Motor Mouth: Bước đột phá mà hydro đã chờ đợi?
Các nhà nghiên cứu từ Đại học Alberta cho biết họ có công nghệ để đưa hydro đến với công chúng
Mirai của Toyota là một chiếc xe chạy bằng hydro có thể sắp bước vào tương lai không phát thải mới với sự ra đời của công nghệ này. Ảnh của Toyota
Chúng ta hãy nói rõ ràng. Robin Hamilton không phải là người phát minh ra cỗ máy chuyển động vĩnh cửu. Tuy nhiên, gần như vậy. Thậm chí là gần như vậy. Trên thực tế, tôi thấy gần nhất với ý tưởng mà những người ủng hộ môi trường đề xuất cho Xe không phát thải không thỏa hiệp. Tuy nhiên, các nhà vật lý và hóa học quan tâm ở khắp mọi nơi có thể thở phào nhẹ nhõm; cả định luật nhiệt động lực học thứ nhất và thứ hai vẫn bất khả xâm phạm.
Tuy nhiên, những gì Hamilton — và nhóm các nhà nghiên cứu vui vẻ của Đại học Alberta — đã khám phá ra cũng tốt như vậy. Công nghệ của họ mang tính đột phá đến mức vấn đề lớn nhất mà công ty mới của họ, Dark Matter Materials (vâng, các nhà hóa học và kỹ sư có ý thức quảng bá), sẽ phải đối mặt là hội chứng "quá tốt để có thể là sự thật" cũ vì, không theo thứ tự cụ thể nào, họ tuyên bố đã tìm ra cách để làm những điều sau:
Làm cho hydro tiết kiệm năng lượng như lithium-ion để sử dụng trong xe cộ.
Giảm lượng điện cần thiết để tạo ra hydro "xanh" sạch tới 96%.
Làm cho sản xuất hydro di động. Di động đến mức cơ chế xử lý có thể được lắp đặt trong ô tô.
Sản xuất hydro từ bất kỳ loại nước nào. Nước ngọt, nước mặn, cái gọi là nước xám. Thậm chí cả nước ao đuôi.
Tạo ra toàn bộ hệ thống tiếp nhiên liệu hydro không yêu cầu cơ sở hạ tầng lưu trữ, sản xuất hoặc vận chuyển. Đúng vậy, không cần trạm "xăng", đường ống hoặc máy bơm.
Sử dụng vật liệu xúc tác được sử dụng để "phá vỡ" nước để tạo ra vật liệu pin, cụ thể hơn là để sản xuất catốt và anot, là bộ phận đắt nhất của pin.
Và để mọi thứ có vẻ hơi quá kỳ ảo để tin, Hamilton cho biết quá trình tương tự có thể tái chế nhựa thành nhiên liệu. Như tôi đã nói, không hẳn là cỗ máy chuyển động vĩnh cửu, nhưng gần như vậy.
Cho đến nay, cách duy nhất để sản xuất hydro "xanh" tinh khiết — được đặt tên như vậy vì nó không thải ra CO2 trong quá trình sản xuất hoặc sử dụng — là thông qua quá trình điện phân. Về cơ bản, việc sử dụng dòng điện một chiều sẽ tách nước thành các nguyên tử hydro và oxy thành phần của nó. Nhưng mặc dù sạch, xanh và khá đơn giản — hầu như mọi người, ít nhất là trong thời của tôi, đều thực hiện quá trình điện phân trong phòng thí nghiệm ở trường trung học — nhưng nó cũng ngốn nhiều năng lượng. Như Elon Musk đã chỉ trích từ lâu — "pin của kẻ ngốc" — cần nhiều năng lượng hơn để tạo ra một kilôgam hydro so với kilôgam đó có thể tạo ra. Đây là một vấn đề rất lớn vì điện không phát thải đã trở nên khan hiếm, việc sử dụng một nguồn tài nguyên khan hiếm như vậy để tạo ra hydro thay vì, chẳng hạn, làm nhiên liệu cho ô tô trực tiếp, như những người hâm mộ Tesla sẽ nhiệt thành nói với bạn, là lãng phí nguồn tài nguyên khan hiếm. Theo thuật ngữ khoa học, hydro phải cạnh tranh với nguồn năng lượng của chính nó (điện), và nếu điện phân là nguồn năng lượng của nó, thì nó sẽ không đủ.
Motor Mouth: Tương lai của hydro vẫn có thể bao gồm piston
Hamilton và nhóm DMM của ông giải quyết vấn đề này bằng cách tránh hoàn toàn quá trình điện phân. Thay vào đó, họ gọi quá trình này là quá trình phân tách nước nhiệt xúc tác — khí hóa nước đối với những kẻ ngốc như chúng ta — bằng cách sử dụng chất xúc tác đa kim loại có hạt nano. Nghe có vẻ phức tạp, nhưng về cơ bản, nó như thế này: Đổ một viên chất xúc tác siêu bí mật của họ vào xô nước và Presto! Hydro bắt đầu sủi bọt lên bề mặt một cách tự nhiên. Ồ, làm nóng nó (khoảng 100 độ C) sẽ đẩy nhanh quá trình này — khoảng 500 lần so với nhiệt độ phòng — nhưng một khi bắt đầu, quá trình này sẽ tạo ra hydro trong một thời gian khá dài với lượng năng lượng đầu vào tối thiểu.
Vậy thì, câu hỏi lớn là, quá trình tạo ra hydro của Dark Matter hiệu quả hơn bao nhiêu so với quá trình điện phân? Theo tính toán của Hamilton, quá trình điện phân truyền thống cần khoảng 50 kilowatt giờ điện để tạo ra một kg hydro. Khí hóa của DMM? Bất cứ nơi nào giữa hai và tám kWh. Nghĩa là, trong trường hợp tốt nhất, cải thiện 96%. Trong trường hợp xấu nhất, chỉ là 84%. Theo nghĩa thực tế hơn, một kilôgam hydro sẽ cung cấp năng lượng cho một xe chạy bằng pin nhiên liệu khoảng 100 km. Sau đó, phép toán đơn giản cho thấy một FCEV tiêu thụ khoảng 50 kWh/100 km, một con số mà ngay cả những người quan sát xe điện bình thường nhất cũng sẽ nhận ra là không hiệu quả.
Sử dụng dự đoán lạc quan nhất của DMM, một FCEV có thể di chuyển 100 km bằng hai kWh hydro. Theo dự đoán kém hiệu quả nhất của công ty, sẽ mất tám kWh để lái xe 100 km. Trong khi đó, mức tiêu thụ năng lượng thực tế đối với xe điện chạy bằng pin thông thường nằm trong khoảng từ 16 đến 25 kWh. Sẽ còn rất lâu nữa, nếu có, trước khi chúng ta thấy bất kỳ thứ gì chạy bằng pin có thể di chuyển 100 km chỉ với tám kWh, và tôi nghĩ có lẽ công bằng khi nói rằng không có BEV nào có thể chạy được 100 km chỉ với hai kilowatt-giờ. Mặc dù những phép tính này có vẻ đơn giản, nhưng ít nhất chúng cũng có phần thực tế vì, như bạn sẽ sớm đọc, hệ thống khí hóa của Dark Matter không yêu cầu phải nén hydro đến 10.000 psi để lưu trữ. Cộng tất cả lại và, nếu tuyên bố của Hamilton và Co. là có thật, hydro vừa chuyển từ kẻ ngốn năng lượng sang kẻ dẫn đầu về hiệu quả.
Lý do hydro không cần phải được lưu trữ trong những bình chứa gia cố bằng carbon chịu áp suất cao đó là vì bộ khí hóa của DMM được thiết kế để tích hợp vào xe. Đúng vậy, một chiếc ô tô hoặc xe tải được trang bị DMM sẽ tạo ra lượng hydro cần thiết khi lái. Theo Hamilton, liệu một cơ chế như vậy có thể chui vào được những giới hạn vốn đã vô cùng chật hẹp của một chiếc xe chở khách hay không vẫn còn là điều chưa chắc chắn, nhưng chắc chắn là thiết bị tạo ra hydro sẽ vừa với một chiếc xe 18 bánh.
Thật vậy, chất xúc tác nhiệt của DMM củng cố thêm tính ưu việt của hydro đối với xe tải đường dài. So với những loại pin khổng lồ mà xe đầu kéo chạy hoàn toàn bằng điện cần — 5.000 kg trở lên — thì sự kết hợp giữa bộ khí hóa và bình nhiên liệu của DMM sẽ nặng hơn khoảng 50% so với những chiếc xe tải chạy bằng dầu diesel hiện tại. Nếu ước tính của Hamilton là đúng, điều đó có nghĩa là tải nhiên liệu của một chiếc xe tải chạy bằng hydro, bao gồm cả bộ khí hóa, sẽ nặng hơn 500 kg một chút. Và tất nhiên, việc tiếp nhiên liệu sẽ nhanh hơn nhiều, chỉ cần đổ đầy nước vào bình — vâng, nước rẻ, sạch và dồi dào — và thỉnh thoảng thay thế chất xúc tác dạng bột hoặc dạng viên.
Có thể trông giống như một thí nghiệm khoa học ở trường trung học, nhưng quá trình này có thể giải phóng tiềm năng của hydro như một loại nhiên liệu cho xe chở khách.
Có thể trông giống như một thí nghiệm khoa học ở trường trung học, nhưng quá trình này có thể giải phóng tiềm năng của hydro như một loại nhiên liệu cho xe chở khách. Ảnh của Toyota Canada
Điều khiến vấn đề trở nên hấp dẫn hơn nữa là tuyên bố của Dark Matter rằng hầu như bất kỳ loại nước nào cũng có thể làm được. Nó có thể là nước ngọt hoặc nước mặn, sạch hoặc xám, và thậm chí, như tôi đã nói, H2O từ chất thải chứa hóa chất. Tính linh hoạt đó có thể hữu ích hơn cho các ứng dụng cố định, nhưng thật tốt khi biết rằng — trong những tình huống tồi tệ nhất — bạn thực sự có thể đi tiểu vào bình xăng của mình (vâng, họ đã thử) và chất xúc tác nhiệt của DMM cũng sẽ phân tách nó.
Điều này bắt đầu nghe có vẻ kỳ ảo — và tôi thực sự phải tận mắt chứng kiến — là chất xúc tác đa kim loại có khả năng phân tách nước thành H2 và O một cách hiệu quả cũng có thể dùng làm vật liệu pin. Trên thực tế, Hamilton cho biết, nó có thể được sử dụng để tạo ra cả cực âm và cực dương, mặc dù làm như vậy sẽ giới hạn điện thế của pin ở mức 2,8 vôn. Sử dụng polymetal mới chỉ cho cực âm và đầu ra sẽ tăng lên khoảng 3,4V, khiến nó có khả năng cạnh tranh với lithium-ion. Và, để chắc chắn hơn, Hamilton đã đổ pin DMM vào bồn rửa đầy nước mà không có ngọn lửa bùng phát giống như pin Li-ion.
Về phần cuối cùng trong lời hứa của DMM — rằng cùng một chất xúc tác có thể giúp tái chế nhựa — thì công nghệ này hơi vượt quá hiểu biết của tôi. Theo Hamilton, hệ thống có thể "phân hủy polyetylen, polypropylen, polystyren thành hydrocarbon" tạo ra một ít propan nhưng tạo ra một lượng đáng kể hydrocarbon lỏng như naptha, dầu diesel và dầu hỏa. Có lẽ thậm chí còn ấn tượng hơn là tuyên bố của Hamilton rằng các chất xúc tác tương tự có thể phân hủy polyethylene terephthalate — loại nhựa PET phổ biến nhất trong các thùng chứa và chai lọ — với "cân bằng khối lượng 95%". Tôi xin lỗi vì đã giải thích quá sơ sài về một sự phát triển quan trọng như vậy, ngoại trừ việc, thành thật mà nói, Postmedia không trả cho tôi đủ tiền để học hóa hữu cơ.
Hai chiếc cốc này có thể chứa đựng một bước đột phá trong cách chúng ta nhìn nhận nhiên liệu hydro. Ảnh của Toyota Canada
Mặc dù tất cả những điều này nghe có vẻ tuyệt vời, nhưng vẫn còn nhiều rào cản đáng kể ở phía trước, khó khăn nhất chắc chắn là mở rộng thí nghiệm trong phòng thí nghiệm của Dark Matter thành sản xuất có lãi. Ngày xưa, quy mô kinh tế như vậy có liên quan
dễ dàng. Khi chúng ta tìm hiểu, việc phát triển, chẳng hạn, một động cơ năm van mới hoặc hộp số 10 cấp tương đối dễ dàng, chỉ mất vài năm để đưa từ nguyên mẫu chạy đến dây chuyền sản xuất. Việc đưa từ phòng thí nghiệm đến sản xuất với công nghệ không phát thải mới đang chứng tỏ tốn kém và mất nhiều thời gian hơn nhiều. Người bạn của tôi, Steve Levine của The Electric, đã dành vài tuần qua để phân loại tất cả các công ty khởi nghiệp về pin từng hứa hẹn nhưng đã thất bại gần đây — tất cả đều tuyên bố công nghệ đột phá — chỉ đơn giản vì, ngày nay, nguồn tài trợ lớn và sự kiên nhẫn của các nhà đầu tư cũng quan trọng — nếu không muốn nói là quan trọng hơn — như một ý tưởng hay.
Chất xúc tác đa kim loại của Hamilton có vẻ là một bước đột phá xứng đáng được tiếp tục đầu tư. Nếu không phải do xung đột lợi ích, thì bản thân tôi cũng sẽ làm như vậy.
