Phương pháp điện phân tách rời mở đường cho sản xuất hydro xanh quy mô công nghiệp
Hình minh họa một hệ thống điện phân nước cải tiến để sản xuất khí hydro (H₂) và oxy (O₂). Hệ thống này bao gồm hai phần chính: tế bào điện phân (electrolytic cell) và tế bào xúc tác (catalytic cell), sử dụng chu trình bromat (BrO₃⁻) để nâng cao hiệu suất điện phân.
Cấu trúc hệ thống:
1. Tế bào điện phân (bên trái):
-
Catốt (Cathode): Nơi xảy ra phản ứng khử. Tại đây, nước (H₂O) bị phân tách tạo ra hydro (H₂) và ion hydroxide (OH⁻).
-
Anốt (Anode): Nơi xảy ra phản ứng oxy hóa. Ion bromua (Br⁻) bị oxy hóa thành ion bromat (BrO₃⁻).
-
Dung dịch điện phân: Gồm natri bromua (NaBr) và có thể có thêm natri dicromat (Na₂Cr₂O₇) để hỗ trợ quá trình điện hóa.
2. Tế bào xúc tác (bên phải):
-
Dung dịch chứa BrO₃⁻ từ tế bào điện phân được bơm sang tế bào xúc tác.
-
Tại đây, BrO₃⁻ được khử trở lại thành Br⁻ dưới tác dụng của chất xúc tác.
-
Quá trình này tạo ra oxy (O₂).
Các phản ứng chính:
Tại catốt:
H₂O + e⁻ → ½ H₂ + OH⁻\text{H₂O + e⁻ → ½ H₂ + OH⁻}H₂O + e⁻ → ½ H₂ + OH⁻
→ Sinh ra hydro.
Tại anốt:
Br⁻ → BrO₃⁻ + e⁻\text{Br⁻ → BrO₃⁻ + e⁻}Br⁻ → BrO₃⁻ + e⁻
→ Sinh ra bromat.
Tại tế bào xúc tác:
BrO₃⁻ + H₂O → Br⁻ + O₂\text{BrO₃⁻ + H₂O → Br⁻ + O₂}BrO₃⁻ + H₂O → Br⁻ + O₂
→ Sinh ra oxy và tái sinh Br⁻, quay trở lại chu trình.
Cơ chế hoạt động:
-
Nước được đưa vào cả hai ngăn.
-
Trong tế bào điện phân, Br⁻ bị oxy hóa thành BrO₃⁻, đồng thời H₂ được tạo ra tại catốt.
-
BrO₃⁻ được chuyển sang tế bào xúc tác, nơi nó bị khử thành Br⁻, đồng thời sinh ra O₂.
-
Br⁻ quay trở lại tế bào điện phân để tiếp tục chu trình.
Lợi ích kỹ thuật:
-
Giảm điện áp cần thiết cho quá trình điện phân nhờ việc tách quá trình sinh O₂ sang tế bào xúc tác.
-
Nâng cao hiệu suất tách nước thành H₂ và O₂.
-
Giảm sự tích tụ khí và hạn chế phản ứng phụ nhờ phân tách hai quá trình điện hóa và xúc tác.
Một bài đánh giá gần đây trên tạp chí Nature Reviews Clean Technology lần đầu tiên trình bày một lộ trình mở rộng quy mô công nghệ điện phân nước tách rời (DWE) để sản xuất hydro xanh quy mô công nghiệp.
Hydro, một nguyên liệu hóa học quan trọng, thường được sản xuất từ nhiên liệu hóa thạch, tạo ra lượng khí thải CO₂ cao. Điện phân nước bằng năng lượng tái tạo thải ra oxy thay vì CO₂ và mang đến một giải pháp thay thế sạch. Sản xuất hydro xanh ở quy mô công nghiệp là một trong những mục tiêu tối thượng của quá trình chuyển đổi năng lượng, vì nó sẽ mở ra tiềm năng thay thế sự phụ thuộc của thế giới vào nhiên liệu hóa thạch.
Điện phân thông thường sử dụng hai điện cực được ngăn cách bởi một màng để tách nước thành hydro và oxy. Phương pháp này tốn kém, dễ bị rò rỉ hydro bên trong và không tương thích với năng lượng mặt trời và năng lượng gió không liên tục.
DWE khắc phục những vấn đề này bằng cách tách biệt quá trình sản xuất hydro và oxy theo thời gian hoặc không gian, loại bỏ nhu cầu sử dụng màng. Thay vào đó, phương pháp này sử dụng các vật liệu oxy hóa khử có thể hấp thụ và giải phóng các ion tạo ra oxy hoặc hydro.
Bài báo đánh giá các phương pháp DWE khác nhau và lần đầu tiên trình bày các lộ trình mở rộng khả thi. Các tác giả bao gồm các chuyên gia hàng đầu từ khắp nơi trên thế giới: Giáo sư Avner Rothschild thuộc Khoa Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu Technion, Giáo sư Mark D. Symes thuộc Đại học Glasgow, Giáo sư Jens Oluf Jensen thuộc Đại học Kỹ thuật Đan Mạch, Tiến sĩ Tom Smolinka thuộc Viện Hệ thống Năng lượng Mặt trời Fraunhofer (ISE), Rotem Arad và Gilad Yogev từ công ty H2Pro, nghiên cứu sinh sau tiến sĩ tại Technion, Tiến sĩ Guilin Ruan, và nghiên cứu sinh tiến sĩ tại Đại học Glasgow, Fiona Todman.
Giáo sư Mark Symes và các cộng sự của ông tại Đại học Glasgow đã tiên phong trong việc hiện thực hóa phương pháp điện phân tách rời ban đầu vào năm 2013, sử dụng các chất trung gian oxy hóa khử pha dung dịch. Ông tiếp tục nghiên cứu về điện phân tách rời sử dụng nhiều hệ thống dựa trên chất lỏng và đang tích cực thương mại hóa công nghệ này thông qua công ty Clyde Hydrogen Systems.
Năm 2015, Giáo sư Avner Rothschild đã tiên phong trong một công nghệ mới cùng với các đồng nghiệp tại Technion là Giáo sư Gideon Grader, Tiến sĩ Hen Dotan và Tiến sĩ Avigail Landman, sử dụng điện cực oxy hóa khử gốc niken. Bước đột phá của họ đã dẫn đến việc thành lập H2Pro vào năm 2019.
Giáo sư Jens Oluf Jensen và Tiến sĩ Tom Smolinka là những chuyên gia nổi tiếng thế giới về công nghệ điện phân tiên tiến. Công trình của họ về màng trao đổi proton (PEM), màng trao đổi anion (AEM), vật liệu điện cực và ứng dụng của chúng trong các ngăn xếp cell cho máy điện phân PEM và AEM công suất lớn đã cung cấp những hiểu biết sâu sắc về những thách thức trong việc mở rộng quy mô và vận hành máy điện phân thương mại, đồng thời là nền tảng vững chắc để so sánh các khái niệm máy điện phân tách rời và không màng. Rotem Arad và Gilad Yogev cung cấp những hiểu biết sâu sắc về việc chuyển đổi các khái niệm này thành công nghệ sản xuất hydro xanh ở quy mô lớn.
Bài đánh giá này là bài viết đầu tiên trình bày chi tiết các chiến lược mở rộng quy mô khả thi cho DWE. Trong khi các thí nghiệm DWE ở quy mô phòng thí nghiệm chỉ sản xuất được chưa đến một gam hydro mỗi ngày, các hệ thống công nghiệp phải sản xuất khoảng một tấn hydro mỗi ngày - gấp một triệu lần.
Thật vậy, việc đáp ứng nhu cầu hydro hiện tại sẽ cần khoảng một triệu máy điện phân quy mô lớn. Mặt khác, các máy điện phân công nghiệp thông thường đòi hỏi nguồn cung cấp lưới điện ổn định và chỉ có thể được sử dụng ở mức độ hạn chế với các biến động điện năng rất mạnh như do năng lượng mặt trời và năng lượng gió gây ra.
Ưu điểm độc đáo của DWE nằm ở khả năng lưu trữ năng lượng thông qua vật liệu oxy hóa khử, hoạt động giống như một máy điện phân có pin tích hợp. Điều này cho phép nó đệm các biến động năng lượng từ các nguồn tái tạo, khiến nó tương thích cao với các hệ thống năng lượng mặt trời và gió, từ đó mở ra một con đường quan trọng cho việc sản xuất hydro tái tạo xanh, chi phí thấp.
Tác động tiềm tàng của việc mở rộng quy mô sản xuất hydro xanh là rất lớn. Thị trường hydro hiện có giá trị khoảng 250 tỷ đô la mỗi năm. Khi được đưa vào sản xuất đại trà, thị trường hydro xanh dự kiến sẽ đạt 550 tỷ đô la trong vòng mười năm.
Giáo sư Rothschild dự đoán:
Hydro xanh dự kiến sẽ chiếm 10% thị trường năng lượng tương lai.
“Một khi có thể sản xuất hydro xanh ở quy mô lớn và bán với giá cả hợp lý, hydro sẽ thay thế phần lớn năng lượng được sử dụng trong công nghiệp, vận tải hạng nặng và các lĩnh vực khác. Các thiết bị điện phân truyền thống nên được cải tiến để phù hợp với thị trường này, và như Darwin đã lưu ý, loài mạnh nhất không phải là loài sống sót qua quá trình tiến hóa mà là loài có khả năng thích nghi và điều chỉnh tốt nhất với môi trường thay đổi mà nó đang sống. Tôi tin rằng DWE sẽ là như vậy.”
Giáo sư Symes giải thích thêm:
Điện phân tách rời chỉ mới ra đời khoảng 12 năm.
“Các công nghệ thông thường hơn, chẳng hạn như điện phân kiềm
và các tế bào màng trao đổi proton đã có hàng thập kỷ (nếu không muốn nói là hàng thế kỷ) để phát triển. Điều này phần nào cho thấy bối cảnh về tốc độ mở rộng quy mô của một số hệ thống tách rời mới đang bắt đầu xuất hiện. Trên quỹ đạo hiện tại, tôi kỳ vọng rằng thập kỷ tới sẽ chứng kiến các hệ thống điện phân tách rời trở thành đối thủ cạnh tranh đáng gờm của các thiết bị điện phân thông thường, đặc biệt là trong việc chuyển đổi năng lượng tái tạo thành hydro xanh.
Những ý tưởng mới được trình bày trong bài đánh giá rất hấp dẫn và làm sáng tỏ triển vọng dài hạn của việc mở rộng quy mô công nghệ DWE vì lợi ích của toàn nhân loại.
