Giải phóng tiềm năng hydro: baking soda là chìa khóa để lưu trữ năng lượng tái tạo – scitechdaily
Các nhà khoa học PNNL điều tra các đặc tính đầy hứa hẹn của một loại muối phổ biến, có nhiều trên Trái đất.
Trong một thế giới có nhiệt độ ấm lên liên tục, sự đồng thuận ngày càng tăng đòi hỏi các nguồn năng lượng phải có lượng khí thải carbon bằng không hoặc gần như bằng không. Điều đó có nghĩa là phát triển ngoài than đá, dầu mỏ và khí đốt tự nhiên bằng cách lấy thêm năng lượng từ các nguồn tái tạo.
Một trong những chất mang năng lượng tái tạo hứa hẹn nhất là hydro sạch, được sản xuất mà không cần nhiên liệu hóa thạch.
Đó là một ý tưởng đầy hứa hẹn vì nguyên tố dồi dào nhất trong vũ trụ là hydro, được tìm thấy trong 75% mọi vật chất. Hơn nữa, một phân tử hydro có hai nguyên tử được ghép nối với nhau—cặp song sinh Song Tử vừa không độc vừa rất dễ bắt lửa.
Khả năng đốt cháy của hydro khiến nó trở thành một chủ đề hấp dẫn đối với các nhà nghiên cứu năng lượng trên khắp thế giới.
Tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Tây Bắc Thái Bình Dương (PNNL), một nhóm nghiên cứu đang nghiên cứu hydro như một phương tiện để lưu trữ và giải phóng năng lượng, chủ yếu bằng cách bẻ gãy các liên kết hóa học của nó. Phần lớn công việc của họ được liên kết với Hiệp hội nghiên cứu tiên tiến về vật liệu hydro (HyMARC) tại Bộ năng lượng (DOE).
Lưu trữ hydro chưa được tối ưu hóa
Một trọng tâm nghiên cứu của PNNL liên quan đến việc tối ưu hóa việc lưu trữ hydro, một vấn đề khó giải quyết. Cho đến nay, không có cách nào hoàn toàn an toàn, tiết kiệm chi phí và tiết kiệm năng lượng để lưu trữ hydro ở quy mô lớn.
Các nhà nghiên cứu của PNNL gần đây đã đồng tác giả một bài báo nghiên cứu dung dịch baking soda như một phương tiện lưu trữ hydro. Nghiên cứu này đã được chính tạp chí Green Chemistry , do Hiệp hội Hóa học Hoàng gia xuất bản, mệnh danh là “bài báo nóng”. Điều đó có nghĩa là nó đã có rất nhiều nhấp chuột thể hiện sự quan tâm.
Các nỗ lực lưu trữ dựa trên hydro tại PNNL được tài trợ bởi Văn phòng Công nghệ tế bào nhiên liệu và hydro của DOE tại Văn phòng Hiệu quả Năng lượng và Năng lượng Tái tạo (EERE). Nghiên cứu thúc đẩy sáng kiến H2@Scale của DOE cũng như Hydrogen Shot của cơ quan .
Hai tác giả chính của bài báo mới là nhà hóa học và Thành viên Phòng thí nghiệm PNNL Thomas Autrey và đồng nghiệp của ông Oliver Gutiérrez, một chuyên gia trong việc tạo ra các phản ứng hóa học nhanh chóng và tiết kiệm chi phí.
Thomas Autrey, thành viên Phòng thí nghiệm PNNL, cho biết:
Bạn phải có một chút sáng tạo.
Autrey cho biết, người thích thú với việc baking soda phổ biến, rẻ tiền và nhẹ như một giải pháp tiềm năng cho một vấn đề lớn.
“Không phải mọi hóa chất đều có hiệu quả trong việc lưu trữ hydro. Bạn phải làm việc với những gì Mẹ Thiên nhiên ban tặng cho bạn.”
Hydro sạch cho nhu cầu năng lượng dài hạn
Autrey, Gutiérrez và những người khác tại PNNL coi việc lưu trữ năng lượng trong thời gian dài là chìa khóa cho tương lai của hydro với tư cách là nguồn cung cấp năng lượng tái tạo.
Công nghệ pin hiện tại được thiết kế cho khả năng lưu trữ trong vài giờ. Trong mạng lưới năng lượng tái tạo, pin có thể xử lý khoảng 80% nhu cầu lưu trữ.
Nhưng “20% cuối cùng sẽ có những cách tiếp cận độc đáo,” Autrey nói. “Chúng tôi muốn dự trữ năng lượng dư thừa để chuẩn bị cho Dunkelflaute .”
Đó là một từ tiếng Đức mô tả các điều kiện không có đủ tiềm năng năng lượng gió và mặt trời. Trong những khoảng thời gian không có gió và tối của Dunkelflaute , lưới điện cần một cách để lưu trữ năng lượng trong hơn vài giờ.
Khả năng lưu trữ theo mùa như thế này là một trong những điểm hấp dẫn của hydro. Vì vậy, thực tế là việc lưu trữ hydro có thể xảy ra ở bất cứ đâu - đó là "bất khả tri về mặt địa lý", như các chuyên gia nói. Ví dụ, thủy điện đòi hỏi sự khác biệt về độ cao để lưu trữ lượng nước dư thừa để tạo ra năng lượng. Lưu trữ hydro không yêu cầu điều kiện đặc biệt liên quan đến địa lý.
Ngoài ra, Autrey cho biết, khi quy mô ngày càng lớn, hydro sẽ tiết kiệm hơn . Mua thêm một vài bình chứa hydro sẽ rẻ hơn là mua nhiều pin.
Tìm cách tốt nhất để lưu trữ hydro
Hydro sạch hứa hẹn sẽ là một nguồn năng lượng. Ví dụ, một quá trình gọi là điện phân có thể tách nước thành hydro và oxy. Ở những nơi tốt nhất trên thế giới, năng lượng điện phân sẽ đến từ các nguồn năng lượng tái tạo, bao gồm năng lượng mặt trời, gió và địa nhiệt.
Tuy nhiên, có một thách thức lớn: sản xuất hydro với giá rẻ hơn.
Để giải quyết vấn đề đó, vào năm 2021, DOE đã công bố sáng kiến Energy Earthshots , một loạt sáu bước nhằm tạo ra những bước đột phá trong công nghệ năng lượng sạch. Được giới thiệu đầu tiên là Hydrogen Shot, một nhiệm vụ nhằm giảm chi phí hydro xuống từ 5 đô la xuống còn 1 đô la một kilôgam trong một thập kỷ - giảm 80 phần trăm.
Ngoài việc giảm chi phí sản xuất hydro sạch, “bạn phải tìm ra cách di chuyển và lưu trữ nó,” Autrey cho biết, đây là những bước có thể khiến giá tăng trở lại.
Nhưng việc tìm kiếm phương tiện lý tưởng để lưu trữ hydro vẫn còn khó nắm bắt.
Hydro có thể được nén thành khí, nhưng điều đó đòi hỏi áp suất rất cao—lên đến 10.000 pound trên mỗi inch vuông. Một bể chứa an toàn sẽ cần những bức tường bằng thép rất dày hoặc sợi carbon cấp không gian đắt tiền.
Làm thế nào về hydro lỏng đông lạnh? Đây là phương tiện lưu trữ đã được chứng minh nhưng yêu cầu lấy và giữ thứ gì đó quá lạnh (-471 F hoặc -279,4 C) đến mức chi phí năng lượng ngoại vi là đáng kể.
Điều dường như hứa hẹn nhất là các phân tử ở dạng lỏng, được tối ưu hóa để lưu trữ và giải phóng hydro. Jamie Holladay, một chuyên gia về năng lượng bền vững, gần đây đã chỉ đạo nghiên cứu do PNNL dẫn đầu về các chiến lược đơn giản và hiệu quả hơn để hóa lỏng hydro.
Gutierrez cho biết, việc sử dụng các chất lỏng như một phương tiện lưu trữ có lợi thế là giữ nguyên cơ sở hạ tầng năng lượng hiện có, bao gồm đường ống, xe tải, tàu hỏa và tàu chở hàng.
Chu trình bicarbonate-formate
Bạn muốn nướng bánh quy? Hoặc lưu trữ năng lượng hydro? Baking soda có thể là tấm vé. Loại muối natri bicarbonate nhẹ, rẻ tiền này không độc hại và có nhiều trên Trái đất.
Không phải baking soda chính xác. Nhóm PNNL đang nghiên cứu các đặc tính lưu trữ năng lượng hydro của chu trình bicarbonate-formate đã được nghiên cứu từ lâu. (Formate là một phân tử hữu cơ dạng lỏng nhẹ, an toàn.)
Đây là cách nó hoạt động: Dung dịch chứa các ion formate (hydro và carbon dioxide) trong nước mang hydro dựa trên formate kim loại kiềm không ăn mòn. Các ion phản ứng với nước với sự có mặt của chất xúc tác. Phản ứng đó tạo ra hydro và bicacbonat - loại “muối nở” mà Autrey ngưỡng mộ vì không gây tác động đến môi trường.
Với những điều chỉnh nhẹ phù hợp về áp suất, chu trình định dạng bicacbonat có thể được đảo ngược. Điều đó cung cấp một công tắc bật tắt cho dung dịch nước có thể luân phiên lưu trữ hoặc giải phóng hydro.
Trước khi dùng baking soda, nhóm lưu trữ hydro của PNNL đã xem ethanol như một chất mang hydro hữu cơ dạng lỏng, thuật ngữ phổ biến trong ngành để chỉ phương tiện lưu trữ và vận chuyển. Đồng thời, họ đã phát triển một chất xúc tác giải phóng hydro.
Chất xúc tác là các chất phụ gia thiết kế giúp tăng tốc các quy trình được sử dụng để tạo và phá vỡ các liên kết hóa học theo cách tiết kiệm năng lượng.
Vào tháng 5 năm 2023, đối với một dự án liên quan đến nỗ lực PNNL, EERE đã tài trợ cho OCOchem của Richland, Washington, 2,5 triệu đô la trong hai năm để phát triển một quy trình điện hóa tạo ra formate và axit formic từ carbon dioxide. Quá trình này sẽ liên kết carbon dioxide với hydro nằm trong liên kết hóa học mang tính biểu tượng của nước, H 2 O.
Trong mối quan hệ hợp tác mới bắt đầu, PNNL sẽ phát triển các cách giải phóng hydro từ các sản phẩm OCOchem.
Lưu trữ hydro 'trông giống như nước'
Trong thế giới nghiên cứu lưu trữ hydro, chu trình bicarbonate-formate đã tạo ra tiếng vang trong một thời gian khá dài. Rốt cuộc, nó dựa trên các vật liệu phong phú, không bắt lửa và không độc hại.
Autrey cho biết chu trình này được xây dựng trên một dung dịch lưu trữ dạng nước nhẹ đến mức “trông giống như nước”. “Bạn có thể dập lửa với nó.”
Nhưng để muối formate-bicarbonate trở thành một phương tiện khả thi để lưu trữ năng lượng hydro, các nhà nghiên cứu vẫn phải phát triển các kịch bản khả thi về mặt kinh tế. Cho đến nay, công nghệ lưu trữ hydro chỉ ở mức 20 kg trên một mét khối, so với tiêu chuẩn công nghiệp của hydro lỏng là 70.
Về cơ bản hơn, Autrey cho biết, các nhà nghiên cứu cần hiểu biết ở cấp độ hệ thống về điện hóa học và xúc tác cần thiết. Về mặt kỹ thuật, cho đến nay, ý tưởng về một chu trình bicarbonate-formate khả thi có mức độ sẵn sàng kỹ thuật thấp.
“Nếu chúng tôi giải quyết được các vấn đề về chất xúc tác,” anh ấy nói thêm, “chúng tôi có thể nhận đ
