Nhà máy thí điểm chứng minh tính khả thi của việc lưu trữ hydro dựa trên sắt
tác giả: Christoph Elhardt, ETH Zurich
Lò phản ứng thép không gỉ 1,4 mét khối này tại cơ sở Hönggerberg chứa 2–3 tấn quặng sắt chưa qua xử lý. Nguồn: ETH Zurich
Các tấm pin quang điện được thiết lập để đáp ứng hơn 40% nhu cầu điện của Thụy Sĩ vào năm 2050. Nhưng năng lượng mặt trời không phải lúc nào cũng có sẵn khi cần: quá nhiều vào mùa hè và quá ít vào mùa đông, khi mặt trời ít chiếu sáng hơn và máy bơm nhiệt hoạt động hết công suất. Theo Chiến lược năng lượng của chính phủ liên bang Thụy Sĩ, Thụy Sĩ muốn thu hẹp khoảng cách điện vào mùa đông bằng cách kết hợp nhập khẩu, gió và thủy điện cũng như các nhà máy điện mặt trời trên núi cao và nhà máy điện chạy bằng khí đốt.
Một cách để giảm thiểu nhu cầu nhập khẩu và nhà máy điện chạy bằng khí đốt vào mùa đông là sản xuất hydro từ năng lượng mặt trời giá rẻ vào mùa hè, sau đó có thể chuyển đổi thành điện vào mùa đông. Tuy nhiên, hydro rất dễ cháy, cực kỳ dễ bay hơi và làm cho nhiều vật liệu giòn.
Việc lưu trữ khí từ mùa hè đến mùa đông đòi hỏi phải có các thùng chứa áp suất đặc biệt và công nghệ làm mát. Những thứ này đòi hỏi rất nhiều năng lượng, trong khi nhiều biện pháp phòng ngừa an toàn phải tuân thủ khiến việc xây dựng các cơ sở lưu trữ như vậy trở nên rất tốn kém. Hơn nữa, các bình chứa hydro không bao giờ hoàn toàn chống rò rỉ, gây hại cho môi trường và làm tăng thêm chi phí.
Hiện nay, các nhà nghiên cứu tại ETH Zurich do Wendelin Stark, Giáo sư Vật liệu chức năng tại Khoa Hóa học và Khoa học sinh học ứng dụng, đứng đầu đã phát triển một công nghệ mới để lưu trữ hydro theo mùa an toàn hơn nhiều và rẻ hơn so với các giải pháp hiện có. Các nhà nghiên cứu đang sử dụng một công nghệ nổi tiếng và là nguyên tố phổ biến thứ tư trên Trái đất: sắt.
Những phát hiện này được công bố trên tạp chí Năng lượng & Nhiên liệu bền vững.
Lưu trữ hóa học
Để lưu trữ hydro tốt hơn, Stark và nhóm của ông đang dựa vào quy trình sắt hơi nước, đã được biết đến từ thế kỷ 19. Nếu có lượng điện mặt trời dư thừa vào những tháng mùa hè, có thể sử dụng năng lượng này để tách nước để sản xuất hydro. Hydro này sau đó được đưa vào lò phản ứng bằng thép không gỉ chứa đầy quặng sắt tự nhiên ở nhiệt độ 400 độ C. Tại đó, hydro chiết xuất oxy từ quặng sắt - về mặt hóa học chỉ đơn giản là oxit sắt - tạo ra sắt nguyên tố và nước.
"Quá trình hóa học này tương tự như sạc pin. Điều đó có nghĩa là năng lượng trong hydro có thể được lưu trữ dưới dạng sắt và nước trong thời gian dài mà hầu như không bị mất mát", Stark nói.
Khi cần năng lượng trở lại vào mùa đông, các nhà nghiên cứu đảo ngược quá trình: họ đưa hơi nước nóng vào lò phản ứng để biến sắt và nước trở lại thành oxit sắt và hydro. Sau đó, hydro có thể được chuyển đổi thành điện hoặc nhiệt trong tua bin khí hoặc pin nhiên liệu. Để giữ năng lượng cần thiết cho quá trình xả ở mức tối thiểu, hơi nước được tạo ra bằng cách sử dụng nhiệt thải từ phản ứng xả.
(a) Sự không phù hợp giữa sản lượng PV hàng năm và nhu cầu điện tại Thụy Sĩ vào năm 2017. Sản lượng và nhu cầu đều được chuẩn hóa theo giá trị trung bình hàng năm của chúng, tương ứng với tình huống tương lai khi sản lượng và nhu cầu bằng nhau (100% trên trục ngang trong b). (b) Tự cung tự cấp vào mùa đông (được định nghĩa là khoảng thời gian mà PV mặt trời và lưu trữ có thể đáp ứng nhu cầu điện từ tháng 12 đến tháng 2) theo chức năng của công suất PV đã lắp đặt. Có ba trường hợp được trình bày: không lưu trữ; có lưu trữ ngày-đêm (ví dụ: pin trong hộ gia đình); và có cả lưu trữ ngày-đêm và theo mùa (tính toán chi tiết trong Ghi chú ESI 2–3†). (c và d) Biểu diễn sơ đồ lưu trữ năng lượng theo mùa dựa trên sắt. Nguồn: Năng lượng và nhiên liệu bền vững (2023). DOI: 10.1039/D3SE01228J
Quặng sắt giá rẻ gặp hydro đắt tiền
"Ưu điểm lớn của công nghệ này là nguyên liệu thô, quặng sắt, dễ mua với số lượng lớn. Thêm vào đó, chúng tôi thậm chí không cần xử lý trước khi đưa vào lò phản ứng", Stark nói. Hơn nữa, các nhà nghiên cứu cho rằng có thể xây dựng các cơ sở lưu trữ quặng sắt lớn trên toàn thế giới mà không ảnh hưởng đáng kể đến giá sắt trên thị trường toàn cầu.
Lò phản ứng diễn ra phản ứng cũng không phải đáp ứng bất kỳ yêu cầu an toàn đặc biệt nào. Nó bao gồm các bức tường thép không gỉ chỉ dày 6 mm. Phản ứng diễn ra ở áp suất bình thường và khả năng lưu trữ tăng lên theo mỗi chu kỳ.
Sau khi được đổ đầy oxit sắt, lò phản ứng có thể được tái sử dụng cho bất kỳ số chu kỳ lưu trữ nào mà không cần phải thay thế nội dung của nó. Một ưu điểm khác của công nghệ này là các nhà nghiên cứu có thể dễ dàng mở rộng khả năng lưu trữ. Chỉ cần xây dựng các lò phản ứng lớn hơn và đổ nhiều quặng sắt hơn vào đó. Tất cả những ưu điểm này khiến công nghệ lưu trữ này ước tính rẻ hơn mười lần so với các phương pháp hiện có.
Tuy nhiên, việc sử dụng hydro cũng có nhược điểm: quá trình sản xuất và chuyển đổi hydro không hiệu quả so với các nguồn năng lượng khác vì có tới 60% năng lượng bị mất trong quá trình này.
có nghĩa là với tư cách là một phương tiện lưu trữ, hydro hấp dẫn nhất khi có đủ năng lượng gió hoặc năng lượng mặt trời và các lựa chọn khác không khả thi. Điều này đặc biệt đúng với các quy trình công nghiệp không thể điện khí hóa.
Nhà máy thí điểm tại cơ sở Hönggerberg
Các nhà nghiên cứu đã chứng minh tính khả thi về mặt kỹ thuật của công nghệ lưu trữ của họ bằng cách sử dụng một nhà máy thí điểm tại cơ sở Hönggerberg. Nhà máy này bao gồm ba lò phản ứng bằng thép không gỉ có dung tích 1,4 mét khối, mỗi lò được các nhà nghiên cứu đổ đầy 2–3 tấn quặng sắt chưa qua xử lý có sẵn trên thị trường.
"Nhà máy thí điểm có thể lưu trữ khoảng 10 megawatt giờ hydro trong thời gian dài. Tùy thuộc vào cách bạn chuyển đổi hydro thành điện, điều đó sẽ cung cấp cho bạn khoảng 4 đến 6 megawatt giờ điện", Samuel Heiniger, một nghiên cứu sinh tiến sĩ trong nhóm nghiên cứu của Stark giải thích. Điều này tương ứng với nhu cầu điện từ ba đến năm ngôi nhà gia đình đơn lẻ của Thụy Sĩ vào những tháng mùa đông. Hiện tại, hệ thống vẫn đang chạy bằng điện lưới chứ không phải bằng năng lượng mặt trời được tạo ra tại cơ sở Hönggerberg.
Quy trình sạc và xả cho công nghệ lưu trữ. Tín dụng: Fabio Bergamin / ETH Zurich
Điều này sẽ sớm thay đổi: các nhà nghiên cứu muốn mở rộng hệ thống sao cho đến năm 2026, cơ sở ETH Hönggerberg có thể đáp ứng một phần năm nhu cầu điện mùa đông bằng cách sử dụng năng lượng mặt trời của riêng mình từ mùa hè. Điều này sẽ yêu cầu các lò phản ứng có thể tích 2.000 mét khối, có thể lưu trữ khoảng 4 gigawatt giờ (GWh) hydro xanh.
Sau khi chuyển đổi thành điện, hydro được lưu trữ sẽ cung cấp khoảng 2 GWh điện. Stark cho biết: "Nhà máy này có thể thay thế một hồ chứa nhỏ ở dãy Alps làm cơ sở lưu trữ năng lượng theo mùa. Để so sánh, nó tương đương với khoảng một phần mười công suất của nhà máy điện tích năng Nate de Drance". Ngoài ra, quá trình xả sẽ tạo ra 2 GWh nhiệt, mà các nhà nghiên cứu muốn tích hợp vào hệ thống sưởi ấm của khuôn viên trường.
Khả năng mở rộng tốt
Nhưng liệu công nghệ này có thể được khai thác để cung cấp năng lượng lưu trữ theo mùa cho toàn bộ Thụy Sĩ không? Các nhà nghiên cứu đã thực hiện một số tính toán ban đầu: cung cấp cho Thụy Sĩ khoảng 10 terawatt giờ (TWh) điện từ các hệ thống lưu trữ hydro theo mùa mỗi năm trong tương lai - mà phải thừa nhận là rất nhiều - sẽ cần khoảng 15–20 TWh hydro xanh và khoảng 10.000.000 mét khối quặng sắt.
"Con số đó chỉ bằng khoảng 2% so với những gì Úc, quốc gia sản xuất quặng sắt lớn nhất, khai thác mỗi năm", Stark nói. Để so sánh, trong báo cáo Triển vọng năng lượng 2050+, Văn phòng Năng lượng Liên bang Thụy Sĩ dự đoán tổng mức tiêu thụ điện vào khoảng 84 TWh vào năm 2050.
Nếu các lò phản ứng được xây dựng có thể lưu trữ khoảng 1 GWh điện mỗi lò, thì chúng sẽ có thể tích khoảng 1.000 mét khối. Điều này đòi hỏi khoảng 100 mét vuông đất xây dựng. Thụy Sĩ sẽ phải xây dựng khoảng 10.000 hệ thống lưu trữ này để có được 10 TWh điện vào mùa đông, tương ứng với diện tích khoảng 1 mét vuông cho mỗi người dân.
