الطاقة الشمسية في التفاعلات الكيميائية: ضوء وكهرباء وحرارة

الخلاصة السريعة

يمكن أن تدخل طاقة الشمس في تفاعل كيميائي عبر الضوء مباشرة، أو عبر كهرباء شمسية، أو عبر حرارة مركزة. يتوقف وصف العملية على مسار الطاقة والتحول الناتج؛ فإنتاج كهرباء من خلية شمسية لا يساوي وحده إنتاج وقود.^[1][2][3]

• في البناء الضوئي، تُخزن طاقة الضوء في مركبات عضوية؛ وتبحث تقنيات الوقود الشمسي في تحويل مواد مثل الماء وثاني أكسيد الكربون.^[1][4]
• يمكن أن تولد الخلايا الكهروضوئية كهرباء تُستخدم في تحليل الماء إلى هيدروجين وأكسجين.^[2][5]
• قد تدفع الحرارة الشمسية دورات تفاعل كيميائي؛ أما تخزين الحرارة المحسوسة في أملاح النترات فليس بحد ذاته تصنيع وقود.^[3][6]
• تحويل ثاني أكسيد الكربون إلى وقود يحتاج طاقة واردة؛ ولا يعني استخراج طاقة مجانية من الغاز.^[1][7]

الضوء المباشر: من البناء الضوئي إلى الوقود الشمسي

تمتص النباتات والطحالب ضوء الشمس في البناء الضوئي، وتستخدم طاقته لبناء مركبات عضوية. تبقى الطاقة في الروابط الكيميائية؛ وهذا يختلف عن مجرد تسخين مادة تحت الشمس.^[4]

تحاول أبحاث الوقود الشمسي تطوير نظم تستفيد من الضوء في إنتاج مواد يمكن تخزينها واستخدامها لاحقًا. ويشمل ذلك فصل الماء أو تحويل ثاني أكسيد الكربون إلى مركبات وقودية، بوسائل ومحفزات مناسبة.^[1]

تصف ناسا تقنية بحثية تستخدم طبقة ضوئية كهروكيميائية لتحويل ثاني أكسيد الكربون إلى وقود. وجود التقنية ضمن عروض الترخيص لا يثبت أن جميع صور هذا المسار أصبحت منتجات تجارية، أو أن انبعاثاتها خلال دورة الحياة معدومة.^[7]

الكهرباء أولًا: الخلية الشمسية ثم التفاعل

تمتص المادة شبه الموصلة في الخلية الكهروضوئية الضوء وتنتج كهرباء. وعندما تغذي الكهرباء محللًا كهربائيًا للماء، يحدث التحول الكيميائي داخل المحلل؛ فالأداة التي تجمع الطاقة تختلف عن الأداة التي تصنع المادة.^[2][5]

ينتج تحليل الماء هيدروجينًا وأكسجينًا. يوضح هذا المثال لماذا ينبغي تتبع السلسلة كاملة: شمس، ثم كهرباء، ثم تفاعل. ولا تكفي صورة لوح شمسي للحكم بأن نظامًا ما يخزن الطاقة كيميائيًا.^[5]

الحرارة: تفاعل كيميائي أم مخزن حراري؟

يمكن استخدام الحرارة العالية في دورات حرارية كيميائية لفصل الماء. وتختلف هذه الدورات عن استخدام ضوء الشمس في تفاعل ضوئي مباشر، وعن تشغيل محلل كهربائي بالكهرباء.^[3]

اختبر مشروع SOLZINC مسارًا شمسيًا لإنتاج الزنك الذي يمكن تخزينه واستخدامه لاحقًا. كانت النتائج مرتبطة بمشروع تجريبي، واستُخدمت مواد كربونية في المسار الموصوف؛ لذا لا يصح تقديمه كعملية تجارية عامة خالية من الكربون.^[8]

أما في مثال التخزين الحراري المحسوس، فتُسخن أملاح نترات وتُستعاد حرارتها عند الحاجة. هنا يُخزن تغير في الطاقة الحرارية، ولا يُصنع وقود لمجرد ذوبان الملح.^[6]

للمقارنة بين الأنظمة، حدد ما يخرج من كل منها: كهرباء، أم حرارة يمكن استعادتها، أم مادة جديدة تحمل طاقة كيميائية. بذلك يصبح وصف «الكيمياء الشمسية» مرتبطًا بالتحول نفسه.^[1][2][3][6]