Năng lượng hydro (Hydrogen gas) nguồn năng lượng thay thế
Hydro là nguyên tố nhẹ nhất và là thành phần có nhiều nhất trong nước (H₂O) trên Trái Đất. Ngoài ra, hydro cũng là nguyên tố có trong phân tử của nhiều hợp chất khác, chẳng hạn như các hợp chất hydrocacbon (HC) – là sản phẩm của dầu mỏ, đóng vai trò quan trọng đối với sự phát triển kinh tế của một quốc gia.
Các đặc tính chung của hydro là không màu, không mùi, dễ cháy, có độ tinh khiết cao, không độc hại và thân thiện với môi trường. Lợi ích của việc sử dụng khí hydro là có thể dùng làm nhiên liệu cho quá trình đốt cháy để tạo nhiệt, hoặc sử dụng trong pin nhiên liệu (fuel cell), nơi phản ứng hóa học tạo ra dòng điện. Nguồn điện này có thể được sử dụng để vận hành phương tiện giao thông, sản xuất điện năng, cung cấp năng lượng cho các thiết bị điện tử nhỏ và nhiều ứng dụng khác.
Năng lượng hydro (Hydrogen gas) được tạo ra từ đâu ?
Hiện nay, việc sản xuất hydro khi xét theo nguồn nguyên liệu có thể được chia thành ba nguồn chính:
-
Từ nhiên liệu hóa thạch như khí tự nhiên, than đá và dầu mỏ.
-
Từ các nguồn năng lượng tái tạo như sinh khối và nước.
-
Từ năng lượng hạt nhân.
Công nghệ sản xuất hydro
Công nghệ sản xuất hydro có thể được chia thành ba công nghệ chính, bao gồm: quá trình nhiệt – hóa học (Thermo Chemical Processes), quá trình điện – hóa học (Electro Chemical Processes) và quá trình sinh hóa (Biochemical Processes).
1) Quá trình nhiệt – hóa học (Thermo Chemical Process)
Hydro có thể được sản xuất bằng phương pháp hóa học sử dụng nhiệt. Nguyên liệu chính thường là các hợp chất hydrocacbon, chẳng hạn như khí tự nhiên, than đá, sinh khối, v.v.
Kết quả của quá trình này là khí tổng hợp (syngas), bao gồm hydro (H₂), carbon monoxide (CO), carbon dioxide (CO₂), nước (H₂O) và methane (CH₄). Sau đó, hỗn hợp khí này sẽ tiếp tục trải qua các bước xử lý bổ sung để thu được hydro có độ tinh khiết cao hơn.
Các phương pháp sản xuất hydro bằng quá trình nhiệt – hóa học bao gồm:
-
Quá trình reforming bằng hơi nước (Steam Reforming)
-
Quá trình khí hóa (Gasification)
Hiện nay, sản xuất hydro bằng phương pháp reforming hơi nước từ khí tự nhiên là quy trình được sử dụng rộng rãi trong thương mại. Tại Thái Lan, quy trình này cũng được áp dụng để sản xuất hydro làm nguyên liệu đầu vào cho nhiều ngành công nghiệp khác nhau.
2) Quá trình điện – hóa học (Electro Chemical Process)
Đây là quá trình sử dụng điện để tách nước thành hydro và oxy. Điện năng từ mọi nguồn phát điện đều có thể được sử dụng cho quá trình này, bao gồm điện từ các nguồn năng lượng tái tạo cũng như năng lượng hạt nhân.
3) Quá trình sinh hóa (Biochemical Processes)
Quá trình này sản xuất hydro bằng cách dựa vào quá trình quang hợp của các vi sinh vật hoặc tảo lam (cyanobacteria). Những sinh vật nhỏ này có khả năng chuyển đổi các chất nền thành hydro. Tuy nhiên, phương pháp này vẫn có một số hạn chế như hiệu suất thấp và khả năng sản xuất bị giới hạn bởi cường độ ánh sáng nhận được.
Hydro có thể được ứng dụng vào những mục đích gì ?
Ngoài việc được sử dụng làm nguyên liệu đầu vào trong nhiều ngành công nghiệp, hydro còn có thể được dùng làm nhiên liệu cho quá trình đốt cháy để tạo nhiệt, hoặc sử dụng trong pin nhiên liệu (fuel cell). Trong pin nhiên liệu, phản ứng hóa học tạo ra dòng điện, có thể được sử dụng để vận hành phương tiện giao thông hoặc sản xuất điện năng.
Ứng dụng hydro trong lĩnh vực giao thông vận tải
Hydro có thể được sử dụng trong lĩnh vực giao thông vận tải theo nhiều cách khác nhau. Ví dụ, hydro có thể được dùng làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong, thường được trộn với các loại nhiên liệu khác, chẳng hạn như trộn hydro với khí tự nhiên để sử dụng trong động cơ.
Ngoài ra, hydro cũng có thể được sử dụng trong pin nhiên liệu, không cần quá trình đốt cháy. Thay vào đó, năng lượng được tạo ra thông qua quá trình điện – hóa học để vận hành động cơ điện trong các phương tiện sử dụng pin nhiên liệu.
Pin nhiên liệu là gì ?
Pin nhiên liệu là công nghệ chuyển đổi năng lượng hóa học của nhiên liệu thành năng lượng điện thông qua phản ứng điện hóa. Cơ chế này khác với các phương pháp sản xuất điện truyền thống hiện nay.
Thông thường, trong các hệ thống sản xuất điện truyền thống, năng lượng hóa học sẽ được chuyển thành nhiệt năng trước, sau đó nhiệt năng được chuyển thành cơ năng, và cuối cùng cơ năng được chuyển thành điện năng. Quá trình này thường gây tổn thất năng lượng đáng kể vì phải trải qua nhiều bước chuyển đổi.
Đặc biệt, trong bước chuyển đổi từ năng lượng hóa học sang nhiệt năng, mức tổn thất năng lượng thường khá lớn. Vì vậy, hiệu suất của các hệ thống sản xuất điện truyền thống thường thấp hơn so với pin nhiên liệu.
Hiện nay, hiệu suất của các hệ thống sản xuất điện bằng động cơ nhiệt (khi không tận dụng nhiệt dư) thường chỉ khoảng 30 – 35%, trong khi hiệu suất của pin nhiên liệu có thể đạt khoảng 40 – 50%.
Ngoài ra, các hệ thống sản xuất năng lượng truyền thống thường sử dụng nhiên liệu từ dầu mỏ, và kết quả của quá trình chuyển đổi năng lượng hóa học này là nhiệt, khí carbon dioxide (CO₂) và nước.
Trong khi đó, pin nhiên liệu có thể sử dụng nhiên liệu từ nhiều nguồn khác nhau, và sản phẩm của quá trình chuyển đổi năng lượng hóa học trong pin nhiên liệu chủ yếu chỉ là nhiệt và nước. Điều này cho thấy pin nhiên liệu thân thiện với môi trường hơn so với các hệ thống sản xuất năng lượng sử dụng động cơ nhiệt.
Các loại pin nhiên liệu đang được sử dụng hiện nay có cấu trúc và phản ứng điện hóa khác nhau, do đó ứng dụng của chúng cũng khác nhau. Nhìn chung, pin nhiên liệu có thể được chia thành 5 loại chính, như được trình bày trong bảng.
Pin nhiên liệu kiềm (Alkaline Fuel Cell – AFC) là loại pin nhiên liệu có hiệu suất cao nhất, khoảng 50–70%. Tuy nhiên, do hệ thống rất nhạy cảm với tạp chất, nên cần phải sử dụng hydro và oxy có độ tinh khiết cao. Điều này làm cho tổng chi phí của hệ thống khá cao.
Vì lý do đó, loại pin nhiên liệu này chủ yếu được sử dụng trong lĩnh vực hàng không vũ trụ, nơi yêu cầu hiệu suất rất cao. Nhiệt độ vận hành của pin nhiên liệu loại này thường dưới 80°C.
Ngoài ra, sản phẩm phụ của pin nhiên liệu là nước tinh khiết, và các phi hành gia có thể sử dụng nước này để uống.
Pin nhiên liệu axit phosphoric (Phosphoric Acid Fuel Cell – PAFC) là loại pin nhiên liệu đầu tiên được phát triển và ứng dụng ở quy mô thương mại. Nhiệt độ vận hành của hệ thống khoảng 210°C.
Loại pin nhiên liệu này có thể sản xuất điện năng lên đến khoảng 200 kilowatt, với hiệu suất khoảng 35–50%. Thông thường, PAFC được sử dụng làm nguồn cung cấp điện cho các cơ sở quy mô nhỏ, chẳng hạn như khách sạn, văn phòng và các tòa nhà thương mại khác.
Pin nhiên liệu cacbonat nóng chảy (Molten Carbonate Fuel Cell – MCFC) là loại pin nhiên liệu phù hợp cho các nhà máy điện quy mô lớn dùng để sản xuất và cung cấp điện năng.
Loại pin nhiên liệu này có nhiệt độ vận hành rất cao, khoảng 650°C và có thể sản xuất điện năng lên đến 2 megawatt. Ngoài ra, hệ thống còn tạo ra hơi nước áp suất cao, có thể được sử dụng để sản xuất điện theo mô hình đồng phát nhiệt – điện (combined heat and power).
Nhờ đó, hiệu suất tổng thể của hệ thống có thể đạt khoảng 80–85%. Bên cạnh đó, do nhiệt độ vận hành thấp hơn so với pin nhiên liệu oxit rắn (SOFC) nên không cần sử dụng các vật liệu đặc biệt, giúp giảm chi phí tổng thể của hệ thống.
Pin nhiên liệu oxit rắn (Solid Oxide Fuel Cell – SOFC) là loại pin nhiên liệu có nhiệt độ vận hành cao nhất so với các loại pin nhiên liệu khác, khoảng 800–1000°C. Loại pin này phù hợp cho các nhà máy điện quy mô lớn.
Trong quá trình phản ứng hóa học, hệ thống tạo ra hơi nước có nhiệt độ cao, có thể được tận dụng để sản xuất điện theo mô hình đồng phát nhiệt – điện (combined heat and power), tương tự như pin nhiên liệu cacbonat nóng chảy (MCFC). Nhờ đó, hiệu suất tổng thể của hệ thống có thể đạt khoảng 80–85%.
Đối với các hệ thống yêu cầu công suất điện rất lớn, pin nhiên liệu SOFC thường có chi phí thấp hơn so với hệ thống sử dụng pin nhiên liệu cacbonat nóng chảy (MCFC).
Pin nhiên liệu màng trao đổi proton (Proton Exchange Membrane Fuel Cell – PEMFC) là loại pin nhiên liệu được ứng dụng phổ biến nhất hiện nay, vì nhiệt độ vận hành không quá cao và chi phí thấp hơn so với nhiều loại pin nhiên liệu khác. Ngoài ra, loại pin này còn có hiệu suất khá cao, khoảng 35–60%.
Nhiên liệu sử dụng cho hệ thống này là hydro có độ tinh khiết cao (99,99%) và không khí. Hiện nay, PEMFC được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là nguồn năng lượng cho xe ô tô, xe buýt công cộng, cũng như nguồn phát điện quy mô nhỏ cho hộ gia đình.
Chính sách, định hướng và mục tiêu phát triển năng lượng hydro của Thái Lan
Theo chính sách và kế hoạch năng lượng trong khuôn khổ Kế hoạch phát triển năng lượng tái tạo 15 năm do Bộ Năng lượng Thái Lan xây dựng cho giai đoạn 2008–2022, vào năm 2017 đã đặt mục tiêu sử dụng 100.000 kg hydro.
Để đạt được mục tiêu sử dụng năng lượng hydro trong tương lai theo kế hoạch này, dự thảo kế hoạch hành động về năng lượng hydro đã được xây dựng với 7 chiến lược chính nhằm thúc đẩy sự sẵn sàng của cơ sở hạ tầng hỗ trợ việc sử dụng hydro từ giai đoạn trước khi triển khai cho đến khi năng lượng hydro được sử dụng rộng rãi. Mục tiêu là giảm sự phụ thuộc vào năng lượng và công nghệ nhập khẩu. Các chiến lược bao gồm:
-
Xây dựng chính sách và kế hoạch, đồng thời cải thiện tiêu chuẩn, quy định và các quy tắc nhằm đảm bảo sử dụng năng lượng hydro một cách an toàn.
-
Nghiên cứu và phát triển về sản xuất, lưu trữ và vận chuyển hydro, cũng như các công nghệ nâng cao hiệu suất và sử dụng vật liệu có sẵn trong nước.
-
Phát triển cơ sở hạ tầng (Infrastructure Development).
-
Phát triển mạng lưới hợp tác trong và ngoài nước (Network Development).
-
Phát triển ngành công nghiệp sản xuất hydro và công nghệ liên quan.
-
Phát triển nguồn nhân lực.
-
Truyền thông và nâng cao nhận thức cộng đồng.
Năng lượng hydro và Thái Lan
Hiện nay, Thái Lan đã sử dụng năng lượng hydro ở một mức độ nhất định, đặc biệt trong sản xuất điện năng. Năng lượng hydro được sử dụng để hỗ trợ hệ thống sản xuất điện từ năng lượng gió, nhằm tăng tính ổn định của việc phát điện.
Ngoài các nhà máy điện, Thái Lan cũng đã phát triển các nhà máy sản xuất hydro và xe chạy bằng hydro, đồng thời có kế hoạch đưa hydro trở thành một trong những nguồn năng lượng tái tạo trong tương lai.
Tuy nhiên, trong dài hạn, kế hoạch này có thể cần được xem xét lại, do sự phát triển nhanh chóng của xe điện và năng lượng mặt trời, vốn có thể mang lại hiệu quả kinh tế cao hơn.
Cuối cùng, dù có được sử dụng rộng rãi hay không, năng lượng hydro vẫn được xem là một trong những lựa chọn của năng lượng tái tạo. Vì vậy, vẫn cần theo dõi xem loại năng lượng nào sẽ trở thành nguồn năng lượng chính của thế giới trong tương lai.
#Nănglượngsạch #Nănglượngthaythế #Nănglượngtáitạo #Nănglượng #Hydrogen #HydrogenGas
