Đột phá trong lưu trữ hydro thể rắn sử dụng vật liệu lưới
Lưu trữ hydro vẫn là một thách thức quan trọng đối với sự phát triển của nền kinh tế hydro. Mặc dù các công nghệ hiện tại, chẳng hạn như lưu trữ khí áp suất cao và lưu trữ chất lỏng đông lạnh, đã phục vụ nhiều ứng dụng khác nhau, nhưng chúng vẫn gặp phải những hạn chế về chi phí, hiệu suất thể tích và trọng lượng, cũng như các hạn chế về mặt pháp lý liên quan đến an toàn. Lưu trữ hydro thể rắn sử dụng vật liệu lưới, chẳng hạn như Khung Kim loại-Hữu cơ (MOF), mang đến một giải pháp thay thế đầy hứa hẹn ở áp suất thấp và nhiệt độ môi trường mà không ảnh hưởng đến dung lượng lưu trữ. Bài viết này phân tích so sánh giữa lưu trữ hydro dựa trên vật liệu lưới với các phương pháp thông thường và đánh giá tiềm năng cách mạng hóa chuỗi giá trị hydro của nó.
Bài viết của Tiến sĩ Neel Sirosh, Giám đốc Công nghệ, H2MOF
Tổng quan về các công nghệ lưu trữ hydro
Công nghệ lưu trữ hydro đóng vai trò then chốt trong việc khai thác hydro như một chất mang năng lượng sạch. Hiện nay, lưu trữ khí áp suất cao và lưu trữ chất lỏng đông lạnh đang chiếm ưu thế trong lĩnh vực này, mỗi phương pháp đều có những đánh đổi riêng về hiệu quả, an toàn và chi phí. Ngoài ra, hydride kim loại cũng được sử dụng trong một số ứng dụng chuyên biệt. Chúng tôi sẽ xem xét các công nghệ này so sánh với tiềm năng mới của hệ thống lưu trữ thể rắn dựa trên vật liệu lưới.
Lưu trữ khí nén, phương pháp phổ biến nhất, được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng lưu trữ nhiên liệu trên tàu, lưu trữ trên mặt đất và vận chuyển khí. Hydro được lưu trữ ở áp suất 200–700 bar trong các bình chịu áp suất bằng thép, nhôm hoặc composite carbon lót nhựa. Các bình thép truyền thống, hoạt động ở áp suất 200–250 bar, bền nhưng cực kỳ nặng, làm giảm khả năng ứng dụng trong di động và ảnh hưởng tiêu cực đến tính kinh tế của việc vận chuyển khí do khả năng chịu tải hạn chế. Các bình thép cũng dễ bị giòn do hydro theo thời gian. Các bình composite carbon lót nhựa, hoạt động ở áp suất 350–700 bar, nhẹ hơn và phù hợp hơn cho các ứng dụng vận chuyển, mặc dù chúng có chi phí cao do vật liệu và cân bằng thiết bị đắt đỏ ở áp suất cao. Do đó, chi phí cao của bình chịu áp suất, nén khí và quản lý an toàn áp suất cao đặt ra những thách thức đáng kể đối với khả năng mở rộng của hệ thống lưu trữ khí nén.
Lưu trữ chất lỏng đông lạnh, một phương pháp phổ biến khác, lưu trữ hydro ở nhiệt độ dưới −253°C, đạt được mật độ năng lượng cao hơn. Phương pháp này được ưa chuộng cho việc lưu trữ quy mô lớn và vận chuyển đường dài, nhưng nó đặt ra những thách thức đáng kể về an toàn, kỹ thuật và kinh tế. Hóa lỏng tiêu tốn nhiều năng lượng, chiếm 40–50% hàm lượng năng lượng của hydro. Thiết bị hóa lỏng đòi hỏi vốn đầu tư lớn, đòi hỏi quy mô dự án mà nhiều dự án sản xuất "hydro xanh" phân tán có thể không đáp ứng được. Hơn nữa, điểm sôi thấp của hydro dẫn đến hiện tượng bay hơi không thể tránh khỏi, gây ra tổn thất năng lượng liên tục lên tới 30%. An toàn và cơ sở hạ tầng chuyên dụng cũng là những thách thức quan trọng do các rủi ro như rò rỉ, tê cóng và nguy cơ cháy nổ. Do những phức tạp này, lưu trữ đông lạnh thường chỉ giới hạn ở các ứng dụng công nghiệp cố định quy mô lớn, nơi chi phí cao và yêu cầu về cơ sở hạ tầng gây trở ngại cho việc sử dụng rộng rãi.
Cuối cùng, lưu trữ hydride kim loại cung cấp một phương pháp lưu trữ hydro bằng cách liên kết hóa học với các hợp kim kim loại, cho phép lưu trữ ở áp suất thấp và nhiệt độ gần nhiệt độ môi trường ở trạng thái rắn. Bất chấp những ưu điểm này, các hệ thống hydride kim loại thường nặng và cần lượng nhiệt rất lớn để giải phóng hydro, khiến hoạt động của chúng phức tạp hơn, tiêu tốn năng lượng hơn và do đó kém hiệu quả hơn. Trọng lượng này và nhu cầu quản lý nhiệt đi kèm hạn chế việc sử dụng chúng, chủ yếu giới hạn ở các ứng dụng cố định hoặc ứng dụng chuyên biệt, chẳng hạn như trong xe nâng. Do đó, mặc dù các hệ thống hydride kim loại mang lại những lợi thế rõ rệt trong các trường hợp sử dụng cụ thể như xử lý vật liệu, nhưng những hạn chế của chúng khiến chúng không phù hợp với các giải pháp vận chuyển khí và di động hydro rộng hơn.
Lưu trữ hydro thể rắn dựa trên vật liệu dạng lưới
Các vật liệu dạng lưới như khung kim loại-hữu cơ – được phát minh bởi Omar Yaghi, Giáo sư Hóa học tại Đại học California, Berkeley và là người đồng sáng lập H2MOF – mang đến một giải pháp thay thế đầy hứa hẹn cho các công nghệ lưu trữ hydro truyền thống. Vật liệu dạng lưới là vật liệu tinh thể bao gồm các ion hoặc cụm kim loại phối hợp với các phối tử hữu cơ, tạo thành các cấu trúc xốp với diện tích bề mặt cực lớn. Được thiết kế nano với độ chính xác nguyên tử, những vật liệu dạng lưới này lý tưởng cho việc lưu trữ hydro ở trạng thái rắn vì chúng có thể giữ các phân tử hydro bên trong lỗ rỗng của chúng ở áp suất thấp và nhiệt độ môi trường, mang lại những lợi thế đáng kể về độ an toàn, hiệu quả và khả năng mở rộng.
Hình ảnh khái niệm về cách một bể chứa H2MOF có thể xuất hiện trong tương lai
Cách vật liệu dạng lưới lưu trữ hydro
MOF có khả năng hấp thụ và lưu trữ một lượng lớn
của hydro trong mạng lưới xốp của chúng ở áp suất thấp. Sự hấp phụ này xảy ra ở cấp độ phân tử, nơi các phân tử hydro bị giữ lại trên diện tích bề mặt lớn của vật liệu dạng lưới. Bằng cách điều chỉnh thành phần hóa học và cấu trúc lỗ rỗng của vật liệu dạng lưới, có thể tối ưu hóa khả năng lưu trữ hydro.
Hấp phụ vật lý: Hydro được lưu trữ thông qua lực van der Waals yếu bên trong các lỗ rỗng của vật liệu dạng lưới, cho phép giải phóng dễ dàng trong điều kiện được kiểm soát.
Lưu trữ áp suất thấp: Vật liệu dạng lưới có thể lưu trữ hydro ở áp suất thấp tới 30 bar, giảm nhu cầu sử dụng các bình áp suất cao nặng nề và tốn kém.
Khả năng hấp phụ hydro ở áp suất thấp của vật liệu dạng lưới khiến chúng có hiệu quả cao hơn so với khí nén và lưu trữ đông lạnh, mang đến những đột phá tiềm năng trong việc lưu trữ, vận chuyển và xử lý hydro hiệu quả trong nhiều ứng dụng khác nhau.
Lưu trữ hydro bằng vật liệu dạng lưới có an toàn không?
An toàn là một lợi thế quan trọng của việc lưu trữ hydro dựa trên vật liệu dạng lưới. Không giống như lưu trữ khí nén, vốn liên quan đến các bình áp suất cao gây ra những thách thức đáng kể về an toàn và pháp lý, vật liệu lưới hoạt động ở áp suất thấp và nhiệt độ gần với nhiệt độ môi trường. Hydro được lưu trữ trong vật liệu lưới được hấp phụ bên trong vật liệu, giúp giảm nguy cơ giải phóng khí nhanh hoặc cháy dữ dội trong trường hợp hỏa hoạn hoặc va chạm ngẫu nhiên.
Áp suất thấp, rủi ro thấp: Vì vật liệu lưới có thể lưu trữ hydro ở áp suất thấp hơn nhiều so với khí nén, chúng loại bỏ nhiều lo ngại về an toàn và giấy phép liên quan đến các hệ thống áp suất cao.
So sánh: Lưu trữ khí nén liên quan đến việc lưu trữ ở áp suất lên đến 700 bar, với hàm lượng năng lượng của khí nén tương đương với hàng tấn thuốc nổ trong một số trường hợp. Lưu trữ hydro đông lạnh phải đối mặt với những rủi ro tương tự do giải phóng hơi nước bốc hơi nhanh và dễ bị tác động cơ học và xâm nhập.
Ngược lại, vật liệu lưới, lưu trữ hydro ở dạng rắn, "giống như bê tông", cung cấp một giải pháp an toàn hơn cho cả ứng dụng lưu trữ hydro cố định và di động, không cần các cơ chế an toàn phức tạp và tốn kém như các hệ thống áp suất cao hoặc đông lạnh.
Chi tiết về vật liệu lưới ở cấp độ nano
Hiệu quả chi phí của vật liệu lưới
Lưu trữ hydro dựa trên vật liệu lưới có tiềm năng giảm đáng kể chi phí liên quan đến lưu trữ và vận chuyển hydro. Chi phí cao để nén khí hydro xuống 700 bar hoặc hóa lỏng đến nhiệt độ cực thấp, cùng với tổn thất năng lượng đáng kể từ 15–45%, là những rào cản kinh tế lớn đối với các công nghệ lưu trữ vật lý hiện nay. Lưu trữ vật liệu, ví dụ như sử dụng hydride kim loại, có hiệu quả chi phí cao hơn một chút so với lưu trữ vật lý, nhưng vẫn chịu ảnh hưởng lớn về trọng lượng và tiêu thụ năng lượng tốn kém tại thời điểm giải phóng. Ngược lại, lưu trữ vật liệu lưới mang lại khoản tiết kiệm đáng kể:
Giảm chi phí đầu tư: Vì các bình chứa vật liệu lưới có thể lưu trữ hydro ở áp suất thấp ngay khi nó được tạo ra, ví dụ như bởi máy điện phân, các nhà sản xuất hydro sẽ không cần phải đầu tư vào các thiết bị nén đắt tiền như máy nén màng không dầu nhiều tầng và hệ thống cân bằng áp suất cao của nhà máy. Bản thân vật liệu lưới có khả năng hấp thụ hydro áp suất thấp trực tiếp từ bình điện phân. Các hệ thống lưu trữ dung lượng cao dựa trên vật liệu lưới có thể lưu trữ hydro trên mặt đất và cũng giúp vận chuyển hydro số lượng lớn đến các địa điểm tiếp nhận một cách hiệu quả về mặt chi phí.
Giảm chi phí vận hành: Vận chuyển hydro bằng các bình áp suất thép truyền thống rất tốn kém vì mỗi xe kéo chỉ có thể vận chuyển khoảng 200–300 kg hydro. Chi phí hậu cần cao được phản ánh trong chi phí vận chuyển hydro áp suất cao. Hydro lỏng cho phép vận chuyển hydro hiệu quả hơn; tuy nhiên, hydro được vận chuyển vẫn cực kỳ đắt đỏ do chi phí hydro lỏng, tàu chở dầu và tổn thất bay hơi cao. Lưu trữ và vận chuyển áp suất thấp dựa trên vật liệu lưới có tiềm năng giảm đáng kể chi phí vận chuyển hydro. Chi phí nén áp suất cao được tránh khỏi và chi phí hậu cần vận chuyển được giảm đáng kể do công suất cao của vật liệu.
Khả năng mở rộng: Bản chất mô-đun của các hệ thống lưu trữ dựa trên vật liệu lưới cho phép khả năng mở rộng trên nhiều lĩnh vực khác nhau, từ các dự án sản xuất hydro xanh phi tập trung quy mô nhỏ đến sản xuất điện công nghiệp và các ứng dụng tiếp nhiên liệu cho xe cộ, cũng như lưu trữ nhiên liệu trên tàu an toàn và tiết kiệm.
Mật độ năng lượng và khả năng lưu trữ
Một trong những chỉ số hiệu suất quan trọng của công nghệ lưu trữ hydro là mật độ năng lượng. Vật liệu lưới thể hiện khả năng lưu trữ hydro ấn tượng so với khối lượng của chúng và thể tích do diện tích bề mặt lớn và kích thước lỗ có thể điều chỉnh của chúng.
Cấu trúc xốp của vật liệu lưới cho phép làm đặc hydro trong khung của chúng ở áp suất thấp hơn nhiều so với áp suất cần thiết để lưu trữ khí nén. Trên thực tế, nhờ các đặc tính của vật liệu lưới mới này, mật độ lưu trữ hydro ở cả cấp độ trọng lượng và thể tích đều cạnh tranh với mật độ của một bình áp suất cao ở 700 bar, mặc dù công nghệ lưới hoạt động ở áp suất và nhiệt độ thấp hơn nhiều.
Bằng cách điều chỉnh thành phần của vật liệu lưới, các nhà nghiên cứu có thể tối ưu hóa chúng cho các nhu cầu lưu trữ hydro cụ thể. Với hiểu biết sâu sắc của Ngài Fraser Stoddart - người đoạt giải Nobel năm 2016 cho thiết kế và tổng hợp các máy phân tử - và là người đồng sáng lập H2MOF, chúng tôi đang ở vị thế tuyệt vời để đạt được điều này.
Những người sáng lập H2MOF (từ trái sang phải): Samer Taha, Sir Fraser Stoddart và Omar Yaghi
Tính linh hoạt này cho phép các hệ thống lưu trữ hydro dựa trên vật liệu lưới được thiết kế riêng cho các ứng dụng cụ thể, từ lưu trữ lưới cố định đến vận chuyển khí số lượng lớn và lưu trữ hydro trên tàu trong các ứng dụng di động.
Kết luận
Lưu trữ hydro thể rắn dựa trên vật liệu lưới là một bước tiến đáng kể trong chuỗi giá trị hydro, mang đến một giải pháp thay thế an toàn, tiết kiệm chi phí và có khả năng mở rộng cho các phương pháp lưu trữ truyền thống. Bằng cách hoạt động ở áp suất thấp và nhiệt độ gần nhiệt độ môi trường, vật liệu lưới khắc phục được nhiều hạn chế của khí nén, chất lỏng đông lạnh và hydride kim loại, khiến chúng trở thành một giải pháp hấp dẫn cho việc lưu trữ hydro trong các ứng dụng cố định, vận chuyển khí và ứng dụng di động.
Khi công nghệ tiếp tục phát triển, vật liệu lưới sẽ đóng một vai trò quan trọng trong việc cho phép hydro được sử dụng rộng rãi như một chất mang năng lượng sạch, mở ra những khả năng mới cho vận chuyển, lưu trữ công nghiệp và ứng dụng lưới. Các đặc tính độc đáo của chúng, kết hợp với tính linh hoạt trong thiết kế, khiến các hệ thống lưu trữ dựa trên vật liệu lưới trở thành một trong những phát triển đầy hứa hẹn nhất trong lĩnh vực lưu trữ hydro.
