تم تصميم DC-MUSE هذا الصيف في ورشة عمل حضرتها أكثر من 40 شركة ومؤسسة ، ونظمتها منحة تخطيط من مؤسسة العلوم الوطنية لبناء القدرات في مجال البحوث المتقاربة. هدفها هو تطوير تقنيات واستراتيجيات لمساعدة الصناعة الكيميائية في الولايات المتحدة على الانتقال من عمليات التصنيع القائمة على الحرارة إلى العمليات القائمة على الكهرباء.
هناك مجموعة من اللوائح الحكومية التي تهدف إلى تحقيق انبعاثات خالية من الكربون تقود هذه الهجرة. ستدخل اللوائح الخاصة بانبعاثات الدفيئة حيز التنفيذ تدريجياً في العقود القادمة ، وستبلغ ذروتها ، على سبيل المثال ، في هدف الاتحاد الأوروبي لخفض 95 في المائة من انبعاثات الاحتباس الحراري على مستوى عام 1990 بحلول عام 2050. ويمكن أن تهدد هذه اللوائح وغيرها من اللوائح الدولية الخاصة بانبعاثات الدفيئة بنسبة تصل إلى 12 في المائة من إجمالي صادرات الولايات المتحدة (220 مليار دولار) ، إذا كانت الصناعة الكيميائية الأمريكية غير قادرة على إزالة الكربون من عملياتها. من الواضح أن المهمة هائلة ، ليس فقط للصناعة نفسها ولكن للاقتصاد الأكبر.
أندرو تايلوركلية تاندون للهندسة بجامعة نيويورك
ثلاثون في المائة من ثاني أكسيد الكربون الصناعي الأمريكي2 تأتي الانبعاثات من الصناعة الكيميائية ، و 93٪ من العمليات الكيميائية تستخدم تسخين الوقود الأحفوري ، “كما أشار أندريه تايلور ، الأستاذ المشارك في كلية الهندسة بجامعة نيويورك تاندون. “نحن نتحدث عن تغيير صناعة بأكملها تتضمن أيضًا تأثيرًا هائلًا على المجتمع ، يشمل 70 ألف منتج ، و 25٪ من الناتج المحلي الإجمالي للولايات المتحدة.
يعتقد العديد من الخبراء أن الخطوة الأولى في إصلاح الصناعة الكيميائية ستشمل الابتعاد عن التفاعلات الكيميائية المدفوعة بالحرارة وعمليات الفصل التي تتطلب حرارة من الوقود الأحفوري والانتقال نحو التفاعلات التي تستخدم الكهرباء المولدة من مصادر متجددة ، مثل الرياح والطاقة الشمسية.
في حين أن هذه الهجرة قد بدأت بالفعل ، مع تضاعف تغلغل المصادر المتجددة في الشبكة الكهربائية الأمريكية في العقد الماضي ، فإن تقنيات دمج هذه المصادر في العمليات الكيميائية المكهربة فعالة من حيث التكلفة ظلت غير موجودة عمليًا.
يوري دفوركينكلية تاندون للهندسة بجامعة نيويورك
قال يوري دفوركين ، الأستاذ المساعد في كلية تاندون للهندسة بجامعة نيويورك: “بعد الاجتماع مع العديد من ممثلي الصناعة الكيميائية ، علمنا أن التقنيات التي من شأنها تمكين الكهرباء على النطاق الصناعي غير موجودة في الوقت الحالي”. هذه التقنيات بحيث يمكن اعتمادها بطريقة مجدية اقتصاديًا “.
أحد المجالات التي اعتقد دفوركين وزملاؤه أنهم بحاجة إلى التركيز عليها هو التغلب على مشكلات الموثوقية الناشئة التي تمنع وتزيد من تكلفة استخدام الطاقة المتجددة في الشبكة الكهربائية. بمعنى آخر ، كيف تتأكد من عدم حدوث انقطاع في الإمداد بالكهرباء عندما تكون الطاقة من الشمس والرياح متقطعة؟
في الوقت الحالي ، لا ترقى تقنيات تخزين الطاقة تمامًا إلى مهمة موازنة التقطع للكهرباء المتجددة. نتيجة لذلك ، كان باحثو جامعة نيويورك تاندون ينظرون إلى تخزين الطاقة في شكل روابط كيميائية ، على عكس الإلكترونات ، كحل ممكن.
في أساليب تخزين الطاقة مثل هذه ، يتم تخزين الطاقة كيميائيًا في شكل هيدروجين ، ويتم إعادة استخدام هذا الهيدروجين لاحقًا في خلية وقود. يشار إلى خلايا الوقود المستخدمة لالتقاط الطاقة باسم بطاريات تدفق الأكسدة والاختزال (RFBs). تتكون RFBs من إلكتروليت موجب وسالب مخزّن في خزانين منفصلين. عندما يتم ضخ السوائل في كومة خلايا البطارية الموجودة بين الخزانات ، يحدث تفاعل الأكسدة والاختزال ويولد الكهرباء عند أقطاب البطارية.
نشر العديد من باحثي جامعة نيويورك مؤخرًا ورقة بحثية في المجلة تقارير الخلية العلوم الفيزيائية التي تبحث في تحسين قدرات تخزين الطاقة واقتصاديات هذه الأجهزة الإقليمية لمصايد الأسماك.
لم يقم باحثو جامعة نيويورك ببساطة بتعديل تقنية RFB لتحسين كثافة طاقتها أو تقليل تكاليفها. بدلاً من مجرد توصيل أجهزة RFB بمصادر الطاقة المتجددة لتخزين إنتاجها المتقطع للطاقة ، أوضح باحثو جامعة نيويورك كيف يمكنك استخدام مفاهيم RFB لدمج التصنيع الكيميائي تمامًا في عملية تخزين الطاقة بأكملها.
ميغيل موديستينوكلية تاندون للهندسة بجامعة نيويورك
أوضح ميغيل موديستينو ، الأستاذ المساعد في جامعة نيويورك وأحد المؤلفين المشاركين في تقارير الخلية ورق. “قيمة التخزين التي توفرها تقلل من تكلفة إنتاج المادة الكيميائية التي تريد صنعها في نهاية اليوم.”
وأضاف موديستينو أن هذا النهج يسمح أيضًا لشركات المواد الكيميائية بدمج مصادر الكهرباء المتقلبة ، مثل مصادر الطاقة المتجددة. يمكنك بالتالي إزالة الكربون عن الصناعة بطريقة اقتصادية وتعمل بشكل جيد مع ديناميكيات الشبكة المتجددة.
توسع مشروع DC-MUSE بشكل كبير منذ أن ترسخت أفكاره الأولى قبل بضعة أشهر. قام المشروع بالفعل بتكوين مجموعة من 30 باحثًا من 11 جامعة و 3 مختبرات وطنية تغطي مجموعة واسعة من مجالات البحث.
في جامعة نيويورك تاندون ، يقود ريان هارتمان ، الأستاذ المساعد ، مجموعة لتطوير تقنية تحفيز البلازما لهذه الأنواع من التفاعلات الكيميائية. تعمل مجموعات تايلور وموديستينو على إنشاء مفاعلات كهروكيميائية للتصنيع الكيميائي. وقد عمل دفوركين على دمج هذه المصانع في الشبكة. تقوم مجموعات أخرى خارج جامعة نيويورك بالتحقيق في استخدام الأغشية لعمليات الفصل وتكامل النظام.
بالإضافة إلى ذلك ، كان فريق جامعة نيويورك يتشاور مع أعضاء هيئة التدريس في كلية الحقوق وكلية إدارة الأعمال حول كيفية تصميم السياسات التي يمكن أن تمكن من التحول الاقتصادي نحو التصنيع الكيميائي القائم على الطاقة المتجددة.
يتواصل الباحثون أيضًا مع الصناعة للحصول على مشاركة مبكرة. في الواقع ، كان نشأة مشروع DC-MUSE عبارة عن ورشة عمل دعت فيها جامعة نيويورك 50 خبيرًا في الصناعة وأفرادًا من الأوساط الأكاديمية للاجتماع معًا للحديث عن التحديات في الصناعة الكيميائية ، مثل تكثيف العملية.
دي سي ميوزميغيل موديستينو
“لقد تحدثنا مع أشخاص في شركات تصنيع المواد الكيميائية الكبرىو قالت إليزابيث بيدنجر ، كلية مدينة نيويورك ، التي بدأت في تطوير نماذج تجريبية لإنتاج الكيماويات الكهربائية. واجهات ECSوصف كيف أن المزايا البيئية للتركيبات الكهروضوئية ، مثل تقليل توليد النفايات ، واستخدام المواد الأولية غير الأحفورية ، والتصنيع الكيميائي عند الطلب هي أيضًا محركات كبيرة للاستدامة في العمليات الكيميائية عبر قطاعات متعددة.
إن تورط شركات البتروكيماويات لم يكن مصادفة. تمثل العمليات البتروكيماوية – وفي الواقع مجموعة فرعية صغيرة جدًا من العمليات البتروكيماوية – أكثر من 80 بالمائة من الطاقة وثاني أكسيد الكربون2 وفقًا لموديستينو.
نظرًا لأن DC-MUSE يكتسب الزخم ، فإن المهندسين المعماريين في جامعة نيويورك يتصورون المشروع كمركز انتقال للبحوث الهندسية الأساسية اللازمة لتمكين هذه التقنيات. قال موديستينو ، “الطريقة التي نراها هي أن تقوم بالبحث في المختبر ، وتطورها من خلال العروض التوضيحية على مستوى المعمل ، ولكن بعد ذلك من خلال الشراكات مع الشركات ستطورها إلى عمليات.”
بينما ينتظر مشروع DC-MUSE هدفه الموسع من خلال زيادة التمويل ، فإنه يؤثر بالفعل على النهج التربوي لأساتذة جامعة نيويورك.
“لقد أجرينا بالفعل مناقشات حول الدكتوراه المشتركة. قال دفوركين: “يمكن للطالب أن يكون لديه مستشارين متعددين. وبهذه الطريقة ، يمكننا حقًا العمل معًا لحل هذه المشكلات وتزويد الطلاب بمنظور متعدد التخصصات ، لأنه بدون هذا النوع من التعاون ، وبدون تقديم هذه المدخلات إلى الطلاب ، لا توجد طريقة لحل المشاكل الاجتماعية.
وأضاف تايلور: “من التطبيقات التي رأيناها في برنامجنا ، نعلم أن الناس يريدون متابعة الأشياء التي لها تأثير فعلي على تغيير المجتمع وتحسين العالم. يريد الناس اكتشاف شيء أساسي ، ولكن إذا كان له تأثير اجتماعي أوسع ، فيمكن للناس رؤية أهميته. هذا هو السبب في أنني أقوم بالبحث في هذا المجال.
لمعرفة المزيد حول المبادرات الجارية في كلية تاندون للهندسة بجامعة نيويورك ، يرجى زيارة موقعها الإلكتروني.
اكتشاف المزيد من عرب نيوز للتقنية
اشترك للحصول على أحدث التدوينات المرسلة إلى بريدك الإلكتروني.
