Hydro từ chất thải: Thiết kế tế bào điện hóa sinh học cắt giảm tổn thất điện năng để triển khai quy mô lớn

Một nhóm nghiên cứu đã đạt được một bước đột phá đáng kể trong công nghệ năng lượng sạch. Nhóm nghiên cứu đã cải tiến thành công một thành phần quan trọng của tế bào điện hóa sinh học, cho phép sản xuất hydro hiệu quả hơn từ các vi sinh vật được tìm thấy trong chất thải. Tiến bộ này giải quyết những thách thức lâu dài về tổn thất điện năng trong các quy trình thông thường, cung cấp một lộ trình chuyển đổi hướng tới sản xuất hydro quy mô lớn, tiết kiệm chi phí.

Công trình được công bố trên tạp chí Science of The Total Environment.

Khí sinh học, một loại khí tái tạo được tạo ra trong quá trình phân hủy vi sinh vật của chất thải hữu cơ, đã nổi lên như một nguồn đầy hứa hẹn để sản xuất hydro sạch. Thông qua các quá trình như cải cách hơi nước hoặc nhiệt phân ở nhiệt độ cao, khí sinh học có thể được chuyển đổi thành hydro - một nhân tố quan trọng trong quá trình chuyển đổi toàn cầu sang trung hòa carbon.

Tuy nhiên, các phương pháp sản xuất hiện tại phải đối mặt với những trở ngại nghiêm trọng. Các quá trình này không chỉ thải ra carbon dioxide như một sản phẩm phụ mà còn đòi hỏi năng lượng đáng kể để duy trì các điều kiện nhiệt độ cao, đặt ra những thách thức đáng kể đối với việc thương mại hóa quy mô lớn.

Để giải quyết những thách thức này, các quốc gia hàng đầu như Hoa Kỳ và Châu Âu đang tích cực nghiên cứu các quy trình sản xuất hydro bằng cách sử dụng tế bào điện hóa sinh học. Trong quá trình này, chất thải và điện được cung cấp cho tế bào điện hóa sinh học, nơi vi sinh vật tiêu thụ chất hữu cơ, giải phóng các electron và ion hydro

Không giống như các phương pháp sản xuất hydro truyền thống, quy trình tế bào điện hóa sinh học (BEC) cung cấp một giải pháp bền vững và tiết kiệm chi phí hơn. Bằng cách hoạt động ở nhiệt độ thấp và thải ra ít carbon dioxide hơn đáng kể, công nghệ BEC phù hợp với các mục tiêu khử cacbon toàn cầu. Tuy nhiên, việc mở rộng quy trình này là một thách thức quan trọng.

Khi kích thước hệ thống tăng lên, đường dẫn của vật liệu phản ứng điện hóa trở nên dài hơn, dẫn đến điện trở bên trong cao hơn và tổn thất điện năng tăng lên. Hạn chế này đặt ra một rào cản đáng kể đối với việc thương mại hóa quy mô lớn, làm nổi bật sự cần thiết phải có những tiến bộ công nghệ hơn nữa để cải thiện hiệu quả và khả năng mở rộng hệ thống.

So sánh cấu trúc tế bào hiện có so với cấu trúc tế bào mới phát triển. Tín dụng: Viện Nghiên cứu Năng lượng Hàn Quốc
Để khắc phục các vấn đề mất điện năng của các tế bào điện hóa sinh học thông thường, nhóm nghiên cứu đã phát triển một cải tiến độc quyền đối với đơn vị cơ bản của tế bào và áp dụng nó vào quá trình sản xuất hydro. Quy trình sử dụng tế bào mới được phát triển đạt được năng suất hydro cao hơn 1,2 lần và sản xuất electron cao hơn 1,8 lần so với các quy trình sản xuất hydro điện hóa sinh học hiện có.

Nhóm nghiên cứu đã giới thiệu một cải tiến đột phá cho tế bào điện hóa sinh học: một công nghệ Zero-Gap độc quyền. Thiết kế tiên tiến này giảm thiểu khoảng cách giữa điện cực và dải phân cách của tế bào, giảm đáng kể điện trở và tối ưu hóa hiệu quả phản ứng.

Bằng cách tạo ra một con đường trực tiếp hơn cho các phản ứng điện hóa, công nghệ Zero-Gap cho phép truyền electron nhanh hơn và sản xuất hydro hiệu quả hơn. Được áp dụng rộng rãi trong các hệ thống điện hóa tiên tiến, cách tiếp cận này là một bước tiến quan trọng trong việc cải thiện khả năng mở rộng và khả năng thương mại của các tế bào điện hóa sinh học.

Tuy nhiên, cấu trúc không khe hở thông thường thường được thiết kế bằng cách xếp chồng các điện cực và màng trong cấu hình giống như bánh sandwich. Trong quá trình thực hiện quy mô lớn, cấu trúc này có thể dẫn đến mất cân bằng áp suất, tạo ra khoảng trống nhỏ giữa các điện cực và màng. Những khoảng trống này gây ra sự sụt giảm hiệu suất cục bộ và tăng điện trở, cản trở hiệu suất tổng thể của quy trình.

Ngược lại, cấu trúc không khe hở do nhóm nghiên cứu phát triển có nắp hình trụ tạo áp suất đồng đều lên mặt sau của điện cực khi nó đóng lại, đảm bảo độ bám dính hoàn toàn giữa điện cực và bộ tách. Thiết kế này có thể được áp dụng nhất quán ngay cả trong các quy trình quy mô lớn, làm cho nó trở thành một cải tiến quan trọng để thương mại hóa các tế bào điện hóa sinh học.

Nhóm nghiên cứu đã áp dụng thành công tế bào điện hóa sinh học đã phát triển vào quá trình sản xuất hydro, dẫn đến sản xuất electron nhiều hơn 1,8 lần và sản lượng hydro tăng gấp 1,2 lần so với các quy trình thông thường. Hiệu suất tương tự đã được duy trì trong các thử nghiệm quy mô thí điểm, một bước quan trọng hướng tới việc triển khai quy mô lớn. Thành tựu này đã được chứng nhận chính thức bởi Phòng thí nghiệm Hàn Quốc (KTL), khẳng định thêm hiệu quả của nó.

Tiến sĩ Jwa Eunjin, trưởng nhóm nghiên cứu, cho biết: "Sự phát triển công nghệ này không chỉ giải quyết những thách thức về môi trường và kinh tế trong việc xử lý chất thải hữu cơ ở Hàn Quốc mà còn thể hiện một bước đột phá đáng kể trong việc sản xuất năng lượng hydro sạch hiệu quả cao.

"Việc thương mại hóa tế bào điện hóa sinh học hiệu suất cao mà chúng tôi phát triển dự kiến sẽ đóng góp đáng kể vào việc đạt được mức trung hòa carbon và chuyển đổi sang một xã hội dựa trên hydro."