Hydrogen - Nguồn năng lượng hóa học quan trọng của tương lai

Hydrogen - Nguồn năng lượng hóa học của tương lai.
I. Năng lượng hóa học
Năng lượng hóa học là tiềm năng của một chất hóa học trải qua quá trình biến đổi thông qua phản ứng hóa học hay phản ứng hạt nhân để hình thành nên các chất hóa học khác mà quá trình biến đổi này có thể hấp thụ hoặc sản sinh ra năng lượng.
Xét từ khái niệm trên, đặc biệt là các quá trình hóa học sản sinh ra năng lượng lớn đã được con người nghiên cứu, ứng dụng rộng rãi và có được thành tựu phát triển của ngành năng lượng như ngày nay, cụ thể:
– Quá trình đốt cháy than đá (các-bon), xăng dầu (CxHy), khí đốt, sinh khối (CxHyOz) đều tạo nhiệt năng và cơ năng. Nhiệt năng được tạo thành đã được con người sử dụng trực tiếp trong hoạt động sinh hoạt hàng ngày như đun nấu trực tiếp, sưởi ấm… hoặc qua các thiết bị chuyển đổi nhiệt năng thành cơ năng để tạo ra điện năng (các nhà máy nhiệt điện). Cơ năng được tạo ra do sự thay đổi về áp suất trong môi trường phản ứng (có thể tích cố định) đã được ứng dụng phổ biến trong các thiết bị động cơ đốt trong.
– Quá trình phản ứng oxy hóa khử các kim loại như Đồng (Cu), Chì (Pb), Kẽm (Zn), Niken (Ni), Cadimi (Cd), Lithium (Li)… đều tạo ra dòng điện. Điện năng được tạo ra từ quá trình này đã được ứng dụng trong việc sản xuất ắc quy và các loại pin điện hóa.
– Các phản ứng hạt nhân dây chuyền của các nguyên tố phóng xạ như Urani-235 hoặc Plutoni-239 trong điều kiện cụ thể sẽ sinh ra nhiệt năng. Nhiệt năng được sinh ra từ quá trình này được chuyển hóa thành cơ năng và điện năng cung cấp cho con người, thực tế là các nhà máy điện hạt nhân trên thế giới đều hoạt động dựa trên nguyên lý này.
– Quá trình phản ứng hóa học giữa H2 và O2 trong điều kiện cụ thể sẽ tạo ra nhiệt năng hoặc điện năng. Nhiệt năng lớn được sinh ra trực tiếp từ quá trình này đã được ứng dụng trong công nghệ hàn cắt kim loại hay làm nhiên liệu cho động cơ tên lửa. Điện năng được sinh ra từ phản ứng hóa học này trong điều kiện cụ thể đã được ứng dụng cho phương tiện giao thông chạy bằng điện hoặc được sử dụng trực tiếp cho các hoạt động sản xuất và sinh hoạt thông qua một thiết bị gọi là pin nhiên liệu. Như vậy, với khả năng này, H2 được coi là một nguồn năng lượng đang và sẽ là giải pháp thay thế cho năng lượng hóa thạch trong tương lai.

II. Năng lượng H2
1. Tổng quan về Hydrogen – H2
Hydrogen – H2 là nguyên tố hóa học phổ biến, cấu thành đến 90% vật chất của vũ trụ và chiếm đến 75% theo trọng lượng, tồn tại chủ yếu dưới dạng hợp chất với các nguyên tố hóa học phổ biến khác như ôxy tạo thành nước (H2O), với các-bon thành các hợp chất hữu cơ và sự sống trên toàn trái đất. Khí H2 không màu, không mùi, nhẹ và rất dễ cháy do đó không tồn tại dưới dạng phân tử nguyên chất trong điều kiện bình thường. H2 rất dễ phản ứng hóa học với các nguyên tố hóa học khác, đặc biệt là ôxy đồng thời sinh ra năng lượng dưới dạng nhiệt năng lớn hoặc điện năng thông qua phản ứng hóa học sau:
2H2 + O2 → 2H2O + Năng lượng
Hydrogen là nguồn năng lượng thứ cấp, tức là nó không sẵn có để khai thác trực tiếp mà phải được tạo ra từ một nguồn sơ cấp ban đầu như là nước hoặc các hợp chất hydrocarbon khác.
2. Sản xuất H2
Có 02 phương pháp cơ bản để sản xuất ra H2 quy mô lớn gồm:
a) Phương pháp nhiệt hóa các loại nhiên liệu hydrocarbon như metan, dầu, nhiên liệu sinh học, sinh khối khí hóa, than khí hóa và khí tự nhiên. Trên thế giới hiện nay, khoảng 90% H2 được sản xuất bằng công nghệ này. Phương pháp này đã được ứng dụng, phát triển thành ba loại công nghệ gồm:
– Công nghệ nhiệt hóa khí thiên nhiên bằng hơi nước (Natural gas steam reforming) nhằm tách được H2 từ khí thiên nhiên có thành phần chủ yếu là khí metan CH4 (CH4 + 2H2O → CO2 + 4H2), quá trình này cần nhiệt năng và chất xúc tác phù hợp. Đây là phương pháp công nghiệp phổ biến hiện nay để sản xuất hydrogen. Tuy nhiên phương pháp này vẫn tạo ra CO2 và không được áp dụng để tạo một nguồn năng lượng mà chỉ để cung cấp nguyên liệu cho các ngành hóa chất, phân bón, tinh lọc dầu mỏ,…
– Công nghệ khí hóa hydrocarbon nặng (Gasification heavy hydrocarbon) bao gồm dầu mỏ và than đá, quá trình này được thực hiện ở nhiệt độ khoảng 1.400 oC trong điều kiện thiếu ôxy để tạo ra H2 và khí CO, khí CO tiếp tục phản ứng với hơi nước và chất xúc tác để chuyển hóa thành CO2 và khí H2. Đây là phương pháp khá phổ biến vì tận dụng được lợi thế của hạ tầng và thiết bị sẵn có của ngành hóa dầu. Tuy nhiên, công nghệ này vẫn tạo ra khí CO2 gây hiệu ứng nhà kính và không bền vững do nguồn nhiên liệu sẽ cạn kiệt.
– Công nghệ khí hóa và nhiệt phân sinh khối (Biomass gasification and pyrolysis) để sản xuất hydrogen bằng cách chuyển sinh khối thành dạng khí qua quá trình khí hóa ở nhiệt độ cao tạo ra hơi nước. Hơi nước được ngưng tụ trong các dầu nhiệt phân và 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. Nguyên liệu cho phương pháp này có thể gồm các loại mảnh gỗ bào vụn, sinh khối thực vật, rác thải nông nghiệp và đô thị… Phương pháp sản xuất H2 này vẫn cần cung cấp năng lượng lớn, tuy nhiên vẫn được đánh giá là nguồn năng lượng tái tạo và bền vững.
b) Phương pháp điện phân nước (Electrolysis) bằng cách dùng dòng điện để tách nước thành khí H2 và O2. Quá trình gồm hai phản ứng xảy ra ở hai điện cực và H2 được sinh ra ở điện cực âm và O2 được sinh ra ở điện cực dương (2H2O + Điện năng → 2H2 + O2). Hiện nay có 3 công nghệ điện phân phổ biến gồm:
– Công nghệ điện phân thông thường được tiến hành với chất điện phân là nước hay dung dịch kiềm. Hai phần điện cực âm và điện cực dương được tách riêng bởi màng ngăn ion để tránh hòa lẫn hai khí sinh ra.
– Công nghệ điện phân nước ở nhiệt độ cao khoảng 800-1.000OC làm cho quá trình điện phân diễn ra với hiệu suất cao hơn, nhiệt năng cung cấp chủ yếu được sử dụng từ nguồn năng lượng mặt trời hoặc nhiệt thừa từ các quá trình năng lượng công nghiệp phù hợp khác.
– Công nghệ điện phân nước bằng điện năng từ các nguồn năng lượng tái tạo như điện mặt trời, điện gió, thủy điện tích hợp. Hệ thống, công nghệ này được đánh giá là sạch và bền vững và là xu hướng phát triển của tương lai.
Ngoài ra, trong tự nhiên một số loại tảo và vi khuẩn có thể sản sinh ra H2 như là một sản phẩm phụ của quá trình trao đổi chất của chúng. Tuy nhiên để làm chủ được các quá trình này và phát triển thành quy mô công nghiệp sản xuất H2 vẫn còn đang được các nhà khóa học tiếp tục nghiên cứu.
3. Nhu cầu sử dụng H2
Liên kết Hydrogen được sử dụng chủ yếu trong ngành công nghiệp và năng lượng:
– Trong công nghiệp, H2 được sử dụng như là nguyên liệu cho ngành công nghiệp hóa chất như chế tạo ammonia, methanol, lọc dầu, sản xuất phân bón, công nghiệp luyện kim, mỹ phẩm, chất bán dẫn…
– Trong năng lượng, H2 là một nguồn nhiên liệu tiềm năng với nhiều ưu điểm thuận lợi về môi trường và kinh tế. Khi dùng làm nhiên liệu, H2 có thể được đốt trực tiếp trong các động cơ đốt trong, tương tự như trong các loại phương tiện giao thông chạy bằng xăng dầu phổ biến hiện nay. H2 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… Đặc biệt, H2 đã được dùng làm nhiên liệu cho tên lửa trong ngành công nghiệp vũ trụ và quốc phòng. H2 còn có thể 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.
4. Ưu điểm của năng lượng H2
– Năng lượng H2 được coi là một dạng năng lượng hóa học có nhiều ưu điểm vì sản phẩm của quá trình này chỉ là nước tinh khiết và năng lượng mà không có chất thải nào gây hại đến môi trường, không phát thải khí CO2 gây biến đổi khí hậu toàn cầu, là nguồn năng lượng gần như vô tận hay có thể tái sinh được.
– Năng lượng H2 góp phần đảm bảo vấn đề về an ninh năng lượng, có thể được sản xuất từ nhiều nguồn sẵn có khác nhau, đặc biệt là từ các nguồn năng lượng tái tạo như gió, mặt trời mà không phụ thuộc vào các nguồn nhập khẩu từ nước ngoài. Với vai trò “tích trữ” năng lượng, H2 giúp cho việc phân phối, sử dụng năng lượng được thuận tiện và có thể lưu trữ được lâu dài, đặc biệt H2 được sản xuất từ năng lượng tái tạo được coi là vật liệu vận chuyển năng lượng tái tạo đến các khu vực không có lợi thế hoặc lưu trữ sử dụng trong những khoảng thời gian ban đêm, không có gió…
– Năng lượng H2 có thể giải quyết được nhiều vấn đề khác nhau như không phát thải các-bon trong một số ngành khó giảm như giao thông, hóa chất, luyện kim, giúp cải thiện chất lượng môi trường không khí và sức khỏe cộng đồng.
– Năng lượng H2 có thể được sản xuất, lưu trữ, vận chuyển trong hạ tầng vận chuyển khí thiên nhiên (LNG) hiện nay, có thể được sử dụng dưới dạng chuyển đổi thành điện năng hoặc khí đốt như CH4 cho các nhu cầu như sinh hoạt, công nghiệp, chăn nuôi hay làm nhiên liệu cho các phương tiện giao thông.
– Về vấn đề an toàn, với tỉ trọng thấp và khả năng khuếch tán nhanh cho phép H2 thoát nhanh vào khí quyển nếu như có sự rò rỉ xảy ra. Đặc biệt với tính chất không độc và không ăn mòn, nếu H2 bị thoát ra, chúng sẽ bay hơi gần như hoàn toàn và không để lại nguy hại nào.
– Thiết bị sử dụng nhiên liệu H2 là Pin nhiên liệu có đặc điểm chạy êm, không gây ra tiếng động, chấn động như động cơ đốt trong. Pin nhiên liệu có hiệu suất sử dụng cao hơn nhiều so với động cơ đốt trong và tiết kiệm năng lượng hơn. Theo đánh giá, pin nhiên liệu sẽ là nguồn năng lượng đầy triển vọng, giữ vai trò chủ đạo của nền kinh tế hydrogen trong tương lai.
5. Thách thức trong việc phát triển năng lượng H2
Bên cạnh các ưu điểm của năng lượng H2 nêu trên, với đặc tính và yêu cầu của các quá trình sản xuất, lưu trữ, vận chuyển, phân phối và sử dụng năng lượng H2 vẫn còn một số thách thức làm cho dạng năng lượng này mới chỉ được phát triển ở các quốc gia phát triển, các thách thức gồm:
– Với đặc tính nhẹ, dễ bay hơi, do đó H2 phải được lưu trữ trong các bình khí nén áp suất cao hoặc dưới dạng khí hóa lỏng hoặc hấp phụ trong các loại vật liệu có khả năng hấp phụ. Hiện nay các công nghệ và thiết bị thực hiện việc lưu trữ H2 vẫn còn hạn chế chế công suất và chỉ đáp ứng được quy mô nhỏ.
– Mặc dù nguồn nguyên liệu để sản xuất H2 gần như vô tận, quá trình sản xuất H2 từ quá trình điện phân lại có chi phí khá cao, hiện nay năng lượng H2 mới chỉ được áp dụng ở quy mô nhỏ tại các quốc gia phát triển và hiện các nhà khoa học vẫn đang tiếp tục nghiên cứu để giảm giá thành của công nghệ này.
– Hiện nay, việc sản xuất H2 bằng điện phân nước vẫn sử dụng nguồn điện chủ yếu sản xuất từ nhiên liệu hóa thạch (than đá, dầu, khí đốt), do đó về bản chất là năng lượng tái tạo và không gây hại đến môi trường vẫn chưa được giải quyết triệt để, đặc biệt là điện từ năng lượng tái tạo (gió, mặt trời) vẫn có giá thành khá cao so với nguồn điện từ nhiên liệu hóa thạch. Theo dự báo, đến năm 2030 thì giá thành sản xuất năng lượng tái tạo sẽ tiếp tục giảm khoảng 30%, khi đó hệ thống sản xuất H2 từ năng lượng tái tạo sẽ có cơ hội phát triển bùng nổ.
– Ở điều kiện tự nhiên, Hydrogen H2 tồn tại rất ngắn, dễ bay hơi và dễ cháy nổ. Do đó, việc vận chuyển, lưu trữ và phân phối đến người sử dụng cuối cùng gặp nhiều khó khăn về ngăn rò rỉ và đảm bảo an toàn. Hiện nay H2 chủ yếu được vận chuyển thông qua các đường ống hoặc trên các phương tiện giao thông đường thủy, đường bộ ở trạng thái hóa lỏng hoặc nén trong các bình chịu áp.