Hệ thống này sẽ hướng tới việc sản xuất H2 không chứa carbon trong một quy trình được cung cấp năng lượng hoàn toàn bằng năng lượng mặt trời.
Các kỹ sư của MIT đã phát triển một hệ thống lò phản ứng năng lượng mặt trời mới được thiết kế giống như một chiếc xe lửa và có thể được sử dụng để sản xuất hydro xanh.
Thiết kế ý tưởng cho “hydro nhiệt hóa mặt trời” đã được công bố trên Tạp chí Năng lượng Mặt trời.
Trong nghiên cứu được công bố trên Tạp chí Năng lượng Mặt trời, nhóm MIT đã mô tả một hệ thống thu nhiệt từ mặt trời để phân tách trực tiếp các phân tử nước nhằm sản xuất hydro xanh. Hệ thống này có hiệu quả cao và không tạo ra khí thải nhà kính.
Mặc dù có các phương pháp sản xuất hydro xanh khác, nhưng phần lớn H2 ngày nay được sản xuất bằng khí tự nhiên và các nhiên liệu hóa thạch khác, với lượng khí thải carbon không được giảm thiểu. Kết quả này được coi là một dạng nhiên liệu “xám”, bởi vì mặc dù nó vẫn có thể được sử dụng mà không phát thải carbon nhưng việc sản xuất nó lại liên quan đến lượng khí thải carbon.
Ngược lại, hydro nhiệt hóa mặt trời (STCH) của nhóm phụ thuộc hoàn toàn vào mặt trời và không tạo ra khí thải carbon.
Cho đến nay, năng lượng mặt trời chỉ mang lại mức hiệu suất khoảng 7% cho việc sản xuất hydro.
Hệ thống mới do nhóm MIT phát triển có thể khai thác tới 40% nhiệt lượng mặt trời để cung cấp năng lượng cho quá trình sản xuất hydro. Điều này giúp vượt qua các rào cản trước đây về năng suất thấp và chi phí cao. Việc cải thiện hiệu suất có thể giảm đáng kể chi phí của hệ thống, biến STCH trở thành một lựa chọn khử cacbon có khả năng mở rộng, giá cả phải chăng cho ngành vận tải.
Ahmed Ghoniem, Giáo sư Kỹ thuật Cơ khí Ronald C. Crane tại MIT và Giám đốc Trung tâm Năng lượng, giải thích: “Chúng tôi đang coi hydro là nhiên liệu của tương lai và cần phải tạo ra nó với chi phí rẻ và quy mô lớn”. và Nghiên cứu Động cơ đẩy và Phòng thí nghiệm Động lực Khí Phản ứng, tác giả chính của nghiên cứu. “Chúng tôi đang cố gắng đạt được mục tiêu của Bộ Năng lượng, đó là sản xuất hydro xanh vào năm 2030, với giá 1 USD/kg. Để cải thiện tính kinh tế, chúng ta phải nâng cao hiệu quả và đảm bảo phần lớn năng lượng mặt trời mà chúng ta thu thập được sử dụng để sản xuất hydro.”
Nhóm của Ghoniem và các đồng tác giả của nghiên cứu bao gồm tiến sĩ Aniket Patankar của MIT, giáo sư khoa học và kỹ thuật vật liệu MIT Harry Tuller, Xiao-Yu Wu của Đại học Waterloo và Đại học Nữ sinh Ewha ở Wonjae Choi của Hàn Quốc.
Một khái niệm thiết kế mới
Mặc dù hệ thống MIT tương tự như các loại thiết kế năng lượng mặt trời khác ở chỗ nó sẽ được kết hợp với nguồn nhiệt hiện có từ mặt trời – chẳng hạn như nhà máy năng lượng mặt trời tập trung (CSP) – thiết kế này sẽ được xây dựng với một dãy hình tròn bao gồm hàng trăm tấm gương sẽ phản chiếu ánh sáng mặt trời mà chúng thu thập vào tháp tiếp nhận trung tâm. Từ đó, hệ thống STCH sẽ hấp thụ nhiệt từ bộ thu, hướng nó tách nước để sản xuất hydro xanh.
Theo cách này, nó khác với cách thông thường hơn là sử dụng mặt trời để sản xuất điện, sau đó cung cấp năng lượng cho máy điện phân tách nước thành hydro và oxy. Thay vào đó, hệ thống MIT sử dụng nhiệt mặt trời để tách nước.
Bản chất của hệ thống STCH khái niệm là phản ứng nhiệt hóa xảy ra theo hai bước. Bước đầu tiên cho hơi nước tiếp xúc với kim loại. Kim loại giữ oxy trong hơi nước, để lại hydro. Quá trình “oxy hóa” với kim loại có thể được so sánh với quá trình sắt bị rỉ sét khi tiếp xúc với nước. Điều đó nói lên rằng, quá trình cụ thể này diễn ra nhanh hơn nhiều.
Khi hydro được tách ra bằng nhiệt từ năng lượng mặt trời và tiếp xúc với kim loại, kim loại bị oxy hóa sẽ được nung nóng lại trong chân không. Bằng cách này, quá trình rỉ sét về cơ bản được đảo ngược, tái tạo kim loại vì oxy đã được loại bỏ. Nếu không có oxy, kim loại sẽ nguội đi và sau đó tiếp xúc lại với hơi nước để tiếp tục sản xuất hydro. Quá trình này có thể được lặp đi lặp lại hàng trăm lần.
