Amoniac — một loại nhiên liệu tái tạo được tạo ra từ mặt trời, không khí và nước — có thể cung cấp năng lượng cho toàn cầu mà không cần carbon
Ông Douglas MacFarlane, một nhà hóa học tại Đại học Monash ở ngoại ô Melbourne, cho biết: SYDNEY, BRISBANE, VÀ MELBOURNE, AUSTRALIA — Những cảnh quan cổ kính, khô cằn của Úc là mảnh đất màu mỡ cho sự phát triển mới: Nhiều ánh sáng mặt trời trên mỗi mét vuông chiếu vào đất nước hơn bất kỳ nơi nào khác, và những cơn gió mạnh tràn ngập bờ biển phía nam và phía tây của nó. Tất cả đã nói, Úc tự hào có tiềm năng năng lượng tái tạo 25.000 gigawatt, một trong những quốc gia cao nhất trên thế giới và gấp khoảng bốn lần công suất sản xuất điện được lắp đặt trên hành tinh. Tuy nhiên, với dân số nhỏ và ít cách để lưu trữ hoặc xuất khẩu năng lượng, tiền thưởng tái tạo của nó phần lớn chưa được khai thác.
Đó là nơi MacFarlane bước vào. Trong 4 năm qua, anh ấy đã nghiên cứu về pin nhiên liệu có thể chuyển đổi điện tái tạo thành nhiên liệu không có carbon: amoniac. Pin nhiên liệu thường sử dụng năng lượng được lưu trữ trong các liên kết hóa học để tạo ra điện; MacFarlane's hoạt động ngược lại. Trong phòng thí nghiệm ở tầng ba của mình, anh ta trưng bày một trong những thiết bị, có kích thước bằng một quả bóng khúc côn cầu và được bọc bằng thép không gỉ. Hai ống nhựa ở mặt sau của nó cung cấp khí nitơ và nước, và một dây nguồn cung cấp điện. Thông qua một ống thứ ba ở mặt trước, nó âm thầm thở ra amoniac dạng khí, tất cả đều không có nhiệt, áp suất và khí thải carbon thường cần để tạo ra hóa chất. MacFarlane nói: “Đây là hít khí nitơ vào và thở ra amoniac,” MacFarlane nói, rạng rỡ như một người cha đầy tự hào.
Các công ty trên khắp thế giới đã sản xuất ra lượng amoniac trị giá 60 tỷ đô la mỗi năm, chủ yếu làm phân bón, và gizmo của MacFarlane có thể cho phép họ tạo ra nó một cách hiệu quả và sạch sẽ hơn. Nhưng anh ấy có tham vọng làm nhiều hơn là giúp đỡ nông dân. Bằng cách chuyển đổi điện tái tạo thành một loại khí giàu năng lượng có thể dễ dàng được làm mát và ép thành nhiên liệu lỏng, pin nhiên liệu của MacFarlane sẽ thu nhận nắng và gió một cách hiệu quả, biến chúng thành một mặt hàng có thể vận chuyển đến bất kỳ đâu trên thế giới và chuyển đổi trở lại thành điện năng hoặc khí hydro để cung cấp năng lượng cho xe chạy bằng pin nhiên liệu. MacFarlane nói rằng khí sủi bọt ra khỏi pin nhiên liệu không màu, nhưng đối với môi trường, amoniac có màu xanh như có thể. Ông nói: “Amoniac lỏng là năng lượng lỏng. "Đó là công nghệ bền vững mà chúng tôi cần."
Amoniac — một nguyên tử nitơ liên kết với ba nguyên tử hydro — có vẻ không phải là nhiên liệu lý tưởng: Hóa chất được sử dụng trong chất tẩy rửa gia dụng, có mùi hôi và độc hại. Nhưng mật độ năng lượng theo thể tích của nó gần gấp đôi so với hydro lỏng - đối thủ cạnh tranh chính của nó như một loại nhiên liệu thay thế xanh - và nó dễ dàng hơn trong việc vận chuyển và phân phối. Tim Hughes, một nhà nghiên cứu lưu trữ năng lượng của công ty sản xuất Siemens ở Oxford, Anh, cho biết: “Bạn có thể lưu trữ, vận chuyển, đốt cháy và chuyển đổi lại thành hydro và nitơ.
Các nhà nghiên cứu trên toàn cầu đang theo đuổi cùng một tầm nhìn về "nền kinh tế amoniac", và Australia đang tự định vị mình để dẫn đầu. Alan Finkel, nhà khoa học chính của Australia có trụ sở tại Canberra cho biết: “Nó chỉ mới bắt đầu. Finkel nói, các chính trị gia liên bang vẫn chưa đưa ra bất kỳ luật chính nào hỗ trợ amoniac tái tạo, có lẽ có thể hiểu được ở một quốc gia lâu nay chỉ xuất khẩu than và khí đốt tự nhiên. Nhưng năm ngoái, Cơ quan Năng lượng Tái tạo Australia đã tuyên bố rằng việc tạo ra một nền kinh tế xuất khẩu năng lượng tái tạo là một trong những ưu tiên của họ. Năm nay, cơ quan này đã công bố quỹ ban đầu trị giá 20 triệu đô la Úc để hỗ trợ các công nghệ xuất khẩu tái tạo, bao gồm cả vận chuyển amoniac.
Việc chuyển đổi hydro thành amoniac chỉ để chuyển đổi nó trở lại có vẻ lạ. Nhưng hydro rất khó vận chuyển: Nó phải được hóa lỏng bằng cách làm lạnh đến nhiệt độ dưới −253 ° C, sử dụng hết một phần ba năng lượng của nó. Ngược lại, amoniac hóa lỏng ở -10 ° C dưới một chút áp suất. Dolan nói rằng hình phạt năng lượng của việc chuyển đổi hydro thành amoniac và trở lại gần giống như làm lạnh hydro - và vì đã có nhiều cơ sở hạ tầng hơn để xử lý và vận chuyển amoniac, nên amoniac là cách an toàn hơn.
Bước cuối cùng đó - tách hydro khỏi các phân tử amoniac - là những gì Dolan và các đồng nghiệp của ông đang nghiên cứu. Trong một nhà kho bằng kim loại dạng hang trong khuôn viên CSIRO từ lâu đã được sử dụng để nghiên cứu quá trình đốt than, hai đồng nghiệp của Dolan đang lắp ráp một lò phản ứng cao 2 mét bị lùn bởi một lò phản ứng than gần đó. Khi được bật, lò phản ứng sẽ "tách" amoniac thành hai thành phần của nó: H2, được gom lại để bán và N2, bay trở lại không khí.
Lò phản ứng đó về cơ bản là một phiên bản lớn hơn của lò phản ứng màng của Giddey, hoạt động ngược lại. Chỉ ở đây, amoniac dạng khí được dẫn vào khoảng giữa hai ống kim loại đồng tâm. Nhiệt, áp suất và chất xúc tác kim loại phá vỡ các phân tử amoniac và đẩy các nguyên tử hydro về phía lõi rỗng của ống, nơi chúng kết hợp để tạo ra H2 được hút ra và lưu trữ.
Cuối cùng, Dolan nói, lò phản ứng sẽ tạo ra 15 kg hydro tinh khiết 99,9999% mỗi ngày, đủ để cung cấp năng lượng cho một vài chiếc ô tô chạy bằng pin nhiên liệu. Vào tháng tới, ông có kế hoạch trình diễn lò phản ứng với các nhà sản xuất ô tô, sử dụng lò này để đổ đầy các thùng chứa trong hai chiếc ô tô chạy pin nhiên liệu của Toyota Mirai và Hyundai Nexo. Ông cho biết nhóm của ông đang thảo luận giai đoạn cuối với một công ty để xây dựng một nhà máy thử nghiệm thương mại xung quanh công nghệ này. Cooper nói: “Đây là một phần rất quan trọng của trò chơi ghép hình.
Ngoài năm 2030, Nhật Bản có thể sẽ nhập khẩu từ 10 tỷ đến 20 tỷ USD hydro mỗi năm, theo lộ trình năng lượng tái tạo được Bộ Kinh tế, Thương mại và Công nghiệp Nhật Bản công bố gần đây. Nhật Bản, Singapore và Hàn Quốc đều đã bắt đầu thảo luận với các quan chức Australia về việc thiết lập các cảng nhập khẩu hydro hoặc amoniac được sản xuất mới. Harris nói: “Làm thế nào mà tất cả kết hợp lại với nhau về mặt kinh tế, tôi không biết. "Nhưng có vẻ như có đủ sự quan tâm để bắt đầu ngành công nghiệp này."
Cooper biết anh ấy muốn nó kết thúc như thế nào. Ngồi uống cà phê vào một buổi sáng mưa ở Sydney, anh ấy mô tả tầm nhìn tương lai của mình về amoniac tái tạo. Khi anh ấy liếc mắt, anh ấy có thể thấy, có thể 30 năm sau, bờ biển của Úc rải rác các tàu siêu chìm, cập bến các giàn khoan ngoài khơi. Nhưng họ sẽ không đổ đầy dầu. Đường dây điện dưới đáy biển sẽ mang điện tái tạo đến các giàn khoan từ các trang trại năng lượng mặt trời và gió trên bờ. Trên tàu, một thiết bị sẽ sử dụng điện để khử muối trong nước biển và chuyển nước ngọt đến các máy điện phân để sản xuất hydro. Một thiết bị khác sẽ lọc nitơ từ bầu trời. Các tế bào nhiên liệu đảo ngược sẽ kết hợp cả hai lại với nhau thành amoniac để tải lên các tàu chở dầu — một nguồn năng lượng từ mặt trời, không khí và biển.
Ông nói rằng giấc mơ mà phản ứng tổng hợp hạt nhân không bao giờ đạt được: năng lượng không có carbon vô tận, chỉ lần này là từ amoniac. "Nó không bao giờ có thể cạn kiệt, và không có carbon trong hệ thống."