هیدروژن به‌عنوان یکی از منابع انرژی پاک و موثر، نقش کلیدی در توسعه فناوری‌های نوین انرژی دارد. اما تبدیل هیدروژن از حالت گاز به مایع، به‌خصوص برای ذخیره‌سازی و حمل‌ونقل آن، با چالش‌های پیچیده‌ای همراه است. یکی از این چالش‌ها که در فرآیند مایع‌سازی هیدروژن به وجود می‌آید، تبدیل ایزومرهای چرخشی هیدروژن، موسوم به ارتوهیدروژن و پاراهیدروژن است. این دو ایزومر، از نظر خواص حرارتی و انرژی دورانی تفاوت‌های قابل توجهی دارند که می‌تواند بر پایداری هیدروژن مایع و کارایی ذخیره‌سازی آن تأثیر بگذارد. در ادامه، به بررسی تاریخچه کشف این پدیده و نحوه مدیریت تبدیل ارتو-پارا در فرآیند مایع‌سازی هیدروژن پرداخته می‌شود.
گشف پدیده ارتو-پارا در هیدروژن
در سال 1912، هنگام انجام آزمایش‌های مرتبط با هیدروژن در دماهای بسیار پایین، پدیده‌ای عجیب مشاهده شد. این پدیده شامل اختلاف در منحنی‌های گرمایش و سرمایش هیدروژن بود، که به‌صورت هیسترزیس یا پسماند در ظرفیت گرمایی نمود پیدا می‌کرد. در آن زمان، فیزیک مدرن توضیحی برای این رفتار نداشت.
در سال 1927، با فرضیه وجود دو ایزومر اسپینی (چرخشی) برای هیدروژن، راه‌حل این معما آغاز شد و در سال 1929 این فرضیه با شواهد تجربی تأیید شد. بر این اساس، هیدروژن مولکولی دو ایزومر به نام‌های ارتوهیدروژن و پاراهیدروژن دارد. همان‌طور که در شکل بالا مشاهده می‌شود، در ارتوهیدروژن، چرخش هسته‌های دو پروتون در یک جهت است، در حالی که در پاراهیدروژن این چرخش در خلاف جهت صورت می‌گیرد. این اختلاف در جهت اسپین‌ها موجب تفاوت‌هایی در خواص مغناطیسی، نوری و حرارتی این دو ایزومر می‌شود.
جنبه‌های حرارتی تبدیل ارتو-پارا در هیدروژن
انرژی دورانی ارتوهیدروژن بالاتر از پاراهیدروژن است و در نتیجه، هنگامی که ارتوهیدروژن به پاراهیدروژن تبدیل می‌شود، انرژی آزاد می‌گردد. شکل زیر غلظت تعادلی ارتوهیدروژن و پاراهیدروژن را در حالت گاز ایده‌آل برای دماهای مختلف نشان می‌دهد. با اینکه فشار تأثیر ناچیزی بر این غلظت‌های تعادلی دارد، اما غلظت پاراهیدروژن به‌صورت معکوس با کاهش دما افزایش می‌یابد. نزدیک به نقطه جوش هیدروژن، تقریباً تنها پاراهیدروژن خالص وجود دارد. در شرایط دمای محیط، که به آن “هیدروژن معمولی” نیز گفته می‌شود، 75 درصد هیدروژن به صورت ارتوهیدروژن و 25 درصد آن به صورت پاراهیدروژن است. با کاهش دما تا نزدیک صفر کلوین، غلظت پاراهیدروژن به 100 درصد نزدیک می‌شود.
ضرورت مدیریت تبدیل ارتو-پارا در مایع‌سازی هیدروژن
در فرآیند مایع‌سازی هیدروژن، زمانی که هیدروژن گازی با 75 درصد ارتوهیدروژن سرد شده و به هیدروژن مایع تبدیل می‌شود، یک تبدیل تدریجی از ارتوهیدروژن به پاراهیدروژن برای رسیدن به تعادل رخ می‌دهد. پاراهیدروژن به دلیل سطح انرژی پایین‌تر، حالت پایدارتر ایزومری است. این تبدیل ارتوهیدروژن به پاراهیدروژن باعث آزاد شدن 7.3 کیلوژول بر کیلوگرم انرژی می‌شود.
در صورتی که هیدروژن معمولی با غلظت 25 درصدی پاراهیدروژن به مایع تبدیل شود، این تبدیل منجر به آزاد شدن 527 کیلوژول بر کیلوگرم گرما خواهد شد. از آن‌جایی که گرمای نهان تبخیر هیدروژن مایع برابر با 446 کیلوژول بر کیلوگرم است، این آزاد شدن گرما در طول ذخیره‌سازی باعث افزایش جوشش هیدروژن مایع و کاهش راندمان ذخیره‌سازی می‌شود. به همین دلیل، ارتوهیدروژن در دماهای پایین و به‌ویژه در حالت مایع ناپایدار است و تمایل دارد به پاراهیدروژن تبدیل شود. این فرآیند، که به عنوان “جوشش” شناخته می‌شود، موجب تبخیر هیدروژن مایع می‌شود و بهره‌وری ذخیره‌سازی را کاهش می‌دهد.
بنابراین، برای به حداقل رساندن تبخیر و جوشیدن هیدروژن در مخازن ذخیره، مدیریت فرآیند تبدیل ارتو-پارا ضروری است. بیشتر فرآیندهای مایع‌سازی هیدروژن شامل بخش‌هایی برای تسریع و کنترل این تبدیل هستند. کاتالیزورهای ویژه‌ای نیز برای تسریع این فرآیند به کار گرفته می‌شوند. علاوه بر این، بررسی جنبه‌های ایمنی زنجیره تأمین هیدروژن مایع، شامل ارزیابی ریسک در مراحل تولید، ذخیره‌سازی و توزیع، و تحلیل علل و پیامدهای حوادث احتمالی نیز از موضوعات مهم و ضروری در این حوزه به شمار می‌آید.
تبدیل کاتالیستی ارتو به پارا هیدروژن: راهکارهای بهینه‌سازی ذخیره‌سازی
تبدیل ارتو به پارا هیدروژن، به دلیل تاثیر آن بر پایداری ذخیره‌سازی و تلفات انرژی، به یکی از چالش‌های کلیدی در فرآیند مایع‌سازی و ذخیره‌سازی هیدروژن تبدیل شده است. تبدیل غیرکاتالیز شده ارتو به پارا هیدروژن فرآیندی بسیار کند است و هنگامی که این تغییر در طول ذخیره‌سازی و حمل‌ونقل اتفاق می‌افتد، به دلیل تولید گرما، بخشی از هیدروژن تبخیر می‌شود. این پدیده باعث کاهش کارایی و هدررفت بخشی از هیدروژن مایع ذخیره شده می‌شود.
برای جلوگیری از این مشکل، تبدیل کاتالیستی ارتو به پارا هیدروژن در حین مایع‌سازی انجام می‌شود تا این تغییر ایزومری به سرعت و پیش از ذخیره‌سازی کامل شود. به‌کارگیری کاتالیزورها در این فرآیند باعث افزایش غلظت پارا هیدروژن می‌شود و از این طریق، جوشش ناشی از تبدیل ارتو به پارا هیدروژن به حداقل می‌رسد.
محققانی از جمله فرادکوف و ترویتسکی در سال 1965 یک سیستم مایع‌سازی هیدروژن مجهز به ماژول تبدیل ارتو به پارا هیدروژن طراحی کردند که نشان داد این تبدیل باید در چندین سطح دما انجام شود تا بهینه‌ترین عملکرد حاصل شود. آنها همچنین استفاده از نیتروژن مایع را برای پیش‌خنک‌سازی و حذف بخشی از گرمای تبدیل پیشنهاد کردند. نتایج این سیستم با نرخ تبدیل 98 درصد بسیار چشمگیر بود.
شکل بالا امکان نصب یک راکتور تبدیل ارتو به پارا هیدروژن در سیستم‌های مایع‌سازی مختلف را نشان می‌دهد. این سیستم‌ها از چرخه هلیوم برایتون با پیش‌خنک‌سازی نیتروژن مایع و چرخه هلیوم دو مرحله‌ای برایتون استفاده می‌کنند. در این سیستم‌ها، دو راکتور تبدیل ارتو به پارا هیدروژن (CV1 و CV2) در یک آرایش دو مرحله‌ای نصب شده‌اند. در شکل بالاa، اولین راکتور تبدیل در دمای نیتروژن مایع نصب شده است تا از نیتروژن برای حذف گرمای تبدیل استفاده شود. در سیستم دوم، اولین راکتور تحت شرایط آدیاباتیک نصب شده، به این معنی که دمای هیدروژن در طول تبدیل ارتو به پارا افزایش می‌یابد. در هر دو سیستم، راکتور دوم در دمای 253- درجه سانتی‌گراد و تحت شرایط هم‌دما قرار دارد تا فرآیند تبدیل به‌طور کامل انجام شود.
کاتالیزورهای مختلف برای تبدیل ارتو به پارا هیدروژن با عملکردهای متفاوتی وجود دارند. کینتیک این فرآیند شامل چندین مرحله است که از جمله آنها می‌توان به انتشار ارتوهیدروژن از مایع به سطح کاتالیزور، جذب ارتوهیدروژن روی سطح کاتالیزور، واکنش سطحی و سپس دفع پاراهیدروژن اشاره کرد. مواد مختلفی مانند نقره، مس، زغال چوب، گرافیت، و اکسیدهای فلزات همچون کروم و آهن به‌عنوان کاتالیزورهای موثر در این فرآیند شناخته می‌شوند.
جمع‌بندی
تبدیل ارتو به پارا هیدروژن در فرآیند مایع‌سازی هیدروژن یکی از مسائل حیاتی برای بهینه‌سازی ذخیره‌سازی و جلوگیری از هدررفت انرژی است. تبدیل غیرکاتالیز شده ارتو به پارا هیدروژن به‌دلیل تولید گرما باعث تبخیر هیدروژن مایع و کاهش کارایی ذخیره‌سازی می‌شود. از این رو، به‌کارگیری کاتالیزورها در فرآیند مایع‌سازی هیدروژن به‌منظور تسریع در این تغییر ایزومری و کاهش تلفات انرژی ضروری است.
استفاده از سیستم‌های چند مرحله‌ای برای تبدیل ارتو به پارا و به‌کارگیری مواد کاتالیزوری موثر، به کاهش چشمگیر تبخیر هیدروژن و افزایش بهره‌وری کمک می‌کند. همچنین، ارزیابی دقیق سیستم‌های مایع‌سازی و بهینه‌سازی فرآیندها می‌تواند نقش مهمی در افزایش بهره‌وری و ایمنی ذخیره‌سازی هیدروژن به عنوان یک منبع انرژی پاک ایفا کند.
