Về năng lượng hydro thế hệ tiếp theo

Chúng ta sẽ giới thiệu về “hydro”, nguồn năng lượng thế hệ tiếp theo không phát thải carbon. Hydro được chia thành ba loại: “hydro xanh lá cây”, “hydro xanh dương” và “hydro xám”, mỗi loại có phương pháp sản xuất khác nhau. Chúng ta cũng sẽ giải thích từng phương pháp sản xuất, tính chất vật lý của 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 chủ đạo của thế hệ tiếp theo.

Điện phân nước để sản xuất hydro xanh

Khi sử dụng hydro, điều quan trọng là phải "sản xuất hydro" bằng mọi cách. Cách dễ nhất là "điện phân nước". Có lẽ bạn đã từng làm thí nghiệm này trong môn khoa học ở trường tiểu học. Đổ đầy nước vào cốc thủy tinh và đặt các điện cực vào trong nước. Khi nối pin với các điện cực và cấp điện, các phản ứng sau sẽ xảy ra trong nước và trong mỗi điện cực.
Tại cực âm, H+ và electron kết hợp tạo ra khí hydro, trong khi cực dương tạo ra oxy. Tuy nhiên, phương pháp này vẫn phù hợp cho các thí nghiệm khoa học ở trường học, nhưng để sản xuất hydro trong công nghiệp, cần phải chuẩn bị các cơ chế hiệu quả phù hợp cho sản xuất quy mô lớn. Đó chính là "điện phân màng điện phân polymer (PEM)".
Trong phương pháp này, một màng bán thấm polymer cho phép các ion hydro đi qua được đặt giữa cực dương và cực âm. Khi nước được đổ vào cực dương của thiết bị, các ion hydro được tạo ra bằng 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 tại cực dương.
Ngoài ra, trong quá trình điện phân nước kiềm, người ta tạo ra hydro và oxy bằng cách tách cực dương và cực âm thông qua một màng ngăn mà chỉ có các ion hydroxit mới có thể đi qua. Thêm vào đó, còn có các phương pháp công nghiệp như điện phân hơi nước ở nhiệt độ cao.
Bằng cách thực hiện các quy 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 (bằng một nửa thể tích hydro được tạo ra), do đó nếu thải ra khí quyển sẽ không gây tác động xấu đến môi trường. Tuy nhiên, điện phân đòi hỏi rất nhiều điện năng, vì vậy hydro không phát thải carbon có thể được sản xuất nếu sử dụng điện năng không dùng 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 sử dụng năng lượng sạch.

Ngoài ra còn có một máy phát hydro để sản xuất hydro xanh quy mô lớn. Bằng cách sử dụng màng trao đổi proton (PEM) trong bộ phận điện phân, hydro có thể được sản xuất liên tục.

Hydro xanh được sản xuất 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 tự nhiên và than đá dưới dạng các chất khác ngoài nước. Ví dụ, hãy xem xét metan (CH4), thành phần chính của khí tự nhiên. Có bốn nguyên tử hydro ở đây. Bạn có thể thu được hydro bằng cách tách hydro này ra.
Một trong những phương pháp đó là quy trình "cải tạo metan bằng hơi nước" sử dụng hơi nước. Công thức hóa học của phương pháp này như sau.
Như bạn thấy, khí carbon monoxide và khí 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 quy trình như "cải tạo hơi nước" và "nhiệt phân" khí tự nhiên và than đá. "Hydro xanh" là thuật ngữ chỉ hydro được sản xuất theo cách này.
Tuy nhiên, trong trường hợp này, khí 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. Khí carbon dioxide, nếu không được thu hồi, sẽ trở thành khí hydro, được gọi là "hydro xám".

Hydro là nguyên tố thuộc loại nào?

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% tổng số 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 với các neutron gắn vào hạt nhân. Một đồng vị liên kết neutron là "deuterium" và hai đồng vị liên kết neutron là "tritium". Đây cũng là những vật liệu được sử dụng để sản xuất 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 tỏa sáng.
Tuy nhiên, hydro hiếm khi tồn tại ở dạng khí trên Trái Đất. Hydro tạo thành các hợp chất với các nguyên tố khác như nước, metan, amoniac và etanol. Vì hydro là một nguyên tố nhẹ, khi nhiệt độ tăng, tốc độ chuyển động của các phân tử hydro tăng lên, và chúng thoát khỏi lực hấp dẫn của Trái Đất bay vào không gian.

Cách sử dụng hydro? Sử dụng bằng phương pháp đốt cháy.

Vậy thì, “hydro”, nguồn năng lượng đang thu hút sự chú ý trên toàn thế giới như một nguồn năng lượng thế hệ mới, được sử dụng như thế nào? Nó được sử dụng theo hai cách chính: “đốt cháy” và “pin nhiên liệu”. Chúng ta hãy bắt đầu với cách sử dụng “đốt cháy”.
Có hai loại đốt cháy chính được sử dụng.
Thứ nhất là nhiên liệu tên lửa. Tên lửa H-IIA của Nhật Bản sử dụng khí hydro “hydro lỏng” và “oxy lỏng” ở trạng thái đông lạnh làm nhiên liệu. Hai chất này được kết hợp, và năng lượng nhiệt sinh ra lúc đó sẽ đẩy nhanh quá trình phun các phân tử nước, đưa chúng bay vào không gian. Tuy nhiên, vì đây là một động cơ có kỹ thuật phức tạp, nên ngoài Nhật Bản, chỉ có Mỹ, châu Âu, Nga, Trung Quốc và Ấn Độ là đã kết hợp thành công loại nhiên liệu này.
Thứ hai là phát điện. 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 khai thác năng lượng nhiệt được tạo ra từ hydro. Trong các nhà máy nhiệt điện, nhiệt lượng từ việc đốt than, dầu mỏ và khí tự nhiên tạo ra hơi nước để vận hành tuabin. Nếu sử dụng hydro làm nguồn nhiệt, nhà máy điện sẽ trung hòa carbon.

Sử dụng hydro như thế nào? Dùng làm pin nhiên liệu

Một cách khác để sử dụng hydro là làm pin nhiên liệu, chuyển đổi trực tiếp hydro thành điện năng. Đặc biệt, Toyota đã thu hút sự chú ý tại Nhật Bản bằng cách quảng bá xe chạy bằng hydro thay vì xe điện (EV) như một giải pháp thay thế cho xe chạy bằng xăng, như một phần trong các biện pháp chống biến đổi khí hậu toàn cầu của hãng.
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) đồng thời phát điện, và phương pháp này có thể được đánh giá cao vì không gây gánh nặng cho môi trường. Mặt khác, phương pháp này có hiệu suất phát điện tương đối thấp, chỉ khoảng 30-40%, và cần bạch kim làm chất xúc tác, do đó làm tăng chi phí.
Hiện nay, 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 đoán rằng công nghệ này sẽ phổ biến hơn trong tương lai.

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

Đến giờ, chúng tôi nghĩ rằng bạn đã hiểu cách khí hydro được tạo ra và sử dụng. Vậy làm thế nào để lưu trữ khí hydro này? Làm thế nào để vận chuyển nó đến nơi cần thiết? Và vấn đề an ninh 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 nâng các 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, đã xảy ra vụ "nổ tàu bay Hindenburg".
Kể 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 nguồn nhiệt” là điều thiết yếu.
Sau khi thực hiện các biện pháp này, chúng tôi đã tìm ra phương thức vận chuyển.
Hydro là chất khí ở nhiệt độ phòng, vì vậy dù vẫn là chất khí, nó lại rất cồng kềnh. Phương pháp đầu tiên là sử dụng áp suất cao và nén như trong bình khí khi sản xuất đồ uống có ga. Chuẩn bị một bình chứa áp suất cao đặc biệt và bảo quản nó trong điều kiện áp suất cao, ví dụ như 45 MPa.
Toyota, công ty chuyên phát triển xe chạy bằng pin nhiên liệu (FCV), đang phát triển một loại bình chứa hydro áp suất cao bằng nhựa có thể chịu được áp suất 70 MPa.
Một phương pháp khác là làm lạnh đến -253°C để tạo ra hydro lỏng, sau đó lưu trữ và vận chuyển trong các bể chứa cách nhiệt đặc biệt. Giống như khí tự nhiên hóa lỏng (LNG) khi nhập khẩu khí tự nhiên 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. Năm 2020, chúng tôi đã hoàn thành tàu 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 lạnh.
Có phương pháp lưu trữ và vận chuyển trong các bể 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 thấu kim loại và làm hư hại chúng. Đây là một phát triển được thực hiện tại Hoa Kỳ vào những năm 1960. Các thí nghiệm của J.J. Reilly và cộng sự đã chứng minh rằng hydro có thể được lưu trữ và giải phóng bằng cách sử dụng hợp kim magie và vanadi.
Sau đó, ông đã thành công trong việc phát triển một chất, chẳng hạn như palađi, có khả năng hấp thụ hydro gấp 935 lần thể tích của chính nó.
Ưu điểm của việc sử dụng hợp kim này là nó có thể ngăn ngừa các tai nạn rò rỉ hydro (chủ yếu là tai nạn nổ). Do đó, nó có thể được lưu trữ và vận chuyển an toàn. Tuy nhiên, nếu 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. Thậm chí 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 phóng hydro lặp đi lặp lại dẫn đến hiện tượng giòn hóa và làm giảm tốc độ hấp thụ hydro.
Một phương án khác là sử dụng đường ống. Điều kiện là khí phải không bị nén và ở áp suất thấp để tránh làm giòn đường ống, nhưng ưu điểm là có thể sử dụng các đường ống dẫn khí hiện có. Tokyo Gas đã thực hiện công trình xây dựng Harumi FLAG, sử dụng đường ống dẫn khí của thành phố để cung cấp hydro cho các pin nhiên liệu.

Xã hội tương lai được tạo ra bởi năng lượng hydro

Cuối cùng, chúng ta hãy xem xét vai trò mà hydro có thể đóng góp cho xã hội.
Quan trọng hơn, chúng tôi muốn thúc đẩy một xã hội không phát thải carbon, chúng tôi sử dụng hydro để tạo ra điện năng thay vì nhiệt năng.
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 cải tạo khí tự nhiên để tạo ra điện năng cần thiết. Tuy nhiên, câu hỏi đặt ra là phải làm gì với các sản phẩm phụ của quá trình cải tạo này.

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

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

Hãy cùng nhìn xa hơn về tương lai. Lượng năng lượng bị thất thoát cũng là một vấn đề với phương pháp truyền tải điện sử dụng dây dẫn. Do đó, trong tương lai, chúng ta sẽ sử dụng hydro được vận chuyển qua đường ống, giống như các bình chứa axit cacbonic được sử dụng để sản xuất đồ uống có ga, và mua một bình chứa 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. Thật thú vị khi được chứng kiến ​​một tương lai như vậy.