Sắt là môi trường giá rẻ để lưu trữ hydro theo mùa
Các nhà nghiên cứu tại ETH Zurich đã phát triển một công nghệ lưu trữ hydro theo mùa được coi là an toàn hơn nhiều và rẻ hơn so với các giải pháp hiện có. Phương pháp này liên quan đến phản ứng giữa hydro và oxit sắt, tạo ra sắt dễ lưu trữ và sau đó có thể chuyển đổi trở lại thành hydro và oxit sắt.
Để cải thiện khả năng lưu trữ hydro, một nhóm nghiên cứu do Wendelin Stark, Giáo sư Vật liệu chức năng tại Khoa Hóa học và Khoa học sinh học ứng dụng, đứng đầu đang dựa vào quy trình sắt hơi nước, vốn 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 nó để tách nước để sản xuất hydro. Sau đó, hydro này được đưa vào lò phản ứng bằng thép không gỉ chứa đầy quặng sắt tự nhiên ở nhiệt độ 400°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. Tương tự như việc sạc pin, quy trình hóa học này cho phép năng lượng trong hydro được lưu trữ dưới dạng sắt và nước trong thời gian dài mà hầu như không bị mất mát. Khi cần năng lượng trở lại vào mùa đông, các nhà nghiên cứu đảo ngược quy 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.
Quặng sắt giá rẻ đáp ứng hydro đắt tiền
“Ưu điểm lớn của công nghệ này là nguyên liệu thô, quặng sắt, dễ dàng mua được với số lượng lớn. Thêm vào đó, nó thậm chí không cần phải xử lý trước khi chúng tôi 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 cần 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 sau 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 lợi thế khác của công nghệ này là các nhà nghiên cứu có thể dễ dàng mở rộng khả năng lưu trữ – chỉ bằng cách xây dựng các lò phản ứng lớn hơn và chứa nhiều quặng sắt hơn. Tất cả những lợi thế này khiến công nghệ lưu trữ này ước tính rẻ hơn mười lần so với các phương pháp hiện có.
Tuy nhiên, cũng có một nhược điểm khi sử dụng hydro: quá trình sản xuất và chuyển đổi hydro không hiệu quả so với các nguồn năng lượng khác, với tới 60% năng lượng bị mất trong quá trình này. Điều này có nghĩa là 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 đối 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, mỗi lò có dung tích 1,4 mét khối, chứa 2–3 tấn quặng sắt chưa qua xử lý có trên thị trường.
“Nhà máy thí điểm có thể lưu trữ khoảng 10 megawatt giờ hydro trong thời gian dài. Samuel Heiniger, một nghiên cứu sinh tiến sĩ trong nhóm nghiên cứu của Stark, giải thích rằng tùy thuộc vào cách bạn chuyển đổi hydro thành điện, điều đó sẽ cung cấp cho bạn khoảng 4 đến 6 megawatt giờ điện. Điều này tương ứng với nhu cầu điện của ba đến năm ngôi nhà gia đình đơn lẻ của Thụy Sĩ trong những tháng mùa đông. Hiện tại, hệ thống vẫn đang chạy bằng điện từ lưới điện chứ không phải bằng năng lượng mặt trời được tạo ra tại khuôn viên trường Hönggerberg.
Điều này sẽ sớm thay đổi: các nhà nghiên cứu muốn mở rộng hệ thống để đến năm 2026, khuôn viên trường ETH Hönggerberg có thể đáp ứng một phần năm nhu cầu điện mùa đông của mình 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. “Nhà máy này có thể thay thế một hồ chứa nhỏ ở dãy Alps làm cơ sở lưu trữ năng lượng theo mùa. Để đưa ra viễn cảnh, nó tương đương với khoảng một phần mười công suất của nhà máy điện lưu trữ bơm Nate de Drance,” Stark nói. 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
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 hydro theo mùa hệ thống lưu trữ hàng 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. Stark cho biết “Con số này chỉ bằng khoảng 2% lượng quặng sắt mà Úc, quốc gia sản xuất quặng sắt lớn nhất, khai thác hàng năm”. 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 xây dựng các lò phản ứng 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.
