Nhà máy điện nhỏ gọn sản xuất hydro xanh – Fraunhofer đã phát triển một mô-đun song song có khả năng tự cung tự cấp và đáng tin cậy trong việc sản xuất hydro xanh từ năng lượng mặt trời.
Hydro được tạo ra bằng năng lượng mặt trời có thể thay thế phần lớn nhiên liệu hóa thạch trong tương lai, giúp giảm lượng khí thải carbon. Trong dự án nghiên cứu chung Neo-PEC, các chuyên gia Fraunhofer đã phát triển một mô-đun song song có khả năng tự cung tự cấp và đáng tin cậy trong việc sản xuất hydro xanh được tạo ra bằng năng lượng mặt trời.
Hydro là điểm khởi đầu quan trọng trong việc chuyển đổi các quy trình công nghiệp để giảm tác động đến khí hậu. Tuy nhiên, một loại nhiên liệu đốt cháy mà không thải ra CO 2 cũng nên được sản xuất mà không có bất kỳ dấu chân carbon nào nếu có thể. Một quy trình cổ điển cho việc này là điện phân, trong đó điện được sử dụng để phân hủy nước thành hydro và oxy. Nếu điện cần thiết cho quá trình điện phân đến từ các nguồn tái tạo như tấm pin mặt trời, kết quả là hydro xanh. Nhược điểm là các thiết bị điện phân cần thiết cho quy trình này thường là các hệ thống lớn, cực kỳ phức tạp. Thiết bị đắt tiền và bảo trì cao này hiện cũng đang ngày càng thiếu hụt, đặc biệt là trong bối cảnh các chính sách khí hậu toàn cầu đang có những diễn biến hiện tại.
Sản xuất hydro bằng năng lượng mặt trời
Sử dụng trực tiếp năng lượng mặt trời để phân tách nước bằng cái gọi là tế bào quang điện hóa (PEC) mang lại một giải pháp thay thế thú vị. Trong dự án nghiên cứu chung Neo-PEC, các nhà nghiên cứu từ ba viện Fraunhofer đã cùng nhau phát triển một giải pháp mô-đun cho phép tạo ra và cung cấp hydro cực kỳ linh hoạt bằng năng lượng mặt trời.
Điểm nhấn của sự phát triển Fraunhofer này là một mô-đun PEC song song. Nó tương tự như mô-đun quang điện truyền thống, nhưng có một điểm khác biệt quan trọng: Điện không được tạo ra cho mục đích điện phân sau này ở nơi khác. Toàn bộ quá trình diễn ra trong cùng một đơn vị. Cần thận trọng trong suốt quá trình: Vì quá trình này tạo ra hydro và oxy, nên cấu trúc phải được thiết kế để duy trì sự tách biệt nghiêm ngặt giữa hai thành phần trong quá trình tạo ra và sau đó.
Để sản xuất pin song song, các chuyên gia phủ vật liệu bán dẫn lên cả hai mặt kính nổi hoặc kính tấm tiêu chuẩn có sẵn trên thị trường. Khi ánh sáng mặt trời chiếu vào kính, một mặt của mô-đun hấp thụ ánh sáng bước sóng ngắn. Đồng thời, ánh sáng bước sóng dài đi qua lớp kính trên cùng và được hấp thụ ở mặt sau. Mô-đun giải phóng hydro ở mặt sau hoặc mặt cực âm và oxy ở mặt trên, tức là mặt cực dương.
Trong thời hạn ba năm của dự án, các nhà khoa học Fraunhofer đã nghiên cứu và phát triển các vật liệu bán dẫn có độ tinh khiết cao, họ áp dụng các phương pháp phủ cực kỳ nhẹ nhàng. Điều này cho phép họ tăng sản lượng hydro của phương pháp.
Tiến sĩ Arno Görne, giám đốc nhóm Vật liệu chức năng cho hệ thống vi mô lai tại Viện công nghệ và hệ thống gốm Fraunhofer IKTS:
Chúng tôi sử dụng pha hơi để tạo thành các lớp chỉ dày vài nanomet trên kính. Các cấu trúc được tạo ra trong quá trình này có tác động rất lớn đến hoạt động của lò phản ứng, ngoài các đặc tính vật liệu thực tế mà chúng tôi cũng đã tối ưu hóa.
Các thành phần quang điện được liên kết trong mô-đun cung cấp thêm điện áp cho hệ thống – một bộ tăng áp giúp tăng tốc hoạt động đồng thời tăng cường hiệu quả.
An toàn và tính thực tế, bình phương
Kết quả là một lò phản ứng có diện tích bề mặt hoạt động là nửa mét vuông. Tách khỏi oxy, nó tạo ra hydro, có thể được thu giữ và định lượng trực tiếp. Hiện tại, một mô-đun đơn lẻ tiếp xúc với ánh sáng mặt trời trong điều kiện châu Âu có thể tạo ra hơn 30 kg hydro mỗi năm trên 100 mét vuông. Với sản lượng này, một chiếc ô tô chạy bằng hydro có thể đi được 15.000 đến 20.000 km, chẳng hạn.
Görne ghi chú :
“Về kích thước của ô song song, chúng tôi bị giới hạn bởi thực tế là mô-đun của chúng tôi phân tách nước trực tiếp, nhưng cũng cần phải có điện để truyền từ bên này sang bên kia để đạt được điều này. Khi diện tích mô-đun tăng lên, điện trở tăng lên có tác động bất lợi đến hệ thống. Theo tình hình hiện tại, định dạng hiện tại đã được chứng minh là tối ưu. Nó ổn định, mạnh mẽ và lớn hơn đáng kể so với bất kỳ giải pháp tương đương nào”,
Các thành phần nhỏ gọn có thể được kết nối khi cần thiết mà không có bất kỳ tác dụng phụ tiêu cực nào, từ một mô-đun đơn lẻ đến diện tích lớn – một lợi thế đáng kể cho giải pháp Fraunhofer.
Liên kết chuyên môn
Dự án, hiện đã kết thúc, cũng là một ví dụ thành công về sự hợp tác giữa các tổ chức và sự kết hợp giữa chuyên môn bổ sung của Fraunhofer. Fraunhofer IKTS đã nghiên cứu vật liệu và quy trình chế tạo cho lớp quang hoạt. Các đồng nghiệp tại Viện Kỹ thuật Bề mặt và Màng mỏng Fraunhofer IST đã đóng góp kinh nghiệm của họ trong việc sử dụng lắng đọng hơi vật lý để phủ lên các khu vực rộng lớn. Thiết kế lò phản ứng, sản xuất đáng tin cậy và chi phí thấp, và đánh giá tiếp theo của các mô-đun nằm trong tay các chuyên gia tại Trung tâm Fraunhofer về Quang điện Silicon CSP.
Các đối tác dự án đã tiến hành nhiều cuộc thử nghiệm thực địa chứng minh hoạt động ổn định và trơn tru của cả mô-đun và các kết nối. Nhưng đó không phải là kết thúc đối với các nhóm Fraunhofer, những người lần đầu tiên công bố lò phản ứng của họ tại triển lãm thương mại Achema 2024 ở Frankfurt vào tháng 6, vì họ đã bắt đầu lên kế hoạch cho các bước tiếp theo từ lâu. Đầu tiên, họ đang có kế hoạch tiếp tục hợp tác thành công giữa các viện trong một dự án tiếp theo, và thứ hai, họ có ý định phát triển thêm giải pháp của mình theo nhiều hướng khác nhau thông qua sự hợp tác với khu vực tư nhân - để tạo ra và cung cấp hydro phi tập trung trực tiếp, an toàn và hiệu quả.
Nhà máy điện nhỏ gọn sản xuất hydro xanh – Fraunhofer đã phát triển một mô-đun song song có khả năng tự cung tự cấp và đáng tin cậy trong việc sản xuất hydro xanh từ năng lượng mặt trời.
Mời các đối tác xem hoạt động của Công ty TNHH Pacific Group.
FanPage: https://www.facebook.com/Pacific-Group
YouTube: https://www.youtube.com/@PacificGroupCoLt
