Báo cáo đề tài năng lượng hydro

Và năng lượng hydro là mộtnguồn năng lượng sạch chúng ta đã và đang nghiên cứu, bởi lẽ đây là một nguồnnăng lượng có nhiều ưu điểm mà nếu tận dụng thành công, ta có thể thay thế nănglượn

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA HÓA HỌC  QUYỂN BÁO CÁO ĐỀ TÀI: NĂNG LƯỢNG HYDRO Mentor: Trần Thị Thúy Kiều Nhóm 32 – Thất tinh hội tụ TP Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2023 LỜI CẢM ƠN  Trước hết, chúng em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến khoa Hóa học, trường Đại học Khoa học tự nhiên, ĐHQG-HCM tạo hội để chúng em tiếp cận với môn giới thiệu ngành Xin gửi lời cảm ơn đến khoa xếp sở vật chất phù hợp, thời gian hợp lý tạo môi trường học tập tốt cho chúng em Cùng với đó, chúng em bày tỏ lịng biết ơn đến khoa huy động đội ngũ giảng viên đông đảo để hỗ trợ chúng em suốt trình thực báo cáo Chúng em xin gửi lời cảm ơn đến thầy Trương Lâm Sơn Hải, cô Nguyễn Thị Thanh Mai, thầy Nguyễn Quốc Chính, thầy Phạm Hồng Qn, Nguyễn Tuyết Phương, thầy Nguyễn Triều Trung dìu dắt khơi dậy nguồn cảm hứng từ kinh nghiệm quý báu thầy cô Chúng em xin chân thành cảm ơn hướng dẫn, kiến thức chuyên môn đa dạng thầy cô truyền đạt lại, điều giúp chúng em hồn thành thành cơng báo cáo Sự giúp đỡ thầy cô thực cải thiện hành trình học tập nghiên cứu chúng em.  Ngồi ra, chúng em vơ cảm kích có hội đặc biệt làm việc trực tiếp với Cô Trần Thị Thúy Kiều với quan tâm Cô việc giám sát chặt chẽ báo cáo chúng em Những hướng dẫn sâu sắc Cô không giúp chúng em hiểu rõ dự án nghiên cứu khoa học mà cịn khuyến khích chúng em vượt qua thách thức khác gặp phải suốt trình học tập.  Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn đến nhóm 32 – Thất tinh hội tụ cố gắng, dìu dắt vượt qua khó khăn trình nghiên cứu dự án Xin cảm ơn hỗ trợ tận tình động viên khơng ngừng bạn Được làm việc với cá nhân tài khơi dậy niềm đam mê nghiên cứu khoa học người truyền cho người nguồn lượng nhiệt huyết i MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i DANH MỤC HÌNH ẢNH .iii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT iv LỜI NÓI ĐẦU v BỐI CẢNH NĂNG LƯỢNG HYDRO 1.1 Năng lượng không tái tạo .1 1.2 Năng lượng tái tạo TÍNH CHẤT CỦA HYDRO 2.1 Tính chất vật lý .4 2.2 Tính cháy 2.3 Mật độ lượng hydro CÁC PHƯƠNG PHÁP SẢN XUẤT HYDRO HIỆN NAY 3.1 Cơng nghệ Reforming/Khí hóa khí thiên nhiên 3.2 Cơng nghệ khí hóa than 10 3.3 Công nghệ điện phân nước 10 3.4 Phân loại Hydro 11 ỨNG DỤNG NĂNG LƯỢNG HYDRO 14 4.1 Pin nhiên liệu hydro 14 4.1.1 Nguyên lý hoạt động 14 4.1.2 Giao thông vận tải .15 4.1.3 Lưu trữ lượng 17 4.2 Hydro sử dụng làm nhiên liệu (chất đốt) .17 4.2.1 Nhiên liệu động tên lửa .18 4.2.2 Tua bin đốt hydro 18 ii DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Hiệu ứng nhà kính Hình 1.2 Năng lượng tái tạo Hình 2.1 Ngọn lửa hydro Hình 2.2 Tính cháy hydro Hình 2.3 Mật độ lượng hydro Hình 2.4 Mật độ lượng metan Hình 2.5 Phương pháp hóa lỏng hydro Hình 3.1 Nhà máy sản xuất hydro phương pháp SMR Hình 3.2 Nhà máy sản xuất hydro cơng nghệ khí hố than 10 Hình 3.3 Nhà máy sản xuất hydro công nghệ điện phân nước .11 Hình 3.4 Các loại lượng hydro 12 Hình 3.5 Phân biệt màu hydro từ phương pháp sản xuất .13 Hình 4.1 Nguyên lý hoạt động PEMFC 14 Hình 4.2 Cấu tạo xe sử dụng pin nhiên liệu hydro 15 Hình 4.3 Tàu Alstom Coradia iLint .16 Hình 4.4 Tàu Energy Observer 16 Hình 4.5 Hệ thống H2One ga Musashi-Mizonokuchi 17 Hình 4.7 Bể chứa hydro trung tâm vũ trụ Kenedy 18 Hình 4.8 Tuabin khí chạy hydro giới 19 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt CCS Carbon Capture and Storage PEMFC Polymer electrolyte membrane fuel cells SMR Steam - Methane Reforming iii Thu giữ lưu trữ Cacbon Pin nhiên liệu màng điện phân polymer Reforming metan nước LỜI MỞ ĐẦU Trong năm gần đây, công nghệ kĩ thuật giới ngày phát triển Đó hội để tiếp cận với nguồn lượng sạch, kĩ thuật tiên tiến từ nâng cao chất lượng sống Và lượng hydro nguồn lượng nghiên cứu, lẽ nguồn lượng có nhiều ưu điểm mà tận dụng thành cơng, ta thay lượng hóa thạch thành lượng hydro để giảm thiểu tối đa tác động tiêu cực ảnh hưởng đến môi trường Thông qua báo cáo này, chúng em hứa hẹn mang đến phần kiến thức thú vị lượng sạch, lượng tái tạo nói chung lượng hydro nói riêng Để hiểu rõ chủ đề lượng hydro, chúng em biên soạn thành phần chính:  Bối cảnh lượng  Tính chất hydro  Các phương pháp sản xuất hydro  Ứng dụng lượng hydro Vì lượng kiến thức trình độ chun mơn có hạn nên tài liệu khơng tránh khỏi sai sót, nhóm chúng em mong nhận góp ý, phản hồi tích cực từ thầy bạn NHĨM 32 – THẤT TINH HỘI TỤ iv BỐI CẢNH NĂNG LƯỢNG HYDRO 1.1 Năng lượng không tái tạo Năng lượng hóa thạch: Năng lượng từ nguồn hóa thạch dầu mỏ, than đá khí tự nhiên chiếm phần lớn nguồn cung cấp lượng toàn cầu Các loại lượng sử dụng việc sản xuất điện, vận chuyển sử dụng ngành công nghiệp khác Báo cáo Viện Năng lượng Anh cho thấy nhiên liệu hóa thạch chiếm 82% tổng mức tiêu thụ lượng giới năm 2022 tăng theo năm [1] Các nguồn lượng hóa thạch bao gồm than đá, dầu mỏ, khí đốt lượng lượng hữu hạn, điều đáng để lưu tâm người tiếp tục sử dụng loại lượng Sử dụng lượng hóa thạch gây biến đổi khí hậu nhiễm khơng khí, mơi trường ảnh hưởng đến người:  Tăng nhiệt độ toàn cầu: Việc sử dụng than đá nguồn lượng hóa thạch dầu mỏ, khí đốt tạo lượng lớn khí nhà kính, mang lại nhiều hệ xấu cho mơi trường Cụ như, q trình đốt nhiên liệu hóa thạch tạo lượng lớn khí CO chất gây ô nhiễm CH 4, NO , SO 2, CFC, bụi mịn, kim loại nặng, góp phần làm tăng nhiệt độ tồn cầu nguyên nhân gây hiệu ứng nhà kính, băng tan Bắc Cực Hình 1.1 Hiệu ứng nhà kính  Biến đổi thời tiết: Gây biến đổi thời tiết đột ngột, tăng cường cảnh báo cần thiết việc chuyển đổi sang nguồn lượng tái tạo Các chất NO SO2 nguyên nhân gây nên mưa axit gây nên phá hoại mùa màng cơng trình xây dựng Trong q trình khai thác xử lý, phân phối than đá ảnh hưởng tiêu cực lớn đến hệ sinh thái tự nhiên mơi trường xung quanh Q trình khai thác than đá, dù nhiều phương pháp khác lộ thiên hay phương pháp hầm lò tác động xấu đến tài nguyên đất nước Đặc điểm cách khai thác than đá này:  Khai thác lộ thiên: Hủy hoại toàn thảm thực vật, lớp đất mặt gây xói mịn đất, nơi cư ngụ nhiều nguồn sinh vật có ích  Khai thác than hầm lò: Khai thác phương pháp gây nên tượng lún đất, ô nhiễm nguồn nước, Hoạt động khai thác dầu khí nước ta góp phần vào phát triển nhiệt điện Mà điện nguồn lượng mà người sử dụng nhiều sống Do việc khai thác dầu khí ngày bị lạm dụng Khai thác dầu khí tạo vấn đề ô nhiễm ô nhiễm không khí, nước, dầu loang, cố tràn dầu, gây lún đất, nghiêm trọng việc tranh giành khai thác dầu khí cịn xảy xung đột quốc gia với Ngồi tác động đến mơi trường, khai thác nguồn lượng hóa thạch ảnh hưởng lớn đến sức khỏe người Ơ nhiễm khơng khí than nguyên nhân gây nên bệnh tim mạch đường hô hấp Người thường xuyên tiếp xúc với bụi than bị mắc bệnh phổi đen hay gọi bệnh bụi phổi, chứng bệnh đến chưa có cách điều trị triệt để Do đó, việc tăng cường sử dụng nguồn lượng tái tạo phát triển công nghệ để tận dụng lượng cách triệt để phần quan trọng bước chuyển đổi lượng tồn cầu Các nguồn lượng hóa thạch bao gồm than đá, dầu mỏ, khí đốt lượng lượng hữu hạn, điều đáng để lưu tâm người tiếp tục sử dụng loại lượng Vì có giải pháp dùng nguồn lượng tái tạo [2] 1.2 Năng lượng tái tạo Năng lượng tái tạo hay lượng tái sinh lượng từ nguồn lượng liên tục vơ hạn lượng mặt trời, gió, mưa, hydro, oxy, thủy triều, sóng địa nhiệt Hình 1.2 Năng lượng tái tạo So với lượng tạo từ nhiên liệu hóa thạch lượng tái tạo có nhiều lợi ích nhiều, kể đến như:  Là nguồn lượng hoàn toàn, thân thiện với thiên nhiên hạn chế tối đa nhiễm đến mơi trường, ngồi chúng cịn nguồn lượng vơ tận nên người tận dụng ưu điểm mà phát triển nguồn lượng tái tạo làm nhiên liệu thay nhiên liệu than, khí đốt, tương lai  Năng lượng tái tạo phong phú đa dạng gió, mặt trời, thủy triều, hydro chúng có tiềm cạnh tranh với lượng hóa thạch tương lai  Năng lượng tái tạo có độ bền cao, sử dụng giúp tiết kiệm điện cho hộ gia đình, doanh nghiệp, nhà máy, Các nguồn lượng tái tạo nguồn lượng giới vịng hai thập niên tới tạo dựng chỗ đứng hệ thống lượng toàn cầu nhanh nhiên liệu lịch sử Từ đó, khuyến khích đổi thách thức đổi phát triển công nghệ lĩnh vực lượng tái tạo Ngồi ra, cịn tạo hội việc làm lĩnh vực phát triển lượng xanh cơng nghiệp tái tạo Tóm lại, lượng xanh hướng để giảm thiểu ảnh hưởng lượng hóa thạch toàn cầu Và nguồn lượng xanh, lượng hydro nguồn lượng mới, hướng mà người đầu tư vào nhiều lĩnh vực TÍNH CHẤT CỦA HYDRO 2.1 Tính chất vật lý Hydro nguyên tố có số electron 1, thấp tất loại khí có mặt Đây chất khí khơng màu, khơng mùi, khơng vị đặc biệt khơng độc hại Khí hydro coi nhiên liệu tương lai, tạo nước chuyển thành nước bị oxy hóa Nó có mặt tất phân tử sinh vật sống có nước Khí hydro ln ln liên kết với ngun tử cacbon oxy với nguyên tố phong phú vũ trụ Khí hydro có khí với thể tích phần triệu Nó sản xuất an tồn từ nguồn khác coi nhiên liệu vận chuyển tương lai thay dầu mỏ Lần vào kỷ 16, khí hydro sản xuất nhân tạo Sự khác biệt khí hydro tạo spin tương đối hạt nhân, khí hydro diện hai đồng phân spin khơng giống phân tử hydro diatomic Khí hydro bao gồm 75% orthohydrogen 25% lại parahydrogen nhiệt độ áp suất tiêu chuẩn Hydro rắn, hydro lỏng hydro khí ba trạng thái hydro khác Khí hydro có nhiệt độ sơi -252,8 oC nhiệt độ nóng chảy -259,14 oC Vì hydro bao gồm electron proton nên nguyên tố nhỏ có mặt tại, đồng thời nguyên tố nhẹ số ngun tố có bảng tuần hồn [5] 2.2 Tính cháy Hydro chất hóa học mà ngun tử có electron Do đó, kết hợp nhanh chóng với nguyên tố khác để tạo thành hợp chất hoàn toàn Hydro thường tồn dạng khí tự nhiên, tạo liên kết H-H yếu Nhờ vào liên kết yếu mình, hydro dễ dàng bị oxy hóa gặp nguyên tố oxy Do đó, hydro dễ bốc cháy Chính cháy khí hydro sinh lượng nhiệt lớn gấp nhiều lần so với nguyên liệu khác như: xăng, dầu nên khí hydro sử dụng làm nhiên liệu cho nhiều động như: động xe ô tô, tên lửa, máy bay… Đây nguồn nguyên liệu quý người tìm kiếm để thay cho xăng, dầu Ngồi ra, khí hydro cịn trì cháy, loại khí nhẹ nên thường sử dụng làm nguyên liệu để bơm vào khinh khí cầu, bóng thám hiểm [6] Hình 2.1 Ngọn lửa hydro Quá trình cháy hydro với oxy để tạo thành hợp chất mới: nước (H2O) sinh nguồn lượng nhiệt vô lớn Đó lý để người sử dụng vào làm nguyên liệu cho tàu vũ trụ phóng thành cơng bên ngồi khơng gian Trái Đất Tuy có nhiều ưu điểm tính cháy khí hydro có số nhược điểm điểm định, kể đến dễ cháy khí đốt tự nhiên lửa gần vơ hình nên ta cần có cảm biến đặc biệt để nhận biết chúng Khi bảo quản bình chứa khí hydro, bình khí hydro cần phải cho vào kho chứa chuyên dụng để nơi râm mát Nếu bắt buộc phải để bình khí ngồi trời, địi hỏi phải có phương tiện bảo vệ để che nắng, mưa Tránh để bình khí hydro chịu ảnh hưởng môi trường hấp thụ mức nhiệt cao làm tăng áp suất bình gây nổ Và đặc biệt nên cách xa nguồn nhiệt Khi bảo quản kho hay vận chuyển khơng để lẫn bình khí hydro chung với dầu, mỡ hay chất dễ cháy nổ khác Đèn chiếu sáng kho chứa bình khí hydro phải loại đèn chuyên dụng để phòng chống nổ Đảm bảo an tồn cho q trình lưu trữ sử dụng [7] Hình 2.2 Tính cháy hydro Hydro có tốc độ cháy hydro 3500m/s nhiệt độ 3100 oC mật độ 4% Hydro phản ứng cực mạnh với clo flo, tạo thành axit hydrohalic, gây tổn thương cho phổi phận khác thể Vì để đảm sức khỏe cho thân cộng đồng, không nên sử dụng hydro để bơm bong bóng cổng dễ xảy tình trạng cháy nổ Chúng ta nên sử dụng khí heli thay để an toàn [8] 2.3 Mật độ lượng hydro Cho dù chứng minh giúp giảm thiểu phát thải CO2, việc chuyển đổi sang sử dụng khí hydro làm nhiên liệu cho tuabin khí phải đối mặt với thách thức khó khăn khác biệt hydro loại nhiên liệu hydrocacbon truyền thống Mật độ theo khối lượng hydro xấp xỉ 143 MJ/kg Tính theo khối lượng, hydro có mật độ lượng cao gấp lần khí metan Tuy nhiên, tính theo thể tích, hydro lại có mật độ lượng thấp lần khí metan Điều có nghĩa cần thể tích khí hydro lớn gấp lần thể tích khí metan để cung cấp nhiệt lượng (năng lượng) đầu vào cho tuabin khí Do đó, để vận hành tuabin khí sử dụng 100% hydro, đòi hỏi hệ thống đường dẫn nhiên liệu thiết kế phù hợp với lưu lượng khối lượng khí hydro cần thiết [9] Hình 2.3 Mật độ lượng hydro Hình 2.4 Mật độ lượng metan Mật độ lượng hydro theo thể tích thấp nên ta cần thay đổi trạng thái khí hydro để đạt hiệu cao Có thể kể đến phương pháp hóa lỏng hydro Lợi ích q trình hóa lỏng mật độ tăng lên 71 kg/m3 dạng lỏng Khí hydro hóa lỏng cách làm lạnh xuống -253°C (-423°F) Sau hóa lỏng, lưu trữ bể cách nhiệt, kể tàu chở dầu vận chuyển cách dễ dàng Hoặc nén khí hydro lưu trữ bình áp suất cao Cách tiếp cận cho phép lưu trữ lượng lớn hydro với thể tích tương đối nhỏ Tuy nhiên, q trình nén địi hỏi tiêu tốn nhiều lượng [10] CÁC PHƯƠNG PHÁP SẢN XUẤT HYDRO HIỆN NAY 3.1 Cơng nghệ Reforming/Khí hóa khí thiên nhiên *Tại thường dùng khí tự nhiên Metan (C H 4) sản xuất Hydro? Hàm lượng hydro metan (C H 4): H %= 4×1 ×100 %=25 % 16 ❑ Hàm lượng hydro propan (C H 8): H %= Hàm lượng hydro butan (C H 10): H %= 8× ×100 %=18.18 % 44 ❑ 10 × ×100 %=17.24 % 58 ❑ Từ ta thấy sản xuất hydro khí metan cho nhiều hydro so với khí tự nhiên khác Nguyên lý: Reforming nước - metan quy trình sản xuất mà nước nhiệt độ cao (700°C - 1000°C) sử dụng để sản xuất hydro từ nguồn khí metan Trong reforming nước - metan, khí metan phản ứng với nước áp suất - 25 bar với có mặt chất xúc tác để tạo hydro, carbon monoxide lượng carbon dioxide tương đối nhỏ Quá trình tái sinh nước trình thu nhiệt - tức nhiệt phải cung cấp cho trình để phản ứng diễn Sau đó, “phản ứng dịch chuyển nước - khí”, carbon monoxide nước phản ứng cách sử dụng chất xúc tác để tạo carbon dioxide nhiều hydro Cuối đến bước “hấp phụ dao động áp suất”, carbon dioxide tạp chất khác loại bỏ khỏi dịng khí, để lại hydro tinh khiết Reforming nước sử dụng để sản xuất hydro từ loại nhiên liệu khác (chẳng hạn ethanol, propan, chí xăng) Phản ứng reforming nước - metan: C H + H O t→° CO+3 H (SMR) Phản ứng dịch chuyển nước - khí: CO+ H O t→° C O2+ H (lượng nhiệt nhỏ) Hình 3.1 Nhà máy sản xuất hydro phương pháp SMR Ưu điểm: có chi phí thấp nhất, hiệu suất phản ứng cao nên ứng dụng phổ biến Nhược điểm: tạo sản phẩm phụ có chứa khí độc CO CO2 gây hiệu ứng nhà kính, phụ thuộc nhiều vào nguồn khí tự nhiên địi hỏi nguồn cung cấp khí tự nhiên ổn định phong phú để hoạt động hiệu Sự thiếu hụt biến động nguồn cung cấp tạo khó khăn ảnh hưởng đến ổn định trình reforming, phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch phản ứng cần lượng nhiệt cao mà thông thường lượng cung cấp cách đốt nguyên liệu hóa thạch dầu mỏ than đá [11] 3.2 Công nghệ khí hóa than Hình 3.2 Nhà máy sản xuất hydro cơng nghệ khí hố than Ngun lý: Hiện nay, khí hóa than cung cấp khoảng 18% tổng lượng hydro giới phương pháp sản xuất hydro lớn thứ hai tiết kiệm chi phí Hydro tạo từ phương pháp khí hóa than qua bước sau: Đầu tiên thông qua trình khí hóa, than biến thành khí tổng hợp nóng (Syngas) nhiệt độ khoảng 1800 oC, hỗn hợp carbon monoxide, hydro carbon dioxide với loại khí vi lượng khác sulfur dioxide hạt vật chất Ở giai đoạn tiếp theo, khí tổng hợp làm mát làm để loại bỏ khí hạt dạng vết Trong trình này, lưu huỳnh, thủy ngân, chất dạng hạt chất nhiễm khác loại bỏ Sau khí tổng hợp làm chuyển sang thiết bị phản ứng chuyển dịch Thông qua phản ứng dịch chuyển, CO chuyển thành CO sau dịng sản phẩm chủ yếu H2 CO Cuối cùng, CO H2 tách thành hai dịng Nếu nhà máy trang bị cơng nghệ Carbon Capture and Storage (CCS), C O2 thu giữ, lưu trữ sử dụng Ưu điểm: than nguồn lượng dồi toàn cầu rẻ tiền Nhược điểm: tạo khí thải C O2, CO, SO2, NOx chất gây ô nhiễm khác [12] 3.3 Công nghệ điện phân nước Nguyên lý: Bằng cách dùng dòng điện để tách nước thành khí H2 O2 Q trình gồm hai phản ứng xảy hai điện cực H2 sinh điện cực âm O2 sinh điện cực dương: 2H2O + Điện → 2H2 + O2 Hình 3.3 Nhà máy sản xuất hydro công nghệ điện phân nước 10 Hiện có cơng nghệ điện phân phổ biến gồm:  Công nghệ điện phân thông thường tiến hành với chất điện phân nước hay dung dịch kiềm Hai phần điện cực âm điện cực dương tách riêng màng ngăn ion để tránh hòa lẫn hai khí sinh  Cơng nghệ điện phân nước nhiệt độ cao khoảng 800 – 1000 oC làm cho trình điện phân diễn với hiệu suất cao hơn, nhiệt cung cấp chủ yếu sử dụng từ nguồn lượng mặt trời nhiệt thừa từ q trình lượng cơng nghiệp phù hợp khác  Công nghệ điện phân nước điện từ nguồn lượng tái tạo điện mặt trời, điện gió, thủy điện tích hợp Cơng nghệ đánh giá sạch, bền vững xu hướng phát triển tương lai Ngoài ra, tự nhiên số loại tảo vi khuẩn sản sinh H2 sản phẩm phụ trình trao đổi chất chúng Tuy nhiên để làm chủ trình phát triển thành quy mơ cơng nghiệp sản xuất H2 cịn nhà khoa học tiếp tục nghiên cứu Ưu điểm: điện cung cấp từ nguồn lượng tái tạo điện mặt trời, gió, thủy điện, tạo hydro khơng gây khí thải cacbon gây nhiễm Nhược điểm: chi phí hạ tầng cao [13] 3.4 Phân loại Hydro Tùy vào phương pháp sản xuất trên, hydro phân loại thành nhóm grey hydrogen (hydro xám), blue hydrogen (hydro xanh lam), green hydrogen (hydro xanh lá) [14] 11 Hình 3.4 Các loại lượng hydro Hydro xám: Khoảng 95% hydro đến từ q trình tái tạo khí metan ( C H 4) nước Tuy nhiên trình tạo lượng khí cacbonic nên sản phẩm hydro trình gọi hydro “xám” Lượng khí nhà kính tạo q trình sản xuất hydro “xám” không thu giữ lại xử lý Và tiếp tục, rõ ràng hành động mâu thuẫn với mục tiêu phát thải mà giới hướng đến [15] Những loại hydro xám cụ thể hydro đen hydro nâu Hydro đen than đen sử dụng (thường q trình khí hóa) để tạo hydro Hydro nâu than non (than nâu) sử dụng để tạo hydro (cũng q trình khí hóa) [21] Hydro lam: “Blue Hydrogen” hay hydro xanh lam tạo từ trình phân tách khí tự nhiên thành hydro C O2 phương pháp reforming khí metan (SMR) cải cách nhiệt tự động- Autothermal reforming (ATR), khí C O2 thu giữ lưu trữ lại thông qua quy trình gọi CCS Do khí C O2 lưu giữ lại nên loại nhiên liệu cho thân thiện với môi trường cộng với việc sử dụng làm nhiên liệu cho động khí thải nước Tuy nhiên Jacobson Đại học Stanford tin việc sử dụng “Blue Hydrogen” gây hại cho khí hậu đốt nhiên liệu hóa thạch, lượng khí thải gây hiệu ứng nhà kính từ hydro xanh lam lớn 20% so với đốt khí tự nhiên than đá [16] Hydro xanh: hydro xanh hydro tạo phương pháp điện phân Điều tạo hydro oxy Chúng ta sử dụng hydro thải oxy vào khí mà khơng có tác động tiêu cực Để đạt điện phân, cần điện, cần lượng Quá trình sản xuất hydro xanh cung cấp lượng từ nguồn lượng tái tạo, chẳng hạn gió mặt trời Điều 12 làm cho hydro xanh trở thành lựa chọn – hydro từ nguồn lượng tái tạo khơng có sản phẩm phụ C O2 [17] Ngoài ngành lượng, màu khác sử dụng để phân biệt loại hydro Mặc dù màu xám, xanh lam xanh màu phổ biến hydro tồn màu sắc khác như: vàng, xanh ngọc trắng Hình 3.5 Phân biệt màu hydro từ phương pháp sản xuất Hydro vàng: màu vàng hydro đơi biểu thị tạo thông qua điện phân lượng mặt trời Tuy nhiên, sử dụng để điện sử dụng cho trình điện phân đến từ nguồn hỗn hợp Sự kết hợp nguồn đến từ lưới điện, dựa tình trạng sẵn có bao gồm lượng tái tạo nhiên liệu hóa thạch [18] Hydro xanh ngọc: chưa chứng minh quy mô lớn Hydro xanh ngọc tạo quy trình gọi nhiệt phân metan để tạo hydro phân tử cacbon rắn Trong tương lai, hydro xanh ngọc đánh giá loại hydro có lượng phát thải thấp, phụ thuộc vào q trình nhiệt cung cấp từ lượng tái tạo lượng cacbon lưu trữ sử dụng vĩnh viễn [19] Hydro trắng: hydro trắng tương ứng với hydro địa chất xuất tự nhiên tìm thấy trầm tích lịng đất tạo thơng qua fracking Tại thời điểm này, chưa có chiến lược rõ ràng để khai thác loại hydro phí ước tính việc chiết xuất hydro trắng chưa xác định Tận dụng hydro trắng bước quan trọng giúp phương pháp sản xuất hydro với lượng phát thải cacbon thấp vượt qua phương pháp truyền thống gây ô nhiễm [20] Như vậy, phương pháp sản xuất, đường tốt dùng phương pháp điện phân nước sử dụng lượng tái tạo lượng mặt trời hay lượng gió để tạo nguồn nhiên liệu hydro hoàn toàn xanh (green hydrogen) 13 ỨNG DỤNG NĂNG LƯỢNG HYDRO 4.1 Pin nhiên liệu hydro 4.1.1 Nguyên lý hoạt động Loại pin nhiên liệu phổ biến cho ứng dụng Polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFC). Trong pin nhiên liệu PEM, màng điện phân kẹp điện cực dương (cực âm) điện cực âm (cực dương). Hydro đưa vào cực dương oxy (từ khơng khí) đưa vào cực âm. Các phân tử hydro vỡ thành proton electron phản ứng điện hóa chất xúc tác pin nhiên liệu. Các proton sau di chuyển qua màng đến cực âm Các electron buộc phải di chuyển qua mạch điện bên ngồi để thực cơng (cung cấp lượng cho tơ điện) sau kết hợp lại với proton phía cực âm nơi proton, electron phân tử oxy kết hợp với tạo thành nước [22] Hình 4.1 Nguyên lý hoạt động PEMFC 4.1.2 Giao thơng vận tải PEMFC sử dụng nhiều phương thức vận chuyển khác Trong đó, nhiều mẫu xe sử dụng PEMFC thay nhiên liệu đốt truyền 14 thống đưa vào thương mại hóa Trong đó, Toyota Mirai xe mang tính cách mạng tiền thân việc sản xuất xe sử dụng pin nhiên liệu hydro - Hydrogen Fuel Cell Electric Vehicle (HFCEV) hàng loạt [23] Hình 4.2 Cấu tạo xe sử dụng pin nhiên liệu hydro Ngồi ra, có nhiều loại xe buýt, xe tải sử dụng PEM nguồn lượng xe buýt Caetano H2 City Gold, Toyota Sora xe tải Nikola Tre [24] [25] [26] Alstom Coradia iLint tàu chở khách chạy pin nhiên liệu hydro, tàu giới hoạt động thương mại Nó giới thiệu lần Đức vào năm 2016 sử dụng số quốc gia khác, bao gồm Pháp, Áo Thụy Điển dừng hoạt động chi phí vận hành cao tàu chạy pin thông thường 15