رد فعل ساباتير

تُعدّ عملية الميثنة خطوةً مهمةً في إنتاج الغاز الطبيعي الاصطناعي أو البديل (SNG). ^{[ 7 ]} يخضع الفحم أو الخشب لعملية التغويز التي تُنتج غازًا مُنتِجًا يجب أن يخضع لعملية الميثنة لإنتاج غاز قابل للاستخدام، والذي يحتاج فقط إلى خطوة تنقية نهائية.

افتُتح أول مصنع تجاري للغاز الاصطناعي عام 1984، وهو مصنع غريت بلينز سينفيولز في بيولا، بولاية داكوتا الشمالية. ^{[ 2 ]} وحتى عام 2016، كان المصنع لا يزال يعمل وينتج 1500 ميغاواط من الغاز الطبيعي الاصطناعي باستخدام الفحم كمصدر للكربون. وفي السنوات التي تلت افتتاحه، تم افتتاح منشآت تجارية أخرى تستخدم مصادر كربون أخرى مثل رقائق الخشب. ^{[ 2 ]}

في فرنسا، افتتحت شركة AFUL Chantrerie، الواقعة في نانت ، في نوفمبر 2017، محطة MINERVE التجريبية. وتقوم المحطة بتغذية محطة غاز طبيعي مضغوط ، وفي بعض الأحيان تحقن غاز الميثان في غلاية تعمل بالغاز الطبيعي. ^{[ 8 ]}

يُستخدم تفاعل ساباتير في أنظمة الطاقة التي تهيمن عليها مصادر الطاقة المتجددة، وذلك لاستغلال فائض الكهرباء المولدة من طاقة الرياح، والطاقة الشمسية الكهروضوئية، والطاقة الكهرومائية، والتيارات البحرية، وغيرها، لإنتاج غاز الميثان من الهيدروجين المستخلص من التحليل الكهربائي للماء. ^{[ 9 ] [ 10 ]} وعلى عكس الاستخدام المباشر للهيدروجين في تطبيقات النقل أو تخزين الطاقة، ^{[ 11 ]} يمكن حقن الميثان في شبكة الغاز القائمة. ^{[ 12 ] [ 13 ] [ 14 ]} ويمكن استخدام الميثان عند الطلب لتوليد الكهرباء، مما يُسهم في التغلب على نقاط الضعف في إنتاج الطاقة المتجددة. وتتمثل العملية في التحليل الكهربائي للماء لإنتاج الهيدروجين (الذي يمكن استخدامه جزئيًا مباشرةً في خلايا الوقود)، وإضافة ثاني أكسيد الكربون (CO2) ₍ تفاعل ساباتير) لإنتاج الميثان. ويمكن استخلاص ثاني أكسيد الكربون _من الهواء أو غازات نفايات الوقود الأحفوري باستخدام عملية الأمين .

تم تشغيل محطة تحويل الطاقة إلى غاز بقدرة 6 ميغاواط في ألمانيا في عام 2013، وقامت بتشغيل أسطول مكون من 1500 سيارة أودي A3 . ^{[ 15 ]}

في إنتاج الأمونيا، يُعتبر أول أكسيد الكربون _{وثاني أكسيد الكربون من المواد} السامة لمعظم المحفزات الشائعة الاستخدام. ^{[ 16 ]} تُضاف محفزات الميثنة بعد عدة خطوات لإنتاج الهيدروجين لمنع تراكم أكاسيد الكربون في حلقة تخليق الأمونيا، حيث لا يُحدث الميثان تأثيرات سلبية مماثلة على معدلات تخليق الأمونيا.

تُنتج مولدات الأكسجين الموجودة على متن محطة الفضاء الدولية الأكسجين من الماء باستخدام التحليل الكهربائي ؛ وكان الهيدروجين الناتج يُتخلص منه سابقًا في الفضاء. وعندما يستهلك رواد الفضاء الأكسجين، يُنتج ثاني أكسيد الكربون، الذي يجب إزالته من الهواء والتخلص منه أيضًا. وقد تطلب هذا النهج نقل كميات كبيرة من الماء بانتظام إلى محطة الفضاء لتوليد الأكسجين، بالإضافة إلى الماء المستخدم للاستهلاك البشري والنظافة الشخصية وغيرها من الاستخدامات - وهو أمر لن يكون متاحًا في مهمات الفضاء طويلة الأمد المستقبلية التي تتجاوز مدار الأرض المنخفض .

تستخدم ناسا تفاعل ساباتير لاستخلاص الماء من ثاني أكسيد الكربون المنبعث والهيدروجين الذي كان يُهدر سابقًا من التحليل الكهربائي في محطة الفضاء الدولية، وربما لاستخدامه في مهمات مستقبلية. ^{[ 17 ] [ 18 ]} أما المادة الكيميائية الأخرى الناتجة، وهي الميثان، فتُطلق في الفضاء. ولأن نصف الهيدروجين المُدخل يُهدر على شكل ميثان، يُزوَّد النظام بكمية إضافية من الهيدروجين من الأرض لتعويض النقص. ومع ذلك، يُنشئ هذا دورة شبه مغلقة بين الماء والأكسجين وثاني أكسيد الكربون، لا تتطلب سوى كمية متواضعة نسبيًا من الهيدروجين المستورد للحفاظ عليها.

${\displaystyle {\ce {2H2O->[{\text{electrolysis}}]O2{}+2H2->[{\text{respiration}}]CO2{}+2H2{}+{\overset {added}{2H2}}->2H2O{}+{\overset {discarded}{CH4}}}}}$

يمكن إغلاق الحلقة بشكل أكبر إذا تم فصل غاز الميثان النفايات إلى مكوناته عن طريق الانحلال الحراري ، والذي يمكن تحقيق كفاءة عالية (تصل إلى 95٪) في تحويله عند 1200  درجة مئوية: ^{[ 19 ]}

${\displaystyle {\ce {CH4->[{\text{heat}}]C{}+2H2}}}$

ثم يُعاد تدوير الهيدروجين المنطلق إلى مفاعل ساباتير، تاركًا رواسب من الجرافيت الحراري يسهل إزالتها . لن يكون المفاعل أكثر من مجرد أنبوب فولاذي، ويمكن لرائد فضاء صيانته دوريًا حيث يقوم بإزالة الرواسب.

بدلاً من ذلك، يمكن إغلاق الحلقة جزئيًا (استعادة 75٪ من H2 _من CH4 ₎ عن طريق التحلل الحراري غير الكامل للميثان النفايات مع الحفاظ على الكربون محبوسًا في شكل غازي على شكل أسيتيلين : ^{[ 20 ]}

${\displaystyle {\ce {2CH4->[{\text{heat}}]C2H2{}+3H2}}}$

كما تقوم وكالة ناسا بدراسة تفاعل بوش لهذا الغرض، وهو: ^{[ 21 ]}

${\displaystyle {\ce {CO2 + 2H2 -> C + 2H2O}}}$

يُقدّم تفاعل بوش دورةً مغلقةً تمامًا للهيدروجين والأكسجين، لا تُنتج سوى الكربون الذري كنفايات. مع ذلك، فإنّ صعوبة الحفاظ على درجة حرارته التي تصل إلى 600  درجة مئوية، والتعامل السليم مع رواسب الكربون، تعني ضرورة إجراء المزيد من الأبحاث قبل أن يصبح مفاعل بوش واقعًا ملموسًا. إحدى المشكلات هي أنّ إنتاج الكربون العنصري يُؤدي إلى تلوث سطح العامل الحفاز (التكويك)، ما يُؤثر سلبًا على كفاءة التفاعل.

يُقترح تفاعل ساباتير كخطوة أساسية لخفض تكلفة مهمات البشر إلى المريخ ( مثل مهمة مارس دايركت ومهمة ستار شيب التابعة لشركة سبيس إكس ) من خلال استغلال الموارد الموجودة في الموقع . يُدمج الهيدروجين مع ثاني أكسيد الكربون _من الغلاف الجوي ، ثم يُخزن الميثان الناتج كوقود، ويُحلل الماء الناتج كهربائيًا لإنتاج الأكسجين الذي يُسال ويُخزن كمؤكسد، والهيدروجين الذي يُعاد تدويره إلى المفاعل. ويمكن نقل الهيدروجين الأصلي من الأرض أو فصله من مصادر المياه على المريخ. ^{[ 22 ] [ 23 ]}