LINH TINH: Năng Lượng Tương Lai: Hydrogen

Năng Lượng Tương Lai: Hydrogen

Bước vào thế kỷ 21, việc xử dụng đa dạng năng lượng (energy diversity) trong chuyển vận là một trong những suy nghĩ lớn cho công nghệ năng lượng trong tương lai. Đây là một tiềm năng để cho tất cả những nghiên cứu hiện tại chú tâm vào như khả năng truy tìm nguồn nguyên liệu thay thế xăng dầu trong vận chuyển như hơi đốt, rượu ethanol, điện, hydrogen, hay một hay nhiều hổn hợp của các loại năng lượng vừa kể trên.

Năng lượng hydrogen đã được chú ý như sau: Hydrogen là một nguyên tố chiếm tỷ lệ cao nhất so với tất cả các nguyên tố khác trên địa cầu. Nhưng hydrogen không hiện diện dưới dạng nguyên tử hay phân tử mà dưới dạng hợp chất với các nguyên tố khác như nước gồm có hai hydrogen và một oxygen. Do đó, một khi hydrogen được tách rời, sẽ biến thành một nguồn cung cấp nhiệt năng rất lớn và là một loại năng lượng sạch.

Hydrogen có thể tách rời qua sự điện giải nước (H₂O). Trong thiên nhiên, một số rong rêu và vi khuẩn, qua sự tiếp hợp của ánh sáng mặt trời có thể phóng thích ra hydrogen. Đây là một loại năng lượng không làm ô nhiễm không khí. Cơ quan Quốc gia Nghiên cứu Không gian Hoa kỳ từ năm 1970 đã sử dụng hydrogen làm nguyên liệu chính cho các hỏa tiển chuyên chở các tàu vũ trụ vào không gian.

Vào ngày 8/1/2007, Cty H2Gen Innovations, Inc. công bố là đã hoàn tất việc chuyển giao hệ thống sản xuất HGM 2000 Hydrogen đến Cty Chevron Hydrogen Co. ở Florida. Hệ thống nầy sẽ là một thí điểm đầu tiên, đã được thực hiện vào cuối tháng giêng vừa qua. Đó là việc xử dụng xe buýt chạy bằng nhiên liệu hydrogen ở phi trường Orlando. Đây là một chương trình tài trợ bởi Cơ quan Bảo vệ Môi trường Florida. Máy HGM 2000 Hydrogen có khả năng sản xuất 115 Kg hydrogen nguyên chất (99,999% tinh khiết) đủ cung ứng cho 8 chiếc xe buýt lớn chạy suốt ngày trong phi trường.

Trong buổi lễ chuyển giao. TGĐ của H2Gen tuyên bố: "Đây là một bước quan trọng cho chúng ta. Hệ thống HGM 2000 rất dễ di chuyển, dễ lắp đặt, cũng như vận hành trong việc chuyển tải nhiên liệu hydrogen vào xe". Hệ thống nầy dựa theo nguyên tắc chuyển đổi khí thiên nhiên và nước thành hydrogen; do đó, sự an toàn tuyệt đối được bảo đảm trong khi di chuyển.

Thành quả nầy cho thấy Hoa Kỳ và các quốc gia phát triển trên thế giới đã bắt đầu xử dụng hydrogen như là một nhiên liệu thay thế dầu. Và việc chuyển đổi nầy kích thích công nghệ xe hơi trong việc nghiên cứu để thích ứng với tình thế mới là dùng nhiên liệu thay thế như hydrogen. Đây cũng là một bước ngoặc trong việc hạn chế khí thải CO2.

1-    Nguồn sản xuất hydrogen

Các nguyên liệu và phươngpháp sau đây hiện đang được nghiên cứu và ứng dụng để sản xuất hydrogen. Đó là khí đốt thiên nhiên, than đá, nguồn năng lượng hạch nhân, phương pháp điện giải, năng lượng gió, năng lượng sinh khối (biomass), và năng lượng mặt trời.

Hydrogen từ khí đốt thiên nhiên: Điều chế hydrogen từ các nguồn nguyên liệu thiên nhiên như khí đốt được thực hiện dễ dàng nhất, và không cần phải sản xuất một nguồn nguyên liệu trung gian khác. Lợi điểm thứ hai, là phương pháp nầy đưa đến một công nghệ không phức tạp và có tỷ lệ hydrogen-carbon cao; do đó, hạn chế được tối đa lượng khí carbonic phát thải vào không khí.

Phương pháp nầy thích hợp với những quốc gia có nguồn dự trử khí đốt lớn như LB Nga, nhưng lại khó thích hợp cho Hoa Kỳ và Tây Âu, vì cần phải nhập cảng nguyên liệu khí đốt.

Nguyên lý chuyển đổi từ khí đốt methane CH₄ ra hydrogen gồm các phương cách sau đây:

·          1- phản ứng chuyển hóa hơi methane và oxid hóa từng phần;

·         2- Hoặc kết hợp chung hai giai đoạn với nhau. Nhưng trên thực tế hỗn hợp khí vẫn còn chứa carbon monoxide (CO), carbon dioxide (CO₂) và một phần nhỏ khí methane còn sót lại.

Do đó cần phải qua một quy trình chuyển hóa thứ hai với hơi nước dưới những hóa chất xúc tác với nhau để tạo ra hydrogen như sau:

CO + H₂0(hơi)     ->   CO₂ + H₂

CH₄ + 2H₂0(hơi) -> CO₂ + 4H₂

Và sau cùng khi tinh chế lại, quy trình sản xuất sẽ cho ra hydrogen có độ tinh khiết rất cao.

Phương pháp chuyển đổi khí đốt ra hydrogen trong giai đoạn chuyển tiếp hiện tại có thể là một giải pháp có hiệu quả kinh tế cao nhất vì nguồn vốn đầu tư và sản xuất tương đối thấp so với các phương pháp khác.

Đặc điểm của phương pháp nầy là dễ thực hiện và khi sản xuất ở quy mô lớn sẽ làm giảm giá thành. Đặc điểm thứ hai, là ở các hệ thống phân phối, ở các điểm bán lẽ không cần nhân viên có trình độ cao để chuyển khí hydrogen từ hệ thống phân phối qua tế bào tiếp nhận của xe.

Theo ước tính, một hệ thống sản xuất 480Kg hydrogen/ngày sẽ giảm từ 3.847 $/Kg/ngày còn 2.000 $/kg/ngày và giá hydrogen sẽ giảm xuống từ 3,51 còn 2,33 Mỹ kim/Kg. Phương pháp nầy đã áp dụng với quy mô "pilot" vào năm 2011..

Hydrogen từ than đá: Phương pháp nầy được áp dụng ở các nhà máy nhiệt điện dùng than và quy trình tổng hợp hóa khí trong than (IGCC). Đây là một phương pháp sạch biến than thành năng lượng đang ngày càng phát triển ở Hoa kỳ. Do đó, việc phối hợp vừa sản xuất điện và khí hydrogen trong các nhà máy phát điện dùng than sẽ giảm giá thành của hydrogen và phương pháp nầy có hiệu quả kinh tế rất cao. Đây là một phương pháp biến than thành khí (gasification) dựa theo nguyên lý oxid hóa than đá với hơi nước ở nhiệt độ và áp xuất cao. Trong điều kiện trên, năng lượng được thành hình để có thể biến thành điện năng và khí hydrogen theo như chuổi phản ứng vừa đan cử ở phần trên.

Thêm nữa, với phương pháp trên, sản lượng hydrogen có được rất cao, có khả năng cung ứng nhiên liệu cho nhiều hệ thống phân phối trong một vùng rộng lớn. Vã lại, trữ lượng than đá của Mỹ còn đủ cung ứng cho nhu cầu trong vòng 250 năm nữa; như vậy sẽ không có biến động về giá cả như việc dùng khí đốt mà Hoa Kỳ cần phải nhập cảng. Tuy nhiên có một điểm bất lợi lớn cho phương pháp nầy là lượng khí CO₂ thải hồi rất lớn, lớn hơn tất cả phương pháp hiện nay để sản xuất hydrogen. Do đó, cần phải có hệ thống thu hồi khí carbonic bằng cách áp dụng kỹ thuật chuyển hóa carbon (sequestration).

Với phương pháp nầy, giá thành của H₂ được ước tính khoảng $1,03/Kg. Trong tương lai, nếu áp dụng các phương pháp hoàn chỉnh hơn như thiết lập các ló phản ứng hóa khí lớn, và tăng hiệu năng việc tách rời cũng như tinh chế H₂, giá thành có thể giảm xuống còn $0,90/Kg. Phương pháp nầy đã đem vào áp dụng tại California vào năm 2015.

Hydrogen từ năng lượng hạch nhân: Sản xuất H₂ từ nguồn năng lượng nầy có hai điểm lợi:

·         1- Nguồn nguyên liệu chính là uranium có trữ lượng lớn ở HK, Canada, và Úc Châu.. Do đó đây là một nguồn nguyên liệu ổn định và an toàn;

·         2- Nguồn năng lượng hạch nhân không tạo ra khí carbonic vào bầu khí quyển cũng như các khí thải độc hại khác.

Quá trình sản xuất H₂ trong các ló phản ứng hạch nhân có thể được lý giải như sau: hơi nước được điện giải trong phản ứng nhiệt hóa (HTES) từ khoảng 700 - 1.000⁰C để phóng thích ra H₂. Phản ứng nầy chiếm ưu thế hơn ví không cần sự hiện diện của các chất xúc tác và cho hiệu suất cao hơn phản ứng nhiệt hóa..

Tuy nhiên, vì cùng sản xuất đồng loạt địên năng và hydrogen, cho nên cần có sự hiện diện của hai lò phản ứng ở trong cùng một phạm vi sản xuất. Điều nầy đòi hỏi mức an toàn vận hành rất cao. Mọi sơ suất có thể biền thành một tai nạn thảm khốc cho cư dân trong vùng.

Phương pháp điện giải nước để có được hydrogen và oxygen đã được phát minh vào cuối thế kỷ 18. Phương pháp nầy không cho hiệu quả kinh tế cao so với các phương pháp trên. Nhưng hiện tại, cách nầy có thể dự phần không nhỏ trong giai đoạn chuyển tiếp dùng năng lượng hydrogen, vì dễ dự trử và hệ thống điện giải có thể được thiếp lập ngay tại các tạm bán xăng dầu. H₂ sẽ được chứa trong những bình chứa đặc biệt sẵn sàng được bơm thẳng vào bình nhiên liệu của xe.

Giá thành được ước tính là $2,50/Kg cho hệ thống điện giải nhỏ và $2,0/Kg cho các hệ thống lớn. Trong tương lai, giá có thể giảm hơn nữa do việc làm tăng hiệu năng điện giải từ 63 lên 75% qua sự kiện làm giảm nguồn năng lượng làm nóng hơi nước, vàđã được đem áp dụng vào từ năm 2010.

Hydrogen từ năng lượng gió và ánh sáng mặt trời: Việc sản xuất hydrogen từ các nguồn năng lượng tái tạo vẫn còn là một đề tài nóng bỏng hiện tại, vì đây là mục tiêu dài hạn cho tương lai. Do đó, năng lượng gió chuyển đổi thành điện năng; và sau cùng, dùng điện năng nầy để phân giải nước thàng hydrogen.

Vấn đề được đặt ra ở đây là làm thế nào để có hiệu năng tối đa, vì vậy:

*           Cần phải nghiên cứu công nghệ turbine gió và chuyển hóa thành điện năng để có được giá thành thấp so với hiện tại;

*           Giảm giá thành của công nghệ phân giải nước;

*           Và sau cùng phối hợp hợp lý hệ thống turbine gió, hệ thống phân giải, cùng hệ thống bình chứa hydrogen.

Một khi thực hiện được ba điều trên, nguồn năng lượng gió sẽ là nguồn năng lượng tái tạo hiệu quả nhất cho việc cho việc chuyển đổi thành điện năng và hydrogen cho thế kỷ 21 nầy. Hiện tại, giá thành của nguồn điện năng từ năng lượng gió đã giảm tùy theo vùng từ 5 đến 7 xu/kwgiờ, không tính tới tiền trợ cấp khuyến khích của chính phủ liên bang. Nếu công nghệ gió có khả năng làm tăng hiệu năng chuyển đổi, giá thành sẽ càng giảm hơn nữa (hiện tại, khả năng chuyển đổi nầy là 30%).

Yếu tố môi trường cũng là một lợi thế cho việc ứng dụng năng lượng gió vào việc sản xuất hydrogen, vì nguồn năng lượng nầy hoàn toàn không phát thải khí carbon monoxide (CO), khí carbon dioxide (CO₂), nitrogen oxide (N0_x), sulfur dioxide (SO₂), và những hóa chất hữu cơ nhẹ và kim loại độc hại như trong kỹ nghệ điện từ than đá hay dầu hỏa.

Với phương pháp nầy, giá thành của hydrogen được ước tính là $6,64/Kg nếu hệ thống gió – phân giải – hydrogen được hoàn chỉnh với hiệu suất tối đa, giá thành có thể giảm xuống còn $2,86/Kg Hydrogen.

2-    Toyota Mirai 2017

Điển hình năm nay, hảng Toyota cho ra đời serie Toyota Mirai 2017, chiếc xe chạy bằng nhiên liệu hydrogen lỏng, dựa theo nguyên lý điện phân với oxygen trong không khí, từ đó tạo ra điện là nguyên liệu để kích động động cơ xe.

Căn cứ theo Toyota, giá MSRP của một chiếc Mirai 2017 là $57,500, cộng thêm $865 phí vận chuyển giao hàng (destination fee). Khách hàng mua Mirai 2017 có thể hưởng khoản khấu trừ thuế liên bang $8,000, và $5,000 tiền giảm giá của tiểu bang California.

Mỗi khi "nạp" năng lượng, Toyota có thể chạy tối đa là 312 dặm. Thời gian cần thiết cho một lần nạp năng lượng là 5 phút. Về mức độ gia tốc, Mirai tăng tốc từ 0-60 mph trong chừng 9 giây.

Hiện nay, trên toàn tiểu bang California chỉ có khoảng 30 trạm nạp hydrogen. Trong khi các trạm sạc dành cho xe điện trên toàn nước Mỹ đã đạt tới con số gần 16,000. Có nghĩa là người đi xe điện cảm thấy yên tâm hơn về vấn đề nạp năng lượng. Chưa kể là các chủ xe đều tự nạp điện cho xe tại nhà.

Cho đến nay, những phương pháp sản xuất hydrogen "sạch" thực sự vẫn đang tiếp tục được nghiên cứu, thí dụ như sử dụng vật liệu sinh học, tái chế; sử dụng phản ứng quang điện phân, phản ứng phân hủy nhiệt…

Có một điều chắc chắn, khuynh hướng sản xuất các loại xe sạch thay thế cho xe xăng truyền thống là một quá trình không thể đảo ngược. Cho dù nước Mỹ có thể bị chậm lại do những chính sách mới của chính phủ Donald Trump, nhưng cả thế giới vẫn đang hướng về những chiếc xe xanh, trong đó có chiếc Toyota Mirai của hãng Toyota.

3-    Lợi và hại trong việc xử dung năng lượng hydrogen

Năng lượng gió hiện đang có lợi thế trong việc sản xuất nguồn năng lượng hydrogen và có khả năng biến nguồn năng lượng nầy có hiệu quả kinh tế cao. Do đó, đây sẽ là nguồn năng lượng trong tương lai, giảm thiểu sự phát thải khí carbonic, tác nhân chính của sự hâm nóng toàn cầu, và giảm thiểu lượng hydrocarbon trong dầu khí dùng cho việc di chuyển và sản xuất ra điện năng tiêu dùng.

Qua thời gian, công nghệ gió có những bước tiến đáng kể trong việc thu hồi toàn bộ sức gió để làm tăng vận tốc quay của những cánh quạt, cùng hệ thống dự trữ điện nănghòan chỉnh sẽ là hai yếu tố quyết định.

Tuy nhiên, chúng ta cần phải lưu ý đến yếu tố an toàn trong việc xử dụng hydrogen trong kỹ nghệ vận chuyển. Hydrogen là một khí nhẹ nhất, rất dễ bị rò rỉ trong các hệ thống dây nối trong xe. Theo KS Rudolph Pick, chuyên gia về hydrogen ở Florida, chỉ cần một sự rò rỉ nhỏ cũng có thể gây ra tai nạn chết người do hydrogen sẽ phát nổ khi thoát ra ngoài không khí.

Do đó, một khi có tai nạn do xe chạy bằng nhiên liệu hydrogen, thảm nạn sẽ xảy ra tức khắc. Và đây là một bất lợi lớn nhất cần phải khắc phục trong tương lai, trước khi đem công nghệ nầy vào áp dụng.

4-    Thay lời kết

Trên đây là những suy nghĩ đã được khơi mào để đóng góp vào:

•           1- Việc hạn chế hiệu ứng nhà kính, và sự hâm nóng toàn cầu theo tinh thần của Thượng đỉnh COP21;

•           2- Giải quyết ô nhiễm môi trường do việc gia tăng dân số và phát triển xã hội của các quốc gia trên thế giới;

•           3- Và nhất là để bổ túc vào sự thiếu hụt năng lượng hóa thạch trên thế giới trong tương lai khi các nguồn năng lượng trong thiên nhiên sắp bị cạn kiệt.

Các quốc gia trên thế giới hiện đang đứng trước 3 vấn nạn chính:

·         - Nhu cầu năng lượng để phát triển kinh tề và cân bằng mức gia tăng dân số;

·         - Nhu cầu gia tăng phúc lợi của người dân;

·         -Và nhu cần giải quyết ô nhiễm môi trường qua việc gia tăng phát triển.

Đối với các quốc gia có trình độ phát triển và kỹ thuật cao, ba nhu cầu trên đã được giải quyết và họ đang đi dần đến những công nghệ "sạch" trong phát triển cộng thêm viễn kiến lớn hướng về tương lai để thay thế một số nguồn năng lượng không còn thích hợp trong việc bảo vệ môi trường.

Đối với các quốc gia đang phát triển trong đó có Việt Nam, hiện đang phải tập trung vào nhu cầu đầu tiên, nghĩa là cần phải gia tăng phát triển để vừa giải quyết nạn gia tăng dân số vừa cố gắng thâu ngắn cách biệt giàu nghèo so với các nước đã phát triển; do đó, họ không có điều kiện hay không cố gắng tạo điều kiện để thực hiện hai nhu cầu sau. Chính vì lý do đó, triển vọng hội nhập vào cuộc chơi toàn cầu hóa của thế giới của Việt Nam vẫn còn xa vời.

Và vô hình chung, chính các quốc gia đang phát triển như Việt Nam đã hướng dẫn đất nước họ vào con đường bế tắc do việc phát triển không đồng đều, vô tổ chức, thiếu kế hoạch đúng đắn và dài hạn gây ra, trong đó việc xem thường công cuộc bảo vệ môi trường là một trong những nguyên nhân chính yếu.

Tương lai của mỗi quốc gia đều nằm trong tầm tay của những người nắm quyền bính, và chỉ có họ với tầm nhìn xa và thông thoáng mới có khả năng đưa đất nước cất cánh đi lên. Xin đừng ù lì dậm chân tại chỗ, thụ động mong chờ viện trợ đến từ bên ngoài, cũng như tận tình hủy hoại đất nước như đã xảy trong quá khứ và hiện tại.

Mai Thanh Truyết

Hội Bảo vệ Môi trường Việt Nam – VEPS

Houston – Tháng 9-2017