Đột phá công nghệ “beam-down”: Ánh nắng mặt trời đang thúc đẩy tương lai của hydro xanh
Ngày 17/6/2025 |
Các ngành công nghiệp nặng như luyện thép, sản xuất sắt và alumin hiện vẫn phụ thuộc lớn vào nhiên liệu hóa thạch. Đây là những lĩnh vực có cường độ năng lượng rất cao, khó điện hóa hoàn toàn, và cũng là nguồn phát thải lớn. Hydro xanh đang được xem là một trong những giải pháp then chốt giúp các ngành này giảm phát thải mà vẫn duy trì hiệu suất sản xuất.
Tổ chức khoa học quốc gia Úc CSIRO vừa công bố một bước đột phá quan trọng: lò phản ứng năng lượng mặt trời dạng “beam-down” có khả năng sản xuất hydro xanh bằng cách sử dụng ánh sáng mặt trời tập trung và các hạt oxit kim loại tiên tiến.
Vì sao hydro xanh có vai trò quan trọng
Mặc dù điện mặt trời đã trở nên phổ biến trên các mái nhà tại Úc, khoảng 75% tổng nhu cầu năng lượng quốc gia vẫn đến từ các nguồn nhiên liệu, đặc biệt là trong công nghiệp nặng và giao thông vận tải.
Ông Michael Rae, nhà khoa học máy tính và nghiên cứu năng lượng mặt trời tại CSIRO, cho biết:
“Phần lớn hydro hiện nay được sản xuất từ methane – một quá trình phát thải khí nhà kính, được gọi là hydro xám. Để có hydro xanh, chúng ta cần các phương pháp có thể sản xuất quy mô lớn, ổn định, chi phí hợp lý và không phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch.”
Phương pháp phổ biến nhất hiện nay để sản xuất hydro xanh là điện phân nước, nhưng quá trình này vẫn tiêu tốn nhiều năng lượng và chi phí cao. Do đó, CSIRO đang nghiên cứu các giải pháp nhiệt – hóa học sử dụng năng lượng mặt trời, nhằm tạo ra con đường sản xuất đơn giản và hiệu quả hơn cho quy mô công nghiệp.
Đột phá năng lượng mặt trời tại Newcastle
Với sự tài trợ của Cơ quan Năng lượng Tái tạo Úc (ARENA), CSIRO đã trình diễn thành công công nghệ sản xuất hydro mới tại Trung tâm Năng lượng Newcastle. Hệ thống này được gọi là lò phản ứng năng lượng mặt trời beam-down.
Khác với các tháp nhiệt mặt trời truyền thống tập trung ánh sáng lên đỉnh tháp, thiết kế beam-down chuyển hướng ánh sáng tập trung xuống phía dưới, nơi đặt lò phản ứng. Cơ chế hoạt động gồm:
-
Hệ thống gương phản xạ theo dõi mặt trời (heliostat) tập trung ánh sáng về đỉnh tháp trung tâm
-
Tháp phản xạ ánh sáng tập trung xuống nền
-
Nhiệt độ cao trong lò phản ứng kích hoạt phản ứng hóa học, tách nước thành hydro và oxy
Đây là lần đầu tiên công nghệ beam-down được trình diễn thành công tại Úc.
Vai trò của các hạt oxit kim loại trong sản xuất hydro
Trung tâm của công nghệ này là vật liệu ceria pha tạp (doped ceria) – một dạng ceria được cải tiến để có khả năng hấp thụ và giải phóng oxy ở nhiệt độ thấp hơn so với các vật liệu truyền thống.
Chu trình sản xuất hydro gồm hai bước chính:
-
Khi được nung nóng bằng năng lượng mặt trời, doped ceria giải phóng oxy
-
Khi tiếp xúc với hơi nước, vật liệu hấp thụ oxy từ nước, giải phóng khí hydro
Sau đó, doped ceria có thể được tái sử dụng nhiều lần, phù hợp cho vận hành liên tục.
Các hạt doped ceria này do Đại học Niigata (Nhật Bản) phát triển và lần đầu tiên được sử dụng trong thử nghiệm ở quy mô trình diễn.
Giáo sư Tatsuya Kodama (ĐH Niigata) cho biết:
“Chúng tôi tạo ra lượng hydro cao gấp hơn ba lần so với các vật liệu tiêu chuẩn trong các phản ứng tương tự. Điều này cho thấy tiềm năng rất lớn trong việc nâng cao hiệu suất cho các thiết kế tương lai.”
Vì sao công nghệ beam-down là bước ngoặt
Trong các hệ thống nhiệt mặt trời truyền thống, bộ thu nhiệt thường quay xuống dưới, hạn chế khả năng tích hợp các phản ứng hóa học phức tạp. Với thiết kế beam-down, bộ thu nhiệt hướng lên trên, mang lại sự linh hoạt cao hơn cho nghiên cứu và thử nghiệm, đặc biệt với các quá trình nhiệt – hóa học và vật liệu rắn.
Theo Tiến sĩ Noel Duffy, Trưởng nhóm Công nghệ Mặt trời của CSIRO:
“Đây là bước tiến lớn đối với năng lực nghiên cứu nhiệt mặt trời của Úc. Hệ thống beam-down cho phép chúng tôi thử nghiệm các phản ứng nhiệt độ cao dễ dàng hơn, không chỉ cho hydro mà còn cho các ứng dụng như tinh luyện kim loại.”
Hiệu suất và tiềm năng công nghiệp
Dự án đã chứng minh thành công toàn bộ chu trình sản xuất hydro nhiệt – hóa học, từ đầu vào năng lượng mặt trời đến đầu ra hydro. Công nghệ này có tiềm năng đạt hiệu suất chuyển đổi mặt trời – hydro trên 20%, cao hơn nhiều hệ thống hiện nay (thường khoảng 15%).
Tiến sĩ Jin-Soo Kim, nhà khoa học trưởng của CSIRO và là trưởng dự án, cho biết:
“Quy trình này sử dụng chu trình tách nước hai bước với vật liệu mới, hoạt động ở nhiệt độ tương đối thấp so với các hệ nhiệt – hóa học mặt trời khác. Dù chưa đạt quy mô công nghiệp, kết quả cho thấy với sự hoàn thiện thêm, công nghệ này có thể cạnh tranh với điện phân cả về hiệu suất lẫn chi phí.”
Thúc đẩy tương lai nhiên liệu sạch
Trong bối cảnh nhu cầu hydro xanh toàn cầu ngày càng tăng, lò phản ứng beam-down của CSIRO có thể giúp Úc trở thành quốc gia cung cấp nhiên liệu hydro phát thải thấp quan trọng cho thế giới.
Bằng cách khai thác nguồn ánh nắng dồi dào, hydro xanh có thể góp phần khử carbon cho những lĩnh vực khó chuyển đổi nhất như luyện thép, vận tải biển và công nghiệp nặng, biến năng lượng mặt trời thành công cụ mạnh mẽ trong nỗ lực cắt giảm phát thải toàn cầu.
