Về năng lượng hydro thế hệ tiếp theo

Chúng tôi sẽ giới thiệu “hydro”, thế hệ năng lượng tiếp theo không có carbon. Hydro được chia thành ba loại: “hydro xanh”, “hydro xanh” và “hydro xám”, mỗi loại có một phương pháp sản xuất khác nhau. Chúng tôi cũng sẽ giải thích từng phương pháp sản xuất, tính chất vật lý như các thành phần, phương pháp bảo quản/vận chuyển và phương pháp sử dụng. Và tôi cũng sẽ giới thiệu lý do tại sao nó là nguồn năng lượng thống trị thế hệ tiếp theo.

Điện phân nước để sản xuất hydro xanh

Khi sử dụng hydro, điều quan trọng là phải “sản xuất hydro”. Cách dễ nhất là “điện phân nước”. Có lẽ bạn đã học khoa học ở trường cấp một. Đổ đầy nước vào cốc và các điện cực trong nước. Khi pin được nối với các điện cực và được cấp điện, các phản ứng sau đây sẽ xảy ra trong nước và trong mỗi điện cực.
Ở cực âm, H+ và các electron kết hợp tạo ra khí hydro, trong khi cực dương tạo ra oxy. Tuy nhiên, cách tiếp cận này phù hợp với các thí nghiệm khoa học ở trường học, nhưng để sản xuất hydro theo cách công nghiệp, cần phải chuẩn bị sẵn các cơ chế hiệu quả phù hợp cho sản xuất quy mô lớn. Đó là “điện phân màng điện phân polymer (PEM)”.
Trong phương pháp này, một màng bán thấm polyme cho phép các ion hydro đi qua được kẹp giữa cực dương và cực âm. Khi đổ nước vào cực dương của thiết bị, các ion hydro được tạo ra bằng quá trình điện phân sẽ di chuyển qua màng bán thấm đến cực âm, nơi chúng trở thành hydro phân tử. Mặt khác, các ion oxy không thể đi qua màng bán thấm và trở thành phân tử oxy ở cực dương.
Cũng trong quá trình điện phân nước kiềm, bạn tạo ra hydro và oxy bằng cách tách cực dương và cực âm thông qua một thiết bị phân tách mà chỉ các ion hydroxit mới có thể đi qua. Ngoài ra còn có các phương pháp công nghiệp như điện phân bằng hơi nước ở nhiệt độ cao.
Bằng cách thực hiện các quá trình này trên quy mô lớn, có thể thu được một lượng lớn hydro. Trong quá trình này, một lượng oxy đáng kể cũng được tạo ra (một nửa lượng hydro được tạo ra), do đó nó sẽ không gây tác động xấu đến môi trường nếu thải vào khí quyển. Tuy nhiên, quá trình điện phân đòi hỏi nhiều điện năng nên có thể sản xuất hydro không chứa carbon nếu được sản xuất bằng điện không sử dụng nhiên liệu hóa thạch, như tua-bin gió và tấm pin mặt trời.
Bạn có thể thu được “hydro xanh” bằng cách điện phân nước bằng năng lượng sạch.

Ngoài ra còn có một máy phát hydro để sản xuất quy mô lớn loại hydro xanh này. Bằng cách sử dụng PEM trong phần điện phân, hydro có thể được sản xuất liên tục.

Hydro xanh được làm từ nhiên liệu hóa thạch

Vì vậy, những cách khác để tạo ra hydro là gì? Hydro tồn tại trong nhiên liệu hóa thạch như khí đốt tự nhiên và than đá dưới dạng các chất không phải là nước. Ví dụ, hãy xem xét khí mê-tan (CH4), thành phần chính của khí tự nhiên. Có bốn nguyên tử hydro ở đây. Bạn có thể lấy hydro bằng cách lấy hydro này ra.
Một trong số đó là quá trình được gọi là “cải tạo khí metan bằng hơi nước” sử dụng hơi nước. Công thức hóa học của phương pháp này như sau.
Như bạn có thể thấy, carbon monoxide và hydro có thể được chiết xuất từ ​​​​một phân tử metan.
Bằng cách này, hydro có thể được sản xuất thông qua các quá trình như “chuyển hóa bằng hơi nước” và “nhiệt phân” khí tự nhiên và than đá. “Hydro xanh” dùng để chỉ hydro được sản xuất theo cách này.
Tuy nhiên, trong trường hợp này, carbon monoxide và carbon dioxide được tạo ra dưới dạng sản phẩm phụ. Vì vậy bạn phải tái chế chúng trước khi chúng được thải vào khí quyển. Sản phẩm phụ là carbon dioxide, nếu không được thu hồi, sẽ trở thành khí hydro, được gọi là “hydro xám”.

Hydro là loại nguyên tố gì?

Hydro có số nguyên tử là 1 và là nguyên tố đầu tiên trong bảng tuần hoàn.
Số lượng nguyên tử lớn nhất trong vũ trụ, chiếm khoảng 90% tổng số nguyên tố trong vũ trụ. Nguyên tử nhỏ nhất gồm một proton và một electron là nguyên tử hydro.
Hydro có hai đồng vị với neutron gắn vào hạt nhân. Một “đơteri” liên kết neutron và hai “tritium” liên kết neutron. Đây cũng là những vật liệu để sản xuất điện nhiệt hạch.
Bên trong một ngôi sao giống như mặt trời, đang diễn ra phản ứng tổng hợp hạt nhân từ hydro thành heli, là nguồn năng lượng để ngôi sao tỏa sáng.
Tuy nhiên, hydro hiếm khi tồn tại dưới dạng khí trên Trái đất. Hydro tạo thành hợp chất với các nguyên tố khác như nước, metan, amoniac và etanol. Vì hydro là nguyên tố nhẹ nên khi nhiệt độ tăng lên, tốc độ chuyển động của các phân tử hydro tăng lên và thoát khỏi lực hấp dẫn của trái đất ra ngoài vũ trụ.

Làm thế nào để sử dụng hydro? Sử dụng bằng cách đốt

Sau đó, “hydro”, chất đã thu hút sự chú ý trên toàn thế giới như một nguồn năng lượng thế hệ tiếp theo, được sử dụng như thế nào? Nó được sử dụng theo hai cách chính: "đốt cháy" và "pin nhiên liệu". Hãy bắt đầu với việc sử dụng “đốt cháy”.
Có hai loại đốt chính được sử dụng.
Đầu tiên là nhiên liệu tên lửa. Tên lửa H-IIA của Nhật Bản sử dụng khí hydro “hydro lỏng” và “oxy lỏng” cũng ở trạng thái đông lạnh làm nhiên liệu. Cả hai thứ này kết hợp với nhau và năng lượng nhiệt sinh ra lúc đó sẽ đẩy nhanh quá trình phun của các phân tử nước được tạo ra, bay vào không gian. Tuy nhiên, vì là loại động cơ khó về mặt kỹ thuật nên ngoại trừ Nhật Bản nên mới chỉ có Mỹ, Châu Âu, Nga, Trung Quốc và Ấn Độ kết hợp thành công loại nhiên liệu này.
Thứ hai là sản xuất điện. Việc phát điện bằng tuabin khí cũng sử dụng phương pháp kết hợp hydro và oxy để tạo ra năng lượng. Nói cách khác, đó là phương pháp xem xét năng lượng nhiệt do hydro tạo ra. Trong các nhà máy nhiệt điện, nhiệt từ việc đốt than, dầu và khí tự nhiên tạo ra hơi nước làm quay tua-bin. Nếu hydro được sử dụng làm nguồn nhiệt, nhà máy điện sẽ trung hòa carbon.

Làm thế nào để sử dụng hydro? Được sử dụng làm pin nhiên liệu

Một cách khác để sử dụng hydro là làm pin nhiên liệu, chuyển đổi hydro trực tiếp thành điện năng. Đặc biệt, Toyota đã thu hút sự chú ý ở Nhật Bản bằng cách chào hàng các loại xe chạy bằng nhiên liệu hydro thay vì xe điện (EV) như một giải pháp thay thế cho xe chạy bằng xăng như một phần trong các biện pháp đối phó với hiện tượng nóng lên toàn cầu.
Cụ thể, chúng tôi đang thực hiện quy trình ngược lại khi giới thiệu phương pháp sản xuất “hydro xanh”. Công thức hóa học như sau.
Hydro có thể tạo ra nước (nước nóng hoặc hơi nước) trong khi tạo ra điện và nó có thể được đánh giá vì nó không gây gánh nặng cho môi trường. Mặt khác, phương pháp này có hiệu suất phát điện tương đối thấp, khoảng 30-40% và cần bạch kim làm chất xúc tác, do đó đòi hỏi chi phí tăng lên.
Hiện tại, chúng tôi đang sử dụng pin nhiên liệu điện phân polyme (PEFC) và pin nhiên liệu axit photphoric (PAFC). Đặc biệt, xe chạy pin nhiên liệu sử dụng PEFC nên có thể dự đoán sẽ lan rộng trong tương lai.

Lưu trữ và vận chuyển hydro có an toàn không?

Đến đây, chúng tôi nghĩ bạn đã hiểu khí hydro được tạo ra và sử dụng như thế nào. Vậy làm thế nào để bạn lưu trữ lượng hydro này? Làm thế nào để bạn có được nó ở nơi bạn cần? Còn vấn đề an ninh lúc đó thì sao? Chúng tôi sẽ giải thích.
Trên thực tế, hydro cũng là một nguyên tố rất nguy hiểm. Vào đầu thế kỷ 20, chúng ta sử dụng hydro làm khí để thả bóng bay, khí cầu và khí cầu trên bầu trời vì nó rất nhẹ. Tuy nhiên, vào ngày 6/5/1937, tại New Jersey, Mỹ đã xảy ra “vụ nổ khí cầu Hindenburg”.
Kể từ vụ tai nạn, người ta đã thừa nhận rộng rãi rằng khí hydro là nguy hiểm. Đặc biệt khi bắt lửa nó sẽ phát nổ rất mạnh do có oxy. Vì vậy, việc “tránh xa oxy” hay “tránh xa sức nóng” là điều cần thiết.
Sau khi thực hiện các biện pháp này, chúng tôi đã nghĩ ra một phương thức vận chuyển.
Hydro là một chất khí ở nhiệt độ phòng nên dù vẫn là chất khí nhưng nó rất cồng kềnh. Phương pháp đầu tiên là dùng áp suất cao và nén như xi lanh khi làm đồ uống có ga. Chuẩn bị một bình áp suất cao đặc biệt và bảo quản nó trong điều kiện áp suất cao như 45Mpa.
Toyota, công ty phát triển xe chạy pin nhiên liệu (FCV), đang phát triển bình hydro áp suất cao bằng nhựa có thể chịu được áp suất 70 MPa.
Một phương pháp khác là hạ nhiệt độ xuống -253°C để tạo ra hydro lỏng, sau đó bảo quản và vận chuyển nó trong các thùng cách nhiệt đặc biệt. Giống như LNG (khí tự nhiên hóa lỏng) khi khí tự nhiên được nhập khẩu từ nước ngoài, hydro bị hóa lỏng trong quá trình vận chuyển, thể tích của nó giảm xuống còn 1/800 thể tích ở thể khí. Vào năm 2020, chúng tôi đã hoàn thành tàu chở hydro lỏng đầu tiên trên thế giới. Tuy nhiên, phương pháp này không phù hợp với xe chạy pin nhiên liệu vì cần nhiều năng lượng để làm mát.
Có một phương pháp lưu trữ và vận chuyển trong các thùng chứa như thế này, nhưng chúng tôi cũng đang phát triển các phương pháp lưu trữ hydro khác.
Phương pháp lưu trữ là sử dụng hợp kim lưu trữ hydro. Hydro có đặc tính thâm nhập vào kim loại và làm hỏng chúng. Đây là một mẹo phát triển được phát triển ở Hoa Kỳ vào những năm 1960. JJ Reilly và cộng sự. Các thí nghiệm đã chỉ ra rằng hydro có thể được lưu trữ và giải phóng bằng hợp kim magiê và vanadi.
Sau đó, ông đã phát triển thành công một chất như palladium có thể hấp thụ hydro gấp 935 lần thể tích của nó.
Ưu điểm của việc sử dụng hợp kim này là có thể ngăn ngừa tai nạn rò rỉ hydro (chủ yếu là tai nạn nổ). Vì vậy, nó có thể được lưu trữ và vận chuyển một cách an toàn. Tuy nhiên, nếu bạn không cẩn thận và để nó ở môi trường không phù hợp, hợp kim lưu trữ hydro có thể giải phóng khí hydro theo thời gian. Chà, ngay cả một tia lửa nhỏ cũng có thể gây ra tai nạn nổ, vì vậy hãy cẩn thận.
Nó cũng có nhược điểm là sự hấp thụ và giải hấp hydro lặp đi lặp lại dẫn đến hiện tượng giòn và làm giảm tốc độ hấp thụ hydro.
Cách khác là sử dụng đường ống. Có điều kiện là phải không nén, áp suất thấp để tránh hiện tượng giòn ống, nhưng ưu điểm là có thể sử dụng được các ống dẫn khí hiện có. Tokyo Gas đã thực hiện công việc xây dựng trên Harumi FLAG, sử dụng đường ống dẫn khí của thành phố để cung cấp hydro cho pin nhiên liệu.

Xã hội tương lai được tạo ra bởi năng lượng hydro

Cuối cùng, hãy xem xét vai trò của hydro trong xã hội.
Quan trọng hơn, chúng tôi muốn thúc đẩy một xã hội không có carbon, chúng tôi sử dụng hydro để tạo ra điện thay vì sử dụng năng lượng nhiệt.
Thay vì các nhà máy nhiệt điện lớn, một số hộ gia đình đã áp dụng các hệ thống như ENE-FARM, sử dụng hydro thu được từ quá trình chuyển hóa khí tự nhiên để tạo ra lượng điện cần thiết. Tuy nhiên, câu hỏi phải làm gì với những sản phẩm phụ của quá trình cải cách vẫn còn đó.

Trong tương lai, nếu sự lưu thông của hydro tăng lên, chẳng hạn như tăng số lượng trạm tiếp nhiên liệu hydro, thì sẽ có thể sử dụng điện mà không thải ra carbon dioxide. Tất nhiên, điện tạo ra hydro xanh nên nó sử dụng điện được tạo ra từ ánh sáng mặt trời hoặc gió. Năng lượng sử dụng cho quá trình điện phân phải là năng lượng để ngăn chặn lượng điện phát ra hoặc để sạc pin sạc khi dư thừa năng lượng từ năng lượng tự nhiên. Nói cách khác, hydro ở cùng vị trí với pin sạc. Nếu điều này xảy ra, cuối cùng việc sản xuất nhiệt điện có thể sẽ giảm đi. Ngày mà động cơ đốt trong biến mất khỏi ô tô đang đến rất nhanh.

Hydro cũng có thể thu được thông qua một con đường khác. Trên thực tế, hydro vẫn là sản phẩm phụ của quá trình sản xuất xút. Trong số những thứ khác, nó là sản phẩm phụ của quá trình sản xuất than cốc trong sản xuất đồ sắt. Nếu bạn đưa lượng hydro này vào hệ thống phân phối, bạn sẽ có thể nhận được nhiều nguồn. Khí hydro được sản xuất theo cách này cũng được cung cấp bởi các trạm hydro.

Chúng ta hãy nhìn xa hơn vào tương lai. Lượng năng lượng bị mất cũng là một vấn đề với phương pháp truyền tải sử dụng dây dẫn để cung cấp điện. Vì vậy, trong tương lai chúng ta sẽ sử dụng khí hydro được cung cấp bằng đường ống giống như các thùng chứa axit cacbonic dùng để sản xuất đồ uống có ga và mua một thùng hydro tại nhà để tạo ra điện cho mỗi hộ gia đình. Các thiết bị di động chạy bằng pin hydro đang trở nên phổ biến. Sẽ rất thú vị khi nhìn thấy một tương lai như vậy.