Năng Lượng
Hydrogen
Bước vào thế
kỷ 21, việc xử dụng đa dạng năng lượng
(energy diversity) trong chuyển vận là một trong những
suy nghĩ lớn cho công nghệ năng lượng trong tương
lai. Đây là
một tiềm năng để cho tất cả những
nghiên cứu hiện tại chú tâm vào như khả năng
truy t́m nguồn nguyên liệu thay thế xăng dầu trong
vận chuyển như hơi đốt, rượu
ethanol, điện, hydrogen, hay một hay nhiều hổn
hợp của các loại năng lượng vừa
kể trên.
Vào ngày 8/1/007, Cty H2Gen
Innovations, Inc. công bố là đă hoàn tất việc chuyển
giao hệ thống sản xuất HGM 2000 Hydrogen đến
Cty Chevron Hydrogen Co. ở
Florida. Hệ thống nầy sẽ là một
thí điểm đầu tiên, đă được
thực hiện vào cuối tháng giêng vừa qua. Đó
là việc xử dụng xe buưt chạy
bằng nhiên liệu hydrogen ở phi trường
Trong buổi lễ
chuyển giao.
TGĐ của H2Gen tuyên bố: “Đây là một bước
quan trọng cho chúng ta. Hệ thống HGM 2000 rất dễ
di chuyển, dễ lấp đặt, cũng như
vận hành trong việc chuyển tải nhiên liệu
hydrogen vào xe. Hệ thống nầy
dựa theo nguyên tắc chuyển đổi
khí thiên nhiên và nước thành hydrogen; do đó, sự an toàn
tuyệt đối được bảo đảm trong
khi di chuyển.
Thành quả nầy cho
thấy Hoa Kỳ và các quốc gia phát triển trên thế
giới đă bắt đầu xử dụng hydrogen như
là một nhiên liệu thay thế dầu. Và việc chuyển đổi
nầy kích thích công nghệ xe hơi trong
việc nghiên cứu để thích ứng với t́nh
thế mới là dùng nhiên liệu thay thế như hydrogen. Đây cũng là một bước ngoặc trong
việc hạn chế khí thải CO2.
Nguồn sản
xuất hydrogen
Các nguyên liệu và phương
pháp sau đây hiện đang được nghiên cứu và
ứng dụng để sản xuất hydrogen. Đó là khí đốt
thiên nhiên, than đá, nguồn năng lượng hạch
nhân, phương pháp điện giải, năng lượng
gió, năng lượng sinh khối (biomass), và năng lượng
mặt trời.
Hydrogen từ khí đốt
thiên nhiên:
Điều chế hydrogen
từ các nguồn nguyên liệu thiên nhiên như khí đốt
được thực hiện dễ dàng nhất, và không
cần phải sản xuất một nguồn nguyên
liệu trung gian khác. Lợi điểm thứ hai, là phương
pháp nầy đưa đến một công nghệ không
phức tạp và có tỷ lệ hydrogen-carbon cao; do đó,
hạn chế được tối đa lượng khí
carbonic phát thải vào không khí.
Phương pháp nầy
thích hợp với những quốc gia có nguồn dự
trử khí đốt lớn như LB Nga, nhưng lại
khó thích hợp cho Hoa Kỳ và Tây Aâu, v́ cần phải
nhập cảng nguyên liệu khí đốt.
Nguyên lư chuyển đổi
từ khí đốt methane CH4 ra hydrogen gồm các phương
cách sau đây:
1- phản
ứng chuyển hóa hơi methane và oxid hóa từng phần;
2- Hoặc kết hợp chung hai giai đoạn với nhau. Nhưng trên thực tế hổn hợp khí
vẫn c̣n chứa carbon monoxide (CO), carbon dioxide (CO2) và
một phần nhỏ khí methane c̣n sót lại.
Do đó cần phải qua
một quy tŕnh chuyển hóa thứ hai với hơi nước
dưới những hóa chất xúc tác với nhau để
tạo ra hydrogen như sau:
CO + H20(hơi) ->
CO2 + H2
CH4 + 2H20(hơi) -> CO2 + 4H2
Và sau cùng khi tinh chế
lại, quy tŕnh sản xuất sẽ cho ra hydrogen có độ
tinh khiết rất cao.
Phương pháp chuyển đổi
khí đốt ra hydrogen trong giai đoạn chuyển
tiếp hiện tại có thể là một giải pháp có
hiệu quả kinh tế cao nhất v́ nguồn vốn đầu
tư và sản xuất tương đối thấp so
với các phương pháp khác.
Đặc điểm
của phương pháp nầy là dễ thực hiện và
khi sản xuất ở quy mô lớn sẽ làm giảm giá
thành. Đặc
điểm thứ hai, là ở các hệ thống phân
phối, ở các điểm bán lẽ không cần nhân viên
có tŕnh độ cao để chuyển khí hydrogen từ
hệ thống phân phối qua tế bào tiếp nhận
của xe.
Theo ước tính, một
hệ thống sản xuất 480 Kg hydrogen/ngày sẽ
giảm từ 3.847 $/Kg/ngày c̣n 2.000 $/kg/ngày và giá hydrogen
sẽ giảm xuống từ 3,51 c̣n 2,33
Mỹ kim/Kg. Phương pháp nầy có thể áp dụng với
quy mô kỹ nghệ vào năm 2011.
Hydrogen từ than
đá:
Phương pháp nầy được
áp dụng ở các nhà máy nhiệt điện dùng than và quy
tŕnh tổng hợp hóa khí trong than (IGCC). Đây là
một phương pháp sạch biến than thành năng lượng
đang ngày càng phát triển ở Hoa kỳ. Do đó,
việc phối hợp vừa sản xuất điện
và khí hydrogen trong các nhà máy phát điện dùng than sẽ
giảm giá thành của hydrogen và phương pháp nầy có
hiệu quả kinh tế rất cao. Đây là một phương
pháp biến than thành khí (gasification) dựa theo
nguyên lư oxid hóa than đá với hơi nước ở
nhiệt độ và áp xuất cao. Trong điều
kiện trên, năng lượng được thành h́nh để
có thể biến thành điện năng và khí hydrogen theo như chuổi phản ứng vừa đan
cử ở phần trên.
Thêm nữa, với phương
pháp trên, sản lượng hydrogen có được
rất cao, có khả năng cung ứng nhiên liệu cho
nhiều hệ thống phân phối trong một vùng
rộng lớn. Vă lại, trữ lượng than đá của HK c̣n đủ
cung ứng cho nhu cầu trong ṿng 250 năm nữa; như
vậy sẽ không có biến động về giá cả như
việc dùng khí đốt mà Hoa Kỳ cần phải
nhập cảng. Tuy nhiên có một điểm
bất lợi lớn cho phương pháp nầy là lượng
khí CO2 thải hồi rất lớn, lớn hơn tất
cả phương pháp hiện nay để sản
xuất hydrogen. Do đó, cần phải có hệ
thống thu hồi khí carbonic bằng cách áp dụng kỹ
thuật chuyển hóa carbon (sequestration).
Với phương pháp
nầy, giá thành của H2 được ước tính
khoảng $1,03/Kg. Trong tương lai,
nếu áp dụng các phương pháp hoàn chỉnh hơn như
thiết lập các ló phản ứng hóa khí lớn, và tăng
hiệu năng việc tách rời cũng như tinh
chế H2, giá thành có thể giảm xuống c̣n $0,90/Kg. Phương
pháp nầy dự trù đem vào áp dụng tại HK vào năm
2015.
Hydrogen từ năng
lượng hạch nhân:
Sản xuất H2 từ
nguồn năng lượng nầy có hai điểm
lợi: 1- Nguồn nguyên liệu chính là uranium có trữ lượng
lớn ở HK,
Quá tŕnh sản xuất H2
trong các ló phản ứng hạch nhân có thể được
lư giải như sau: hơi nước được điện
giải trong phản ứng nhiệt hóa (HTES) từ
khoảng 700 đến 1.0000C để cho ra H2. Phản ứng nầy chiếm ưu thế hơn
ví không cần sự hiện diện của các chất xúc
tác và cho hiệu suất cao hơn phản ứng nhiệt
hóa.
Tuy nhiên, v́ cùng sản
xuất đồng loạt địên năng và hydrogen,
cho nên cần có sự hiện diện của hai ḷ phản
ứng ở trong cùng một phạm vi sản xuất. Điều nầy đ̣i
hỏi mức an toàn vận hành rất
cao. Mọi sơ suất có thể biền thành một tai nạn thảm khốc cho cư dân trong
vùng.
Hydrogen từ phương
pháp điện giải:
Phương pháp điện
giải nước để có được hydrogen và
oxygen đă được phát minh vào cuối thế kỷ
18. Phương pháp nầy không cho hiệu quả kinh
tế cao so với các phương pháp trên. Nhưng hiện tại, cách nầy có thể
dự phần không nhỏ trong giai đoạn chuyển
tiếp dùng năng lượng hydrogen, ví dễ dự
trử và hệ thống điện giải có thể được
thiếp lập ngay tại các tạm bán xăng dầu.
H2 sẽ được chứa trong những b́nh chứa đặc
biệt sẵn sàng được bơm thẳng vào b́nh
nhiên liệu của xe.
Giá thành được ước
tính là $2,50/Kg cho hệ thống điện
giải nhỏ và $2,0/Kg cho các hệ thống lớn. Trong tương
lai, giá có thể giảm hơn nữa do việc làm tăng
hiệu năng điện giải từ 63 lên 75% qua
sự kiện làm giảm nguồn năng lượng làm
nóng hơi nước, và có thể đem áp dụng vào năm
2010.
Hydrogen từ năng lượng
gió: Việc sản xuất hydrogen từ các nguồn năng
lượng tái tạo vẫn c̣n là một đề tài
nóng bỏng hiện tại, v́ đây là mục tiêu dài
hạn cho tương lai. Do đó, năng lượng gió
chuyển đổi thành điện năng; và sau cùng, dùng điện
năng nầy để phân giải nước thàng
hydrogen.
Vấn đề được
đặt ra ở đây là làm thế nào để có
hiệu năng tối đa, v́ vậy:
- Cần
phải nghiên cứu công nghệ turbine gió và chuyển hóa
thành điện năng để có được giá thành
thấp so với hiện tại;
- Giảm
giá thành của
công nghệ phân giải nước;
- Và
sau cùng phối hợp hợp lư hệ thống turbine gió,
hệ thống phân giải, cùng hệ thống b́nh chứa
hydrogen.
Một khi thực hiện được
ba điều trên, nguồn năng lượng gió sẽ là
nguồn năng lượng tái tạo hiệu quả
nhất cho việc cho việc chuyển đổi thành điện
năng và hydrogen cho thế kỷ 21 nầy. Hiện tại (2007) giá
thành của nguồn điện năng từ năng lượng
gió đă giảm tùy theo vùng từ 5 đến
7 xu/kwgiờ, không tính tới tiền trợ cấp
khuyến khích của chính phủ liên bang HK. Nếu công
nghệ gió có khả năng làm tăng hiệu năng
chuyển đổi, giá thành sẽ càng giảm hơn
nữa (hiện tại, khả năng chuyển đổi
nầy là 30%).
Yếu tố môi trường
cũng là một lợi thế cho việc ứng dụng
năng lượng gió vào việc sản xuất hydrogen, v́
nguồn năng lượng nầy hoàn toàn không phát
thải khí carbon monoxide (CO), khí carbon dioxide (CO2), nitrogen oxide
(N0x), sulfur dioxide (SO2), và những hóa chất hữu cơ nhẹ
và kim loại độc hại như trong kỹ nghệ điện
từ than đá hay dầu hỏa.
Với phương pháp
nầy, giá thành của hydrogen được ước
tính là $6,64/Kg nếu hệ thống gió -
phân giải - hydrogen được hoàn chỉnh với
hiệu suất tồi đa, giá thành có thể giảm
xuống c̣n $2,86/Kg Hydrogen.
Thay lời
kết
Năng lượng gió
hiện đang có lợi thế trong việc sản
xuất nguồn năng lượng hydrogen và có khả năng
biến nguồn năng lượng nầy có hiệu
quả kinh tế cao. Do đó, đây sẽ là nguồn năng lượng
trong tương lai, giảm thiểu sự phát thải khí
carbonic, tác nhân chính của sự hâm nóng toàn cầu, và giảm thiểu lượng hydrocarbon trong
dầu khí dùng cho việc di chuyển và sản xuất ra điện
năng tiêu dùng.
Qua thời gian, công nghệ
gió có những bước tiến đáng kể trong
việc thu hồi toàn bộ sức gió để
làm tăng vận tốc quay của những cánh quạt,
cùng hệ thống dự trữ điện năngḥan
chỉnh sẽ là hai yếu tố quyết định.
Tuy nhiên, chúng ta cần
phải lưu ư đến yếu tồ an
toàn trong việc xử dụng hydrogen trong kỹ nghệ
vận chuyển. Hydrogen là một khí nhẹ nhất,
rất dễ bị ṛ rỉ trong các hệ thống dây
nối trong xe. Theo KS Rudolph Pick, chuyên gia
về hydrogen ở
Do đó, một khi có tai nạn do xe chạy bằng nhiên liệu
hydrogen, thảm nạn sẽ xảy ra tức khắc. Và đây là một bất lợi lớn nhất
cần phải khắc phục trong tương lai, trước
khi đem công nghệ nầy vào áp dụng.
Mai Thanh Truyết