3.1 Tổng quan về nhiên liệu hydro sinh học
3.1.5 Khả năng ứng dụng của khí hydro
Trong thế kỷ 21 chúng ta sẽ được chứng kiến một sự thay đổi sâu sắc trong nền kinh tế thế giới và các sinh hoạt xã hội: sự chuyển đổi từ nền kinh tế dựa vào nhiên liệu hóa thạch sang nền kinh tế dựa vào nhiên liệu hyđrô nhờ năng lượng mặt trời. Nền kinh tế hyđrô nhờ năng lượng mặt trời khơng cịn là ý tưởng mơ hồ hoặc chỉ là viễn tưởng khoa học, khả năng hiện thực hóa nền kinh tế hyđrơ chỉ khoảng 25-35 năm nữa thôi! Như Tổng thống Mỹ G. Bush đã hy vọng, "chiếc xe ô tô đầu tiên trong đời của những trẻ mới sinh hôm nay ngồi cầm lái, sẽ là xe hyđrơ dịng ZEV".
Hình 3.2. Mơ hình sản xuất và phân phối Hydro
Một nguồn năng lượng mới, đó là hydro (hydrogen, H2). Hydro là một loại khí có nhiệt cháy cao nhất trong tất cả các loại nhiên liệu trong thiên nhiên, đã được sử dụng làm nhiên liệu phóng các tàu vũ trụ. Đặc điểm quan trọng của hydro là trong phân tử không chứa bất cứ nguyên tố hóa học nào khác, như cacbon (C), lưu huỳnh (S), nitơ (N) nên sản phẩm cháy của chúng chỉ là nước (H2O), được gọi là nhiên liệu sạch lý tưởng.
Hydro được sản xuất từ nước và năng lượng mặt trời, vì vậy hydro thu được cịn gọi hydro nhờ năng lượng mặt trời (solar hydrogen). Nước và ánh nắng mặt trời có vơ tận và khắp nơi trên hành tinh. Năng lượng mặt trời được thiên nhiên ban cho hào phóng và vĩnh hằng, khoảng 3×1024 J/ngày, tức khoảng 104 lần năng lượng tồn thế giới tiêu thụ hằng năm. Vì vậy, hydro nhờ năng lượng mặt trời là nguồn nhiên liệu vô tận, sử dụng từ thế kỷ này qua thế kỷ khác bảo đảm an toàn năng lượng cho lồi người mà khơng sợ cạn kiệt, khơng thể có khủng hoảng năng lượng và bảo đảm độc lập về năng lượng cho mỗi quốc gia, không một quốc gia nào độc quyền sở hữu hoặc tranh giành nguồn năng lượng hydro như từng xảy ra với năng lượng hóa thạch.
Hãy tưởng tượng một trạm xăng tạo ra khí từ nước và ánh sáng mặt trời . Một số trạm hydro hiện nay đã được xây dựng. Bằng cách kết nối các tấm năng lượng mặt trời với một bình điện phân, điện từ mặt trời phân tách nước thành hydro và oxy
tinh khiết. Tại các trạm như thế này , chúng ta có thể tiếp nhiên liệu vào xe chạy bằng pin nhiên liệu hydro tái tạo và có thể chạy hàng trăm dặm mà khơng có khí thải. Một mơ hình thực như Hình 3.3.
Hình 3.3 Trạm phân phối Hydro
Pin nhiên liệu
Pin nhiên liệu là một thiết bị điện hố mà trong đó biến đổi hố năng thành điện năng nhờ q trình oxy hố nhiên liệu, mà nhiên liệu thường dùng ở đây là khí H2 và khí O2 hoặc khơng khí. Q trình biến đổi năng lượng trong pin nhiên liệu ở đây là trực tiếp từ hoá năng sang điện năng theo phản ứng H2 + O2 = H2O + dịng điện, nhờ có tác dụng của chất xúc tác, thường là các màng platin nguyên chất hoặc hỗn hợp platin, hoặc các chất điện phân như kiềm, muối Cacbonat, Oxit rắn ... thực chất nó là một loại pin điện hoá. Người ta phân loại các pin nhiên liệu theo chất điện phân, điện cực và các chất xúc tác trong pin nhưng nguồn nguyên liệu vẫn chỉ là H2 và O2/khơng khí. Trước đây người ta dùng khí H2 để biến đổi thành nhiệt năng dưới dạng đốt cháy, sau đó từ nhiệt năng sẽ biến đổi thành cơ năng qua các tua bin khí và các tua bin đó dẫn động các máy phát điện để biến đổi thành dịng điện, với biến đổi gián tiếp như vậy thì hiệu suất của q trình sẽ thấp. Từ đó ta dễ dàng so sánh quá trình biến đổi trực tiếp trong pin nhiên liệu là có hiệu suất rất cao.
Ngồi ra một trong những sự thu hút nhất của một loại pin nhiên liệu có tên "pin nhiên liệu dạng màng trao đổi proton" đã được phát triển trong công nghiệp ô tô vận tải, là nguồn nguyên liệu trong xe hơi, nó đang được phát triển trong các công ty ô tô hàng đầu thế giới như General Motor, Ford (Mỹ), Daimler Benz (Đức), Renaul (Pháp), Toyota, Nissan, Honda ... (Nhật bản), Hyundai (Hàn Quốc).... và tiềm năng của nó trong các ngành cơng nghiệp phục vụ đời sống là rất to lớn.
Pin nhiên liệu sẽ có thể nắm giữ vai trị chủ đạo trong viễn cảnh nguồn năng lượng của thế giới trong tương lai. Những đặc điểm ưu việt của nó như hiệu suất cao, ổn định lớn, độ phát xạ thấp, không gây ồn, không gây ô nhiễm môi trường ..., sẽ bắt buộc pin nhiên liệu sử dụng trong các nhà máy điện trong tương lai. Có thể nói Hydro sẽ trở thành nguồn năng lượng của thế kỷ 21, mà như các nghiên cứu chỉ ra rằng, pin nhiên liệu có một ưu thế khơng thể nghi ngờ hơn tất cả các thiết bị biến đổi năng lượng khác.
Máy bay không bao giờ tiếp đất
Là một phần của một dự án của cơ quan nghiên cứu nâng cao quốc phòng Mỹ (DARPA), Boeing đã tạo ra một chiếc máy bay có thể bay liên tục trong ánh sáng mặt trời một mình. Các máy bay cánh rộng được bao phủ bởi các tấm thu năng lượng mặt trời. Nhưng làm thế nào nó bay vào ban đêm? Một tế bào nhiên liệu oxit rắn từ hệ thống động cơ điện Versa của máy bay sẽ cung cấp năng lượng vào ban đêm bằng cách sử dụng nhiên liệu sản xuất từ thế hệ mặt trời dư thừa trong ngày. Nhiên liệu đó chính là Hydro được sản xuất từ năng lượng mặt trời vào ban ngày.
Hình 3.4 Máy bay bay liên tục
Trong kỉ nguyên hướng đến một nền kinh tế với nhiên liệu sạch hơn, xe chạy bằng pin nhiên liệu (FCEVs) được đưa ra thị trường nhiều hơn. Giống như pin xe điện (BEVs), FCEVs sử dụng động cơ điện cho động cơ đẩy. Điều này làm cho động cơ hồn tồn êm, khơng có sự chuyển động của pittong, nó làm cho các phương tiện hoạt động hiệu quả và tiện lợi. Một bồn chứa hydro có thể đổ đầy trong vài phút ở một trạm tiếp nhiên liệu nào đó giống như một trạm xăng ngày nay. FCEVs có thể đi hàng trăm dặm với một bình chứa nhiên liệu, vì thế người tiêu dùng hoàn toàn yên tâm về khả năng cung cấp nhiên liệu cho chặng đường dài. Nhiên liệu tốt trong mọi điều kiện, từ mùa hè tới mùa đơng, và việc sử lí giống như bất kì chiếc xe nào khác mà bạn đã lái. Kể từ khi các cell nhiên liệu được mở rộng về kích thước, chúng cịn được sử dụng cho xe buýt, tên lửa, và nhiều thứ khác. Sau nữa là, FCEVs là nhiên liệu sạch 100%, khơng thải ra bất kì chất thải gì ngoại chừ nước.
Gần như tất cả các nhà máy lớn trong lĩnh vực sản xuất ô tô đều dự kiến đến năm 2015 sẽ sản xuất hàng loạt các phương tiện giao thơng có khả năng chạy bằng hydro.
Hình 3.5 là một số mẫu xe chạy bằng nhiên liệu hydro. Về thiết kế bên ngoài
của những chiếc xe này thì giống như những chiếc xe bình thường khác chạy bằng xăng, chỉ có một điểm khác biệt là động cơ thì giống như động cơ điện.
Hình 3.5 Một vài mẫu xe sử dụng nhiên liệu hydro.
Trong lĩnh vực quân sự
Các khoang nhiên liệu cung cấp lợi thế quân sự mà có thể làm giảm gánh nặng cho binh sĩ và cứu sống con người trong chiến trường. Khi thiết bị quân sự đã trở nên ngày càng điện tử, nhu cầu sử dụng năng lượng trong lĩnh vực này đã tăng lên đáng kể. Và nếu như sử dụng các pin nhiên liệu thì những người lĩnh chỉ phải mang trên người khoảng 5 lbs. Cơng nghệ này thì ngày nay và đã được sử dụng trong các trương trình trình diễn.
Các phương tiện quân sự sử dụng nhiên liệu hydro tạo ra lợi thế vô cùng lớn, máy bay không tạo ra tiếng ồn, các phương tiện hoạt động trên mặt đất cũng như dưới nước sẽ hồn tồn bí mật vì khơng tạo ra tiếng ồn. Hơn nữa khi trong chiến trường hồn tồn có thể sử dụng pin nhiên liệu tạo ra điện cho các doanh trại.
Trong Hình 3.6 và Hình 3.7 là hình ảnh về việc sử dụng pin nhiên liệu hydro và động cơ sử dụng nhiên liệu hydro.
Hình 3.6. Sử dụng pin nhiên liệu hydro trong quân sự
Hình 3.7 Phương tiện quân sự sử dụng nhiên liệu hydro
Sạc pin cho thiết bị di động với hydro
Các nhà nghiên cứu của Viện Nghiên cứu Công nghệ Công nghiệp Đài Loan (ITRI) đã phát triển được một loại máy sạc hydro cho điện thoại di động. Thiết bị này có thể sạc cho pin điện thoại di động trong 2 giờ mà khơng cần kết nối (Hình
3.8).
TSAU Fang-Hei, một trong số các nhà nghiên cứu tham gia phát triển thiết bị này, cho biết ITRI có thể sẽ hồn thiện thiết bị mới này nhằm thay thế các hệ thống sạc pin thông thường hiện nay vào năm 2012. MA Hwong-Wen, một nhà môi trường học tại Đại học Đài Loan, cho rằng sáng chế này rất có ý nghĩa, khơng chỉ bởi nó sử dụng hydro - nguyên tố phổ biến nhất trong vũ trụ - mà cịn nhờ đặc tính
khơng gây hại mơi trường và đây chính là đặc điểm của các thiết bị điện tử tương lai.
Theo YEH Hui-Ching, Trưởng phòng Năng lượng thuộc Bộ Các vấn đề Kinh tế Đài Loan, thành công mới này có thể mở ra những triển vọng cơng nghệ mới cho Đài Loan trong lĩnh vực năng lượng và thiết bị điện tử theo xu hướng công nghệ phát triển bền vững.
Hình 3.8: Sạc pin hydro
Trước đó, cơng ty Tensor của Nga cũng đã chế tạo ra bộ sạc pin bỏ túi dùng cho điện thoại di động sử dụng công nghệ hydro. Bộ sạc pin bỏ túi này có thể sạc đủ điện cho điện thoại di động kiểu thông minh hoạt động liên tục trong 30 giờ. Bộ sạc này có kích thước bằng khoảng 4 bao diêm và có thể cho vừa vào túi quần hoặc túi áo. Đặc biệt bộ sạc mới này hồn tồn khơng gây ơ nhiễm mơi trường.