Nền kinh tế hydro của tương lai cần nhiều công nghệ mới để vận chuyển và xử lý chất mang năng lượng đáng thèm muốn
Một tương lai năng lượng phi hóa thạch cần hydro xanh - và các công nghệ xử lý mới cho nguồn năng lượng.
Ảnh minh họa: Getty/iStock
Rõ ràng là hydro xanh sẽ đóng một vai trò quan trọng trong ngành công nghiệp năng lượng trong tương lai. Tuy nhiên, điều ít rõ ràng hơn là nguồn năng lượng thân thiện với khí hậu sẽ được sản xuất ở đâu và trong hoàn cảnh nào với số lượng lớn cần thiết và làm thế nào để mang lại hiệu quả cho người tiêu dùng. Về giao thông, việc bổ sung hydro vào mạng lưới khí đốt tự nhiên hiện có từ lâu đã là một vấn đề. Ở Áo, hàm lượng hydro mười phần trăm đã được cho phép ở đây kể từ năm 2021. Giới hạn trên lý thuyết mà có thể vận chuyển an toàn là giá trị 20 phần trăm. Vì việc sử dụng khí đốt tự nhiên làm nhiên liệu hóa thạch cuối cùng cũng phải giảm, pha trộn khí tự nhiên vẫn là một công nghệ chuyển tiếp. Để thay thế, các đường ống hydro tinh khiết, cũng như các vật liệu mang như amoniac hoặc metanol đang được thảo luận.
Michael Harasek từ Viện Kỹ thuật Quy trình, Kỹ thuật Môi trường và Khoa học Sinh học Kỹ thuật tại Đại học Công nghệ Vienna đã nghiên cứu các phương pháp và quy trình liên quan đến xử lý hydro trong nhiều năm. Chúng bao gồm các công nghệ tổ chức lắng đọng, tinh chế và tập trung nguyên tố. "Tùy thuộc vào mục đích sử dụng, một chất lượng nhất định, cần có một mức độ tinh khiết nhất định của hydro", Harasek nhấn mạnh. "Ví dụ, các yêu cầu sử dụng trong lò cao của ngành thép hoàn toàn khác với các yêu cầu sử dụng trong pin nhiên liệu cho xe buýt hydro".
Giải thưởng uy tín
Gần đây, sự phát triển của Harasek và nhóm đã được trao hai giải thưởng xếp hạng cao trong vòng hai ngày. Cùng với các đồng nghiệp Werner Liemberger và Martin Miltner, nhà khoa học đã được vinh danh với Giải thưởng Bằng sáng chế Nhà nước 2023, do Văn phòng Bằng sáng chế Áo cùng với Bộ Bảo vệ Khí hậu trao tặng, cho khái niệm về một công nghệ tách hydro mới, linh hoạt. Ngày hôm sau, Harasek được Quỹ tư nhân B&C trao giải thưởng Houska rất ưu đãi cho kỹ thuật xử lý của mình.
Ví dụ, các quá trình tách khí thông thường tập trung vào các vật liệu có khả năng hấp phụ, có thể liên kết các chất do cấu trúc xốp và diện tích bề mặt cao. Ví dụ, khí mêtan - thành phần chính của khí tự nhiên - có thể được hấp phụ bằng than hoạt tính. Mặt khác, hydro, mà nó được trộn lẫn, vẫn là một chất khí. Trong quá trình được gọi là hấp phụ xoay áp suất, nguyên tắc này được áp dụng. Khí mêtan liên kết với than hoạt tính ở áp suất cao. Sau khi bão hòa, áp suất được giảm trong bước xử lý tiếp theo để các phân tử metan được giải phóng trở lại và có thể chảy ra theo một cách khác. Trong hầu hết các trường hợp, một số đơn vị hấp phụ được sắp xếp song song hoạt động theo từng phần để tách hỗn hợp khí.
Khai hoang từ độ sâu
Harasek và nhóm của ông đang sử dụng phương pháp này, ví dụ, trong dự án "Lưu trữ mặt trời ngầm 2030" được khởi động gần đây, do công ty lưu trữ khí đốt RAG Austria dẫn đầu và được hỗ trợ bởi Quỹ Khí hậu, được Bộ Bảo vệ Khí hậu tài trợ. Cùng với một số đối tác kinh doanh và nghiên cứu, việc lưu trữ hydro theo mùa trong các cơ sở lưu trữ dưới lòng đất đang được thử nghiệm tại đô thị Gampern ở Oberösterreich. Năng lượng dư thừa từ năng lượng mặt trời, đã được chuyển đổi thành hydro, do đó sẽ có sẵn vào mùa đông, nơi có ít giờ nắng hơn.
Tuy nhiên, trong cơ sở lưu trữ dưới lòng đất, hydro cũng trộn với dư lượng metan, phải được tách ra trong quá trình thu hồi. "Trong quá trình thực hiện dự án, lần đầu tiên chúng tôi đang nỗ lực mở rộng quy trình thông thường này để gây áp lực. Điều này có nghĩa là chúng tôi sử dụng áp suất mà khí thoát ra khỏi bể chứa - lên tới 60 bar - trực tiếp cho quá trình xử lý", Harasek nói. "Điều này có lợi thế lớn là hydro còn lại không phải bị nén lại sau khi tách." Điều này giúp loại bỏ sự cần thiết của một bước xử lý sử dụng nhiều năng lượng.
Cách tiếp cận tiên phong
Tuy nhiên, quá trình hiện đã được vinh danh với giải thưởng bằng sáng chế sử dụng các nguyên tắc vật lý hoàn toàn khác nhau và có thể định hình nền kinh tế hydro tiến xa trong tương lai. Các nhà nghiên cứu sử dụng cái gọi là màng dẫn proton, tương tự như màng được sử dụng trong sản xuất hydro bằng điện phân hoặc chuyển đổi hydro thành điện trong pin nhiên liệu. "Trên thực tế, cách tiếp cận của chúng tôi là một hỗn hợp của những khái niệm được sử dụng trong điện phân và pin nhiên liệu", Harasek nói.
Màng có thể thấm vào proton, tức là hạt nhân hydro. Tuy nhiên, việc vận chuyển các loại khí như oxy hoặc metan bị ngăn chặn. Để truyền hydro qua chúng, một bên của màng trở thành cực dương tích điện dương, bên kia là cực âm tích điện âm. "Trong điện trường trải dài giữa cực dương và cực âm, các ion hydro bây giờ di chuyển từ bên này sang bên kia của màng", Harasek giải thích. Một lợi thế lớn ở đây cũng là ở phía cực âm, nơi hydro thu thập, áp suất cao hơn không phải là vấn đề. "Điều này có nghĩa là chúng ta có thể tách và nén hydro trong một bước mà không cần sử dụng các bộ phận cơ khí dễ bị mài mòn", nhà khoa học nhấn mạnh. Hydro tách ra sau đó có mặt ở dạng tinh khiết cao.
Quản lý độ ẩm
Harasek và các đồng nghiệp đã có thể chứng minh tính khả thi cơ bản của phương pháp tiếp cận trong phòng thí nghiệm. Tuy nhiên, vẫn còn một số vấn đề cần giải quyết. Ví dụ, để sử dụng trong việc tách hydro khỏi khí tự nhiên, cần có các yếu tố để làm giàu trước cũng như hệ thống quản lý độ ẩm riêng biệt để giữ cho màng dẫn điện. Việc tách cũng phải được cắt giảm để đạt hiệu quả, bởi vì nhu cầu năng lượng của nó phải nhỏ hơn mười phần trăm giá trị năng lượng của hydro được chiết xuất.
Vì vậy, sẽ mất một thời gian trước khi phương pháp này thực sự có thể được sử dụng trong thực tế. Tuy nhiên, khi thời gian đến, nó có thể trở thành một công cụ tách khí đa năng có thể được sử dụng trong các thiết kế khác nhau tại chỗ trong các nhà máy công nghiệp. "Điều thú vị về điều này là nguyên tắc cho phép một loạt các ứng dụng," Harasek giải thích. "Nếu amoniac thực sự trở thành chất mang hydro trong tương lai, phương pháp của chúng tôi cũng có thể được sử dụng ở đây." (Alois Pumhösel, 15.5.2023)
