Tìm hiểu sáng kiến Hydrogen Energy Earthshots của Mỹ

Tất cả các quốc gia công nghiệp lớn đã có - hoặc đang thực hiện - một chiến lược hydro quốc gia. Họ có kế hoạch giảm phát thải khí nhà kính, tăng cường sử dụng năng lượng tái tạo và đa dạng hóa các nguồn năng lượng của họ. Và, tất nhiên, đó là về tăng trưởng kinh tế và tạo việc làm mới.

Trong những năm tới, hydro sẽ có tiềm năng to lớn. Hội đồng Năng lượng Thế giới ước tính nhu cầu lên tới 9.000 TWh hoặc khoảng 270 triệu tấn mỗi năm. Điều đó tương đương với tổng sản lượng năng lượng tái tạo toàn cầu. Và nhu cầu ở quy mô này chỉ có thể được đáp ứng nếu có một khuôn khổ hợp tác quốc tế — do đó Đức đã đề nghị Canada và Qatar.

Tuy nhiên, để thành công, hydro xanh cần nhiều hơn nữa. Nó cần một hệ thống năng lượng mới. Đã qua rồi cái thời cung cấp năng lượng trung tâm dựa trên các nhà máy điện đốt nhiên liệu hóa thạch lớn. Ngày mai chúng ta sẽ cần các hệ thống năng lượng địa phương, phi tập trung dựa trên năng lượng tái tạo.

Xem thêm:

• Năng lượng Hydrogen - công nghệ sẽ thay đổi cuộc chơi

Hydrogen Energy Earthshots là Sáng kiến ​​của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE) nhằm đẩy nhanh các bước đột phá về các giải pháp năng lượng sạch dồi dào, có thể chi trả và đáng tin cậy hơn trong thập kỷ này.

Đạt được Energy Earthshots sẽ giúp Mỹ giải quyết những rào cản khó khăn nhất còn lại để giải quyết khủng hoảng khí hậu và nhanh chóng đạt được mục tiêu của Chính quyền Biden–Harris là không phát thải carbon ròng vào năm 2050 đồng thời tạo ra việc làm công đoàn được trả lương cao và phát triển nền kinh tế.

Energy Earthshot đầu tiên, ra mắt vào ngày 7 tháng 6 năm 2021—Hydrogen Shot—tìm cách giảm 80% chi phí hydro sạch xuống còn 1 đô la cho mỗi 1 kilôgam trong 1 thập kỷ (" 1 1 1 ").

Các công nghệ sản xuất Hydrogen

Điện phân là một lựa chọn đầy hứa hẹn để sản xuất hydro không có carbon từ các nguồn năng lượng tái tạo và hạt nhân. Điện phân là quá trình sử dụng điện để tách nước thành hydro và oxy. Phản ứng này diễn ra trong một thiết bị gọi là máy điện phân. Máy điện phân có thể có kích thước từ thiết bị nhỏ, cỡ thiết bị rất phù hợp để sản xuất hydro phân tán quy mô nhỏ đến các cơ sở sản xuất trung tâm, quy mô lớn có thể được liên kết trực tiếp với các dạng tái tạo hoặc các dạng khí thải không gây hiệu ứng nhà kính khác. sản xuất điện.

Làm thế nào nó hoạt động?

Giống như pin nhiên liệu, máy điện phân bao gồm cực dương và cực âm được ngăn cách bởi chất điện phân. Các máy điện phân khác nhau hoạt động theo những cách khác nhau, chủ yếu là do loại vật liệu điện phân khác nhau có liên quan và loại ion mà nó tiến hành.

Máy điện phân màng polymer (PEM)

Trong máy điện phân màng điện phân polyme (PEM), chất điện phân là vật liệu nhựa đặc biệt rắn.

• Nước phản ứng ở cực dương để tạo thành oxy và các ion hydro tích điện dương (proton).
• Các electron chảy qua một mạch bên ngoài và các ion hydro di chuyển có chọn lọc qua PEM đến cực âm.
• Ở cực âm, các ion hydro kết hợp với các electron từ mạch ngoài để tạo thành khí hydro. 

Phản ứng cực dương: 2H ₂ O → O ₂ + 4H ⁺ + 4e ^- 

Phản ứng cực âm: 4H ⁺ + 4e ^- → 2H ₂

Máy điện phân kiềm

Máy điện phân kiềm hoạt động bằng cách vận chuyển các ion hydroxit (OH^-) qua chất điện phân từ cực âm sang cực dương với hydro được tạo ra ở phía cực âm. Máy điện phân sử dụng dung dịch kiềm lỏng của natri hoặc kali hydroxit làm chất điện phân đã có mặt trên thị trường trong nhiều năm. Các phương pháp mới hơn sử dụng màng trao đổi kiềm rắn (AEM) làm chất điện phân đang cho thấy nhiều hứa hẹn ở quy mô phòng thí nghiệm.

Máy điện phân oxit rắn

Máy điện phân oxit rắn, sử dụng vật liệu gốm rắn làm chất điện phân dẫn điện có chọn lọc các ion oxy tích điện âm (O ^2- ) ở nhiệt độ cao, tạo ra hydro theo một cách hơi khác.

• Hơi nước ở cực âm kết hợp với các electron từ mạch ngoài để tạo thành khí hydro và các ion oxy tích điện âm.
• Các ion oxy đi qua màng gốm rắn và phản ứng ở cực dương để tạo thành khí oxy và tạo ra các electron cho mạch ngoài.

Máy điện phân oxit rắn phải hoạt động ở nhiệt độ đủ cao để màng oxit rắn hoạt động bình thường (khoảng 700°–800°C, so với máy điện phân PEM hoạt động ở nhiệt độ 70°–90°C và máy điện phân kiềm thương mại thường hoạt động ở nhiệt độ dưới 100°C). Máy điện phân oxit rắn tiên tiến ở quy mô phòng thí nghiệm dựa trên chất điện phân gốm dẫn proton đang cho thấy triển vọng giảm nhiệt độ vận hành xuống 500°–600°C. Máy điện phân oxit rắn có thể sử dụng hiệu quả nhiệt có sẵn ở những nhiệt độ cao này (từ nhiều nguồn khác nhau, bao gồm cả năng lượng hạt nhân) để giảm lượng điện năng cần thiết để sản xuất hydro từ nước.

Tại sao con đường này được xem xét?

Điện phân là con đường sản xuất hydro hàng đầu để đạt được Hydrogen Energy Earthshot mục tiêu giảm 80% chi phí hydro sạch xuống còn 1 đô la trên 1 kilôgam trong 1 thập kỷ ("1 1 1"). 

Hydro được sản xuất thông qua quá trình điện phân có thể dẫn đến không phát thải khí nhà kính, tùy thuộc vào nguồn điện được sử dụng. Nguồn điện cần thiết—bao gồm cả chi phí và hiệu quả, cũng như lượng khí thải do phát điện—phải được xem xét khi đánh giá lợi ích và khả năng kinh tế của việc sản xuất hydro thông qua quá trình điện phân. Ở nhiều vùng của đất nước, lưới điện ngày nay không lý tưởng để cung cấp điện cần thiết cho quá trình điện phân do khí nhà kính thải ra và lượng nhiên liệu cần thiết do hiệu suất thấp của quá trình phát điện. Sản xuất hydro thông qua điện phân đang được theo đuổi để tái tạo (gió, mặt trời, thủy điện, địa nhiệt) và các lựa chọn năng lượng hạt nhân. Các con đường sản xuất hydro này dẫn đến lượng khí thải nhà kính và chất gây ô nhiễm tiêu chí gần như bằng không; tuy nhiên, chi phí sản xuất cần phải giảm đáng kể để có thể cạnh tranh với các con đường sản xuất H2 từ quá trình reforming khí gas + hơi nước.

Tiềm năng phối hợp với phát điện năng lượng tái tạo
Sản xuất hydro thông qua quá trình điện phân có thể mang lại cơ hội phối hợp với phát điện năng động và không liên tục, vốn là đặc trưng của một số công nghệ năng lượng tái tạo. Ví dụ, mặc dù chi phí năng lượng gió tiếp tục giảm, nhưng sự thay đổi vốn có của gió là một trở ngại cho việc sử dụng hiệu quả năng lượng gió. Nhiên liệu hydro và sản xuất điện có thể được tích hợp tại một trang trại gió, cho phép linh hoạt chuyển đổi sản xuất để phù hợp nhất với nguồn tài nguyên sẵn có với nhu cầu vận hành hệ thống và các yếu tố thị trường. Ngoài ra, trong thời điểm sản xuất điện dư thừa từ các trang trại gió, thay vì cắt giảm điện năng như thường làm, có thể sử dụng lượng điện dư thừa này để sản xuất hydro thông qua quá trình điện phân.

Điều quan trọng cần lưu ý...

• Điện lưới ngày nay không phải là nguồn điện lý tưởng cho điện phân vì hầu hết điện được tạo ra bằng cách sử dụng các công nghệ dẫn đến phát thải khí nhà kính và sử dụng nhiều năng lượng. Sản xuất điện sử dụng các công nghệ năng lượng tái tạo hoặc năng lượng hạt nhân, tách biệt khỏi lưới điện hoặc là một phần ngày càng tăng của hỗn hợp lưới điện, là một lựa chọn khả thi để khắc phục những hạn chế này đối với sản xuất hydro thông qua quá trình điện phân.
• Bộ Năng lượng Hoa Kỳ và các cơ quan khác tiếp tục nỗ lực giảm chi phí sản xuất điện dựa trên năng lượng tái tạo và phát triển sản xuất điện dựa trên nhiên liệu hóa thạch hiệu quả hơn với việc thu hồi, sử dụng và lưu trữ carbon. Ví dụ, sản xuất điện từ gió đang phát triển nhanh chóng ở Hoa Kỳ và trên toàn cầu.

Nghiên cứu tập trung vào việc vượt qua những thách thức

• Đáp ứng mục tiêu chi phí hydro sạch Hydrogen Shot là $1/kg H₂ vào năm 2031 (và mục tiêu tạm thời là $2/kg H₂ vào năm 2026) thông qua hiểu biết được cải thiện về hiệu suất, chi phí và sự đánh đổi độ bền của các hệ thống điện phân trong điều kiện vận hành năng động được dự đoán trong tương lai chế độ sử dụng điện không phát thải.
• Giảm chi phí vốn của máy điện phân và sự cân bằng của hệ thống.
• Cải thiện hiệu suất năng lượng để chuyển đổi điện thành hydro trong nhiều điều kiện hoạt động.
• Nâng cao hiểu biết về quá trình phân hủy ngăn xếp và tế bào điện phân và phát triển các chiến lược giảm thiểu để tăng tuổi thọ hoạt động.

Các quy trình sản xuất Hydro: 1. từ nhiên liệu hóa thạch; 2. Từ nhiên liệu sinh khối; 3. Từ điện phân nước. 

CCUS: carbon capture, utilization, and storage; SMR: steam methane reforming; ADG: anaerobic digester gas; STCH: solar thermochemical hydrogen; PEC: photoelectrochemical.

CCUS: thu hồi, sử dụng và lưu trữ carbon; SMR: quá trình reforming khí mê-tan hơi nước; ADG: khí bể kỵ khí; STCH: hydro nhiệt hóa mặt trời; PEC: quang điện hóa

·         Hydro là nguyên tố đơn giản nhất trên trái đất—nó chỉ bao gồm một proton và một electron—và nó là chất mang năng lượng, không phải nguồn năng lượng. Hydrogen có thể lưu trữ và cung cấp năng lượng có thể sử dụng được, nhưng nó thường không tồn tại trong tự nhiên và phải được tạo ra từ các hợp chất chứa nó.

Tại sao nghiên cứu sản xuất hydro

·         Với khoảng 10 triệu tấn (MMT) hydro hiện được sản xuất tại Hoa Kỳ mỗi năm, nhu cầu chính về hydro ngày nay là để tinh chế dầu mỏ và sản xuất amoniac. Tuy nhiên, hydro có thể được sử dụng trên nhiều lĩnh vực để cho phép phát thải bằng không hoặc gần bằng không trong các quy trình hóa học và công nghiệp khác, hệ thống năng lượng sạch tích hợp và giao thông vận tải. Các thị trường hydro mới nổi trong các lĩnh vực này bao gồm trung tâm dữ liệu, cảng, sản xuất thép và xe tải hạng trung và hạng nặng.

Cách thức hoạt động của quá trình sản xuất hydro

·         Hydro có thể được sản xuất thông qua các con đường ít carbon bằng cách sử dụng các nguồn tài nguyên đa dạng trong nước— bao gồm cả nhiên liệu hóa thạch, chẳng hạn như khí đốt tự nhiên và than đá, cùng với việc thu hồi và lưu trữ carbon; thông qua việc tách nước bằng năng lượng hạt nhân và các nguồn năng lượng tái tạo, chẳng hạn như năng lượng gió, mặt trời, địa nhiệt và thủy điện; và từ sinh khối thông qua các quá trình sinh học.

Mục tiêu nghiên cứu và phát triển

·         Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE) hỗ trợ nghiên cứu và phát triển nhiều loại công nghệ để sản xuất hydro một cách kinh tế và thông qua các lộ trình thuần túy không carbon. Xem các quy trình sản xuất hydro để tìm hiểu thêm về các công nghệ này.

·         Thách thức chung đối với sản xuất hydro là chi phí. Văn phòng Công nghệ tế bào nhiên liệu và hydro của DOE tập trung vào việc phát triển các công nghệ có thể sản xuất hydro ở mức 2 đô la/kg vào năm 2026 và 1 đô la/kg vào năm 2031 thông qua các lộ trình thuần-không-cacbon, để hỗ trợ mục tiêu Hydrogen Energy Earthshot nhằm giảm 80% chi phí năng lượng sạch hydro còn $1 trên 1 kilôgam trong 1 thập kỷ ("1 1 1").

Thanh Sơn biên dịch từ https://www.energy.gov/eere/fuelcells/hydrogen-shot

-------

Xin chào bạn! Nếu bạn đang thích trang web của chúng tôi và thấy các bài viết của chúng tôi hữu ích, chúng tôi rất mong nhận được sự ủng hộ của bạn. Với sự giúp đỡ của bạn, chúng tôi có thể tiếp tục phát triển tài nguyên và cung cấp cho bạn nội dung có giá trị hơn nữa. Cảm ơn bạn đã ủng hộ chúng tôi. Nguyễn Thanh Sơn

Related Posts by Categories