Với ưu điểm là nguồn nhiên liệu có thể tái sinh, thân thiện với môi trường, đặc biệt không phát thải ra khí gây hiệu ứng nhà kính…, hydrogen (H2) đang thu hút được sự quan tâm nghiên cứu - phát triển của nhiều quốc gia trên thế giới như một nguồn năng lượng thế hệ mới, phục vụ nhu cầu năng lượng sạch của con người.
Khoa học đời sống Hydrogen Nguồn lượng tương lai Nguyễn Quang Huy Vụ Tiết kiệm lượng Phát triển bền vững, Bộ Công Thương Với ưu điểm nguồn nhiên liệu tái sinh, thân thiện với môi trường, đặc biệt không phát thải khí gây hiệu ứng nhà kính…, hydrogen (H2) thu hút quan tâm nghiên cứu - phát triển nhiều quốc gia giới nguồn lượng hệ mới, phục vụ nhu cầu lượng người Nguồn lượng với nhiều ưu điểm H2 nguyên tố hóa học hệ thống tuần hoàn nguyên tố với nguyên tử lượng Ở trạng thái tự điều kiện bình thường, H2 khơng màu, khơng mùi, khơng vị có tỷ trọng 1/14 tỷ trọng khơng khí Đây ngun tố phổ biến vũ trụ, tạo nên khoảng 75% tổng khối lượng vũ trụ 90% vật chất trái đất Trên trái đất, H2 kết hợp với oxy nước hay với carbon nguyên tố khác vô số hợp chất hữu tạo nên thể loài động, thực vật H2 coi dạng lượng hóa học có nhiều ưu điểm sản phẩm trình nước tinh khiết mà khơng có chất thải gây hại đến mơi trường, khơng phát thải khí CO2 gây biến đổi khí hậu tồn cầu, nguồn lượng gần vơ tận tái sinh Đặc biệt H2 cịn góp phần quan trọng vào việc đảm bảo an ninh nguồn lượng, sản xuất từ nhiều nguồn sẵn có khác gió, mặt trời, sinh khối, giúp giải nhiều vấn đề khác đời sống, số ngành giao thơng vận tải, hóa chất, luyện kim… Đặc điểm quan trọng H2 phân tử không chứa nguyên tố hóa học khác, carbon (C), lưu huỳnh (S), nitơ (N) nên sản phẩm cháy chúng nước (H2O), gọi nhiên liệu lý tưởng Hiện tại, H2 sử dụng làm nhiên liệu động tương tự loại phương tiện giao thông chạy nhiên liệu hóa thạch phổ biến H2 thay khí thiên nhiên để cung cấp lượng cho nhu cầu dân dụng hàng ngày đun nấu, sưởi ấm, chiếu sáng… Bên cạnh đó, sử dụng làm nguồn lượng cung cấp cho hệ thống pin nhiên liệu, nhờ trình điện hóa để tạo điện Do dựa chế q trình điện hóa tạo điện khơng phải q trình đốt động đốt trong, pin nhiên liệu đạt hiệu suất sử dụng cao nhiều so với động đốt trong, mà tiết kiệm lượng Với ưu vượt trội đó, pin nhiên liệu ngày quan tâm dự đoán nguồn lượng đầy triển vọng, giữ vai trò chủ đạo kinh tế khơng phát thải khí nhà kính tương lai H2 sản xuất, lưu trữ, vận chuyển hạ tầng vận chuyển khí thiên nhiên (LNG), sử dụng dạng chuyển đổi thành điện khí đốt CH4 cho nhu cầu sinh hoạt, công nghiệp, chăn nuôi hay làm nhiên liệu cho phương tiện giao thông Về vấn đề an toàn, với tỷ trọng thấp khả khuếch tán nhanh cho phép H2 bay gần hồn tồn vào khí quyển, đồng thời khơng gây hại tới mơi trường Số 1+2 năm 2020 103 Khoa học đời sống Phương pháp sản xuất H2 khó khăn phát triển Trong điều kiện bình thường, H2 nguồn lượng thứ cấp, nghĩa khơng có sẵn để khai thác trực tiếp mà phải tạo từ nguồn sơ cấp ban đầu nước hợp chất hydrocarbon khác Có phương pháp để sản xuất H2 quy mơ lớn gồm: Phương pháp nhiệt hóa loại nhiên liệu hydrocarbon metan, dầu, nhiên liệu sinh học, sinh khối khí hóa, than khí hóa khí tự nhiên: giới nay, khoảng 90% lượng H2 sản xuất công nghệ Phương pháp ứng dụng, phát triển thành loại công nghệ gồm: 1) Cơng nghệ nhiệt hóa khí thiên nhiên nước nhằm tách H2 từ khí thiên nhiên có thành phần chủ yếu khí CH4, q trình cần nhiệt chất xúc tác phù hợp Đây phương pháp công nghiệp phổ biến để sản xuất H2 Tuy nhiên, phương pháp tạo CO2 không áp dụng để tạo nguồn lượng mà để cung cấp nguyên liệu cho ngành hóa chất, phân bón, tinh lọc dầu mỏ 2) Cơng nghệ khí hóa hydrocarbon nặng bao gồm dầu mỏ than đá, trình thực nhiệt độ khoảng 1.4000C điều kiện thiếu ơxy để tạo H2 khí CO, sau khí CO tiếp tục phản ứng với nước chất xúc tác để chuyển hóa thành CO2 khí H2 Đây phương pháp phổ biến tận dụng lợi hạ tầng thiết bị sẵn có ngành hóa dầu Tuy 104 nhiên, cơng nghệ tạo khí CO2 gây hiệu ứng nhà kính khơng bền vững nguồn nhiên liệu cạn kiệt 3) Cơng nghệ khí hóa nhiệt phân sinh khối để sản xuất H2 cách chuyển sinh khối thành dạng khí qua q trình khí hóa nhiệt độ cao tạo nước Hơi nước ngưng tụ dầu nhiệt phân hóa nhiệt để sinh H2 Q trình thường tạo sản lượng H2 khoảng từ 12-17% trọng lượng H2 sinh khối Nguyên liệu cho phương pháp gồm loại mảnh gỗ bào vụn, sinh khối thực vật, rác thải nông nghiệp đô thị Phương pháp sản xuất H2 cần cung cấp lượng lớn, nhiên đánh giá nguồn lượng tái tạo bền vững Phương pháp điện phân nước 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) Hiện có cơng nghệ điện phân phổ biến gồm: 1) 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 hịa lẫn hai khí sinh 2) Công nghệ điện phân nước nhiệt độ cao khoảng 800-1.0000C 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 Số 1+2 năm 2020 lượng công nghiệp phù hợp khác 3) Công nghệ điện phân nước điện từ nguồn lượng tái tạo điện mặt trời, điện gió, thủy điện tích hợp Hệ thống cơng nghệ đánh giá sạch, bền vững xu hướng phát triển tương lai Tuy nhiên, để làm chủ q trình phát triển thành quy mơ cơng nghiệp sản xuất H2 cịn gặp phải số vướng mắc: Một là, với đặc tính nhẹ, dễ bay hơi, H2 phải lưu trữ bình khí nén áp suất cao, dạng khí hóa lỏng hấp phụ loại vật liệu có khả hấp phụ Hiện nay, công nghệ thiết bị phục vụ cho việc lưu trữ H2 cịn hạn chế cơng suất đáp ứng quy mô nhỏ nên việc sản xuất H2 chưa kỳ vọng Hai là, nguồn nguyên liệu để sản xuất H2 gần vô tận, việc sản xuất H2 từ trình điện phân lại có chi phí cao nên áp dụng quy mô nhỏ quốc gia phát triển nhà khoa học tiếp tục nghiên cứu để giảm giá thành công nghệ Hiện nay, việc sản xuất H2 điện phân nước sử dụng nguồn điện chủ yếu sản xuất từ nhiên liệu hóa thạch (than đá, dầu, khí đốt), chất lượng tái tạo không gây hại đến môi trường chưa giải triệt để, đặc biệt điện từ lượng tái tạo (gió, mặt trời) có giá thành cao so với nguồn Khoa học đời sống điện từ nhiên liệu hóa thạch Theo dự báo, đến năm 2030 giá thành sản xuất lượng tái tạo tiếp tục giảm khoảng 30%, hy vọng việc sản xuất H2 từ lượng tái tạo có hội phát triển bùng nổ Nguồn lượng tương lai Thống kê cho thấy, việc nghiên cứu - phát triển nguồn lượng H2 nhiều quốc gia quan tâm ứng dụng vào thực tiễn sản xuất, chủ yếu lĩnh vực giao thơng vận tải Điển hình Nhật Bản có kế hoạch sản xuất 40.000 xe điện chạy pin nhiên liệu H2 vào năm 2020, 200.000 xe vào năm 2025 800.000 xe vào năm 2040 Ngoài ra, ứng dụng lượng Nhật Bản phát triển cho nhu cầu nhiệt (sưởi ấm) nên đặt mục tiêu kết nối 1,4 triệu hệ thống lượng đồng phát vào năm 2020, đạt khoảng 5,3 triệu vào năm 2030 sở công nghiệp - thương mại, hướng tới thay dần hệ thống đường ống dẫn khí thiên nhiên ống dẫn khí H2 tương lai Tại Hoa Kỳ, Cơ quan hàng không vũ trụ Hoa kỳ từ năm 1970 sử dụng H2 làm nhiên liệu cho hỏa tiễn chuyên chở tàu vũ trụ vào không gian Đến nay, phương pháp sản xuất H2 “sạch” tiếp tục Hoa Kỳ đẩy mạnh nghiên cứu - phát triển sử dụng vật liệu sinh học, tái chế; sử dụng phản ứng quang điện phân, phản ứng phân hủy nhiệt… Các quốc gia khác Vương quốc Anh, Úc… có nghiên cứu kế hoạch thay nguồn nhiên liệu sưởi ấm từ khí thiên nhiên sang H2 Hiện nay, khoảng 90% lượng H2 sản xuất chủ yếu từ dầu mỏ khí thiên nhiên, việc đồng nghĩa với việc phát thải khí CO2 gây hiệu ứng nhà kính Do vậy, việc ứng dụng cơng nghệ sử dụng lượng tái tạo để điện phân nước nhằm sản xuất H2 phủ nước tiếp tục khuyến khích nhà khoa học doanh nghiệp đầu tư nghiên cứu - phát triển, nhằm hồn thiện cơng nghệ, nâng cao quy mô, công suất giảm giá thành Theo Cơ quan Năng lượng quốc tế (IEA), H2 nguồn lượng an toàn, nhiều nước sử dụng thời gian tới, để phát triển nguồn lượng quốc gia cần thực đồng thời giải pháp trước mắt gồm: 1) Khuyến khích, khởi tạo ngành cơng nghiệp, khu công nghiệp tiên phong việc chuyển đổi sử dụng lượng H2; 2) Chuyển đổi, xây dựng sở hạ tầng cho việc lưu trữ, vận chuyển, phân phối nhiên liệu H2 cạnh tranh hơn; 3) Triển khai dự án cung cấp, vận chuyển, thương mại quốc tế H2; 4) Tăng cường hợp tác quốc tế, chia sẻ kiến thức, kinh nghiệm thực tiễn tốt để phổ biến, tiêu chuẩn hóa thúc đẩy thương mại hóa Trong bối cảnh biến đổi khí hậu có diễn biến phức tạp, ảnh hưởng đến tồn giới, việc tìm kiếm nguồn lượng để thay lượng hóa thạch (than, dầu mỏ…) mối quan tâm nhiều quốc gia nhà khoa học giới Với ưu vượt trội, nguồn lượng H2 xem giải pháp thay tối ưu nguồn lượng tương lai khơng xa ? Số 1+2 năm 2020 105 ... tìm kiếm nguồn lượng để thay lượng hóa thạch (than, dầu mỏ…) mối quan tâm nhiều quốc gia nhà khoa học giới Với ưu vượt trội, nguồn lượng H2 xem giải pháp thay tối ưu nguồn lượng tương lai khơng... việc sản xuất H2 từ lượng tái tạo có hội phát triển bùng nổ Nguồn lượng tương lai Thống kê cho thấy, việc nghiên cứu - phát triển nguồn lượng H2 nhiều quốc gia quan tâm ứng dụng vào thực tiễn sản... doanh nghiệp đầu tư nghiên cứu - phát triển, nhằm hồn thiện cơng nghệ, nâng cao quy mô, công suất giảm giá thành Theo Cơ quan Năng lượng quốc tế (IEA), H2 nguồn lượng an toàn, nhiều nước sử dụng