، هولندا.
انظر أيضاً
المصادر
- ^ "Sunshine to Petrol" (PDF). Sandia National Laboratories. Retrieved April 11, 2013.
- ^ "Integrated Solar Thermochemical Reaction System". U.S. Department of Energy. Retrieved April 11, 2013.
- ^ Matthew L. Wald (April 10, 2013). "New Solar Process Gets More Out of Natural Gas". The New York Times. Retrieved April 11, 2013.
- ^ أ ب ت ث ج Styring, Stenbjörn (21 December 2011). "Artificial photosynthesis for solar fuels". Faraday Discussions (Advance Article). doi:10.1039/C1FD00113B. Retrieved 12 January 2012.
- ^ Hammarström, Leif (21 December 2009). "Artificial Photosynthesis and Solar Fuels". Accounts of Chemical Research. 42 (12): 1859–1860. doi:10.1021/ar900267k. Retrieved 26 January 2012.
{{cite journal}}: Unknown parameter|coauthors=ignored (|author=suggested) (help) - ^ Kalyanasundaram, K. (June 2010). "Artificial photosynthesis: biomimetic approaches to solar energy conversion and storage". Current Opinion in Biotechnology. 21 (3): 298–310. doi:10.1016/j.copbio.2010.03.021. Retrieved 24 January 2012.
{{cite journal}}: Unknown parameter|coauthors=ignored (|author=suggested) (help) - ^ Andreiadis, Eugen S. (September/October 2011). "Artificial Photosynthesis: From Molecular Catalysts for Light-driven Water Splitting to Photoelectrochemical Cells". Photochemistry and Photobiology. 87 (5): 946–964. doi:10.1111/j.1751-1097.2011.00966.x. Retrieved 19 January 2012.
{{cite journal}}: Check date values in:|date=(help); Unknown parameter|coauthors=ignored (|author=suggested) (help) - ^ Reece, Steven Y. (4 November 2011). "Wireless Solar Water Splitting Using Silicon-Based Semiconductors and Earth-Abundant Catalysts". Science. 334 (6056): 645–648. doi:10.1126/science.1209816. Retrieved 10 January 2012.
{{cite journal}}: Unknown parameter|coauthors=ignored (|author=suggested) (help) - ^ Kosourov, Sergey (30 June 2002). "Sustained hydrogen photoproduction by Chlamydomonas reinhardtii: Effects of culture parameters". Biotechnology and Bioengineering. 78 (7): 731–740. doi:10.1002/bit.10254. Retrieved 26 January 2012.
{{cite journal}}: Unknown parameter|coauthors=ignored (|author=suggested) (help) - ^ Lehn, Jean-Marie (January 1982). "Photochemical generation of carbon monoxide and hydrogen by reduction of carbon dioxide and water under visible light irradiation". Proceedings of the National Academy of Sciences. 79 (2): 701–704. Retrieved 26 January 2012.
{{cite journal}}: Unknown parameter|coauthors=ignored (|author=suggested) (help) - ^ أ ب Dubois, M. Rakowski (2009). Accounts of Chemical Research. 42 (12): 1974–1982. doi:10.1021/ar900110c http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ar900110c. Retrieved 25 January 2012.
{{cite journal}}: Missing or empty|title=(help); Unknown parameter|coauthors=ignored (|author=suggested) (help) - ^ Lan, Ethan I. (July 2011). "Metabolic engineering of cyanobacteria for 1-butanol production from carbon dioxide". Metabolic Engineering. 13 (4): 353–363. doi:10.1016/j.ymben.2011.04.004. Retrieved 25 January 2012.
{{cite journal}}: Unknown parameter|coauthors=ignored (|author=suggested) (help)