Sản xuất hydrô: Hydrô được sản xuất như thế nào và nó là gì?

Hydrô ngày càng trở nên quan trọng như một chất mang năng lượng sạch đầy hứa hẹn – đặc biệt với quan điểm hướng tới tương lai thân thiện hơn với môi trường. Nhưng bạn đã bao giờ tự hỏi hydrô thực sự là gì và nó được sản xuất như thế nào chưa? Trong bài viết này, chúng ta sẽ tìm hiểu những kiến thức cơ bản và công nghệ được sử dụng để tạo ra hydrô và những yếu tố làm nên hydrô trở thành một thành phần đặc biệt.

Nói một cách đơn giản hydrô là một chất khí không màu, không mùi và không vị. Nó nổi tiếng là một nguyên tố hóa học đơn giản và phong phú nhất trong vũ trụ. Hydrô bao gồm các hạt nhỏ, proton và electron.

Hydrô phản ứng cực nhanh và có thể kết hợp với các nguyên tố khác để hình thành các hợp chất như nước. Nó đóng vai trò như một loại nhiên liệu mạnh mẽ và có thể được sử dụng để tạo điện, vận hành phương tiện và tạo ra nhiệt. Là chất mang năng lượng sạch, hydrô có khả năng giảm tác động lên môi trường và góp phần tạo ra nguồn năng lượng bền vững

Hiện đã có nhiều công nghệ để sản xuất hydrô, có thể sử dụng tùy thuộc vào các yêu cầu cụ thể và các tài nguyên có sẵn. Dưới đây là một số phương pháp phổ biến:
 

• Hơi nước tái tạo khí tự nhiên: Đây là công nghệ được sử dụng rộng rãi nhất để sản xuất hydrô. Trong quá trình này, khí tự nhiên, bao gồm chủ yếu là metan, được làm nóng bằng hơi nước khi có chất xúc tác. Nói một cách hình tượng là tái tạo hơi nước có thể được xem là "phá vỡ" khí tự nhiên.
  
  Trong quá trình này, khí metan trong khí tự nhiên phản ứng với hơi nước, tạo ra hydrô (H2) và cacbon monoxit (CO). Hydrô thu được được lọc sạch và sau đó có thể được sử dụng làm nhiên liệu trong xe để tạo ra điện trong các bình nhiên liệu hoặc trong các ứng dụng công nghiệp khác nhau. Quá trình này không đắt, nhưng nó cũng có những bất lợi. Cacbon dioxide được thải ra dưới dạng sản phẩm phụ, có tác động lên môi trường.

• Điện phân nước: Điện phân, nước được chia thành hydrô và oxy với sự trợ giúp của dòng điện. Thiết bị hoặc thiết bị được gọi là chất điện phân thực hiện quá trình điện phân.

• Sản xuất hydrô năng lượng mặt trời: Theo phương pháp này, năng lượng mặt trời được sử dụng thay vì năng lượng điện để thực hiện quy trình điện phân. Có thể thực hiện điều này bằng ánh sáng mặt trời trực tiếp hoặc bằng cách tập trung bức xạ mặt trời với sự trợ giúp của gương mặt trời hoặc bộ thu nhiệt mặt trời. Công nghệ mới này có thể được sử dụng ở những quốc gia có đủ ánh nắng mặt trời và giúp sản xuất hydrô đặc biệt tiết kiệm chi phí.

• Sản xuất hydrô hóa học nhiệt (Sản xuất hydrô sinh học): Một số vi sinh vật, chẳng hạn như một số vi khuẩn hoặc tảo, có thể sinh ra hydrô thông qua quá trình lên men hoặc quang hợp. Phương pháp này vẫn đang được phát triển, nhưng có khả năng là một nguồn hydrô bền vững và thân thiện với môi trường. Tuy nhiên, bất lợi của loại sản xuất này là tài nguyên hữu hạn.

Cần lưu ý rằng không phải tất cả các quy trình sản xuất hydrô đều bền vững và thân thiện với môi trường. Tính bền vững của sản xuất hydrô phụ thuộc vào nguồn năng lượng sử dụng và khí thải CO2 trong quá trình sản xuất. Để tận dụng tối đa lợi ích của hydrô làm nguồn năng lượng sạch, điều quan trọng là phải sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo để sản xuất hydrô.

Việc sử dụng các năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời, năng lượng gió hoặc thủy điện có thể làm giảm đáng kể lượng khí thải CO2 trong sản xuất hydrô, giúp nó bền vững hơn. Hydrô được sản xuất thân thiện với môi trường. Đây là một bước quan trọng hướng đến việc đạt được một tương lai cacbon thấp và giải quyết các biến đổi khí hậu.

Điện phân là quá trình hứa hẹn nhất. Quy trình điện phân cho phép sản xuất hydrô thân thiện với môi trường, đặc biệt là khi điện được sử dụng cho các nguồn năng lượng tái tạo. Những công nghệ này đóng vai trò quan trọng trong việc cho phép hydrô sạch xuất hiện như một chất mang năng lượng bền vững cho nhiều ứng dụng khác nhau. Chúng ta đã xem xét chi tiết các công nghệ khác nhau và xem xét những ưu điểm và nhược điểm của từng công nghệ.

Điện phân PEM, còn được gọi là điện phân của màng trao đổi proton, tách nước thành hydrô và oxy bằng màng polymer và dòng điện.

Ưu điểm:

• Khởi động nhanh và thích ứng nhanh với các tải biến đổi
• Hiệu suất cao trong vận hành tải một phần
• Nhiệt độ vận hành thấp (50-80°C), giảm việc sử dụng các vật liệu đắt tiền
• Kích thước nhỏ gọn và dễ dàng tích hợp vào các hệ thống hiện có
• Mức độ trưởng thành công nghệ cao (TRL 7-8)

Nhược điểm:

• Nhạy với các tạp chất trong nước, do vậy, cần phải xử lý nước trước
• Tuổi thọ giới hạn của pin nhiên liệu PEM (xấp xỉ 10.000 giờ vận hành)
• Chi phí cao hơn so với điện phân kiềm

Trong điện phân kiềm, nước được tách thành các thành phần hydrô và oxy bằng cách sử dụng chất điện phân kiềm, điển hình là dung dịch kali hydrôxit.

Ưu điểm:

• Giảm chi phí so với điện phân PEM
• Mạnh mẽ chống lại các chất gây ô nhiễm trong nước
• Tuổi thọ pin điện phân dài (khoảng 40.000-80.000 giờ vận hành)
• Mức độ trưởng thành công nghệ cao nhất (TRL 8-9)

Nhược điểm:

• Tốc độ phản ứng chậm hơn so với điện phân PEM
• Nhiệt độ vận hành cao hơn (70-100°C) dẫn đến tiêu thụ năng lượng cao hơn
• Tích hợp khó hơn vào các hệ thống hiện có do các thông số vận hành khác nhau

SOEC viết tắt cho Solid Oxide Electrolysis Cell (Pin điện phân oxit rắn) và đề cập đến pin điện phân nhiệt nhiệt độ cao, giúp chuyển nước thành hydrô và oxy ở nhiệt độ cao và với oxit rắn như chất điện phân.

Ưu điểm:

• Khả năng thu hồi nhiệt và hiệu suất cao do nhiệt độ vận hành cao (800-1000°C)
• Sử dụng nhiên liệu khác nhau một cách linh hoạt (ví dụ: hơi nước, CO2)

Nhược điểm:

• Nhiệt độ vận hành cao yêu cầu các vật liệu đắt tiền và lớp cách nhiệt đặc biệt
• Khởi động chậm và thích ứng với tải biến đổi
• Kích thước lớn hơn và tích hợp hệ thống phức tạp
• Có ít kinh nghiệm vận hành trên quy mô lớn

AEM viết tắt cho Anion Exchange Membrane (Màng trao đổi anion) và đề cập đến công nghệ điện phân sử dụng màng đặc biệt cho phép các ion và phân tích tiêu cực nước vào hydrô và oxy bằng dòng điện.

Ưu điểm:

• Giảm chi phí so với điện phân PEM
• Mạnh mẽ chống lại các chất gây ô nhiễm trong nước
• Vận hành ở nhiệt độ thấp hơn (khoảng 60-80°C)

Nhược điểm:

• Phát triển và thương mại hạn chế so với PEM và điện phân kiềm
• Những thách thức tiềm tàng đối với độ ổn định dài hạn của màng
• Không lắp đặt quy mô lớn. Mức độ trưởng thành về công nghệ thấp