Quang phân ly nước và Năng lượng Hydro
Thanh Uyên Ι 09.2021
Hydro là gì?
Hydro (H2) là một nguyên tố hóa học chiếm 75% khối lượng của vũ trụ. Ở nhiệt độ thường, H2 là một chất khí nhưng sẽ chuyển sang dạng lỏng ở -252,8oC và đông đặc thành chất rắn ở -259,2oC.
Hydro là một trong những nguyên tố hóa học được sử dụng rộng rãi nhất trên thế giới, ứng dụng trong nhiều lĩnh vực công nghiệp khác nhau, từ hóa chất, lọc dầu, luyện kim đến thủy tinh, điện tử và thực phẩm…
Ngoài ra, nhờ trọng lượng nhẹ (nhẹ nhất trong số các nguyên tố hóa học) và khả năng mang năng lượng cao – dễ di chuyển, H2 còn là nguyên liệu được ưa chuộng trong lĩnh vực hàng không, vũ trụ và pin nhiên liệu sạch. Sở dĩ nó được xem là sạch bởi vì khi được tiêu thụ dưới dạng pin nhiên liệu, nó chỉ tạo ra nước, điện và nhiệt.
Năng lượng Hydro và pin nhiên liệu thay thế
Với nhu cầu sử dụng năng lượng ngày càng tăng, đồng thời phải đối phó với tình trạng biến đổi khí hậu do việc khai thác và sử dụng quá mức các loại nhiên liệu hóa thạch (than đá, dầu, khí tự nhiên), vốn phải mất tới hàng triệu triệu năm tích tụ bên trong lòng đất mới có được, con người đang phải đối mặt với một thách thức lớn: tìm kiếm nguồn cung cấp năng lượng mới – ổn định và bền vững hơn cho môi trường.
Nhiều nguồn năng lượng tái tạo đã và đang được khai thác, nghiên cứu và tiếp tục phát triển như năng lượng Mặt Trời, gió, năng lượng sóng biển… Tuy nhiên, phần lớn cũng chỉ mới được sử dụng với số lượng có hạn hay đang trong giai đoạn bắt đầu và chúng chưa thể phần nào thay thế cho nguồn năng lượng xuất phát từ nhiên liệu hóa thạch.
Trạm cung cấp và phương tiện vận chuyển bằng nhiên liệu Hydro
Một trong các nghiên cứu mới nhất và cũng đang được chấp nhận một cách rộng rãi là nguồn năng lượng Hydro. Tuy nhiên, trong tự nhiên Hydro không tồn tại một cách độc lập. Nó luôn là một phần của các hợp chất khác như nước (H2O), khí mê-tan (CH4)… và phải được tách thành Hydro tinh khiết (H2) trước khi được sử dụng trong pin nhiên liệu.
Hydro có thể được sản xuất từ nhiều nguồn khác nhau chẳng hạn như khí đốt tự nhiên, điện hạt nhân, sản xuất sinh khối biomass và các dạng năng lượng tái tạo như năng lượng Mặt Trời và gió. Tuy nhiên, tất cả các xuất phát điểm nêu trên đều bắt nguồn từ một nguồn vật liệu “ít thân thiện với môi trường” hoặc nguồn cung ứng có thể bị gián đoạn.
Vậy tại sao các nhà khoa học vẫn muốn dùng năng lượng Hydro? Bởi vì Hydro có trong nước. Mà nước thì hiện diện khắp nơi trên Trái Đất. Nước bao phủ hơn 2/3 bề mặt của Trái Đất.
Lấy cảm hứng từ thiên nhiên, các nhà khoa học hiện đang chú trọng đến các nghiên cứu nhằm sản xuất ra Hydro thông qua hiện tượng quang phân ly nước (điện phân) ở hoạt động quang hợp giống như ở cây trồng. Trong đó, nước được sử dụng để tách thành khí Hydro H2 và khí Oxy O2. Tuy nhiên, quá trình này đòi hỏi một lượng năng lượng đáng kể, điều mà cho đến gần đây làm cho nó không hiệu quả và thực tế.
Nếu năng lượng (điện) dùng để kích thích quá trình điện phân xuất phát từ các nguồn có khả năng tái tạo như năng lượng Mặt Trời hoặc gió thì sản phẩm Hydro được tạo ra cũng được xem là có khả năng tái tạo và không hề phát ra bất cứ loại khí thải nhà kính nào gây ô nhiễm môi trường. Chính vì vậy, hiện nay các công ty sản xuất xe hơi lớn như Toyota, Hyundai, BMW, GMC… đang tập trung vào việc phát triển pin nhiên liệu thay thế bằng Hydrogen thay vì sử dụng động cơ đốt trong kiểu truyền thống.
Trang trại độc lập về năng lượng sạch
Đồng hành với xu hướng phát triển và cải tiến pin nhiên liệu sạch sử dụng cơ chế điện phân nước dành cho thị trường xe hơi và các phương tiện vận chuyển khác, công nghiệp sản xuất các loại máy móc thiết bị dùng trong trang trại nông nghiệp cũng bắt đầu ứng dụng kỹ thuật mới này.
Các nhà tiên phong cho rằng phương cách này sẽ mang đến một cuộc cách mạng rộng lớn, dẫn đến sự độc lập hoàn toàn của trang trại trong việc sản xuất và sử dụng năng lượng sạch.
Ngay chính tại trang trại, các nguồn năng lượng mà thiên nhiên cung cấp miễn phí như Mặt Trời, gió, các loại rác thải từ cây trồng và chất thải từ chăn nuôi gia súc, có thể được sử dụng làm nguồn nguyên liệu cung cấp năng lượng cho quá trình sản xuất Hydro từ nước.
Hydro được sản xuất từ quá trình này có thể được lưu trữ trong các bồn chứa dưới dạng Hydro nén. Nó không bị mất đi và sẽ được sử dụng cho các loại máy móc canh tác cũng như điện và các ứng dụng khác bên trong trang trại.
Máy cày sử dụng “nguyên liệu kép” (chạy được bằng động cơ Hydro và Diesel) là một trong những sản phẩm đầu tiên hưởng lợi từ công nghệ sản xuất Hydro tại trang trại. Khi trang trại không còn đủ nguyên liệu (rác thải) để sản xuất Hydro, máy vẫn có thể chạy bằng động cơ diesel…
… hay chỉ đơn giản là dùng năng lượng Hydro từ pin nhiên liệu thay thế như ở xe hơi 😊.
(Tác giả: Thanh Uyên)