Các nhà nghiên cứu tìm cách cải thiện hiệu suất bình chứa hydro lỏng
Bởi Tina Hilding, Đại học Bang Washington (WSU)
Kyle Appel, đứng trước một bình chứa hydro lỏng, đã góp phần phát triển mô hình toán học và các khuyến nghị nhằm cải thiện hoạt động của bình chứa hydro lỏng. Ảnh: Matthew Shenton/WSU
Các nhà nghiên cứu tại Đại học Bang Washington (WSU) đã phát triển một mô hình toán học cùng bộ khuyến nghị nhằm cải thiện hoạt động của bình chứa hydro lỏng, có thể giúp hydro trở thành lựa chọn khả thi hơn để cung cấp năng lượng cho phương tiện và các quy trình công nghiệp khác trong tương lai.
Nhóm nghiên cứu đã sử dụng dữ liệu thực tế từ các bình chứa để xác định các chế độ vận hành mà tại đó hydro bay hơi và bị thất thoát, có thể lên tới 25% lượng hydro được đưa vào bình chứa. Công trình được công bố trên tạp chí Cryogenics.
“Nếu chúng ta muốn giảm phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch và tìm ra loại nhiên liệu sạch, được sản xuất từ nguồn năng lượng tái tạo, thì hydro lỏng là ứng viên phù hợp nhất,” Giáo sư Konstantin Matveev, thuộc Khoa Kỹ thuật Cơ khí và Vật liệu và là đồng tác giả bài báo, cho biết. “Hiện chúng ta có công cụ mô phỏng các phần quan trọng của chuỗi cung ứng hydro lỏng, và nhờ công cụ này, công nghệ cho nền kinh tế xanh sẽ khả thi hơn.”
Xe chạy bằng hydro là lựa chọn thay thế cho động cơ đốt trong dùng xăng hoặc diesel vì không phát thải khí nhà kính. Chúng đặc biệt hấp dẫn cho các thiết bị nặng như xe nâng hoặc xe tải, nơi xe điện cần quá nhiều pin. Công ty Plug Power hiện vận hành khoảng 250 bình hydro lỏng để cung cấp năng lượng cho 70.000 xe nâng hydro trên toàn thế giới, vận chuyển khoảng 30% lượng hàng tạp hóa ở Mỹ.
Tuy nhiên, việc lưu trữ và vận chuyển hydro là thách thức lớn. Hydro lỏng là dạng thuận tiện nhất cho hầu hết ứng dụng công nghiệp, nhưng để duy trì trạng thái lỏng, nó phải được giữ ở nhiệt độ cực thấp. Mỗi khi hydro gặp nhiệt độ môi trường bình thường, nó bay hơi rất nhanh. Để giữ hydro lỏng và vận chuyển vào/ra khỏi bình, nhiều cấu trúc và cơ chế được sử dụng như lớp vỏ cách nhiệt, van áp suất, mạch chất lỏng và bơm nhằm giảm thất thoát.
“Có nhiều quá trình phức tạp diễn ra đồng thời, nên việc phát triển mô hình lý thuyết là rất quan trọng, không chỉ để hiểu hoạt động hiện tại mà còn để đầu tư vào công nghệ cải thiện hoạt động đó,” Jake Leachman, tác giả liên hệ và giáo sư tại Khoa Kỹ thuật Cơ khí và Vật liệu, cho biết.
Một trong những thời điểm thất thoát lớn là khi hydro được chuyển từ bình này sang bình khác.
“Đường truyền phải được làm lạnh, và trong quá trình đó, khoảng 13% phân tử hydro lỏng bị bay hơi và không thể sử dụng làm nhiên liệu,” Kyle Appel, tác giả chính và là thạc sĩ mới tốt nghiệp, giải thích.
Trong nghiên cứu, nhóm WSU đã phát triển mô hình lý thuyết cho hiệu suất bình thực tế và kiểm chứng bằng dữ liệu từ các bình đang sử dụng của Plug Power. Các nhà nghiên cứu cho thấy thay đổi cách vận hành bình chứa hydro lỏng có thể giảm đáng kể thất thoát do bay hơi, và có thể đạt mức “zero boil-off” nếu có các điều chỉnh bổ sung. Ví dụ, thay đổi giới hạn áp suất khi van xả hoạt động có thể giảm thất thoát hydro khoảng 26%.
“Đó chỉ là việc thay đổi thông số của van, khá đơn giản,” Appel nói.
Mô hình toán học mà họ phát triển cũng chạy rất hiệu quả về mặt tính toán, theo Matveev. Các mô hình phức tạp trước đây mất nhiều ngày để chạy, cần siêu máy tính và chỉ mô phỏng được vài giờ hoạt động của bình. Mô hình đơn giản mới của WSU, hiệu chuẩn theo dữ liệu thực tế, có thể mô phỏng hàng trăm giờ hoạt động chỉ trong vài phút.
“Với công cụ này, bạn có thể thử nghiệm nhiều thay đổi vận hành khác nhau. Đóng góp của chúng tôi còn là phát triển một mô hình toán học hiệu quả, có thể được sử dụng trong ngành, bởi khách hàng, nhà thiết kế và các cơ quan chính phủ,” Matveev cho biết.
Nhóm nghiên cứu tiếp tục hợp tác với Plug Power để triển khai các khuyến nghị cho bình chứa hydro lỏng. Họ cũng muốn tinh chỉnh mô hình để hiểu rõ hơn về quá trình chuyển hydro, bơm và các thiết bị khác trong hệ thống. Ngoài ra, nhóm đang thực hiện nghiên cứu bổ sung cho Cục Hàng không Liên bang Mỹ (FAA), đánh giá và mô phỏng việc lưu trữ hydro lỏng tại các sân bay.
