Ánh sáng mặt trời và nước biển tạo ra hydro xanh giá rẻ và nước sạch
Tác giả: David Nutt, Đại học Cornell
Một nhóm do Cornell đứng đầu đã chế tạo một thiết bị nguyên mẫu có kích thước 10 cm x 10 cm, sản xuất hydro "xanh" không chứa carbon thông qua quá trình điện phân nước biển bằng năng lượng mặt trời, với một sản phẩm phụ quan trọng: nước uống. Nguồn: Đại học Cornell
Một dự án hợp tác do Cornell đứng đầu đã đạt được ba mục tiêu của công nghệ bền vững: Nhóm đã phát triển một phương pháp chi phí thấp để sản xuất hydro "xanh" không chứa carbon thông qua quá trình điện phân nước biển bằng năng lượng mặt trời. Một sản phẩm phụ tuyệt vời của quá trình này? Nước uống.
Thiết bị điện phân nước chưng cất bằng năng lượng mặt trời lai (HSD-WE) của nhóm, được báo cáo trên Tạp chí Khoa học Năng lượng & Môi trường, hiện sản xuất 200 mililít hydro mỗi giờ với hiệu suất năng lượng 12,6% trực tiếp từ nước biển dưới ánh sáng mặt trời tự nhiên. Các nhà nghiên cứu ước tính rằng trong vòng 15 năm, công nghệ này có thể giảm chi phí sản xuất hydro xanh xuống còn 1 đô la một kilôgam—một bước quan trọng để đạt được mức phát thải ròng bằng 0 vào năm 2050.
"Nước và năng lượng đều rất cần thiết cho cuộc sống hàng ngày của chúng ta, nhưng thông thường, nếu bạn muốn sản xuất nhiều năng lượng hơn, bạn phải tiêu thụ nhiều nước hơn", Lenan Zhang, phó giáo sư tại Trường Kỹ thuật Cơ khí và Hàng không vũ trụ Sibley thuộc Đại học Kỹ thuật Cornell, người đứng đầu dự án, cho biết.
"Mặt khác, chúng ta cần nước uống, vì hai phần ba dân số toàn cầu đang phải đối mặt với tình trạng thiếu nước. Do đó, có một nút thắt trong sản xuất hydro xanh và điều đó được phản ánh trong chi phí".
Hydro xanh được sản xuất bằng cách phân tách các phân tử nước "có độ tinh khiết cao"—tức là nước khử ion—thành hydro và oxy thông qua quá trình điện phân. Chi phí cao là do lượng nước sạch khổng lồ mà quy trình này yêu cầu; chi phí sản xuất hydro xanh có thể cao hơn khoảng 10 lần so với hydro thông thường.
"Đó là lý do tại sao chúng tôi nghĩ ra công nghệ này", Zhang cho biết. "Chúng tôi nghĩ, 'Được rồi, nguồn tài nguyên dồi dào nhất trên Trái đất là gì?' Năng lượng mặt trời và nước biển về cơ bản là nguồn tài nguyên vô hạn và cũng là nguồn tài nguyên miễn phí."
Là một nhà khoa học nghiên cứu tại Viện Công nghệ Massachusetts, Zhang bắt đầu khám phá những cách sử dụng năng lượng mặt trời để chuyển đổi nước biển thành nước uống thông qua quá trình khử muối nhiệt - một nỗ lực được tạp chí Time ca ngợi là một trong những "Phát minh tuyệt vời nhất năm 2023". Vào thời điểm Zhang đến Cornell vào năm 2024, ông đã nhận được sự hỗ trợ từ Quỹ Khoa học Quốc gia để mở rộng công nghệ sản xuất hydro xanh.
Sản xuất hydro xanh bằng năng lượng mặt trời từ nước biển. Tín dụng: Khoa học Năng lượng & Môi trường (2025). DOI: 10.1039/D4EE06203E
Hợp tác với các nhà nghiên cứu từ MIT, Đại học Johns Hopkins và Đại học Bang Michigan, nhóm của Zhang đã thiết kế một thiết bị nguyên mẫu có kích thước 10 cm x 10 cm tận dụng một trong những nhược điểm của quang điện: hiệu suất tương đối thấp của chúng. Hầu hết các tế bào quang điện chỉ có thể chuyển đổi khoảng 30% năng lượng mặt trời thành điện, và phần còn lại tỏa ra dưới dạng nhiệt thải. Nhưng thiết bị của nhóm nghiên cứu có thể khai thác hầu hết nhiệt thải đó và sử dụng để làm ấm nước biển cho đến khi nước bốc hơi.
"Về cơ bản, ánh sáng mặt trời bước sóng ngắn tương tác với tế bào quang điện để tạo ra điện, và ánh sáng bước sóng dài hơn tạo ra nhiệt thải để cung cấp năng lượng cho quá trình chưng cất nước biển", Zhang cho biết. "Theo cách này, toàn bộ năng lượng mặt trời có thể được sử dụng hoàn toàn. Không có gì bị lãng phí".
Để quá trình bốc hơi nhiệt giao diện xảy ra, có một thành phần quan trọng, được gọi là bấc mao dẫn, giữ nước thành một lớp màng mỏng tiếp xúc trực tiếp với tấm pin mặt trời. Theo cách này, chỉ cần làm nóng lớp màng mỏng, thay vì một lượng lớn nước, và hiệu suất bốc hơi được tăng lên hơn 90%.
Sau khi nước biển bốc hơi, muối còn lại, và hơi nước đã khử muối ngưng tụ thành nước sạch, đi qua bộ điện phân để phân tách các phân tử nước thành hydro và oxy.
"Đây là công nghệ tích hợp cao. Thiết kế này rất khó khăn vì có nhiều sự kết hợp phức tạp: khử muối kết hợp với điện phân, điện phân kết hợp với tấm pin mặt trời và tấm pin mặt trời kết hợp với khử muối thông qua quá trình chuyển đổi và vận chuyển năng lượng mặt trời, điện, hóa học và nhiệt", Zhang cho biết.
"Giờ đây, lần đầu tiên, chúng tôi có thể sản xuất đủ lượng nước đáp ứng nhu cầu sản xuất hydro. Và chúng tôi cũng có thêm nước để uống. Một mũi tên trúng hai đích".
Theo Zhang, chi phí sản xuất hydro xanh hiện tại là khoảng 10 đô la một kg, nhưng với nguồn ánh sáng mặt trời và nước biển dồi dào, trong vòng 15 năm, thiết bị của nhóm ông có thể giảm chi phí xuống còn 1 đô la một kg. Zhang cũng thấy tiềm năng kết hợp công nghệ này vào các trang trại năng lượng mặt trời để làm mát các tấm pin quang điện, giúp cải thiện hiệu suất và kéo dài tuổi thọ của chúng.
"Chúng tôi muốn tránh phát thải carbon, tránh ô nhiễm. Nhưng đồng thời, chúng tôi cũng quan tâm đến chi phí, vì chi phí càng thấp thì thị trường lớn hơn tiềm năng "R là tiềm năng thị trường lớn cho việc áp dụng trên diện rộng", ông nói. "Chúng tôi tin rằng có tiềm năng rất lớn cho việc lắp đặt trong tương lai".
