Các nhà nghiên cứu tại ETH Zurich đang sử dụng sắt để lưu trữ hydro một cách an toàn và trong thời gian dài. Trong tương lai, công nghệ này có thể được sử dụng để lưu trữ năng lượng theo mùa.
Điện mặt trời được thiết lập để đáp ứng hơn 40 phần trăm nhu cầu điện của Thụy Sĩ vào năm 2050. Nhưng năng lượng mặt trời không phải lúc nào cũng có sẵn khi cần: có quá nhiều vào mùa hè và quá ít vào mùa đông, khi mặt trời chiếu sáng ít thường xuyên 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 trở nên giòn. Việc lưu trữ khí từ mùa hè đến mùa đông đòi hỏi phải có các thùng chứa chịu 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 theo 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 không bị 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, dẫn đầu đã phát triển một công nghệ mới để lưu trữ hydro theo mùa an toàn hơn và rẻ hơn nhiều 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.
Lưu trữ hóa chất
Để lưu trữ hydro tốt hơn, Stark và nhóm của ông đang dựa vào quy trình sắt hơi nước, đã được hiểu từ thế kỷ 19. Nếu có lượng điện mặt trời dư thừa vào những tháng mùa hè, nó có thể được sử dụng để phân 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 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.
Stark nói:
Quá trình hóa học này tương tự như quá trình sạc pin. Điều này 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.
Khi năng lượng lại cần thiết 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.
Quặng sắt giá rẻ gặp hydro đắt đỏ
“Ưu điểm lớn nhất của công nghệ này là nguyên liệu thô, quặng sắt, dễ dàng mua được với số lượng lớn. Thêm vào đó, thậm chí không cần phải xử lý trước khi đưa vào lò phản ứng,”
Hơn nữa, các nhà nghiên cứu cho rằng các cơ sở lưu trữ quặng sắt lớn có thể được xây dựng trên toàn thế giới mà không ảnh hưởng đáng kể đến giá sắt trên thị trường toàn cầu.
Lò phản ứng trong đó phản ứng diễn ra cũng không cần 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 lợi thế 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 lợi thế này làm cho 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, vì có tới 60 phần trăm năng lượng của hydro 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 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 khuôn viên trường 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 lấp đầy bằng 2-3 tấn quặng sắt chưa qua xử lý có sẵn trên thị trường.
Samuel Heiniger , một ứng cử viên tiến sĩ trong nhóm nghiên cứu của Stark, cho biết:
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.
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 lưới 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 sao cho đến năm 2026, khuôn viên trường ETH Hönggerberg có thể đáp ứng một phần năm nhu cầu điện mùa đông bằng cách sử dụng năng lượng mặt trời của chính 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.
Chuỗi bài viết “Giải pháp năng lượng cho Thụy Sĩ”
Thụy Sĩ đặt mục tiêu giảm lượng khí thải nhà kính xuống mức bằng không vào năm 2050. Điều này đòi hỏi nguồn cung cấp năng lượng không hóa thạch dựa trên các nguồn năng lượng tái tạo và bền vững – một thách thức to lớn đối với quốc gia này. Với Trung tâm Khoa học Năng lượng, ETH Zurich đang hỗ trợ quá trình chuyển đổi năng lượng tại Thụy Sĩ bằng các giải pháp cụ thể trong các lĩnh vực nghiên cứu, giảng dạy và chuyển giao kiến thức.
Đã xuất bản:
Khả năng mở rộng tốt
- Nhưng liệu công nghệ này có thể được khai thác để cung cấp năng lượng dự 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 dự 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. Stark cho biết "Con số đó chỉ bằng khoảng 2 phần trăm so với những gì Úc, quốc gia sản xuất quặng sắt lớn nhất, khai thác mỗi 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 năm 2050 là khoảng 84 TWh.
- Nếu các lò phản ứng được xây dựng có thể lưu trữ khoảng 1 GWh điện mỗi lò, 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.
Liên minh Năng lượng Xanh và Lưu trữ (CGES)
- Dự án này là một phần của Liên minh Năng lượng xanh và Lưu trữ, được ETH Zurich khởi động vào năm 2023 cùng với EPFL, PSI và Empa và đang thúc đẩy cùng với các đối tác công nghiệp - bao gồm các nhà cung cấp năng lượng và cơ quan chức năng lớn của Thụy Sĩ. Liên minh đã đặt ra mục tiêu nhanh chóng đưa các công nghệ tiên tiến vào sản xuất và lưu trữ khí và nhiên liệu trung hòa carbon và thu giữ CO2 để đưa ra thị trường. Là một phần của CGES, các nhà máy thí điểm lớn hơn ('máy phóng') sẽ được xây dựng để thử nghiệm các công nghệ này và đóng góp quan trọng vào quá trình chuyển đổi hệ thống năng lượng trung hòa khí hậu và an ninh nguồn cung. Bước tiếp theo sẽ là thành lập một hiệp hội sẽ kết nối các bên liên quan quan tâm, cung cấp cho họ hỗ trợ và hướng dẫn khoa học và tạo điều kiện thuận lợi cho việc thực hiện các dự án.
Sắt là môi trường lưu trữ hydro giá rẻ.
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
