Các kỹ sư của MIT đặt mục tiêu sản xuất nhiên liệu hydro hoàn toàn xanh, không chứa carbon bằng hệ thống lò phản ứng mới giống như tàu hỏa, chỉ chạy bằng năng lượng mặt trời.
Các kỹ sư của MIT đã phát triển một thiết kế cho một hệ thống khai thác hiệu quả sức nóng của mặt trời để tách nước và tạo ra hydro. Tín dụng: Viện Công nghệ Massachusetts
Trong một nghiên cứu được công bố hôm nay trên tạp chí Năng lượng mặt trời , các kỹ sư đã đưa ra thiết kế khái niệm cho một hệ thống có thể sản xuất hiệu quả "hydro nhiệt hóa mặt trời". Hệ thống này khai thác sức nóng của mặt trời để phân tách trực tiếp nước và tạo ra hydro – một loại nhiên liệu sạch có thể cung cấp năng lượng cho xe tải, tàu thủy và máy bay đường dài mà không thải ra khí thải nhà kính trong quá trình này.
Ngày nay, hydro chủ yếu được sản xuất thông qua các quá trình liên quan đến khí tự nhiên và nhiên liệu hóa thạch khác, khiến nhiên liệu xanh trở thành nguồn năng lượng "xám" hơn khi được xem xét từ khi bắt đầu sản xuất đến khi sử dụng cuối cùng. Ngược lại, hydro nhiệt hóa năng lượng mặt trời, hay STCH, cung cấp giải pháp thay thế hoàn toàn không phát thải vì nó hoàn toàn dựa vào năng lượng mặt trời tái tạo để thúc đẩy sản xuất hydro. Nhưng cho đến nay, các thiết kế STCH hiện tại có hiệu suất hạn chế: Chỉ khoảng 7% ánh sáng mặt trời tới được sử dụng để tạo ra hydro. Kết quả cho đến nay là năng suất thấp và chi phí cao.
Trong một bước tiến lớn hướng tới hiện thực hóa nhiên liệu tạo ra từ năng lượng mặt trời, nhóm MIT ước tính thiết kế mới của họ có thể khai thác tới 40% nhiệt lượng của mặt trời để tạo ra nhiều hydro hơn. Hiệu suất tăng lên có thể làm giảm chi phí chung của hệ thống, khiến STCH trở thành một lựa chọn có khả năng mở rộng và giá cả phải chăng để giúp khử cacbon trong ngành vận tải.
Tác giả chính của nghiên cứu, Ahmed Ghoniem, Giáo sư Kỹ thuật Cơ khí Ronald C. Crane tại MIT cho biết: “Chúng tôi đang coi hydro là nhiên liệu của tương lai và cần phải tạo ra nó với chi phí rẻ và quy mô lớn”. "Chúng tôi đang cố gắng đạt được mục tiêu của Bộ Năng lượng, đó là sản xuất hydro xanh vào năm 2030, với giá 1 USD/kg. Để cải thiện tính kinh tế, chúng tôi phải cải thiện hiệu quả và đảm bảo phần lớn năng lượng mặt trời chúng tôi thu được được sử dụng." trong quá trình sản xuất hydro."
Trạm năng lượng mặt trời
Tương tự như các thiết kế được đề xuất khác, hệ thống MIT sẽ được kết hợp với nguồn nhiệt mặt trời hiện có, chẳng hạn như nhà máy năng lượng mặt trời tập trung (CSP) – một dãy hình tròn gồm hàng trăm gương thu thập và phản chiếu ánh sáng mặt trời đến tháp tiếp nhận trung tâm. Sau đó, hệ thống STCH sẽ hấp thụ nhiệt của máy thu và hướng nó tách nước và tạo ra hydro. Quá trình này rất khác so với quá trình điện phân, sử dụng điện thay vì nhiệt để tách nước.
Trọng tâm của hệ thống STCH khái niệm là phản ứng nhiệt hóa hai bước. Bước đầu tiên, nước ở dạng hơi nước tiếp xúc với kim loại. Điều này khiến kim loại lấy oxy từ hơi nước, để lại hydro. Sự "oxy hóa" kim loại này tương tự như sự rỉ sét của sắt khi có nước, nhưng nó diễn ra nhanh hơn nhiều. Sau khi tách hydro, kim loại bị oxy hóa (hoặc rỉ sét) được nung nóng trong chân không, hoạt động này có tác dụng đảo ngược quá trình rỉ sét và tái tạo kim loại. Khi oxy bị loại bỏ, kim loại có thể được làm lạnh và tiếp xúc với hơi nước một lần nữa để tạo ra nhiều hydro hơn. Quá trình này có thể được lặp đi lặp lại hàng trăm lần.
Hệ thống MIT được thiết kế để tối ưu hóa quá trình này. Toàn bộ hệ thống giống như một đoàn tàu gồm các lò phản ứng hình hộp chạy trên đường ray tròn. Trong thực tế, đường đi này sẽ được đặt xung quanh nguồn nhiệt mặt trời, chẳng hạn như tháp CSP. Mỗi lò phản ứng trong tàu sẽ chứa kim loại trải qua quá trình oxy hóa khử hoặc rỉ sét có thể đảo ngược.
Trước tiên, mỗi lò phản ứng sẽ đi qua một trạm nóng, nơi nó sẽ được tiếp xúc với sức nóng của mặt trời ở nhiệt độ lên tới 1.500°C. Nhiệt độ cực cao này sẽ hút oxy ra khỏi kim loại của lò phản ứng một cách hiệu quả. Kim loại đó sau đó sẽ ở trạng thái "khử" - sẵn sàng lấy oxy từ hơi nước. Để điều này xảy ra, lò phản ứng sẽ chuyển đến trạm làm mát ở nhiệt độ khoảng 1.000°C, nơi nó sẽ tiếp xúc với hơi nước để tạo ra hydro.
Rỉ sét và đường ray
Các khái niệm STCH tương tự khác đã gặp phải một trở ngại chung: phải làm gì với nhiệt lượng tỏa ra từ lò phản ứng khử khi nó được làm mát. Nếu không thu hồi và tái sử dụng lượng nhiệt này thì hiệu suất của hệ thống sẽ thấp đến mức không thể thực hiện được.
Thử thách thứ hai liên quan đến việc tạo ra một môi trường chân không tiết kiệm năng lượng để kim loại có thể tẩy rỉ sét. Một số nguyên mẫu tạo ra chân không bằng máy bơm cơ học, mặc dù máy bơm quá tiêu tốn năng lượng và tốn kém để sản xuất hydro quy mô lớn.
Để giải quyết những thách thức này, thiết kế của MIT kết hợp một số giải pháp tiết kiệm năng lượng. Để thu hồi phần lớn nhiệt lượng thoát ra khỏi hệ thống, các lò phản ứng ở phía đối diện của đường tròn được phép trao đổi nhiệt thông qua bức xạ nhiệt; lò phản ứng nóng được làm mát trong khi lò phản ứng nguội được làm nóng. Điều này giữ nhiệt trong hệ thống.
Các nhà nghiên cứu cũng bổ sung thêm bộ lò phản ứng thứ hai sẽ quay quanh đoàn tàu đầu tiên, di chuyển theo hướng ngược lại. Chuỗi lò phản ứng bên ngoài này sẽ hoạt động ở nhiệt độ thường mát hơn và sẽ được sử dụng để sơ tán oxy khỏi chuỗi lò phản ứng nóng hơn bên trong mà không cần máy bơm cơ học tiêu tốn năng lượng.
Những lò phản ứng bên ngoài này sẽ mang loại kim loại thứ hai cũng có thể dễ dàng bị oxy hóa. Khi chúng quay vòng quanh, các lò phản ứng bên ngoài sẽ hấp thụ oxy từ các lò phản ứng bên trong, khử gỉ kim loại ban đầu một cách hiệu quả mà không cần phải sử dụng máy bơm chân không tiêu tốn nhiều năng lượng. Cả hai chuỗi lò phản ứng sẽ chạy liên tục và sẽ tạo ra các dòng hydro và oxy tinh khiết riêng biệt.
Các nhà nghiên cứu đã thực hiện mô phỏng chi tiết về thiết kế ý tưởng và nhận thấy rằng nó sẽ tăng đáng kể hiệu suất sản xuất hydro nhiệt hóa học bằng năng lượng mặt trời, từ 7% như các thiết kế trước đây đã chứng minh, lên 40%.
Ghoniem nói: “Chúng tôi phải nghĩ đến từng phần năng lượng trong hệ thống và cách sử dụng nó để giảm thiểu chi phí”. "Và với thiết kế này, chúng tôi phát hiện ra rằng mọi thứ đều có thể cung cấp năng lượng bằng nhiệt từ mặt trời. Nó có thể sử dụng 40% nhiệt lượng của mặt trời để sản xuất hydro."
Christopher Muhich, trợ lý giáo sư kỹ thuật hóa học tại Đại học bang Arizona, người không tham gia nghiên cứu, cho biết: “Nếu điều này có thể thành hiện thực, nó có thể thay đổi mạnh mẽ tương lai năng lượng của chúng ta, cụ thể là cho phép sản xuất hydro 24/7”. “Khả năng tạo ra hydro là mấu chốt để sản xuất nhiên liệu lỏng từ ánh sáng mặt trời.”
Trong năm tới, nhóm sẽ xây dựng một nguyên mẫu của hệ thống mà họ dự định thử nghiệm tại các cơ sở năng lượng mặt trời tập trung tại các phòng thí nghiệm của Bộ Năng lượng.
Patankar giải thích: “Khi được triển khai đầy đủ, hệ thống này sẽ được đặt trong một tòa nhà nhỏ ở giữa trường năng lượng mặt trời”. “Bên trong tòa nhà, có thể có một hoặc nhiều đoàn tàu, mỗi đoàn có khoảng 50 lò phản ứng. Và chúng tôi nghĩ đây có thể là một hệ thống mô-đun, nơi bạn có thể thêm các lò phản ứng vào băng chuyền để tăng quy mô sản xuất hydro.”
