(H2N2)-Ngày nay, cộng đồng quốc tế đã nhận ra hydrogen là một thành phần chủ chốt cho hệ thống năng lượng sạch và bền vững. Năng lượng hydrogen không còn là ý tưởng mơ hồ hoặc viễn tưởng khoa học mà nó đang là hiện thực hóa.
Theo ước tính thì khoảng 60 năm nữa các nguồn tài nguyên hóa thạch trên thế giới sẽ cạn kiệt vì con người đã và đang khai thác nhanh hơn mức tái tạo của thiên nhiên. Do đó, ngay từ bây giờ các quốc gia cần nghiên cứu, ứng dụng những nguồn năng lượng mới thay thế các nguồn năng lượng hóa thạch trước đây. Bài báo đề cập đến nguồn năng lượng tái tạo hydrogen, các phương pháp sản xuất, lưu trữ và ứng dụng năng lượng hydrogen, hứa hẹn như một giải pháp đầy tiềm năng phục vụ mục tiêu phát triển bền vững năng lượng của nhân loại.
Nguồn nhiên liệu mới
Hydrogen là một nguyên tố hóa học trong hệ thống tuần hoàn các nguyên tố với nguyên tử bằng 1. Ở trạng thái tự do và trong các điều kiện bình thường, hydrogen không màu, không mùi và không vị, tỉ trọng bằng 1/14 tỉ trọng của không khí. Hydrogen khi cháy trong không khí giới hạn từ 4-75% thể tích. Nhiệt độ cháy của hydrogen cao nhất đạt được 2.3180C ở nồng độ 29% thể tích, nếu cháy trong ôxy nhiệt độ có thể lên đến 3.0000C, cao nhất so với tất cả các loại khí khác như khí Methane (CH4) đạt 2.1480C, propane (C3H8) đạt 2.3850C.
Với các đặc tính này, hydrogen sẽ là một nguồn nhiên liệu quan trọng trong tương lai, phục vụ cho nhu cầu năng lượng của con người. Bởi hydrogen là một loại nhiên liệu tái sinh, thân thiện với môi trường, không gây ô nhiễm, không phát thải ra khí gây hiệu ứng nhà kính, hydrogen khi cháy rất “sạch” phản ứng cháy của hydrogen chỉ tạo ra nước.
Hydrogen là nguyên tố phổ biến nhất trong vũ trụ, tạo nên khoảng 75% tổng khối lượng vũ trụ và tới trên 90% tổng số nguyên tử. Trên trái đất, hydrogen phần lớn ở dạng kết hợp với oxygen trong nước hay với carbon và các nguyên tố khác trong vô số các hợp chất hữu cơ tạo nên cơ thể mọi loài động, thực vật. Người ta có thể sản xuất hydrogen từ nhiều nguồn khác nhau như: hóa nhiệt nhiên liệu hydrocarbon với các phương pháp hóa nhiệt khí thiên nhiên với hơi nước, khí hóa hydrocarbon nặng hoặc khí hóa sinh khối và nhiệt phân; Điện phân nước, phương pháp này dùng dòng điện để tách nước thành khí hydrogen và oxygen và phương pháp sinh học.
Về cơ bản có các phương thức lưu trữ hydrogen như: Lưu chứa hydrogen trong các bình khí nén áp suất cao: Các bình áp suất chứa khí nén thường làm bằng thép nên rất nặng và cồng kềnh, ngày nay các bình áp suất được làm từ những vật liệu composite nhẹ hơn nhiều. Lưu chứa hydrogen dưới dạng khí hóa lỏng: Hạ nhiệt độ xuống dưới 200K hay âm 2350C để hydrogen tồn tại ở thể lỏng, phương pháp này thích hợp với các ứng dụng di động dùng trên các phương tiện giao thông. Nhược điểm của quá trình hóa lỏng hydrogen tiêu tốn khá nhiều năng lượng (khoảng 30%). Tuy nhiên, ưu điểm của việc lưu trữ hydrogen dưới dạng lỏng là tốn ít không gian nhất, do hydrogen có tỉ trọng năng lượng theo thể tích cao.
Lưu chứa hydrogen trong hợp chất khác: Lưu chứa hydrogen nhờ hấp thụ hóa học, lưu chứa hydrogen trong các hydrua kim loại (metal hydride); Lưu chứa hydrogen trong ống carbon nano rỗng (hiện nay công nghệ này đang được quan tâm nghiên cứu rất nhiều trên thế giới. Ứng dụng cho các pin nhiên liệu di động và nhỏ gọn như máy tính xách tay, máy ảnh, điện thoại di động…).
Ngoài ra, còn một phương pháp lưu trữ hydrogen khác đó là nghiên cứu của các nhà khoa học của Trường Bách khoa Liên bang Lausanne (Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne) của Thụy Sỹ đã khám phá ra rằng: Chuyển đổi hydro thành axit formic sẽ giúp khâu vận chuyển và lưu trữ trở nên dễ dàng hơn và an toàn hơn. Đồng thời axit formic có thể giải phóng liên tục những lượng khí hydro đủ để chuyển hóa thành điện năng đáp ứng nhu cầu về điện cho người sử dụng, đây thực sự là một giải pháp lý tưởng thuận tiện trong quá trình lưu trữ, phân phối và sử dụng.
Ứng dụng và tương lai
Hydrogen sử dụng làm nhiên liệu động cơ: Khi dùng làm nhiên liệu, hydrogen có thể được đốt trực tiếp trong các động cơ đốt trong, tương tự như trong các loại phương tiện giao thông chạy bằng nhiên liệu hóa thạch phổ biến hiện nay. Hydrogen cũng có thể thay thế khí thiên nhiên để cung cấp năng lượng cho các nhu cầu dân dụng hàng ngày như đun nấu, sưởi ấm, chiếu sáng…
Hydrogen sử dụng trong pin nhiên liệu: Nó còn được sử dụng làm nguồn năng lượng cung cấp cho hệ thống pin nhiên liệu, nhờ quá trình điện hóa để tạo ra điện năng. Bên cạnh những ưu điểm của hydrogen như đã nêu (sạch, tái sinh…), pin nhiên liệu còn chạy rất êm, không gây ra tiếng động, chấn động như động cơ đốt trong. Do dựa trên cơ chế của quá trình điện hóa tạo ra điện năng chứ không phải quá trình đốt như ở động cơ đốt trong, pin nhiên liệu còn đạt hiệu suất sử dụng cao hơn nhiều so với động cơ đốt trong, vì thế mà tiết kiệm năng lượng hơn. Với những ưu thế vượt trội đó, pin nhiên liệu đang ngày càng được quan tâm và dự đoán sẽ trở nên nguồn nhiên liệu đầy triển vọng, một thành phần chủ chốt của nền kinh tế hydrogen trong viễn cảnh tương lai.
Ngày nay, cộng đồng quốc tế đã nhận ra hydrogen là một thành phần chủ chốt cho hệ thống năng lượng sạch và bền vững. Năng lượng hydrogen không còn là ý tưởng mơ hồ hoặc viễn tưởng khoa học mà nó đang là hiện thực hóa.
Năm 1960, Công ty General Electric đã sản xuất hệ thống cung cấp điện bằng pin nhiên liệu hydrogen cho tàu Apollo của NASA, sau đó sử dụng cho tàu Apollo-Soyuz, Skylab và các tàu con thoi (Space Shuttle). Ngày nay, điện năng trong các tàu con thoi và trạm nghiên cứu không gian của NASA đều được các pin nhiên liệu hydrogen cung cấp.
Năm 2003 Tổng thống G.Bush đã công bố một chương trình được gọi là “Sáng kiến nhiên liệu hydro” (Hydrogen Fuel Initiative) với quyết định giành 1,2 tỉ USD cho nghiên cứu và phát triển nhằm mục tiêu đến năm 2020 ôtô chạy bằng pin nhiên liệu hydrogen phải triển khai thương mại hóa thành công vào thực tế.
Ở châu Á, Nhật Bản, Trung Quốc, Hàn Quốc, Đài Loan… đều có chương trình nghiên cứu phục vụ cho nền kinh tế hydrogen tương lai đã và đang thu được kết quả rất khả quan. Còn ở Việt Nam, chưa có chương trình quốc gia trọng điểm nào liên quan đến năng lượng hydrogen chuẩn bị cho thời kỳ “hậu hóa thạch”. Xét trong chiến lược phát triển năng lượng quốc gia đến năm 2020, tầm nhìn đến năm 2050 chủ yếu phát triển năng lượng như điện, than, dầu khí… Xu hướng lựa chọn nguồn năng lượng hạt nhân để phát triển thành nguồn năng lượng chính. Nên chăng ngay từ bây giờ các nhà hoạch định năng lượng quốc gia cũng cần lưu ý đến nguồn năng lượng sạch hydrogen, có chính sách đầu tư nghiên cứu phát triển nguồn nhiên liệu đầy triển vọng này.
Hoàng Đức Nhuận – Tổng Công ty Công nghệ năng lượng DKVN
Nguồn Petrotimes.vn
