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 trọn
QUÁ TRÌNH CHUYỂN HÓA NĂNG LƯỢNG
Từ nền kinh tế dựa trên nhiên liệu hóa thạch dến 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 Đa số các phương tiện giao thông hiện nay (xe hơi, xe máy, máy bay…) đều sừ dụng nhiên liệu hóa thạch là xăng dầu, không những thế các nhà máy điện là nhiệt điện cũng sử dụng dầu hỏa, khí thiên nhiên hay than đá để làm nguyên liệu Nếu trong có nhiên liệu hóa thạch thì thế giới sẽ rơi vào sự khủng hoảng.
Trong khi nhiên liệu hóa thạch đóng một vai trò cực kì quan trọng trong việc đưa xã hội đến mức phát triển như ngày nay thì nó cũng tồn tại những vấn đề gây hại đến môi trường như: ô nhiễm môi trường 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 là nguồn tài nguyên hữu hạn và không thể tái tạo được, một khi nguồn tài nguyên bị cạn kiệt do khai thác quá mức sẽ dẫn đến những hệ lụy chính trị và kinh tế khác, thậm chí cả những cuộc chiến tranh giành dầu mỏ.
Giữa bối cảnh đó, con người đã nghiên cứu và phát hiện ra khái niệm nền kinh tế hydro dựa trên nguồn năng lượng sạch, dồi dào để phục vụ mục tiêu phát triển bền vững của nhân loại Đây là 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 đã được tập đoàn General Motors đặt ra vào năm 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, đây 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 ra hydro không hề tạo ra 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 oxi 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 dầu nhập khẩu từ nước ngoài Nước có ở tất cả mọi nơi, là nguồn năng lượng vụ tận, chiếm đến ắ bề mặt trỏi 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 trên của hydro là rất đáng kể Tất cả thế mạnh đó đã tạo nên một bước đột phát mạnh mẽ hướng nhân loại tiến đến nền kinh tế hydro.
Sản xuất hydro
Hydro là nguyên tố phổ biến nhất, cấu thành đến 90% vật chất của vũ trụ (75% theo trọng lượng) Hydro có cấu trúc đơn giản nhất 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 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 Khác với các nguồn nhiên liệu hóa thạch, hydro là nguồn năng lượng thứ cấp, nói theo cách khác là không thể khai thác
Phương pháp chuyển hóa từ hydrocacbon (nhiên liệu hóa thạch, sinh khối) bằng nhiệt.
Phương pháp phân hủy nước.
1.2.1 Phương pháp khí hóa từ hydrocacbon
1.2.1.1 Khí hóa khí thiên nhiên
Quá trình nay gồm hai bước chính:
Trước hết, khí thiên nhiên (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 900 o C.
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 Đây là phương pháp công nghiệp phổ biến để sản xuát hydrogen.
Than đá được nghiền thành dạng bộ rồi hòa trồn với nước Phản ứng được tiến hành ở khoảng 1400 o C 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 them khí H2.
Nhược điểm của hai phương pháp trên:
Sừ dụng nguồn nhiên liệu hóa thạch.
Sản phẩm sinh ra khí CO và CO2 gây hiệu ứng nhà kính.
Điều kiện phản ứng khá khắc nghiệt, tốn hao nhiên liệu lớn.
Do vậy, hai phương pháp này chỉ để cung cấp nguyên liệu cho các sản xuất hóa chất, sản xuất phân bón…
Tuy vậy, nhiên liệu hóa thạch còn tương đối dồi dào, nhất là đối với khí thiên nhiên nên sản xuất khí hydrogen từ nhiên liệu hóa thạch sẽ còn chiếm ưu thế trong tương lai gần Ngoài ra, có thể thu hồi CO2 để hạn chế tác động đến môi trường.
Phương pháp này là phương pháp được tập trung khai thác nhiều nhất bởi vì sừ dụng nguồn năng lượng vô tận là 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 diện 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 trờn anode: 2 OH - - 2 e - H2O + ẵ 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.
Sơ đồ quá trình điện phân và thu hydro
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.
Sử dụng nguồn năng lượng vô tận là mặt trời.
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 dơn giản, dễ vận hành.
Với đặc điểm sử dụng các nguồn năng lượng tái sinh và không gây ra bất kì vấn đề nào về ô nhiễm môi trường nên cả hai phương pháp đều có vai trò là nền tảng cùa nền kinh tế hydro.
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 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.
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 vận 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.
LỢI ÍCH HYDROGEN – NỀN KINH TẾ HYDROGEN
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.
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, có tỉ trọng bằng 1/14 tỉ trọng của không khí.
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.
Xe hơi sử dụng pin nhiệu liệu hydrogen
Ứng dụng của hydrogen
Hydrogen sử dụng làm nhiên liệu cho 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 thộng 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 chiếu sáng, sưởi ấm…
Hydrogen sử dụng trong pin nhiên liệu: 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 Pin nhiên liệu chạy rất êm, không gây ra tiếng động, chấn động như động cơ đốt trong Đạt hiệu suất cao hơn so với động cơ đốt trong nên tiết kiệm năng lượng hơn Với những ưu thế vượt trội đó, pin nhiên liệu đang ngày càng được quan tâm và đầy triển vọng trong tương lai.
Những khó khăn khi sử dụng nhiên liệu hydro
2.3.1 Khó khăn trong quá trình sản xuất hydro
Hydro chỉ tồn tại trong tự nhiên ở dạng hợp chất (nước hoặc hydrocarbon) Để có được hydro, người ta phải tách nó bằng một số quá trình hóa – lý (điện phân hydro từ nước) Năng lượng để thực hiện việc điện phân do các nhà máy điện cung cấp Việc sử dụng hydro không gây ra hiệu ứng nhà kính nhưng việc tao ra hydro để sử dụng thì vẫn để lại hậu quả này Nếu chúng ta chỉ khai thác hydro từ các nguồn năng lượng sạch như năng lượng nước, gió, mặt trời… thì sẽ không gây hại Đây là một vấn đề không hề đơn giản.
2.3.2 Giá cả trong quá trình sản xuất hydro
Biểu đồ so sánh chi phí sản xuất của hydro ở các nước ($/kg)
Giá thành sản xuất hydro từ khí thiên nhiên vẫn còn khá cao so với xăng dầu vào năm
2015 Mục tiêu tương lai là giảm giá thành sản xuất hydro xuống để cạnh tranh được với xăng sử dụng ở động cơ đốt trong và nhiên liệu kép.
Người ta ước tính rằng vào năm 2040, thế giới hàng năm sẽ cần đến 150 triệu tấn hydro Để đáp ứng nhu cầu này chỉ từ khí thiên nhiên cần khoảng 0,43 triệu m 3 khí hàng năm và tiêu tốn khoảng 1 nghìn tỉ đô la Trong trường hợp của năng lượng mặt trời cần đến 113 tỉ các hệ thống 40 kWh với 2500 kWh năng lượng mặt trời/m 2 , tiêu tốn 22 nghìn tỉ đô la…
2.3.3 Tính hiệu quá trong quá trình sử dụng hydro
Một vấn đề khác là tính hiệu quả sử dụng của hydro trong quá trình sử dụng, đặc biết đối với ngành giao thông vận tải Để một chiếc xe chạy bằng hydro có thể đi hết quãng đường tối thiểu là 500 km giữa hai lần nạp nhiên liệu, người ta phải nén hydro ở áp suất cực lớn khoảng hơn 700 kg/cm 2 Ngay cả ở áp suất này, xe chạy bằng hydro cần một bình chứa nhiên liệu lớn gấp 4 lần so với bình xăng ở xe bình thường Hydro lỏng có hiệu quả cao hơn.
Hydrogen là khí không màu, không mùi, không vị và rất hoạt động Khi hydrogen cháy sẽ mang mối nguy hiểm tiềm ẩn bởi ngọn lửa của nó không thể nhận thấy bằng mắt thường Do đó có thể lan đi mà người ta không thể nhận biết để cảnh báo Tuy nhiên, hydrogen cháy an toàn hơn các nhiên liệu hóa thạch thông thường Hydrogen có tốc độ bừng cháy rất cao và tiêu tán nhanh Do đó, hydrogen thường bùng lên rất nhanh rồi hết.
Hydrogen khi bị đốt cháy sinh ra nhiệt và hơi nước Do không có carbon, hơn nữa hơi nước lại là chất hấp thụ nhiệt nên hydrogen cháy tỏa nhiệt ít hơn nhiều so với khi các hydrocarbon cháy và đám cháy không lan đi.
Tỉ trọng thấp và khả năng khuếch tán nhanh cho phép hydrogen thoát nhanh vào khí quyển nếu như có sự rò rỉ xảy ra Trong khi đó, xăng dầu có tỉ trọng cao và khả năng khuếch tán thấp, dễ tụ lại gần mặt đất làm gia tăng rủi ro cháy nổ.
LƯU TRỮ HYDRO
Lưu chứa hydrogen dưới dạng khí nén
hạn chế về không gian lữu trữ thì áp suất trong bình được tăng lên đến 700 bar để chứa được càng nhiều hydrogen.
Các bình áp suất chứa khí nén thường làm bằng thép nên rất nặng Các bình áp suất hiện điện được làm từ những vật liệu composite và nhẹ hơn rất nhiều Một kg hydro chiếm 11 m 3 ở áp suất và nhiệt độ môi trường, do đó đòi hỏi lưu trữ nén rất lớn.
Lưu chứa hydrogen dưới dạng khí hóa lỏng
Hydrogen chỉ tồn tại ở thể lỏng dưới nhiệt độ -235 o C Để nén hay làm lạnh (hóa lỏng) hydrogen thì phải tiêu tốn khá nhiều năng lượng, do đó tổn thất năng lượng hao hụt đến 30% khi dùng phương pháp này Tuy nhiên, ưu điểm của việc lưu trữ hydrogen đuối dạng lỏng tốn ít không gian nhất, đo hydrogen có tỉ trọng năng lượng theo thể tích cao nhất khi hóa lỏng Vì thế cách lưu trữ này thí ch hợp với các ứng dụng di động như phương tiện giao thông Hiện tại người ta đã sản xuất xe chạy bằng pin nhiên liệu và xây dựng các trạm nhiên liệu hydro Ngoài ra, đối với tất cả các ứng dụng khác thì không nên dùng cách lưu trữ này bởi sự tiêu tốn khá nhiều năng lượng cần để hóa lỏng.
Lưu trự hydrogen nhờ hấp thụ hóa học
Hydrogen có thể được giữ trong nhiều hợp chất nhờ liên kết hóa học và khi cần thiết, phản ứng hóa học sẽ xảy ra để giải phóng chúng, sau đó hydrogen được thu thập và đưa vào sử dụng trong pin nhiên liệu Các phản ứng hóa học thay đổi tùy theo hợp chất dùng để lưu trữ hydrogen Ví dụ như: NH3BH3 thì hydro được giải phóng nhờ nhiệt ở 100-
3000 o C hay hydro có thể giải phóng qua quá trình thủy phân (tác dụng với nước) của các hydride như LiH, LiBH4… Với phương pháp này, ta có thể điều chỉnh được lượng hydrogen sinh ra theo nhu cầu.
Lưu trữ hydrogen trong các hydrua kim loại (Metal Hydride)
Phương pháp này sử dụng một số hợp kim có khả năng độc đáo, có thể hấp phụ hydrogen Các hợp kim này hoạt động giống như miếng xốp có thể hút nước vậy, chúng
“hút bám” hydrogen, tạo nên các hydrua kim loại Khi một hydrua kim loại được “lấp kín” dần với các nguyên tử khí hydrogen, nó sẽ tỏa nhiệt, do đó khi muốn giải phóng hydrogen thì ta sẽ phải cung cấp nhiệt cho nó.
Khi muốn lưu trữ hydro trên kim loại, các yêu tố mong muốn đạt được là:
Lượng hydro trên một đơn vị khối lượng phải cao
Nhiệt độ phân ly thấp
Áp lực phân ly vừa phải
Nhiệt độ hình thành liên kết hydrua thấp để giảm thiểu năng lượng cần thiết khi giải phóng hydro và tốc độ tản nhiệt thấp trong quá trình hydride tỏa nhiệt
Vấn đề thuận nghịch, năng lượng phải hạn chế trong hình thành và giải phóng hydro
Động học diễn ra nhanh
Ổn định cao tránh O2 và độ ẩm trong suốt một vòng luân chuyển dài
Chi phí tái chế và cơ sở hạ tầng thấp
Phương pháp này có thể chứa được một lượng rất lớn thể tích khí hydrogen hấp phụ vào kim loại Tuy nhiên, lượng hydrogen hấp phụ chỉ chiếm khoảng 1-2% tổng trọng lượng bình chứa (kim loại) Vì thế mà các bình chứa dạng này khá nặng và không thể sử dụng trong các ứng dụng di động. Ưu điểm của phương pháp này là hầu hết các hydrua kim loại có thể hoạt động ở áp suất bình thường, do đó đây là điểm thuận lợi của việc lưu trữ hydrogen nhờ các hydrua kim loại.
Lưu trữ hydrogen trong ống carbon nano rỗng
Phương pháp này vệ nguyên tắc tương tự như hydrua kim loại trong cơ chế lưu giữ Ưu điểm mạng tính đột phá của công nghệ nano này chính là lượng lớn hydrogen mà nó có thể lưu trữ được, so với cách lưu trữ bằng hợp kim thì ống carbon nano nhẹ hơn Ống carbon nano có thể chứa được lượng hydrogen từ 4-65% trọng lượng của chúng.
Lưu trữ hydrogen trong các vi cầu thủy tinh (Glass Microsphere)
Các khối cầu thủy tinh rỗng tí hon có thể được dùng như một phương thức lưu trữ hydrogen an toàn Những vi cầu rỗng này được làm nóng dẻo, gia tăng khả năng thấm của thành thủy tinh, rồi được lấp đầy khi được đặt ngập trong khí hydrogen với áp suất cao Các khối cầu này được làm nguội để “khóa lại” hydrogen bên trong khối thủy tinh Khi ta tăng nhiệt độ, hydrogen sẽ được giải phóng ra khỏi khối cầu và sử dụng.
Phương pháp này rất an toàn, tinh khiết và có thể chứa được hydrogen ở áp suất thấp.Nên khá là an toàn.
PIN NHIÊN LIỆU
Khái niệm về pin nhiên liệu
Năm 1839, nhà khoa học tự nhiên người xứ Wales – William Robert Grove đã chế tạo ra mô hình thực nghiệm đầu tiên của pin nhiên liệu, bao gồm hai điện cực platin được bao trùm bởi hai ống hình trụ bằng thủy tinh, một ống chứa hydro và ống kia chứa oxy Hai điện cực được nhúng trong axit sulfuric loãng là chất điện phân tạo thành dòng điện một chiều Vì việc chế tạo các hệ thống pin nhiên liệu quá phức tạp và giá thành cao nên công nghệ này dừng lại ở đấy cho đến thập niên 1950.
Trong thời gian này ngành du hành vũ trụ và kỹ thuật quân sự cần dùng một nguồn năng lượng nhỏ gọn và có năng suất cao Các tàu du hành vũ trụ và tàu ngầm cần dùng năng lượng điện không thông qua động cơ đốt trong NASA đã dùng cách sản xuất điện trực tiếp bằng phương pháp hóa học thông qua pin nhiên liệu trong các chương trình du hành vũ trụ Gemini và Apollo vào năm 1965.
Nhờ chế tạo được các màng (membrane) có hiệu quả cao và các vật liệu có khả năng chống ăn mòn hóa học tốt hơn và cũng nhờ vào công cuộc tìm kiếm một nguồn năng lượng thân thiện môi trường cho tương lai, pin nhiên liệu được phát triển mạnh vào đầu thập niên 1990 Thông qua đó việc sử dụng pin nhiên liệu dành cho các mục đích dân sự đã trở thành hiện thực Ngày nay, phạm vi sử dụng pin nhiên liệu đã được mở rộng từ vận hành ô tô, nhà sưởi qua các nhà máy phát điện cho đến những ứng dụng bé nhỏ như trong
Pin nhiên liệu là một thiết bị có thể chuyển đổi trực tiếp hóa năng của nhiên liệu thành điện năng nhờ vào các quá trình điện hóa Nguồn nhiên liệu cơ bản cần thiết cho pin vận hành gồm: hydro, methanol, ethanol… và chất oxy hóa (thường là oxy từ không khí).
Trong pin nhiên liệu hoàn toàn không có sự cháy như trong động cơ đốt trong, do đó pin nhiên liệu sinh ra lượng khí ít gây ô nhiễm môi trường… Mặt khác, nó không có sự chuyển hóa nhiệt thành cơ dùng nhiên liệu hóa thạch nên hiệu suất không bị giới hạn.
Tương tự như acquy, pin nhiên liệu cũng là một thiết bị tạo ra dòng điện thông qua cơ chế phản ứng điện hóa Tuy nhiên, điểm khác biệt là pin nhiên liệu có thể tạo ra dòng điện liên tục khi cung cấp đầy đủ nhiên liệu cho nó Trong khi đó, acquy cần phải nạp điện lại (sạc) từ một nguồn điện bên ngoài sau một thời gian sử dụng Như vậy, muống tái sử dụng acquy cần phải có một thời gian dài để nạp điện lại, trong khi đối với pin nhiên liệu chỉ cần cung cấp nhiên liệu là có thể sử dụng được ngay.
Nhiên liệu hydrogen
4.2.1 Vai trò của hydro trong pin nhiên liệu
Pin nhiên liệu PEM cần hydro để hoạt dộng Hydro là phần tử phổ biến nhất trong vũ trụ Trước tiên, hydro có năng lượng cao nhất trong tất cả nhiên liệu khoảng 2,5 lần so với nhiều năng lượng khác như khí thiên nhiên hoặc xăng mỗi đơn vị khối Thứ hai, hydro rất sạch (không độc, không mùi và không carbon) Hydro có thể tạo ra từ nhiều tài nguyên Hydro đóng một vai trò quan trọng trong giảm tính phụ thuộc dựa trên nhiên liệu hóa thạch.
Hydro cung cấp giải pháp năng lượng linh hoạt bền vững và không gây ô nhiễm môi trường, hiệu suất cao An toàn và bền vững cho năng lượng với hydro giành cho công nghệ pin nhiên liệu với giá thành hấp dẫn.
4.2.2 Tính chất vật lí của hydrogen
Hydro là nguyên tố phổ biến nhất trong vũ trụ, chiếm 75% các vật chất thông thường theo khối lượng và trên 90% theo số lượng nguyên tử Nguyên tố này được tìm thấy với một lượng khổng lồ trong các ngôi sao và các hành tinh khí khổng lồ Nguồn chủ yếu của nó là nước, bao gồm hai phần hydro và một phần oxy (H2O) Các nguồn khác bao gồm phần lớn các chất hữu cơ như than, nhiên liệu hóa thạch và khí tự nhiên Methane (CH4) là một nguồn quan trọng của hydro Nguyên tử hydro là nguyên tố nhẹ nhất với đồng vị phổ biến nhất của nó chỉ có một proton và một electron Nguyên tử hydro dễ dàng hình thành các phân tử H2, kích thước nhỏ hơn so với hầu hết các phân tử khác Ở trạng thái phân tử, H2 không màu, không mùi, không vị, nhẹ hơn không khí khoảng 14 lần và khuếch tán nhanh hơn bất kì chất khí khác Hydro có khối lượng riêng 0,09 kg/m 3 Do đó là chất nhẹ nhất được biết đến với tỷ trọng so với không khí là 1,2 kg/m 3 Hydro rắn có độ dẫn điện lớn hơn bất kì chất rắn khác.
Molecular weight (trọng lượng phân tử) 2.01594
Density of gas at 0 o C and 1 atm (mật độ khí ở 0 o C và 1 atm) 0.08987 kg/m 3 Density of solid at -259 o C (mật độ chất rắn ở -259 o C) 858 kg/m 3 Density of liquid at -253 o C (mật độ chất lỏng ở -253 o C) 708 kg/m 3 Boiling temperature at 1 atm (nhiệt độ sôi ở 1 atm) -253 o C
Critical temperature (nhiệt độ tới hạn) -240 o C Critical pressure (áp suất tới hạn) 12.8 atm Critical density (mật độ tới hạn) 31.2 kg/m 3 Heat of fusion at -259 o C (nhiệt độ phản ứng ở -259 o C) 58 kJ/kg
Heat of vaporization at -253 o C (nhiệt độ bay hơi ở -253 o C) 447 kJ/kg Thermal conductivity at 25 o C (độ dẫn nhiệt ở 25 o C) 0.019 kJ/(ms o C)
Viscosity at 25 o C (độ nhớt ở 25 o C) 0.00892 centipoiseHeat capacity (Cp) of gas at 25 o C (nhiệt dung của khí ở 25 o C) 14.3 kJ/(kg o C)Heat capacity (Cp) of liquid at -256 o C (nhiệt dung riêng của lỏng) 8.1 kJ/(kg o C)Heat capacity (Cp) of solid at -259.8 o C (nhiệt dung riêng của rắn) 2.63 kJ/(kg o C)
Hydro rất dễ cháy trên một phạm vi nhiệt độ và nồng độ rộng Hiệu quả của quá trình đốt cháy vượt qua sức tưởng tượng và được mong đợi như là một loại nhiên liệu mới cho tương lai, nhưng chắc chắc gây nhiều thử thách trong công nghệ như: an toàn trong sản xuất, lưu trữ và vận chuyển hydro Khi hydro phản ứng với oxy, hydro sẽ bùng nổ giải phóng năng lượng trong động cơ đốt trong hoặc tạo ra sản phẩm là nước trong pin nhiên liệu Không giống như than và hydrocacbon là loại nhiên liệu có sẵn và sẵn sàng sử dụng trực tiếp thì hydro cần phải được tổng hợp.
Một trong những ứng dụng quan trọng và thu hút nhất của hydro là năng lượng điện, có thể được sử dụng trong pin nhiên liệu Hiện nay, các pin nhiên liệu H2/O2 với hiệu suất pin 50-60% hoạt động lên tới 3000 giờ Phạm vi sản lượng hiện tại 440-1720 A/m 2 của bề mặt điện cực, có thể cung cấp một sản lượng diện khác nhau từ 50-2500 W.
Do sự khuếch tán cao, độ nhớt thấp và tính chất hóa học độc đáo, dễ cháy của hydro là hơi khác so với các loại nhiên liệu khác Tính dễ cháy khác nhau được mô tả như sau:
Phạm phi cháy (Wide Range of Flammability): Trong không khí, hydro dễ cháy ở nồng độ 4-75% (lớn hơn nhiều so với xăng, 1-7,6%) và nổ trong phạm vi nồng độ 15- 59% Nhưng trong thực tế, phạm vi rộng lớn cho phép kiểm soát them qua các động cơ hoạt động cho khí thải và nhiên liệu Ngoài ra, do sự đốt cháy hoàn toàn nên tiết kiệm nhiên liệu Sản phẩm đốt cháy nhiên liệu hydro thấp hơn với xăng dầu, giảm lượng chất gây ô nhiễm như các oxit nito… thải ra môi trường.
Năng lượng kích cháy thấp (Low Ignition Energy): Năng lượng cần thiết để kích cháy hydro là 0,02 mJ ít hơn khoảng 10 lần so với xăng dầu (0,24 mJ) Năng lượng thấp cho phép đánh lửa động cơ hydro nhanh chóng ngay cả trong các hỗn hợp.
Khoảng cách dập lửa nhỏ (Small Quenching Distance): Ngọn lửa hydro có khoảng cách dập tắt (0,64 mm) nhỏ hơn so với xăng (khoảng 2 mm) Vì vậy, khó mà làm dịu một ngọn lửa hydro hơn một ngọn lửa xăng Khoảng cách dập tắt nhỏ hơn cũng có thể làm tăng xu hướng cháy trở lại của ngọn lửa.
Nhiệt độ tự bốc cháy (Autoignition Temperature): Nhiệt độ tự bốc cháy là nhiệt độ tối thiểu cần thiết để bắt đầu quá trình tự đốt cháy trong một hỗn hợp nhiên liệu dễ cháy trong trường hợp không có lửa bên ngoài khơi nguồn Với hydro, nhiệt độ tự bốc cháy tương đối cao khoảng -585 o C, có nghĩa là nó rất dễ cháy trong một hỗn hợp hydro không khí mà không cần một nguồn đánh lửa bổ sung Nhiệt độ này có ý nghĩa quan trọng khi một hỗn hợp hydro-không khí được nén trong thức tế, nhiệt độ bốc cháy là một yếu tố quan trọng trong việc xác định tỉ lệ nén tối đa một chất có thể sử dụng, vì sự gia tăng nhiệt độ trong quá trình nén có liên quan đến tỉ lệ nén Nhiệt độ không được vượt quá nhiệt độ tự bốc cháy của hydro để tránh đánh lửa sớm Tỉ lệ nén cao ảnh hướng đến hiệu quả nhiệt của hệ thống.
Tốc độ cháy cao (High Flame Speed): Tốc độ ngọn lửa hydro (3,46 m/s) nhanh hơn so với xăng (0,42 m/s) Do đó, động cơ hydro có thể tiếp cận gần hơn các chu kỳ động cơ nhiệt động lực học.
Tính giòn của hydro (Hydrogen Embrittlement): Tiếp xúc liên tục với hydro là nguyên nhân hydro tạo ra tính giòn, có thể dẫn đến rò rỉ hoặc làm giòn cả kim loại và phi kim loại Nồng độ hydro, độ tinh khiết, áp suất, nhiệt độ, loại tạp chất, mức độ áp lực, tốc độ áp lực, thành phần kim loại, độ bền kéo kim loại, kích thước hạt, vi cấu trúc, xử lý nhiệt là những yếu tố gây nên tính giòn của hydro Ngoài ra, độ ẩm trong khí hydro ảnh hưởng đến tính dễ vỡ kim loại thông qua việc thúc đẩy sự hình thành của các vết nứt.Tính rò rỉ (Hydrogen Leakage): Do tỉ trọng thấp và tính khuếch tán cao, hydro phân tán trong không khí nhanh hơn đáng kể so với xăng Đầu tiên, phân tán cao tạo điều kiện
Cấu tạo và nguyên lí hoạt động của pin nhiên liệu
Pin nhiên liệu hydrogen biến đổi năng lượng hoát học của hydro trực tiếp thành năng lượng điện và nhiệt.
4.3.1 Cấu tạo pin nhiên liệu hydro
Hình ảnh cấu tạo của pin nhiên liệu
Một pin nhiên liệu đơn giản gồm có hai điện cực là anode (điện cực trên đó xảy ra quá trình oxy hóa) và cathode (điện cực trên đó xảy ra quá trình khử) Giữa hai điện cực còn chứa chất điện giải (electrolyte) dùng để vận chuyển các hạt ion từ điện cực này sang điện cực khác và chất xúc tác nhằm tăng tốc độ phản ứng. bởi chất điện phân khiến hydro bị chia thành một proton và một điện tử Các phản ứng hóa học tạo ra dòng điện phân trong khi điện tử buộc phải mất một con đường khác xung quanh nó để tạo ra một dòng điện trước khi tái kết hợp với proton của hydro một lần nữa và kết hợp với oxy thông qua một chất xúc tác tạo ra phân tử nước.
Tùy thuộc vào từng loại pin nhiên liệu mà chất điện giải có thể ở thể rắn, thể lỏng hoặc có cấu trúc màng Loại màng được sử dụng trong các pin nhiên liệu hoạt động ở nhiệt độ thấp thường là Nafion, chỉ cho phép những ion thích hợp đi qua giữa anode và cathode của pin nhiên liệu mà không cho phép các electron di chuyển qua nó. Để thúc đẩy các phản ứng hóa học xảy ra, người ta còn bổ sung chất xúc tác vào giữa các diện cực và chất điện giải bằng nhiều cách khác nhau tùy theo từng loại pin nhiên liệu Chất xúc tác có thể là vật liệu của điện cực hoặc là một chất khác được đặt tiếp xúc giữa các điện cực và lớp điện phân hoặc được phủ trực tiếp lên chất điện phân Mặc dù chất xúc tác trong các loại pin nhiên liệu có thể khác nhau vệ vật liệu và cấu tạo nhưng chúng đều có công dụng là thúc đẩy các phản ứng hóa học xảy ra ở các điện cực, giảm năng lượng hoạt hóa của quá trình hóa học Chất xúc tác thường dùng trong pin nhiên liệu là: platin hoặc hợp kim của platin với kim loại khác như Ru, Ni, Co…
4.3.2 Nguyên lí hoạt động của pin nhiên liệu hydro
Có nhiều kiểu pin nhiên liệu và mỗi kiểu vận hành theo một cách nào đó tùy thuộc vào loại nhiên liệu và chất điện giải sử dụng trong pin Tuy nhiên, quá trình hoạt động của pin nhiên liệu thường tuân theo nguyên tắc cơ bản sau:
Hình nguyên lí hoạt động của pin nhiên liệu
Nhiên liệu đi vào điện cực anode bị oxy hóa hình thành ion H + mang điện tích dương (proton) cùng với electron, Các electron mang điện tích âm không đi qua màng Nafion nên không thể di chuyển trực tiếp từ anode sang cathode mà phải đi vòng qua mạch điện bên ngoài, tạo ra dòng điện một chiều Khí oxy được cung cấp đến điện cực cathode của pin nhiên liệu sẽ nhận các electron này, tạo thành các ion (O 2- ) Trong một số dạng pin nhiên liệu, các ion O 2- sẽ kết hợp với các ion H + vừa đi qua chất điện giải từ anode của pin nhiên liệu để tạo thành nước Trong một số dạng pin nhiên liệu khác, các ion oxy sẽ di chuyển qua chất điện giải đến anode, gặp và kết hợp với các ion H + ở đó tạo thành chuyển từ anode sang cathode thông qua một mạch điện bên ngoài, nên dòng điện đi qua mạch điện có chiều từ cathode sang anode Vì vậy, cathode là điện cực dương và anode là điện cực âm của pin nhiên liệu.
Lượng điện thu được từ pin nhiên liệu phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: loại pin nhiên liệu, kích cỡ pin, nhiệt độ hoạt động, áp suất không khí được cung cấp vào pin… Tùy theo từng loại pin nhiên liệu mà điện áp của pin sẽ khác nhau, nhưng thông thường nằm trong khoảng từ 0,3 đến 0,9V.
Sơ đồ pin khi hoạt động
Hai nhiên liệu cơ bản cần thiết cho pin nhiên liệu hydro vận hành là hydrogen và oxygen Lợi thế hấp dẫn của pin nhiên liệu là tạo ra dòng điện sạch, rất ít ô nhiễm do sản phẩm phụ của quá trình phát điện cuối cùng chỉ là nước và không hề độc hại.
Chất điên phân đóng vai trò quyết định chủ chốt Nó chỉ cho phép những ion thích hợp đi qua giữa anode và cathode, nếu electron tự do hay các chất khác cũng có thể đi qua chất điện phân này, chúng sẽ làm hỏng các phản ứng hóa học.
Dù gặp ở anode hay cathode, khi hydrogen và oxygen kết hợp với nhau sẽ tạo ra nước và thoát ra khỏi pin Pin nhiên liệu sẽ liên tục phát điện khi vẫn được cung cấp hydrogen và oxygen Dưới đây là sơ đồ mô tả hai phản ứng cơ bản trong pin nhiên liệu mà phản ứng tổng quan của chúng chính là phản ứng nghịch của quá trình điện phân nước:
Phản ứng trên anode: 2 H2 4 H + + 4 e - Phản ứng trên cathode: O2 + 4 H + + 4 e - 2 H2O
Tổng quan: 2 H2 + O2 2 H2O + năng lượng (điện)
Phân loại pin nhiên liệu
Hiện nay, có rất nhiều kiểu pin nhiên liệu, sử khác nhau của chúng chủ yếu là ở chất điện giải, loại nhiên liệu mà chúng sử dụng, nhiệt độ vận hành của chúng… Tuy nhiên, người ta thường dựa vào chất điện giải để phân loại cho chúng Theo cách phân loại này, pin nhiên liệu hiện này có các loại sau:
1) Pin nhiên liệu kiềm (AFC).
2) Pin nhiên liệu carbonat nóng chảy (MCFC).
3) Pin nhiên liệu axit photphoric (PAFC).
4) Pin nhiên liệu mạng Proton (PEMFC).
5) Pin nhiên liệu oxit rắn (SOFC).
6) Pin nhiên liệu methanol trực tiếp (DMFC).
4.4.1 Pin nhiên liệu kiềm (Alkaline Fuel Cell – AFC)
Nguyên lý hoạt động của pin nhiên liệu kiềm
AFC là một trong những pin nhiên liệu phát triển nhất AFC sử dụng nhiên liệu là hydro tinh khiết và là một trong số các loại pin nhiên liệu có hiệu suất cao nhất, đạt tới 70% Hai điện cực được tách ra bởi một chất liệu xốp bão hòa với một dung dịch kiềm như là KOH Sản phẩm của nó là nước, điện và nhiệt.
Các phản ứng hóa học xảy ra trên các điện cực diễn ra như sau:
Phản ứng trên anode: 2 H2 + 4 OH - 4 H2O + 4 e - Phản ứng trên cathode: O2 + 2 H2O + 4 e - 4 OH -
Tổng quát: 2 H2 + O2 2 H2O + điện năng + nhiệt năng
Pin nhiên liệu alkali đã từng được NASA chọn sử dụng trong các chương trình không gian như đội tàu Con Thoi và các phi thuyền Apollo, chủ yếu bởi vì năng lượng sinh ra đạt hiệu suất đến 70%.
4.4.2 Pin nhiên liệu carbonat nóng chảy (Molten Carbonate Fuel Cell – MCFC)
Pin nhiên liệu carbonat nóng chảy MCFC dùng các muối carbonate của Na và Mg ở nhiệt độ cao làm chất điện phân Hiệu suất pin đạt từ 60-80%, có nhiệt độ làm việc của pin rất cao (600-650 o C) MCFC dùng chất xúc tác điện cực niken nên không đắt lắm so với xúc tác điện cực platin của AFC Tuy nhiên, nhiệt độ cao cũng có mặt hạn chế về vật liệu và an toàn Bên cạnh đó, ion carbonate từ chất điện phân sẽ bị sử dụng hết trong phản ứng, đòi hỏi phải tiếp thêm khí carbonic bù vào.
Các phản ứng hóa học xảy ra trên các điện cực diễn ra như sau:
Phản ứng trên anode: 2 CO3 2- + 2 H2 2 H2O + 2 CO2 + 4 e - Phản ứng trên cathode: 2 CO2 + O2 + 4 e - 2 CO3 2-
Tổng quát: 2 H2 + O2 2 H2O + điện năng + nhiệt năng
Pin MCFC vận hành ở nhiệt độ khá cao nên đa số ứng dụng của nó là các nhà máy, trạm phát điện lớn (ứng dụng tĩnh).
4.4.3 Pin nhiên liệu axit phosphoric (Phosphoric Acid Fuel Cell – PAFC)
Sơ đồ hoạt động của PAFC
PAFC là loại pin nhiên liệu sử dụng acid phosphoric làm chất điện giải, các điện cực là giấy carbon phủ chất xúc tác Pt, nhiệt độ làm việc từ 150-200 o C và đạt hiệu suất chuyển hóa năng lượng khoảng 80% Pin nhiên liệu PAFC có công suất đến 200 kW có thể chịu được nồng độ CO khoảng 1,5% Nhưng PAFC đòi hỏi điện cực Pt và các bộ phận bên trong phải chịu được ăn mòn axit.
Tổng quát: 2 H2 + O2 2 H2O + điện năng + nhiệt năng
4.4.4 Pin nhiên liệu màng trao đổi proton (Proton Exchange Membrane Fuel Cell – PEMFC)
Sơ đồ hoạt động của pin PEMFC
PEMFC (còn gọi là “Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell” – pin nhiên liệu màng điện phân polymer) có cơ chế phản ứng như sơ đồ trên Pin nhiên liệu PEMFC hoạt động với một màng điện phân bằng plastic mỏng Hiệu suất pin từ 40-50% và vận hành ở nhiệt độ tầm 80 o C, đặc biết là sử d ụng mạng điện giải polymer rắn Công suất dòng ra từ
2 kW (các ứng dụng nhỏ) đến 250 kW (các ứng dụng tĩnh lớn) Tuy nhiên, nhiên liệu cung cấp cho PEMFC đòi hỏi phải được tinh sạch (không lẫn tạp chất) và cần xúc tác Pt đắt tiền.
Các phản ứng hóa học xảy ra trên các điện cực diễn ra như sau:
Tổng quát: 2 H2 + O2 2 H2O + điện năng + nhiệt năng
4.4.5 Pin nhiên liệu oxide rắn (Solid Oxide Fuel Cell – SOFC)
SOFC sử dụng hợp chất oxit kim loại rắn (calcium hay zirconium) làm chất điện phân Hiệu suất đạt được khoảng 60% và nhiệt độ vận hành từ 600-1000 o C Đây là dạng pin nhiên liệu vận hành ở nhiệt độ cao nhất hiện nay Nhiệt độ cao cho phép sử dụng được nhiều loại nhiên liệu đầu vào như: khí thiên nhiên, sinh khói hydrocarbon… Công suất đầu ra của pin lên đến 100 kW.
Chất điện giải của pin là những lớp gốm nặng, không thấm (oxide base của ziconi).
Các phản ứng hóa học xảy ra trên các điện cực diễn ra như sau:
Phản ứng trên anode: CH3OH + H2O CO2 + 6 H + + 6 e -
Tổng quát: CH3OH + 3/2 O2 CO2 + 2 H2O + điện năng + nhiệt năng
4.4.6 Pin nhiên liệu tái sinh (Regenerative Fuel Cell – RFC)
RFC là một hệ thống vận hành thành một chu trình kín và có thể trở thành nền tảng cơ bản cho nền kinh tế hydrogen Hydrogen được sinh ra từ điện phân nước, tách nước thành hai thành phần hydrogen và oxygen Quá trình sử dụng năng lượng tái tạo từ các nguồn tự nhiên như gió, mặt trời hay địa nhiệt.
Một hệ thống như vậy sẽ không đòi hỏi bất cứ dạng pin nhiên liệu chuyên biệt nào, nhưng sẽ cần có một cơ sở hạ tầng để phân phối hydrogen đến các pin nhiên liệu để sử dụng.
Pin nhiên liệu Chất điện phân Nhiệt độ hoạt động Hiệu suất Nhiên liệu
MCFC Na2CO3, K2CO3 nóng chảy 620 – 660 o C 65%
Gas thiên nhiên, bio gas, gas than đá, H2
Gas thiên nhiên, bio gas, gas than đá, H2
O2, không khí Bảng các loại pin nhiên liệu
Dạng pin nhiên liệu PEMFC AFC PAFC MCFC SOFC Ưu điểm
- Chất điện phân là rắn nên giảm thiểu những vấn đề ăn mòn và bảo trì.
- Nhiệt độ vận hành thấp nên có thể được sử dụng rộng rãi cho các ứng dụng thông thường.
- Phản ứng ở cathode nhanh hơn trong chất điện phân kiềm.
- Đạt hiệu suất lên đến 85% khi kết hợp với phát điện và nhiệt (cogeneration).
- Có thể sử dụng nhiên liệu không tinh khiết (lẫn tạp chất).
- Có thế dung được nhiều loại nhiên liệu đầu vào khác nhau (linh hoạt).
- Có thể dùng được các loại xúc tác khác nhau.
- Có thế dung được nhiều loại nhiên liệu đầu vào khác nhau (linh hoạt).
- Chất điện phân là rắn nên giảm thiểu những vấn đề ăn mòn và bảo trì.
- Nhiệt độ thấp, đòi hỏi xúc tác đắt tiền.
- Nhạy cảm cao với tạp chất của nhiên liệu.
- Tốn chi phí cho việc khử CO2 khỏi nhiên liệu và dòng không khí.
- Đòi hỏi xúc tác Platinium.
- Cho dòng điện cường độ thấp.
- Nặng, kích cỡ to lớn.
- Nhiệt độ cao làm tăng ăn mòn và có thể làm giòn vỡ cấu trúc của pin.
- Nhiệt độ cao làm tăng ăn mòn và có thể làm giòn vỡ cấu trúc của pin.Bảng ưu – nhược điệm của các loại pin nhiên liệu