Về năng lượng hydro thế hệ tiếp theo

Chúng tôi sẽ giới thiệu “hydro”, thế hệ năng lượng tiếp theo không chứa carbon. Hydro được chia thành ba loại: “hydro xanh”, “hydro xanh lam” 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 nguyên tố, phương pháp lưu trữ/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 thể bạn đã làm như vậy trong môn khoa học ở trường tiểu học. Đổ đầy nước vào cốc và các điện cực trong nước. Khi pin được kết nối với các điện cực và được cấp điện, các phản ứng sau sẽ xảy ra trong nước và trong mỗi điện cực.
Ở catốt, H+ và electron kết hợp để tạo ra khí hydro, trong khi anot tạo ra oxy. Tuy nhiên, cách tiếp cận này phù hợp với các thí nghiệm khoa học ở trường, nhưng để sản xuất hydro trong công nghiệp, cần phải chuẩn bị các cơ chế hiệu quả phù hợp với sản xuất quy mô lớn. Đó là “điện phân màng điện phân polyme (PEM)”.
Trong phương pháp này, một màng bán thấm polymer cho phép các ion hydro đi qua được kẹp giữa anode và catốt. Khi nước được đổ vào anode của thiết bị, các ion hydro được tạo ra bằng quá trình điện phân di chuyển qua màng bán thấm đến catốt, tại đó chúng trở thành hydro phân tử. Mặt khác, các ion oxy không thể đi qua màng bán thấm và trở thành các phân tử oxy tại anode.
Cũng trong quá trình điện phân nước kiềm, bạn tạo ra hydro và oxy bằng cách tách anot và catot qua một bộ tách mà chỉ có các ion hydroxide mới có thể đi qua. Ngoài ra, còn có các phương pháp công nghiệp như điện phân 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 thể tích hydro được tạo ra), do đó, nó sẽ không gây ra tác động xấu đến môi trường nếu thải vào khí quyển. Tuy nhiên, điện phân đòi hỏi rất nhiều điện, do đó, hydro không carbon có thể được sản xuất nếu nó được sản xuất bằng điện không sử dụng nhiên liệu hóa thạch, chẳng hạn 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 máy phát hydro để sản xuất hydro xanh này ở quy mô lớn. 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

Vậy, còn những cách nào khác để tạo ra hydro? Hydro tồn tại trong nhiên liệu hóa thạch như khí thiên nhiên và than đá dưới dạng các chất khác ngoài nước. Ví dụ, hãy xem xét mêtan (CH4), thành phần chính của khí thiên 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 gọi là “chuyển hóa khí mê-tan bằng hơi nước” sử dụng hơi nước. Công thức hóa học của phương pháp này như sau.
Như bạn thấy, carbon monoxide và hydro có thể được chiết xuất từ ​​một phân tử metan duy nhất.
Theo cách này, hydro có thể được sản xuất thông qua các quá trình như “chuyển đổi hơi nước” và “nhiệt phân” khí thiên nhiên và than. “Hydro xanh” là hydro được sản xuất theo cách này.
Tuy nhiên, trong trường hợp này, carbon monoxide và carbon dioxide được tạo ra như các sản phẩm phụ. Vì vậy, bạn phải tái chế chúng trước khi chúng được thải vào khí quyển. Sản phẩm phụ carbon dioxide, nếu không được thu hồi, sẽ trở thành khí hydro, được gọi là "hydro xám".

Hydro là nguyên tố loại gì?

Hydro có số hiệu nguyên tử là 1 và là nguyên tố đầu tiên trong bảng tuần hoàn.
Số lượng nguyên tử là lớn nhất trong vũ trụ, chiếm khoảng 90% tất cả các nguyên tố trong vũ trụ. Nguyên tử nhỏ nhất bao gồm một proton và một electron là nguyên tử hydro.
Hydro có hai đồng vị có nơtron gắn vào hạt nhân. Một “deuterium” liên kết nơtron và hai “tritium” liên kết nơtron. Đây cũng là vật liệu để tạo ra năng lượng nhiệt hạch.
Bên trong một ngôi sao như mặt trời, phản ứng tổng hợp hạt nhân từ hydro thành heli đang diễn ra, đây là nguồn năng lượng giúp ngôi sao phát 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, mêtan, amoniac và etanol. Vì hydro là nguyên tố nhẹ nên khi nhiệt độ tăng, tốc độ chuyển động của các phân tử hydro tăng lên và thoát khỏi lực hấp dẫn của Trái Đất vào không gian bên ngoài.

Sử dụng Hydro như thế nào? Sử dụng bằng cách đốt cháy

Vậy thì, “hydrogen”, nguồn năng lượng 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 bằng cách sử dụng “đốt cháy”.
Có hai loại đốt cháy 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. Hai thứ này được kết hợp với nhau, và năng lượng nhiệt sinh ra tại thời điểm đó sẽ đẩy nhanh quá trình phun các phân tử nước được tạo ra, bay vào không gian. Tuy nhiên, vì đây là động cơ khó về mặt kỹ thuật, nên ngoại trừ Nhật Bản, chỉ có Hoa Kỳ, Châu Âu, Nga, Trung Quốc và Ấn Độ đã kết hợp thành công loại nhiên liệu này.
Thứ hai là phát điện. Phát điện bằng tua bin khí cũng sử dụng phương pháp kết hợp hydro và oxy để tạo ra năng lượng. Nói cách khác, đây là phương pháp xem xét năng lượng nhiệt do hydro tạo ra. Trong các nhà máy điện nhiệt, nhiệt từ việc đốt than, dầu và khí đốt tự nhiên tạo ra hơi nước làm quay tua bin. Nếu sử dụng hydro làm nguồn nhiệt, nhà máy điện sẽ trung hòa carbon.

Làm thế nào để sử dụng Hydro? Được sử dụng như một pin nhiên liệu

Một cách khác để sử dụng hydro là làm pin nhiên liệu, chuyển đổi hydro trực tiếp thành điện. Đặc biệt, Toyota đã thu hút sự chú ý ở Nhật Bản bằng cách chào hàng 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 tình trạng 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 có thể được đánh giá vì nó không gây gánh nặng cho môi trường. Mặt khác, phương pháp này có hiệu suất tạo ra điện tương đối thấp là 30-40% và cần bạch kim làm chất xúc tác, do đó đòi hỏi chi phí tăng lên.
Hiện tại, chúng ta đang sử dụng pin nhiên liệu điện phân polymer (PEFC) và pin nhiên liệu axit photphoric (PAFC). Đặc biệt, xe chạy bằng pin nhiên liệu sử dụng PEFC, vì vậy có thể dự kiến ​​sẽ phổ biến trong tương lai.

Việc lưu trữ và vận chuyển hydro có an toàn không?

Đến giờ, chúng tôi nghĩ bạn đã hiểu cách tạo ra và sử dụng khí hydro. Vậy bạn lưu trữ hydro này như thế nào? Làm thế nào để bạn có thể lấy nó ở nơi bạn cần? Còn vấn đề an ninh tại thời điểm 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 đã sử dụng hydro làm khí để làm khinh khí cầu, bóng bay và tàu bay trên bầu trời vì nó rất nhẹ. Tuy nhiên, vào ngày 6 tháng 5 năm 1937, tại New Jersey, Hoa Kỳ, "vụ nổ khinh khí cầu Hindenburg" đã xảy ra.
Từ sau vụ tai nạn, người ta đã nhận thức rộng rãi rằng khí hydro rất nguy hiểm. Đặc biệt khi bắt lửa, nó sẽ phát nổ dữ dội với oxy. Do đó, “tránh xa oxy” hoặc “tránh xa nhiệt” là điều cần thiết.
Sau khi thực hiện các biện pháp này, chúng tôi đã đưa ra phương pháp vận chuyển.
Hydro là một loại khí ở nhiệt độ phòng, vì vậy mặc dù vẫn là khí, nhưng nó rất cồng kềnh. Phương pháp đầu tiên là áp dụng áp suất cao và nén như một xi lanh khi làm đồ uống có ga. Chuẩn bị một bình chứa áp suất cao đặc biệt và lưu trữ trong điều kiện áp suất cao như 45Mpa.
Toyota, công ty phát triển xe chạy bằng pin nhiên liệu (FCV), đang phát triển một bình chứa hydro áp suất cao bằng nhựa có thể chịu được áp suất 70 MPa.
Một phương pháp khác là làm lạnh xuống -253°C để tạo ra hydro lỏng, sau đó lưu trữ và vận chuyển trong các thùng cách nhiệt đặc biệt. Giống như LNG (khí thiên nhiên hóa lỏng) khi khí thiên nhiên được nhập khẩu từ nước ngoài, hydro được hóa lỏng trong quá trình vận chuyển, làm giảm thể tích xuống còn 1/800 so với trạng thái khí. Vào năm 2020, chúng tôi đã hoàn thành phương tiện vận chuyển hydro lỏng đầu tiên trên thế giới. Tuy nhiên, phương pháp này không phù hợp với xe chạy bằng pin nhiên liệu vì cần rất nhiều năng lượng để làm mát.
Có một phương pháp lưu trữ và vận chuyển trong các bồn 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 xuyên qua kim loại và làm chúng bị hư hỏng. Đây là một mẹo phát triển được phát triển tại 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 cách sử dụng 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 chính 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). Do đó, có thể lưu trữ và vận chuyển an toàn. Tuy nhiên, nếu bạn không cẩn thận và để nó trong môi trường không phù hợp, hợp kim lưu trữ hydro có thể giải phóng khí hydro theo thời gian. Vâng, 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 việc hấp thụ và giải hấp hydro lặp đi lặp lại sẽ dẫn đến giòn và làm giảm tốc độ hấp thụ hydro.
Cách khác là sử dụng đường ống. Có một điều kiện là phải không nén và áp suất thấp để tránh làm giòn đường ống, nhưng ưu điểm là có thể sử dụng đường ống dẫn khí hiện có. Tokyo Gas đã tiến hành công trình xây dựng trên Harumi FLAG, sử dụng đường ống dẫn khí thành phố để cung cấp hydro cho pin nhiên liệu.

Xã hội tương lai được tạo ra bởi năng lượng hydro

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

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

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 ăn da. Trong số những thứ khác, nó là sản phẩm phụ của quá trình sản xuất than cốc trong luyện gang. Nếu bạn đưa hydro này vào hệ thống phân phối, bạn sẽ có thể thu được nhiều nguồn. Khí hydro được sản xuất theo cách này cũng được cung cấp bởi các trạm hydro.

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 để cung cấp điện. Do đó, trong tương lai, chúng ta sẽ sử dụng hydro được cung cấp bằng đường ống, giống như các bình axit cacbonic dùng để sản xuất đồ uống có ga và mua một bình hydro tại nhà để tạo ra điện cho mọi hộ gia đình. Các thiết bị di động chạy bằng pin hydro đang trở nên phổ biến. Sẽ rất thú vị khi thấy một tương lai như vậy.