Hydro được lưu trữ trong sắt: Một loại pin lưới điện giá rẻ, có thể mở rộng quy mô cho mùa đông
Oxit sắt – hay gỉ sét – hóa ra lại là một cách rất phải chăng và đầy hứa hẹn để lưu trữ hydro như một loại pin lưới điện tái tạo theo mùa
Mặc dù năng lượng cao trên một khối lượng của hydro khiến nó trở thành một loại nhiên liệu tuyệt vời, nhưng việc lưu trữ lâu dài lại cực kỳ khó khăn và tốn kém. Điều đó có thể thay đổi, nhờ vào công trình nghiên cứu của các nhà nghiên cứu tại ETH Zurich của Thụy Sĩ. Họ đã tìm ra cách lưu trữ hydro trong các thùng chứa có thành thép thông thường trong nhiều tháng mà không bị thất thoát vào khí quyển – bằng cách sử dụng sắt.
Khám phá các giải pháp trong quá khứ
Nhóm nghiên cứu do Wendelin Stark, Giáo sư Vật liệu chức năng tại ETH Zurich dẫn đầu, đã tìm ra phương pháp này bằng cách sử dụng quy trình sản xuất hydro bằng hơi nước, được phát minh lần đầu tiên vào năm 1784.
Các nhà nghiên cứu Samuel Heiniger (bên trái, cầm một lọ quặng sắt) và Giáo sư Wendelin Stark (bên phải) trước ba lò phản ứng sắt chứa hydro
ETH Zurich
Giải pháp lưu trữ của nhóm đặc biệt phù hợp ở những nơi như Thụy Sĩ, nơi năng lượng mặt trời dồi dào vào mùa hè và khan hiếm vào mùa đông.
Năng lượng mặt trời dư thừa được sử dụng để tách nước để sản xuất hydro vào mùa hè; sau đó, năng lượng này được đưa vào các lò phản ứng bằng thép không gỉ chứa đầy quặng sắt ở nhiệt độ 752 °F (400 °C). Hydro chiết xuất oxy từ oxit sắt, do đó, bạn sẽ có sắt và nước trong lò phản ứng, sẵn sàng để lưu trữ mà không tốn nhiều năng lượng.
Công nghệ lưu trữ sắt đơn giản của các nhà nghiên cứu ETH dựa trên quy trình sản xuất hơi nước
ETH Zurich
Hơi nước được đưa vào lò phản ứng để thu hồi hydro đã lưu trữ khi cần; sau đó có thể dễ dàng chuyển đổi thành điện hoặc nhiệt.
Ngoài ra, còn có một số lợi thế khác khi sử dụng phương pháp này:
Quặng sắt được sử dụng trong lò phản ứng rẻ, dồi dào và không cần xử lý.
Bản thân lò phản ứng chỉ được làm bằng thép không gỉ.
Quá trình sạc diễn ra ở áp suất môi trường xung quanh – loại bỏ nhu cầu về bình chứa áp suất cao (350-700 bar) thường cần thiết để lưu trữ khí hydro.
Thử nghiệm một ý tưởng đã có từ nhiều thế kỷ
Nhóm nghiên cứu đã thử nghiệm công nghệ của mình tại cơ sở Hönggerberg của ETH, sử dụng ba lò phản ứng bằng thép không gỉ. Mỗi lò có dung tích 1,4 mét khối và chứa 2-3 tấn quặng sắt. Nhà máy thử nghiệm có thể lưu trữ khoảng 10 megawatt giờ hydro trong thời gian dài và sẽ tạo ra từ 4-6 megawatt giờ năng lượng điện. Đủ để cung cấp điện cho ba đến năm ngôi nhà ở Thụy Sĩ vào mùa đông. Dự án thí điểm này dự kiến sẽ phát triển vào năm 2026, với mục tiêu nhóm nghiên cứu đáp ứng một phần năm nhu cầu điện mùa đông của khuôn viên trường bằng năng lượng mặt trời từ những tháng mùa hè.
Một lò phản ứng bằng thép không gỉ chứa quặng sắt để lưu trữ hydro tại khuôn viên trường ETH Honnenburg
ETH Zurich
Theo bài báo nghiên cứu của nhóm được công bố vào tháng 11 năm ngoái, việc sử dụng hệ thống này cho một ngôi nhà hiện đắt hơn so với việc cung cấp điện từ lưới điện. Việc mở rộng quy mô lên 100 ngôi nhà sẽ giúp chi phí năng lượng gần bằng với lưới điện và ước tính rằng chi phí này sẽ chỉ rẻ hơn khi hệ thống mở rộng.
Cung cấp năng lượng cho Thụy Sĩ và hơn thế nữa
Các nhà nghiên cứu lưu ý rằng việc mở rộng khả năng lưu trữ chỉ có nghĩa là thêm nhiều lò phản ứng hơn, với vật liệu xử lý phục vụ nhiệm vụ chu kỳ sạc-xả trong nhiều năm trước khi cần thay thế.
Để cung cấp điện cho toàn bộ Thụy Sĩ trong những tháng mùa đông, nhóm nghiên cứu ước tính rằng bạn sẽ cần khoảng 15–20 TWh hydro xanh mỗi năm và khoảng 10.000.000 mét khối quặng sắt (hoặc 2% sản lượng khai thác của các mỏ sắt ở Úc).
Bạn cũng sẽ cần khoảng 10.000 hệ thống lò phản ứng, mỗi hệ thống có khả năng lưu trữ 1GWh. Con số này tương đương với diện tích đất tương đương khoảng 1 mét vuông cho mỗi cư dân Thụy Sĩ.
Thật khó để đưa ra chi phí lưu trữ được san bằng rõ ràng từ dự án thí điểm nhỏ này. Và trong khi Thụy Sĩ có kế hoạch chuyển sang năng lượng mặt trời để đáp ứng hơn 40% nhu cầu điện của mình vào năm 2050, chúng ta không biết liệu họ có đầu tư vào việc lưu trữ hydro trên quy mô quốc gia hay không. Tuy nhiên, công nghệ thông minh này từ hàng trăm năm trước có vẻ hứa hẹn cho nhu cầu năng lượng theo mùa của chúng ta trong tương lai.
