دراسة تجريبية لتأثير التيار والجهد ودرجة حرارة التشغيل في إنتاج الهيدروجين الأخضر باستخدام الطاقة الشمسية

الملخص

أُجريت هذه الدراسة في سياق التحول العالمي نحو أنظمة الطاقة المستدامة وخفض انبعاثات الكربون، حيث برز الهيدروجين الأخضر كناقل رئيسي للطاقة النظيفة قادر على تخزين الطاقة. ويتمثل الهدف الرئيسي لهذه الدراسة في تقييم أداء نظام صغير الحجم لإنتاج الهيدروجين الأخضر يعمل بالطاقة الشمسية، مع التركيز بشكل خاص على تأثير معلمات التشغيل على إنتاج طاقة الهيدروجين. تم تصميم وتنفيذ النظام المتكامل باستخدام الألواح الكهروضوئية (PV) لتشغيل جهاز التحليل الكهربائي بغشاء تبادل البروتونات (PEM). كما تم وضع مخطط تخطيطي لتوضيح مكونات النظام المترابطة. وشملت المنهجية تشغيل النظام وإجراء تجارب تجريبية في ظل ظروف تشغيلية متنوعة من خلال تعديل الجهد الكهربائي والتيار الكهربائي ودرجة الحرارة، إلى جانب تسجيل البيانات التشغيلية الأساسية وتحليلها. عند تيار تشغيلي يبلغ حوالي 7.0 أمبير وجهد يبلغ حوالي 1.82 فولت، أنتج النظام معدل تدفق هيدروجين في حالة مستقرة يبلغ حوالي 48 مل/دقيقة. وبالمقارنة مع عملية إعادة تشكيل الميثان بالبخار، قد يقلل النظام التجريبي من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون بمقدار 9–12 كجم من ثاني أكسيد الكربون لكل كيلوغرام من الهيدروجين الأخضر المنتج، مع تكلفة هيدروجين منخفضة (LCOH) تقدر بـ 8.5–11.2 دولار/كجم H2. تم تأكيد السلوك الذي يهيمن عليه المقاومة الأومية عبر النطاق المقاس من خلال الارتباط الخطي لعلاقة الجهد بالتيار (R² > 0.99). وكشفت النتائج عن وجود ارتباط مباشر بين المتغيرات التشغيلية ومعدل إنتاج الهيدروجين الأخضر، حيث أدت الزيادة في التيار الكهربائي إلى ارتفاع الإنتاج. علاوة على ذلك، ساهم التحكم الدقيق في الجهد والحرارة في تحسين كفاءة العملية. وهذا يجعل النظام المقترح خطوة فعالة نحو إنتاج الهيدروجين الأخضر، مما يظهر إمكانات واعدة لمزيد من التطوير والتكامل مع مصادر الطاقة المتجددة في التطبيقات المستقبلية.