چگونه یک «فولاد فوق‌العاده» جدید می‌تواند هزینه‌های تجهیزات هیدروژن سبز را ۴۰ برابر کاهش دهد

در داخل یک الکترولایزر غشای تبادل پروتون (PEM)، محیط به شدت خورنده و خصمانه است. در پتانسیل تقریباً ۱۶۰۰ میلی‌ولت، آب به هیدروژن و اکسیژن تجزیه می‌شود و یک کوره الکتروشیمیایی ایجاد می‌کند که فلزات معمولی را در عرض چند دقیقه حل می‌کند. برای مقاومت در برابر این شرایط، قطعات ساختاری الکترولایزرهای مدرن از تیتانیوم ساخته شده و با فلزات گران‌بها مانند پلاتین یا طلا پوشانده می‌شوند. این مهندسی مواد «نیروی بی‌رحمانه» اگرچه کارآمد است، اما یک سقف مالی فلج‌کننده بر صنعت هیدروژن سبز تحمیل می‌کند.[1][5]

ارقام، محدودیت‌های مقیاس‌پذیری را دیکته می‌کنند. ساخت یک سیستم استاندارد الکترولیز PEM با ظرفیت ۱۰ مگاوات تقریباً ۲.۳ میلیون دلار هزینه دارد. از کل این هزینه سرمایه‌ای، ۵۳ درصد حیرت‌آور صرفاً توسط مواد ساختاری مورد نیاز برای نگهداری ایمن واکنش مصرف می‌شود. شیمی تجزیه آب به خوبی شناخته شده است، اما محفظه مورد نیاز برای مهار آن همچنان به طرز غیرقابل قبولی گران است و عملاً قیمت هیدروژن سبز را بالاتر از جایگزین‌های سوخت فسیلی نگه می‌دارد.[1][2]

اکنون ممکن است این لنگر اقتصادی، مکانیزم رهایی داشته باشد. محققان دانشگاه هنگ کنگ (HKU) به رهبری پروفسور مینگ‌شین هوانگ، یک آلیاژ جدید به نام «فولاد ضدزنگ برای هیدروژن» یا SS-H2 طراحی کرده‌اند. این تیم با تغییر اساسی نحوه محافظت فولاد از خود در برابر تنش الکتریکی بالا، ماده‌ای ساخته‌اند که مقاومت آن در برابر خوردگی با تیتانیوم برابری می‌کند، اما با کسری از قیمت.[2][3]

پیامدهای این کشف برای گسترش زیرساخت‌ها عمیق است. جایگزینی مواد ساختاری مبتنی بر تیتانیوم با SS-H2 می‌تواند هزینه آن قطعات خاص را تا ۴۰ برابر کاهش دهد. هنگامی که این جایگزینی مواد در معماری کلی سیستم اعمال شود، می‌تواند عملاً کل هزینه سرمایه‌ای یک الکترولایزر در مقیاس تجاری را نصف کند و اقتصاد تولید هیدروژن سبز را به طور بنیادین تغییر دهد.[1][2]

برای درک اینکه چرا SS-H2 یک پیشرفت بزرگ است، باید بررسی کرد که چرا فولاد ضدزنگ معمولی شکست می‌خورد. برای بیش از یک قرن، فولاد ضدزنگ به یک مکانیزم دفاعی واحد متکی بوده است: کروم. هنگامی که کروم موجود در فولاد در معرض اکسیژن قرار می‌گیرد، یک لایه اکسید غیرفعال میکروسکوپی تشکیل می‌دهد که آهن زیرین را از زنگ‌زدگی و تخریب محافظت می‌کند. این یک سد بسیار مؤثر در محیط‌های روزمره، از سینک آشپزخانه گرفته تا سازه‌های دریایی، است.[2][5]

اما یک الکترولایزر، محیطی روزمره نیست. هنگامی که پتانسیل الکتریکی از ۱۰۰۰ میلی‌ولت فراتر می‌رود – که بسیار کمتر از ۱۶۰۰ میلی‌ولت مورد نیاز برای اکسیداسیون کارآمد آب است – لایه محافظ کروم شروع به تجزیه می‌کند. این فرآیند دچار خوردگی فراغیرفعال (transpassive corrosion) می‌شود، به گونه‌های کروم محلول تبدیل شده و فولاد را در معرض تخریب سریع قرار می‌دهد. حتی آلیاژهای دریایی نخبه مانند ۲۵۴اس‌ام‌او نیز نمی‌توانند در این ولتاژها دوام بیاورند.[2][3]

تیم HKU با مهندسی یک خط دفاعی ثانویه به این نقطه ضعف نزدیک شدند. آنها از منگنز استفاده کردند، عنصری که از نظر تاریخی توسط متالورژیست‌ها به عنوان عنصری مضر برای مقاومت در برابر خوردگی در نظر گرفته می‌شد. در یک کشف خلاف شهود که در ابتدا دانشمندان خوردگی را گیج کرد، محققان دریافتند که در حدود ۷۲۰ میلی‌ولت، یک لایه ثانویه مبتنی بر منگنز مستقیماً روی لایه کروم اولیه تشکیل می‌شود.[2][5]

این استراتژی «غیرفعال‌سازی دوگانه متوالی» به عنوان یک محافظ الکتروشیمیایی عمل می‌کند. با افزایش ولتاژ و نزدیک شدن لایه کروم به نقطه شکست خود، سپر منگنز بار اصلی تنش را تحمل می‌کند. در آزمایش‌های آزمایشگاهی، این مکانیزم دولایه از آلیاژ SS-H2 تا پتانسیل فوق‌العاده بالای ۱۷۰۰ میلی‌ولت محافظت کرد و به آن اجازه داد تا به راحتی در محدوده ولتاژ مورد نیاز برای الکترولیز آب کار کند.[2][4]

نکته حیاتی این است که این ماده نه تنها در آب تصفیه‌شده، بلکه در محیط‌های غنی از کلرید – به ویژه آب شور – این مقاومت را نشان داد. توانایی الکترولیز مستقیم آب دریا بدون نمک‌زدایی قبلی، مدت‌هاست که یک هدف نهایی برای بخش هیدروژن سبز بوده است. نمک‌زدایی هزینه‌های قابل توجهی از نظر انرژی و زیرساخت به زنجیره تولید اضافه می‌کند، به ویژه در مناطق خشک و ساحلی که انرژی خورشیدی فراوان است اما آب شیرین کمیاب.[3][4]

با اثبات پایداری در محیط‌های آب شور، SS-H2 امکان استقرار تأسیسات عظیم تولید هیدروژن را مستقیماً در کنار مزارع بادی فراساحلی یا آرایه‌های خورشیدی ساحلی فراهم می‌کند. خوراک خام – آب اقیانوس – می‌تواند مستقیماً به سیستم پمپ شود و کارخانه‌های تصفیه‌ای را که در حال حاضر پروژه‌های هیدروژن ساحلی را با مشکل مواجه می‌کنند، دور بزند.[1][4]

با این حال، گذار از یک پیشرفت آزمایشگاهی به استقرار صنعتی، چیزی فراتر از اثبات شیمی مواد نیاز دارد. آلیاژ خام SS-H2 باید به ساختارهای پیچیده، متخلخل و توری‌های ظریفی که در داخل یک الکترولایزر تجاری مورد نیاز است، تبدیل شود. این قطعات نیازمند ماشین‌کاری و ساخت دقیق هستند، فرآیندهایی که می‌توانند تنش‌ها و آسیب‌پذیری‌های جدیدی را به فلز وارد کنند.[4][6]

پیشرفت در این زمینه در حال انجام است. تیم تحقیقاتی HKU با تأسیسات تولیدی در سرزمین اصلی چین برای افزایش مقیاس تولید همکاری کرده و با موفقیت چندین تن از SS-H2 را به سیم صنعتی تبدیل کرده است. این نشان می‌دهد که آلیاژ را می‌توان با استفاده از تجهیزات متالورژی استاندارد تولید کرد و از نیاز به خطوط تولید سفارشی و بسیار تخصصی که صرفه‌جویی در مواد را خنثی می‌کند، جلوگیری نمود.[2][4]

بخش انرژی گسترده‌تر به دقت این تحولات را زیر نظر دارد. هیدروژن سبز به طور گسترده‌ای تنها مسیر کربن‌زدایی عملی برای صنایعی سنگینی تلقی می‌شود که نمی‌توان آنها را برقی کرد، مانند فولادسازی، حمل و نقل دریایی و هوانوردی. با این حال، هزینه‌های بالای تولید، پذیرش آن را به شدت پایین نگه داشته و بسیاری از مراکز برنامه‌ریزی شده هیدروژن قبل از رسیدن به تصمیمات نهایی سرمایه‌گذاری متوقف شده‌اند.[1][6]

اگر SS-H2 بتواند به طور قابل اعتماد در الکترولایزرهای تجاری قالب‌گیری، بافته و جوش داده شود، یکی از بزرگترین موانع مالی پیش روی این صنعت برداشته می‌شود. محققان با حل یک مشکل در علم مواد، عملاً یک گلوگاه اقتصادی در سطح سیستم را گشوده‌اند و چشم‌اندازی روشن برای هیدروژن سبز با قیمت رقابتی فراهم کرده‌اند.[5][6]