Các nhà khoa học phát triển phương pháp khai thác nhiên liệu hydro trực tiếp từ giếng khí thiên nhiên
Theo Viện Khoa học và Công nghệ Skolkovo
Các nhà nghiên cứu của Skoltech đã phát triển một phương pháp sản xuất hydro trực tiếp tại các mỏ khí thiên nhiên với hiệu suất lên đến 45% bằng cách phun hơi nước, chất xúc tác và oxy để kích hoạt phản ứng đốt cháy dưới lòng đất. Quy trình cải tiến này giữ lại khí thải carbon trong bể chứa, cung cấp một con đường sạch hơn, có thể mở rộng quy mô để tiếp cận nhiên liệu hydro tại nguồn.
Các nhà khoa học của Skoltech đã đưa ra một phương pháp hiệu quả để khai thác hydro từ các mỏ khí thiên nhiên trong khi giữ lại khí thải carbon dưới lòng đất, có khả năng cách mạng hóa sản xuất năng lượng sạch.
Các nhà nghiên cứu của Skoltech đã phát triển một phương pháp sản xuất hydro trực tiếp tại các mỏ khí thiên nhiên với hiệu suất 45%. Quy trình này bao gồm việc phun hơi nước và chất xúc tác vào giếng khí, sau đó bổ sung oxy để bắt đầu quá trình đốt cháy.
Phản ứng có sự hỗ trợ của chất xúc tác này tạo ra hỗn hợp hydro và carbon monoxide, từ đó hydro có thể được tách ra một cách hiệu quả. Bước đột phá này, được công bố trên tạp chí Fuel và được hỗ trợ bởi khoản tài trợ từ Quỹ Khoa học Nga (RSF), mở ra một bước tiến đầy hứa hẹn hướng tới sản xuất hydro quy mô lớn tại nguồn.
Ngày nay, khoảng 80% năng lượng toàn cầu đến từ nhiên liệu hóa thạch như dầu và khí đốt tự nhiên, thải ra carbon dioxide khi đốt, góp phần gây ra biến đổi khí hậu và suy thoái môi trường. Mặc dù khí đốt tự nhiên thường được coi là nhiên liệu hóa thạch sạch hơn do lượng khí thải ô nhiễm độc hại thấp hơn so với dầu, nhưng nó vẫn thải ra đáng kể carbon dioxide.
Quy trình sản xuất hydro từ các mỏ khí. Nguồn: Mukhina và cộng sự / Fuel, 2024
Ngược lại, nhiên liệu hydro chỉ thải ra hơi nước trong quá trình sử dụng, khiến nó trở thành một giải pháp thay thế sạch hơn. Tuy nhiên, những thách thức trong sản xuất hydro đã hạn chế việc áp dụng rộng rãi. Phương pháp mới của Skoltech có thể giúp vượt qua những rào cản này và đẩy nhanh quá trình chuyển đổi sang các nguồn năng lượng sạch hơn.
Một phương pháp sản xuất hydro tại chỗ mới
Lần đầu tiên, một nhóm từ Viện Khoa học và Công nghệ Skolkovo ở Moscow đã đề xuất khai thác hydro từ các bể chứa khí đốt tự nhiên, nơi giàu hydrocarbon có chứa một lượng lớn hydro ở cấp độ phân tử. Điều này có nghĩa là hydrocarbon, sau khi được chuyển đổi, có thể tạo ra một lượng lớn nhiên liệu "xanh".
Nhóm đang theo dõi thí nghiệm trong lò phản ứng trong phòng thí nghiệm. Tín dụng: Elena Mukhina
Nhóm đã đề xuất một quy trình hiệu quả, nhiều bước để sản xuất hydro từ các mỏ khí. Đầu tiên, hơi nước được đưa vào giếng cùng với chất xúc tác sau đó sẽ giúp tách hydro khỏi các thành phần khí đốt tự nhiên. Sau đó, không khí hoặc oxy nguyên chất được bơm vào để đốt cháy khí trực tiếp trong bể chứa. Với sự hỗ trợ của hơi nước và chất xúc tác, khí đốt tự nhiên cháy và được chuyển đổi thành hỗn hợp carbon monoxide và hydro.
Carbon dioxide hình thành từ carbon monoxide vẫn còn trong bể chứa và không góp phần gây ra hiệu ứng nhà kính. Ở giai đoạn cuối, hydro được chiết xuất từ giếng thông qua một màng ngăn chặn các sản phẩm đốt cháy khác, khiến carbon monoxide và carbon dioxide bị giữ lại vĩnh viễn dưới lòng đất.
Kiểm tra trong phòng thí nghiệm và mô phỏng lò phản ứng
Các nhà nghiên cứu đã thử nghiệm quy trình của họ trong các lò phản ứng trong phòng thí nghiệm mô phỏng môi trường bể chứa khí thực. Họ đặt đá nghiền vào lò phản ứng rồi bơm mêtan, thành phần chính của khí tự nhiên, cùng với hơi nước và chất xúc tác, rồi đến oxy. Áp suất bên trong lò phản ứng được duy trì ở mức điển hình của bể chứa khí (cao hơn áp suất khí quyển tám mươi lần).
Khi thí nghiệm tiến triển, nhóm đã phân tích thành phần khí trong lò phản ứng để đánh giá hiệu quả chuyển đổi mêtan thành hydro. Hóa ra, hầu hết hydro - chiếm 45% tổng thể tích khí - được hình thành ở 800° C với lượng hơi nước lớn được đưa vào lò phản ứng. Để phản ứng hiệu quả nhất có thể, cần phải có lượng hơi nước nhiều hơn khí tự nhiên gấp bốn lần. Các nhà nghiên cứu đã chọn nhiệt độ 800° C vì nhiệt độ này dễ đạt được trong quá trình đốt cháy khí tự nhiên và không cần phải duy trì nhân tạo.
Sản lượng hydro cũng phụ thuộc vào thành phần của đá. Ví dụ, trong các thí nghiệm với nhôm oxit xốp, sản lượng hydro đạt 55%. Hiệu suất cao hơn trong trường hợp này được giải thích là do alumina trơ, tức là nó không phản ứng với các nguyên tố xung quanh. Đá tự nhiên chứa các khoáng chất khác hoạt động mạnh hơn có thể phản ứng với các thành phần của hỗn hợp khí và ảnh hưởng đến sản lượng hydro.
“Tất cả các giai đoạn của quy trình đều dựa trên các công nghệ đã được thiết lập tốt mà trước đây chưa được áp dụng để sản xuất hydro từ các bể chứa khí thực. Chúng tôi đã chứng minh rằng phương pháp của chúng tôi có thể giúp chuyển đổi hydrocarbon thành nhiên liệu “xanh” trong môi trường thực tế với hiệu suất lên tới 45%. Trong tương lai, chúng tôi có kế hoạch thử nghiệm phương pháp của mình trong các mỏ khí thực tế”, ông cho biết
Elena Mukhina, Tiến sĩ, nhà khoa học nghiên cứu cấp cao tại Skoltech Petroleum và là người đứng đầu dự án do RSF hỗ trợ.
Tài liệu tham khảo: “Một phương pháp mới để tổng hợp hydro trong các bể chứa khí đốt tự nhiên” của Elena Mukhina, Pavel Afanasev, Aliya Mukhametdinova, Tatiana Alekhina, Aysylu Askarova, Evgeny Popov và Alexey Cheremisin, ngày 4 tháng 5 năm 2024, Fuel.DOI: 10.1016/j.fuel.2024.131758
