Hydro xanh và e-methane thúc đẩy quá trình khử cacbon ở Nhật Bản
Các nhà nghiên cứu ở Nhật Bản đang tiên phong trong việc đổi mới sản xuất hai loại nhiên liệu tái tạo tiết kiệm chi phí để hỗ trợ tiến trình hướng tới tương lai bền vững.
Trình bày bởi
Đường ống hydro xanh. Hydro có thể được sử dụng để lưu trữ năng lượng từ năng lượng mặt trời và gió để sử dụng vào ban đêm hoặc khi không có gió. Tín dụng: Audioundwerbung/iStock/Getty
Việc lưu trữ thực tế lượng lớn năng lượng dư thừa từ gió, mặt trời và các nguồn năng lượng tái tạo khác để sử dụng sau này là mục tiêu của các nhà nghiên cứu trong nhiều năm. Nếu không có giải pháp, việc sử dụng năng lượng sạch sẽ bị hạn chế hơn, khiến quá trình chuyển đổi từ nhiên liệu hóa thạch trở nên khó khăn hơn.
Một lựa chọn — pin — là chủ đề của quá trình nghiên cứu chuyên sâu để cải thiện khả năng hạn chế của chúng trong việc lưu trữ lượng lớn năng lượng trong nhiều ngày hoặc nhiều tuần và sự phụ thuộc của chúng vào nguyên liệu thô khan hiếm.
Hydro xanh và e-methane — mêtan tổng hợp được sản xuất từ hydro xanh — có thể là những giải pháp thay thế đầy hứa hẹn, Koichi Izumiya, một chuyên gia về khử cacbon tại công ty công nghiệp và kỹ thuật Kanadevia Corporation ở Osaka, Nhật Bản, cho biết. “Chúng có khả năng lưu trữ lớn và có thể giữ năng lượng trong thời gian dài”.
Hydro xanh được tạo ra khi năng lượng tái tạo được sử dụng để phân tách nước thành hai thành phần của nó bằng phương pháp điện phân; không thải ra carbon. Sau đó, hydro có thể được kết hợp với CO2 để tạo ra e-methane — phiên bản tổng hợp của thành phần chính trong khí đốt tự nhiên.
Tuy nhiên, mêtan là một loại khí nhà kính mạnh và giải phóng CO2 khi đốt cháy, do đó mêtan tổng hợp chỉ được coi là 'xanh' nếu đáp ứng được ba điều kiện: nó được tạo ra từ CO2 thu được từ không khí, khí thải hoặc sinh khối; mêtan không được phép rò rỉ ra ngoài; và CO2 mà nó giải phóng khi đốt cháy được thu lại và tái sử dụng. Quan trọng là cả hydro và mêtan đều cung cấp một cách để lưu trữ năng lượng tái tạo.
"Công nghệ 'điện thành khí' được gọi như vậy sẽ hỗ trợ việc sử dụng ổn định và cung cấp năng lượng cho các nguồn năng lượng tái tạo, vốn có bản chất không liên tục", Tadashi Kimura từ Đơn vị kinh doanh hệ thống khử cacbon của Kanadevia giải thích.
Nhật Bản — quốc gia sử dụng năng lượng lớn thứ năm thế giới — có nguồn tài nguyên năng lượng hạn chế, phải nhập khẩu hơn 90% tổng nhu cầu năng lượng. Điều này đã thúc đẩy quốc gia này đi đầu trong việc phát triển cả hydro xanh và e-methane. Ví dụ, Nhật Bản chiếm số lượng đơn xin cấp bằng sáng chế liên quan đến hydro cao nhất (24%) trên toàn thế giới từ năm 2011 đến năm 2020.
Năm 2017, Nhật Bản trở thành quốc gia đầu tiên áp dụng khuôn khổ quốc gia hướng tới một xã hội dựa trên hydro. Nhật Bản cũng đặt mục tiêu thay thế 90% lượng khí đốt tiêu thụ trong nước bằng e-methane vào năm 2050.
Điện phân xanh
Kanadevia đã đi đầu trong việc hiện thực hóa tầm nhìn này. Công ty trước đây được gọi là Hitachi Zosen, là một trong những công ty đầu tiên nghiên cứu về điện phân xanh, bắt đầu từ năm 1974, Kimura cho biết. Hai thập kỷ sau, các kỹ sư của Kanadevia đã làm việc cùng các nhà khoa học tại Đại học Tohoku ở Sendai — bao gồm cả nhà điện hóa học, Koji Hashimoto, người nổi tiếng nhất với khái niệm tiên phong về tái chế carbon — để phát triển một hệ thống thí điểm cho quá trình metan hóa.
“Chúng tôi có lịch sử lâu dài trong việc phát triển các công nghệ này”, Kimura cho biết. Gần đây hơn, Kanadevia đã cung cấp hệ thống điện phân cho một dự án e-methane trị giá 14 tỷ yên (92 triệu đô la Mỹ) do Quỹ đổi mới sáng tạo xanh của chính phủ Nhật Bản tài trợ và được quản lý bởi cơ quan nghiên cứu quốc gia Tổ chức phát triển công nghệ công nghiệp và năng lượng mới.
Một trang trại năng lượng mặt trời. Việc tìm ra những cách thiết thực để lưu trữ năng lượng mặt trời dư thừa sẽ hỗ trợ quá trình chuyển đổi từ nhiên liệu hóa thạch. Tín dụng: Michael H/DigitalVision/Getty
Máy điện phân hàng đầu của Kanadevia sử dụng năng lượng mặt trời để chuyển đổi nước tinh khiết thành hydro xanh. Máy phát hydro độc quyền được tích hợp trong một thùng chứa 12 mét như một đơn vị độc lập. “Không cần phải xây dựng một tòa nhà mới, giúp quá trình này đơn giản hơn và rẻ hơn”, Kimura cho biết.
Sử dụng 1 megawatt (MW) điện mặt trời, máy phát điện có thể sản xuất tới 200 mét khối hydro mỗi giờ (Nm³/h), đủ năng lượng dự trữ để cung cấp điện cho 960 ngôi nhà trung bình của Nhật Bản.
Kimura cho biết Kanadevia là "công ty duy nhất tại Nhật Bản có thành tích cung cấp máy điện phân nước PEM công suất megawatt tại Nhật Bản", ám chỉ loại màng, màng điện phân polyme hoặc PEM, được sử dụng trong thiết bị.
Các nhà nghiên cứu hiện đang nghiên cứu máy điện phân đa mô-đun có công suất 6 MW. Kimura giải thích: "Chúng tôi đã điều chỉnh thành phần bên trong và cấu trúc của cụm máy điện phân, đây là thành phần chính được sử dụng để chuyển đổi nước thành hydro và oxy".
Ông cho biết họ cũng đang sử dụng màng cải tiến để điện phân, tất cả đều góp phần cải thiện đáng kể hiệu suất. Với mỗi cụm chạy ở mức 1,75 vôn (V) thay vì 1,9V, máy điện phân mới hứa hẹn tiết kiệm năng lượng hơn 10%, Kimura nói thêm. Các cuộc thử nghiệm trình diễn được lên lịch vào giữa năm 2025, khi hydro sẽ được sử dụng làm nguồn nhiệt cho nhà máy chưng cất rượu whisky Nhật Bản, Suntory, tại tỉnh Yamanashi.
Họ cũng đang tạo ra một hệ thống cung cấp hydro để cung cấp năng lượng cho Triển lãm Thế giới 2025 tại Osaka ở Kansai.
Kanadevia thậm chí còn có tham vọng lớn hơn. Đến năm 2030, công ty có kế hoạch sản xuất một hệ thống điện phân 100 MW, hy vọng sẽ "giúp đáp ứng nhu cầu hydro xanh toàn cầu", Izumiya cho biết.
Nhưng ông thừa nhận rằng việc thực hiện sẽ rất khó khăn, đòi hỏi phải có các nhà máy sản xuất lớn hơn và tự động hóa để sản xuất hàng loạt. "Chúng tôi sẽ cần sản xuất hàng loạt các ngăn xếp tế bào điện phân. Điều này có nghĩa là chúng tôi cần phát triển một nhà máy sản xuất lớn hơn và tự động hóa". Nhóm nghiên cứu đã có một nhà máy mới, lớn hơn đang được xây dựng, dự kiến sẽ bắt đầu hoạt động vào năm 2028.
Máy phát điện này do công ty Kanadevia Corporation của Nhật Bản phát triển, sử dụng năng lượng mặt trời để chuyển đổi nước tinh khiết thành hydro xanh. Đây là một phần của hệ thống điện thành khí quy mô lớn tại Khu nghiên cứu công nghệ lưu trữ điện Komekurayama ở tỉnh Yamanashi.
Bổ sung cho công nghệ hydro xanh của Kanadevia là thiết bị metan hóa, sản xuất metan từ hydro và CO21.
Mặc dù hydro hữu ích trong pin nhiên liệu để tạo ra điện và nhiệt, hoặc làm nguyên liệu để sản xuất nhiều loại hóa chất khác nhau, nhưng việc tiếp nhận vẫn còn hạn chế vì việc lưu trữ và sử dụng nó đòi hỏi cơ sở hạ tầng đặc biệt "sẽ mất nhiều thời gian để tích hợp vào chuỗi cung ứng hiện có của chúng tôi", Kimura nói.
Nhưng e-methane có thể sử dụng "cơ sở hạ tầng hiện có để vận chuyển, lưu trữ và sử dụng", ông nói. Nếu được sản xuất bền vững và không có khí nhà kính nào được phép xâm nhập vào khí quyển, metan có thể đóng vai trò quan trọng trong một thế giới trung hòa carbon, Hiroyuki Takano từ Viện nghiên cứu kỹ thuật của Kanadevia cho biết.
Điện thành khí
Hệ thống metan hóa của Kanadevia hoạt động bằng cách truyền hydro và khí CO2 qua chất xúc tác bao gồm hỗn hợp niken ở quy mô nano và vật liệu gốm gọi là oxit zirconium2,3. Chất xúc tác độc quyền này mang lại nhiều lợi ích hơn các hệ thống sản xuất e-methane khác, Takano nói.
“Bạn có thể bắt đầu phản ứng dưới áp suất môi trường và ở nhiệt độ thấp hơn — 200°C thay vì 250°C hoặc 280°C thông thường cần thiết trong các nhà máy thương mại”, ông giải thích.
Thiết bị metan hóa hiện tại của công ty có thể sản xuất 12,5 Nm3 khí metan xanh mỗi giờ, với khí metan thu được có độ tinh khiết 98,5%. Vào năm 2022, thiết bị metan hóa dựa trên thiết kế ban đầu đã đạt công suất sản xuất 125 Nm3/h. Nhóm Kanadevia hiện đang nỗ lực tăng công suất đó lên hơn 10.000 Nm3/h, bằng cách tập trung vào việc giảm thiểu thất thoát nhiệt trong phản ứng metan hóa.
Về những nỗ lực của công ty nhằm tạo ra một thế giới bền vững hơn, Izumiya cho biết: “Chúng ta cần năng lượng tái tạo để trở thành một xã hội trung hòa carbon vào năm 2050. Tại Nhật Bản, công nghệ điện thành khí đặc biệt quan trọng và chúng tôi tại Kanadevia hy vọng có thể đóng góp phần của mình”.
