Tài liệu Pin nhiên liệu hydrogen

Pin nhiên liệu hydrogen 2013 MỤC LỤC MỤC LỤC..........................................................................................................................i DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ.......................................................................................iii DANH SÁCH CÁC BẢNG.............................................................................................iv PHẦN 1.............................................................................................................................1 QUÁ TRÌNH CHUYỂN HÓA NĂNG LƯỢNG.............................................................1 1.1. Từ nền kinh tế dựa trên nhiên liệu hóa thạch đến nền kinh tế hydro....................1 1.2. Sản xuất hydrogen..................................................................................................2 1.2.1. Phương pháp khí hóa từ hydrocacbon.............................................................3 1.2.1.1. Khí hóa khí thiên nhiên.............................................................................3 1.2.1.2. Khí hóa than đá..........................................................................................3 1.2.1.3. Khí hóa sinh khối.......................................................................................4 1.2.2. Phân hủy nước..................................................................................................4 1.2.2.1. Điện phân nước..........................................................................................5 1.2.2.2. Phân hủy nước dưới ánh sáng mặt trời có xúc tác....................................6 1.2.3. Phương pháp vi sinh.........................................................................................7 PHẦN 2...........................................................................................................................11 LỢI ÍCH HYDROGEN – NỀN KINH TẾ HYDROGEN..............................................11 2.1. Hydrogen – nguồn nhiên liệu mới.....................................................................11 2.2. Ứng dụng của hydrogen.....................................................................................12 2.3. Viễn cảnh nền kinh tế hydrogen........................................................................14 2.4. Những khó khăn khi sử dụng nhiên liệu hydro...............................................16 2.4.1. Trở ngại trong quá trình sản xuất hydro.....................................................16 2.4.2.Giá cả của việc sản xuất hydro....................................................................17 2.4.3. Tính hiệu quả trong quá trình sử dụng hydrogen..........................................18 2.4.4.Vấn đề an toàn...............................................................................................19 PHẦN 3...........................................................................................................................20 PIN NHIÊN LIỆU...........................................................................................................20 3.1.Khái niệm về pin nhiên liệu..................................................................................20 3.1.1 Lịch sử............................................................................................................20 3.1.2 Khái niệm......................................................................................................21 3.2.Nhiên liệu hydrogen..............................................................................................21 3.2.1.Vai trò của hydro trong pin nhiên liệu............................................................21 1 Pin nhiên liệu hydrogen 2013 3.2.2.Tính chất vật lý của hydrogen.........................................................................22 3.2.3. Tính chất nhiên liệu của hydro.......................................................................23 3.2.3.1.Tính dễ cháy..............................................................................................24 3.2.3.2.Vấn đề an toàn, cháy nổ...........................................................................26 3.3. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của pin nhiên liệu.............................................29 3.3.1. Cấu tạo pin nhiên liệu hydro..........................................................................29 3.3.2. Nguyên lý hoạt động của pin nhiên liệu hydro.............................................30 3.4. Phân loại pin nhiên liệu.......................................................................................34 3.4.1. Pin nhiên liệu kiềm (Alkaline fuel cell - AFC)............................................35 3.4.2. Pin nhiên liệu carbonat nóng chảy (Molten carbonate fuel cell - MCFC).. .36 3.4.3. Pin nhiên liệu acid phosphoric (Phosphoric acid fuel cell - PAFC)..............37 3.4.4. Pin nhiên liệu màng trao đổi proton (Proton Exchange Membrane Fuel Cell – PEMFC).................................................................................................................39 3.4.5. Pin nhiên liệu oxide rắn (Solid oxide fuel cell - SOFC)..............................40 3.4.6. RFC (Regenerative Fuel Cell) – pin nhiên liệu tái sinh................................41 PHẦN 4...........................................................................................................................45 LƯU TRỮ HYDRO........................................................................................................45 4.1. Lưu chứa hydrogen dưới dạng khí nén................................................................47 4.2. Lưu chứa hydrogen dưới dạng khí hóa lỏng........................................................48 4.3. Lưu chứa hydrogen nhờ hấp thụ hóa học.............................................................49 4.4. Lưu chứa hydrogen trong các hyđrua kim loại (metal hydride)..........................50 4.5. Lưu chứa hydrogen trong ống carbon nano rỗng.................................................53 4.6. Lưu chứa hydrogen trong các vi cầu thủy tinh (glass microsphere)...................54 TÀI LIỆU THAM KHẢO...............................................................................................55 Pin nhiên liệu hydrogen 2013 DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: Sơ đồ quá trình điện phân và thu hydro. Hình 1.2: Sơ đồ chuyển hóa hydro trực tiếp từ ánh sáng mặt trời. Hình 1.3: Sơ đồ tam giác năng lượng của nền kinh tế hydro sử dụng năng lượng mặt trời. Hình 1.4: Khái quát sơ đồ tạo ra hydro sinh học bằng chất thải hữu cơ và rác thải nông nghiệp. Hình 1.5: Sơ đồ sản sinh hydro từ tảo xanh. Hình 1.6: Sơ đồ nguyên lý của công nghệ sản xuất hydro từ chất hữu cơ như axit axetic và xenlulô. Hình 2.1 : Chiếc xe hơi sử dụng pin nhiên liệu hydro. Hình 2.2 : Viễn cảnh năng lượng tương lai cho thế kỉ 21. Hình 3.1: Ngọn lửa cháy của Hydrocacbon (mũi tên đỏ) và của Hydro (vòng xanh). Hình 3.2: Thử nghiệm đám cháy xe chạy bằng Hydro (trái) và bằng xăng (phải). Hình 3.3: Mô tả cấu tạo pin hydro. Hình 3.4: Nguyên lý hoạt động của pin hydro. Hình 3.5: Sơ đồ pin khi hoạt động. Hình3.6: Các loại pin hydro. Hinh 3.7: Nguyên lý hoạt động của pin nhiên liệu kiềm. Hình 3.8: a) Tàu Con Thoi của NASA (Hoa Kỳ) sử dụng pin nhiên liệu Alkali để cung cấp năng lượng và nước uống trong không gian; b) Chiếc taxi chạy bằng pin nhiên liệu đầu tiên của ZEVCO ở London, Anh. Hình 3.9: Sơ đồ hoạt động của pin PAFC. Hình 3.10: Hoạt động của pin PEMFC. Hình 4.1: Các phương pháp vận chuyển hydro. Hình 4.2: Mô hình vận chuyển và lưu kho nhiên liệu Hydrogen. Hình 4.3: Giản đồ pha của hydro. Hình 4.4: Bình lưu trữ hydrua kim loại……… Pin nhiên liệu hydrogen 2013 DANH SÁCH CÁC BẢNG Bảng 2.1 : Ước tính giá thành sản xuất, vận chuyển và phân phối hydrogen từ các nguồn khác nhau.............................................................................................................17 Bảng 3.1: Tóm tắt tính chất vật lý của Hydrogen...........................................................22 Bảng 3.2: Các loại pin nhiên liệu....................................................................................42 Bảng 3.3: Các giá trị hóa lý của các loại nhiên liệu sử dụng trong pin nhiên liệu........42 Bảng 3.4: So sánh các dạng pin nhiên liệu chính..........................................................43 Pin nhiên liệu hydrogen 2013 PHẦN 1 QUÁ TRÌNH CHUYỂN HÓA NĂNG LƯỢNG Từ xa xưa, con người đều hướng tới việc sử dụng các nguồn nhiên liệu hóa thạch để phục vụ cho cuộc sống. Tuy nhiên, việc sử dụng các nguồn nhiên liệu đó đã gây ra nhiều vấn đề đáng lo ngại, trữ lượng ngày càng cạn kiệt do sự khai thác không mệt mỏi của con người, ô nhiễm ngày càng trầm trọng do những chất thải phát ra từ việc khai thác sử dụng, việc khai thác cũng dẫn đến những biến đổi trong cấu trúc hệ sinh thái trong môi trường (khai thác dầu mỏ, khai thác than đá…) Ngày nay, nhiều nước phát triển trên thế giới đã bắt đầu hoạch định mục tiêu hướng đến nền kinh tế hydro (hydrogen economy) trong chiến lược năng lượng của mình, và một vấn đề quan trọng là pin nhiên liệu hydro. Vậy, pin nhiên liệu hydro là gì? Nó hoạt động như thế nào? Lưu trữ hydro ra sao? Nền kinh tế hydro là gì? Nó đem lại những lợi ích nào cho cuộc sống? Bài viết này sẽ cố gắng đưa ra một cái nhìn khái quát về những vấn đề nói trên để cho thấy những nỗ lực của con người nhằm hướng đến viễn cảnh năng lượng sạch và bền vững trong tương lai. 1.1. Từ nền kinh tế dựa trên nhiên liệu hóa thạch đến nền kinh tế hydro. Thế giới chúng ta đang bị phụ thuộc nặng nề vào một nền kinh tế dựa trên nhiên liệu hóa thạch. Nhiên liệu của đa số các phương tiện giao thông hiện tại (xe hơi, xe lửa, máy bay…) là xăng dầu; một tỉ lệ khá cao các nhà máy điện là nhiệt điện dùng dầu hỏa, khí thiên nhiên hay than đá. Nếu không có nhiên liệu hóa thạch, thế giới sẽ rơi vào khủng hoảng. Trong khi nhiên liệu hóa thạch đóng một vài trò quan trọng trong việc đưa xã hội đến mức phát triển như ngày nay thì nó cũng tồn tại những vấn đề nhức nhối lớn: ô nhiễm không khí, nguy hiểm và đáng lo ngại hơn cả là vấn đề biến đổi khí hậu toàn cầu cùng với sự nóng lên của trái đất. Ngoài ra, nhiên liệu hóa thạch chỉ là nguồn tài nguyên hữu hạn không thể được tái tạo, và nền kinh tế dựa trên nhiên liệu hóa thạch còn làm cho một số nước không có nhiều tài nguyên sẽ bị phụ thuộc vào những nước vốn có nguồn dầu dồi dào (dầu 1 Pin nhiên liệu hydrogen 2013 mỏ ở Trung Đông…), từ đó dẫn đến nhiều hệ lụy chính trị và kinh tế khác, thậm chí cả những cuộc chiến tranh giành dầu mỏ. Giữa bối cảnh đó, khái niệm về một nền kinh tế hydro dựa trên nguồn năng lượng sạch, dồi dào phục vụ mục tiêu phát triển bền vững của nhân loại xuất hiện như một giải pháp đầy hứa hẹn và tiềm năng. “Nền kinh tế hydro là một hệ thống lưu trữ, phân phối và sử dụng năng lượng dựa trên nhiên liệu chính là hydro”. Thuật ngữ này được tập đoàn General Motors đặt ra năm vào 1970. Nền kinh tế hydro hứa hẹn đẩy lùi tất cả những vấn đề đáng lo ngại do nền kinh tế dựa trên nhiên liệu hóa thạch đã gây ra. Một cách tóm tắt, những lợi ích chính của nền kinh tế hydro là: - Không gây ô nhiễm: khí hydro được sử dụng trong pin nhiên liệu, nó là một công nghệ hoàn toàn sạch. Sản phẩm duy nhất sinh ra là nước, do đó sẽ không gây ra ô nhiễm. - Không thải ra khí gây hiệu ứng nhà kính: quá trình điện phân nước tạo hydro không hề tạo nên khí nhà kính nào. Đó là một quá trình lý tưởng và hoàn hảo: điện phân nước để thu hydro, hydro lại tái kết hợp với oxy để tạo ra nước và cung cấp điện năng trong pin nhiên liệu. - Không phụ thuộc về kinh tế: không dùng dầu mỏ cũng có nghĩa là không phải phụ thuộc vào các thùng dầu nhập khẩu từ nước ngoài. Nước có ở tất cả mọi nơi, là nguồn năng lượng vô tận, chiếm đến 3/4 bề mặt trái đất. - Hydro có thể được sản xuất từ nhiều nguồn khác nhau: nhất là từ các nguồn năng lượng tái sinh. Như vậy, những lợi ích về mặt môi trường, kinh tế và xã hội của hydro là rất đáng kể. Tất cả những thế mạnh đó đã tạo nên một bước đột phá mạnh mẽ hướng nhân loại tiến đến nền kinh tế hydro. 1.2. Sản xuất hydrogen. Hydro là nguyên tố phổ biến nhất, cấu thành đến 90% vật chất của vũ trụ (75% theo trọng lượng). Mặt Trời, hầu hết các ngôi sao và một số hành tinh như Jupiter (sao Mộc - hành tinh lớn nhất Thái Dương hệ) được tạo nên chủ yếu bởi hydro. Phản ứng tổng hợp hạt nhân giữa các đồng vị của hydro - 2 Pin nhiên liệu hydrogen 2013 deuterium và tritium đã cung cấp nguồn năng lượng khổng lồ cho mặt trời và các ngôi sao, nhờ đó duy trì sự sống. Hydro là thành viên nhỏ nhất và có cấu trúc đơn giản nhất trong gia đình các nguyên tố hóa học, chỉ gồm một proton và một electron. Phân tử hydro chứa hai nguyên tử hydro, là khí không màu, không mùi, không vị, rất dễ cháy. Hydro có trọng lượng nhỏ nhất trong các loại khí và hydro dạng nguyên chất gần như không tồn tại trong tự nhiên. Trên Trái Đất, hydro phần lớn ở dạng kết hợp với oxy trong nước, hay với cacbon và các nguyên tố khác trong vô số các hợp chất hữu cơ tạo nên cơ thể mọi loài động thực vật. Khác với các nguồn nhiên liệu hóa thạch (ví dụ như dầu mỏ có thể bơm trực tiếp từ lòng đất lên rồi sử dụng), hydro là nguồn năng lượng thứ cấp, tức là chúng không thể được khai thác trực tiếp mà phải được tạo ra từ một nguồn sơ cấp ban đầu. Điều này là một điểm bất lợi, nhưng đồng thời lại là điểm mạnh của hydro do người ta có thể sản xuất khí hydro từ nhiều nguồn khác nhau, đặc biệt từ các nguồn năng lượng tái sinh. Có ba phương pháp cơ bản tạo ra hydro: + Phương pháp chuyển hóa từ hydrocacbon (nhiên liệu hóa thạch, sinh khối) bằng nhiệt. + Phương pháp phân hủy nước. + Phương pháp vi sinh. 1.2.1. Phương pháp khí hóa từ hydrocacbon. 1.2.1.1. Khí hóa khí thiên nhiên. Quá trình này gồm hai bước chính: Trước hết, khí thiên nhiên (với thành phần chủ yếu là CH4) được tách cacbon và chuyển hóa thành H2 nhờ hơi nước dạng hơi quá nhiệt dưới áp suất cao, xúc tác ở nhiệt độ khoảng 900oC. CH4 + H2O → CO + 3 H2 CO sinh ra lại tiếp tục được phản ứng với hơi nước chuyển hóa thành khí CO2 và tạo ra thêm khí H2. CO + H2O → CO2 + H2 3 Pin nhiên liệu hydrogen 2013 Đây là phương pháp công nghiệp phổ biến hiện nay để sản xuất hydrogen. 1.2.1.2. Khí hóa than đá. Than đá được nghiền thành dạng bột rồi hòa trộn với nước. Phản ứng được tiến hành ở khoảng 1400oC với O2 hay không khí, tạo ra hỗn hợp gồm H2 và CO. CO sinh ra lại tiếp tục được phản ứng với hơi nước chuyển hóa thành khí CO2 và tạo ra thêm khí H2. * Nhược điểm của 2 phương pháp trên: - Sử dụng nguồn nhiên liệu hóa thạch. - Sản phẩm sinh ra khí CO và CO2 - khí gây hiệu ứng nhà kính. - Điều kiện phản ứng khá khắc nghiệt, tổn hao nhiêu liệu lớn. Do vậy, các phương pháp này chỉ để cung cấp nguyên liệu cho các sản xuất hóa chất, sản xuất phân bón…, không phải là phương pháp tạo ra năng lượng sạch mà chúng ta quan tâm. Tuy vậy, phương pháp sản xuất khí hydrogen từ nhiên liệu hóa thạch đã và sẽ còn chiếm ưu thế trong tương lai gần. Lý do chính yếu là do trữ lượng nhiên liệu hóa thạch còn tương đối dồi dào, nhất là đối với khí thiên nhiên. Hơn nữa, chúng ta có thể thu hồi CO2 để hạn chế tác động của nó đến môi trường. 1.2.1.3. Khí hóa sinh khối. Sinh khối (thực vật, rác thải nông nghiệp và đô thị... ) có thể được sử dụng để sản xuất hydrogen. Đầu tiên, sinh khối được chuyển thành dạng khí qua quá trình khí hóa ở nhiệt độ cao có tạo ra hơi nước. Hơi nước chứa hydrogen được ngưng tụ và sau đó có thể được hóa nhiệt để sinh ra H2. Quá trình này thường tạo ra sản lượng H2 khoảng từ 12-17% trọng lượng hydrogen của sinh khối. * Ưu điểm: - Không sử dụng những nguồn nguyên liệu hóa thạch. - Tận dụng được nguồn chất thải sinh học, rác thải… là những nguồn có thể coi là vô tận. * Nhược điểm: 4 Pin nhiên liệu hydrogen 2013 Quá trình khí hóa ở nhiệt độ cao có thể sinh ra CO2 và các khí gây ô nhiễm môi trường. 1.2.2. Phân hủy nước. Phương pháp này là phương pháp được tập trung khai thác nhiều nhất bởi vì nó sử dụng nguồn năng lượng vô tận là nước. Dựa trên bản chất quá trình phân hủy nước, có thể tóm tắt thành 2 phương pháp để sản sinh H2 như sau: 1.2.2.1. Điện phân nước. Phương pháp này dùng dòng điện để tách nước thành khí H2 và O2. Quá trình gồm hai phản ứng xảy ra ở hai điện cực. H2 sinh ra ở điện cực âm và O2 sinh ra ở điện cực dương: Phản ứng trên cathode: 2 H2O + 2 e- → H2 + 2 OH- Phản ứng trên anode: 2 OH- - 2 e-→ H2O + ½ O2 __________________________________________________ Tổng quát: 2 H2O + điện năng → 2 H2 + O2 Nguồn năng lượng để tạo ra điện năng đang được quan tâm nghiên cứu và được ứng dụng rộng rãi là sử dụng năng lượng mặt trời (bằng các pin mặt trời, chất bán dẫn…), thủy điện, năng lượng gió để tạo ra điện năng. Sau đó, dòng điện sẽ được cung cấp để điện phân nước sản sinh H2. Hình 1.1: Sơ đồ quá trình điện phân và thu hydro. * Ưu điểm: 5 Pin nhiên liệu hydrogen 2013 - Không gây ô nhiễm môi trường, không gây hiệu ứng nhà kính. - Nguồn nguyên liệu vô tận (nước). - Nguồn năng lượng tạo ra điện năng là vô tận, không sử dụng nguồn nhiên liệu hóa thạch. 1.2.2.2. Phân hủy nước dưới ánh sáng mặt trời có xúc tác. Đây là phương pháp sử dụng trực tiếp nguồn năng lượng từ mặt trời, nhờ quá trình tập trung năng lượng đến nhiệt độ cao để phân hủy nước có mặt của xúc tác, tạo ra hydro. Các nhà khoa học thuộc trường đại học Colorado (Mỹ) sử dụng hàng loạt các tấm gương cầu để tập trung ánh sáng mặt trời vào một tháp nước cao hàng chục mét. Tháp này sẽ được đốt nóng tới khoảng 1350oC, đủ nóng để giải phóng hydro với xúc tác là một hợp chất oxit kim loại (Fe, Co, Al). Hình 1.2: Sơ đồ chuyển hóa hydro trực tiếp từ ánh sáng mặt trời. Đây là phương pháp được rất nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu và phát triển. * Ưu điểm: - Không gây ô nhiễm. - Sử dụng nguồn năng lượng vô tận là mặt trời. 6 Pin nhiên liệu hydrogen 2013 - H2 được chuyển hóa trực tiếp từ nước dưới tác dụng của ánh sáng mặt trời, không qua quá trình sử dụng điện năng để điện phân nước. Do đó, tiết kiệm chi phí vận hành. - Quy trình đơn giản, dễ vận hành. Hai phương pháp này được khái quát thành một sơ đồ tam giác, đặc trưng cho việc sử dụng nguồn năng lượng mặt trời để sản sinh hydro. Hình 1.3: Sơ đồ tam giác năng lượng của nền kinh tế hydro sử dụng năng lượng mặt trời. Với đặc điểm sử dụng các nguồn năng lượng tái sinh và không gây ra bất cứ lo ngại nào về ô nhiễm nên cả hai phương pháp nêu trên đóng vai trò là nền tảng của nền kinh tế hydro. 1.2.3. Phương pháp vi sinh. Một số tảo và vi khuẩn có thể sản sinh ra hydrogen quá trình trao đổi chất của chúng. Các sinh vật này thường sống trong nước, phân tách nước thành khí hydro và oxy. Hiện tại, đã có một số công trình nghiên cứu được công bố cho thấy những tín hiệu khả quan về việc tạo ra hydro bằng phương pháp vi sinh. Các nhà nghiên cứu thuộc Trung tâm Nghiên cứu Quốc gia Canada (CNRC) đã sản xuất được H2 từ các chất thải hữu cơ và từ các chất thải nông nghiệp bằng phương pháp lên men, không thải ra khí hiệu ứng nhà kính. H2 tạo ra được gọi là hydro sinh học. 7 Pin nhiên liệu hydrogen 2013 Phương pháp này khắc phục được nhược điểm của phương pháp khí hóa sinh khối đã nói ở trên. Đây cũng là một phương pháp khá triển vọng để tạo ra hydro trong tương lai, vừa xử lý rác thải và tạo ra hydro cung cấp cho các pin nhiên liệu. Hình 1.4: Khái quát sơ đồ tạo ra hydro sinh học bằng chất thải hữu cơ và rác thải nông nghiệp. Một phương pháp khác được sử dụng để sản xuất hydro từ ánh sáng mặt trời là sử dụng quá trình quang hợp của vi sinh vật để phân tách nước thành các ion hydro (H+) và electron (điện tử). Các ion hydro sau đó kết hợp thành khí hydro và các vi sinh vật được sử dụng gọi là hydrogenases. Tảo xanh có khả năng sử dụng năng lượng mặt trời thông qua quá trình quang hợp để sản xuất hydro. Một nhóm các nhà nghiên cứu tại Đại học Uppsala - Thụy Điển đã nghiên cứu chi tiết cách Photosystem II (một loại enzym có thể sử dụng ánh sáng mặt trời để phân tách nước) hoạt động trong hai chủng tảo xanh khác nhau bằng cách đo chính xác số lượng và tính năng của Photosystem II thay đổi trong các điều kiện khác nhau và họ thấy rằng, phần lớn năng lượng được hấp thụ bởi Photosystem II chuyển đổi vào quá trình sản xuất hydro. Hiệu suất của quá trình chuyển hóa này là 80%. 8 Pin nhiên liệu hydrogen 2013 Hình 1.5: Sơ đồ sản sinh hydro từ tảo xanh. Các nhà khoa học tại Trường Đại học Penn State University (Mỹ) đã nghiên cứu thành công việc tạo ra hydro từ các chất hữu cơ như axit axetic và xenlulô. Theo đó, các nhà nghiên cứu đã nuôi vi khuẩn trong một buồng phản ứng yếm khí được thiết kế đặc biệt: một lò phản ứng vi sinh được hỗ trợ bằng điện hóa sinh mà họ gọi là BEAMR. Lò phản ứng này gồm có 2 ngăn: ngăn thứ nhất chứa cực dương hút các ion âm làm bằng cực than chì, ngăn thứ hai có chứa cực âm làm bằng than có trộn thêm bạch kim làm chất xúc tác để thu hút các ion dương. Một màng trao đổi ion được đặt giữa để ngăn cách hai ngăn phản ứng trên. Sử dụng một dây điện kết nối 2 điện cực trên với một nguồn điện nhỏ bên ngoài (khoảng 0.2V). Hình 1.6: Sơ đồ nguyên lý của công nghệ sản xuất hydro từ chất hữu cơ như axit axetic và xenlulô. Các nhà khoa học sau đó đưa vào buồng phản ứng vi sinh một loạt chất gồm axit axetic và xenlulô. Họ nhận thấy rằng, khi vi khuẩn được tiếp thức ăn, buồng phản ứng sẽ giải phóng các hạt proton và các hạt electron. Các hạt electron nhanh chóng bị hút vào anốt trong khi các hạt proton vượt qua màng 9 Pin nhiên liệu hydrogen 2013 trao đổi ion để đến với cực âm catốt. Tại đây xảy ra quá trình giải phóng khí hydro. Khí hydro sẽ được thu vào trong một đường ống. Toàn bộ quá trình trên đã tạo ra năng lượng lớn hơn 288% so với điện năng sử dụng để tạo ra phản ứng sinh hóa. Các nhà khoa học này ước tính, so với phương pháp điện phân truyền thống thường chỉ đạt hiệu suất 60% thì hệ thống BEAMR đạt được hiệu suất tới 82%. * Ưu điểm: - Sử dụng các nguồn vi sinh vật tự nhiên. - Tận dụng các nguồn thức ăn thừa, các nguồn thực vật, rác thải trong tự nhiên. - Không gây ô nhiễm môi trường. - Kết hợp xử lý ô nhiễm môi trường với tạo ra nguồn năng lượng hydro dồi dào trong các pin nhiên liệu. Nhờ các ưu điểm trên mà phương pháp vi sinh vẫn đang thu hút được nhiều sự quan tâm nghiên cứu. Nó được xem là một phương pháp quan trọng cấu thành nền kinh tế hydro bên cạnh phương pháp phân hủy nước bằng các nguồn năng lượng vô tận. 10 Pin nhiên liệu hydrogen 2013 PHẦN 2 LỢI ÍCH HYDROGEN – NỀN KINH TẾ HYDROGEN “Tôi tin rằng một ngày nào đó, nước sẽ được sử dụng như nhiên liệu, rằng hydrogen và oxy, hai thành phần tạo nên nước, được sử dụng đơn lẻ hay kết hợp, sẽ cung cấp một nguồn nhiệt và ánh sáng vô tận với mức độ mà than đá không thể so sánh được. Tôi tin rằng khi các mỏ than cạn kiệt, chúng ta sẽ sưởi ấm mình nhờ năng lượng từ nước. Nước sẽ là “than đá” của tương lai”. Jules Vernes (1874). Hơn một trăm năm trước, Jules Verne trong cuốn tiểu thuyết viễn tưởng “Hòn đảo huyền bí” đã từng dự báo rằng nước sẽ là nguồn năng lượng của tương lai, giống như than đá đang thịnh hành thời bấy giờ vậy. Từ đó, một ý niệm đã được gợi mở, thu hút sự quan tâm của nhiều nhà khoa học về một nguồn năng lượng lý tưởng, sạch và gần như vô tận cho con người: nước và một thành phần của nó, hydrogen. Ngày nay, điều tiên đoán năm xưa đang dần trở thành hiện thực khi nhiều nước phát triển trên thế giới đã bắt đầu hoạch định mục tiêu hướng đến nền kinh tế hydrogen (hydrogen economy) trong chiến lược năng lượng của mình. 2.1. Hydrogen – nguồn nhiên liệu mới. 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. 11 Pin nhiên liệu hydrogen 2013 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 475% thể tích. Nhiệt độ cháy của hydrogen cao nhất đạt được 2.318 °C ở nồng độ 29% thể tích, nếu cháy trong ôxy nhiệt độ có thể lên đến 3.000 °C, cao nhất so với tất cả các loại khí khác như khí Methane (CH4) đạt 2.148 °C, propane (C3H8) đạt 2.385 °C. 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. Hình 2.1 : Chiếc xe hơi sử dụng pin nhiên liệu hydro. 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 12 Pin nhiên liệu hydrogen 2013 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. 2.2. Ứng dụng của hydrogen. 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 13 Pin nhiên liệu hydrogen 2013 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. 2.3. Viễn cảnh nền kinh tế hydrogen. Chúng ta đang đứng trên ngưỡng cửa của buổi giao thời trọng đại, chuyển tiếp sang một thời kì năng lượng mới đa dạng hóa hơn. Cộng đồng quốc tế đã nhận ra hydrogen là một thành phần chủ chốt cho một hệ thống năng lượng sạch và bền vững. Hydrogen sẽ là chất mang năng lượng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực từ phát điện, đến vận tải, công nghiệp, dân dụng và thương mại. Trong tương lai, khi công nghệ đã hoàn thiện dần, hydrogen sẽ được sản xuất chủ yếu từ các công nghệ sạch như điện phân từ các nguồn tái tạo, hay chuyển hóa nhiệt từ các nguyên liệu hóa thạch ban đầu nhưng cùng với kỹ thuật thu hồi carbon. Hydrogen có thể được lưu trữ, chuyên chở bằng các phương tiện vận tải hay trong các đường ống dẫn khí, và được sử dụng trong pin nhiên liệu, động cơ, để tạo ra dòng điện mà không thải khí ô nhiễm và chỉ có nước là sản phẩm phụ chủ yếu. 14 Pin nhiên liệu hydrogen 2013 Hình 2.2 : Viễn cảnh năng lượng tương lai cho thế kỉ 21. Nền kinh tế hydrogen như là một hệ thống các nguồn năng lượng liên kết với nhiều dạng ứng dụng phong phú thông qua hydrogen với vai trò chất mang năng lượng (chuyên chở năng lượng). Hydrogen làm cho việc sản xuất và sử dụng năng lượng được linh hoạt, đa dạng bởi nó có thể được sản xuất từ nhiều nguồn khác nhau từ nhiên liệu hóa thạch, hạt nhân, đến năng lượng tái sinh. Trước mắt và trong tương lai gần, hydrogen hầu như sẽ được sản xuất từ khí thiên nhiên bằng công nghệ chuyển hóa nhiệt quen thuộc. Các công nghệ còn đang trong giai đoạn hoàn thiện và phát triển dần hiện nay như sản xuất hydrogen bằng điện phân dùng năng lượng tái tạo, hay trực tiếp từ phương pháp quang sinh học, cùng với công nghệ than sạch… Tất cả sẽ ngày càng trở nên “chi phí – hiệu quả” hơn và góp phần hình thành một hệ thống sản xuất hydrogen nội địa đa dạng phong phú. Một trong những thế mạnh của hydrogen chính là ở chỗ nó có thể sản xuất được từ nhiều nguồn như vậy. Mỗi khu vực, tùy điều kiện của mình có thể có những cách kết hợp các nguồn khác nhau để tạo ra hydrogen. Cơ sở hạ tầng cho hệ thống lưu trữ, phân phối hydrogen cần được xây dựng dần. Nó có thể dựa trên những công nghệ tiên tiến về xây dựng đường ống dẫn dầu khí hiện tại. 15 Pin nhiên liệu hydrogen 2013 Chúng ta có thể sử dụng hydrogen trong các động cơ đốt trong, tương tự như các động cơ trong các phương tiện giao thông dùng xăng dầu hiện nay, chỉ với một số thay đổi nhỏ về cấu trúc. Hydrogen cháy sạch hơn (không thải, sản phầm phụ chỉ là nước) và hiệu quả hơn xăng dầu thông thường, do đó các động cơ đốt trong dùng hydrogen đã và đang dần trở thành hiện thực trong bước chuyển tiếp công nghệ này. Quan trọng hơn, đó là ứng dụng của hydrogen làm nhiên liệu cho pin nhiên liệu, một công nghệ đầy triển vọng trong tương lai. Về cơ bản, pin nhiên liệu hydrogen vận hành tương tự như quá trình nghịch của phản ứng điện phân: khí hydrogenvà oxygen từ không khí kết hợp với nhau trong một phản ứng điện hóa có xúc tác để tạo nên dòng điện và nước sinh ra tinh khiết đến nỗi có thể uống được. Bên cạnh ưu điểm là không thải khí ô nhiễm, pin nhiên liệu còn vận hành êm ả, không gây chấn động hay tiếng động và có thể đạt được hiệu suất cao gấp hai đến ba lần động cơ đốt trong. Pin nhiên liệu còn có thể được kết nối từ nhiều module khác nhau nên có thể tạo được công suất đầu ra linh hoạt như ý muốn. Hơn nữa, pin nhiên liệu cũng có nhiều loại, nên nó có thể có nhiều kiểu ứng dụng phong phú khác nhau, từ các ứng dụng di động nhỏ như laptop - máy tính xách tay (50- 100 W) hay đến cả các trạm phát điện lớn với công suất cả trăm MW (1-200 MW). Một khi những công nghệ pin nhiên liệu trở nên hoàn thiện, chúng có thế được sản xuất và ứng dụng trực tiếp ngay trong các hộ gia đình, các thiết bị văn phòng, công nghiệp. Mặc dù tiềm năng pin nhiên liệu có thể phục vụ cho gần như mọi mặt của nền kinh tế, hiện tại, nó vẫn còn tương đối đắt đỏ so với động cơ đốt trong thông thường. Pin nhiên liệu cần phát triển hơn nữa, nâng cao độ bền và giảm giá thành để có thể ứng dụng rộng rãi trên thực tế. Bước chuyển tiếp sang nền kinh tế hydrogen sẽ cần có thời gian và phải trải qua nhiều giai đoạn. Các giai đoạn được xác định bởi những tiến bộ về công nghệ và sự chấp nhận của thị trường. Thêm vào đó, việc giáo dục về an toàn hydrogen cũng cần được nỗ lực xúc tiến để đảm bảo và thuyết phục cộng đồng sẵn sàng cho hydrogen ngày càng trở nên phổ biến hơn. Nhà nước chính phủ, công nghiệp và cộng đồng, tất cả sẽ đóng những vai trò quan trọng 16