Mở đầu hương 1. Tổng quan e 4 hương 2. Kỹ thuật thực nghiệm hương 3. Kết quả và thảo luận Kết luận chung Danh mục tài liệu tham khảo e 5 C N 1 TỔN QUAN 1 1 NĂN L ỢN RÔ 1 1 1 Va trò v tầm qua trọ của ă ợ đrô Năng lượng là một phần thiết yếu trong nền văn minh nhân loại, nó có vai trò quan trọng đối với sự tồn tại, phát triển và chất lượng cuộc sống của con người.
Ngày nay, hầu hết năng lượng chúng ta sử dụng là từ nhiên liệu hóa thạch như than đá, dầu mỏ, khí đốt. Tuy nhiên, những nguồn năng lượng này không được xem là nguồn năng lượng l tưởng vì những hạn chế như năng lượng hóa thạch khi đốt cháy sẽ thải ra khí CO2, được xem là tác nhân chính gây n n “hiệu ứng nhà kính” và, là một trong những nguyên nhân gây nên biến đổi khí hậu. Ngoài ra, nhiên liệu hóa thạch ngày càng cạn kiệt vì chúng cần hàng triệu năm để hình thành từ các nguồn sinh học và phi sinh học. Hơn nữa, nhiên liệu hóa thạch chỉ được phân bố và kiểm soát ở một số khu vực hoặc quốc gia trên thế giới nên cần phải có thời gian và tiêu tốn chi phí đáng kể để di chuyển và phân phối.
Mặt khác, nhu cầu sử dụng năng lượng của con người ngày càng tăng mạnh nên yêu cầu đặt ra là cần phải tìm kiếm các nguồn năng lượng có thể được sản xuất dễ dàng với chi phí thấp và thân thiện với môi trường để thay thế hoặc giảm sự tiêu thụ nhiên liệu hóa thạch. Hiện nay, các nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng gió, năng lượng nước, năng lượng mặt trời, năng lượng địa nhiệt, … đã và đang được con người khai thác và sử dụng. Tuy nhiên sự sẵn có của năng lượng từ các nguồn tái tạo là không ổn định đối với sự thay đổi về vị trí, thời gian cũng như các yếu tố môi trường khác. o đó cần thiết phải có những phương tiện trung gian hoặc vật lưu trữ để lưu trữ và vận chuyển năng lượng.
Hiđrô được xem là phương tiện lưu trữ và vận chuyển năng lượng lý tưởng bởi những lý do sau: Thứ nhất, nó là nguyên tố có nhiều nhất trong tự e 6 nhiên và tồn tại cả trong nước lẫn trong khí sinh học; Thứ hai, vì hiđrô là khí rất nhẹ (0,8988 g/L) nên nó có mật độ năng lượng (~140 kJ/g) lớn hơn bất kì loại nhiên liệu nào khác như xăng (~40 kJ/g); Thứ ba, nó thân thiện với môi trường bởi vì việc sử dụng nó không sinh ra các chất ô nhiễm cũng như không tạo ra bất kì tác động xấu đối với môi trường. Ngoài ra, hiđrô có thể được lưu trữ ở dạng khí, lỏng hoặc kim loại hyđrua và có thể được phân phối qua khoảng cách lớn bằng đường ống hoặc các phương tiện vận chuyển [8]. Mặc dù có những lợi thế tr n nhưng việc ứng dụng các công nghệ sản xuất hiđrô vẫn còn nhiều hạn chế. ể có thể sử dụng hiđrô như là nhi n liệu cho các phương tiện giao thông, hiđrô thường được lưu trữ ở dạng khí nén hay dạng lỏng, do đó đòi hỏi phải cần có các qui trình nén khí để giảm thể tích đến mức tối thiểu.
iều này yêu cầu phải có thiết bị hiện đại cũng như chi phí cho quá trình nén khí. Việc lưu trữ hiđrô ở dạng kim loại hyđrua như là một cách để thay thế. Tuy nhiên, kim loại hyđrua thường có giá thành cao, nặng và thời gian lưu trữ hạn chế n n ít được ứng dụng thực tế. Hiện nay các phương tiện giao thông sử dụng nhiên liệu hiđrô dưới hai dạng đốt cháy trực tiếp hoặc pin nhiên liệu.
Lợi thế của các phương tiện giao thông sử dụng nhiên liệu hiđrô là giảm thiểu sự thải khí cácbônic (CO2), giảm thiểu sự giải phóng khí nitơ ôxít (NOx) và các sản phẩm gây ô nhiễm khác. 1 1 2 Các p ơ p áp sả xuất đrô Việc sử dụng hiđrô trong pin nhi n liệu, đặc biệt trong lĩnh vực giao thông sẽ cho phép đa dạng hóa các nguồn cung cấp năng lượng trong tương lai, và do đó sẽ làm giảm sự phụ thuộc vào các nguồn nhiên liệu hóa thạch. Giống như điện năng, hiđrô có thể được sản xuất từ nhiều nguồn khác nhau như khí tự nhi n, than đá, nước và các nguồn năng lượng tái tạo khác. Quá trình nhiệt hóa (thermochemical) sử dụng nhiệt và các phản ứng hóa học để sinh hiđrô từ các vật liệu hữu cơ như than đá và sinh khối.
Nước có thể bị chia e 7 tách thành hiđrô và ôxi thông qua quá trình điện phân (electrolysis) và quang hóa sử dụng năng lượng mặt trời (photocatalysis). Các vi sinh vật như vi khuẩn và tảo cũng có thể dùng để sản xuất hiđrô thông qua quá trình sinh hóa (photo-biological). Quá trình nhiệt hóa sản xuất hiđrô có thể sử dụng các nguồn nguyên liệu khác nhau với các kỹ thuật khác nhau như nhiệt phân khí tự nhiên, khí hóa than đá, khí hóa sinh khối, …. Trong phương pháp này khí tự nhiên m tan được sử dụng như nhi n liệu chính vì nó chứa tỉ lệ hiđrô tr n cácbon lớn hơn các loại hiđrô cácbon khác.
Phương pháp sản xuất trên gồm hai bước: Thứ nhất, khí m tan được trộn lẫn với hơi nước và cho đi qua chất xúc tác tại nhiệt độ cao (700 – 900°C) và áp suất cao (1,5 – 3 MPa) để hình thành sản phẩm khí hiđrô và cácbon mônôxít (CO) (Pt.1); Thứ hai, phản ứng giữa CO với hơi nước sẽ tạo thành cácbon điôxít ( O2) và khí hiđrô (Pt.2) Trong phương pháp khí hóa than đá, than đá bị ôxi hóa từng phần tại nhiệt độ và áp suất cao (~5 MPa) với sự có mặt của ôxi và hơi nước để tạo thành sản phẩm chứa khí hiđrô, O, O2, mêtan và các hợp chất khác. Tại nhiệt độ trên 1000°C và áp suất 1 bar hầu như chỉ có hiđrô và O tồn tại [12].4) Quá trình điện phân để sản xuất hiđrô là một trong các phương pháp đầy hứa hẹn cho việc sản xuất hiđrô từ các nguồn tái tạo. Công nghệ này đã được phát triển và được thương mại hóa trên thị trường. iện phân là quá trình sử dụng dòng điện để chia tách nước thành hiđrô và ôxi.
Phản ứng này e 8 diễn ra trong một bình điện phân có kích thước có thể thay đổi từ nhỏ đến lớn để phù hợp với các quy mô sử dụng khác nhau. ình điện phân có chứa hai cực là catốt (cathode) và anốt (anode) được chia tách nhau bởi dung dịch điện phân. Trong bình điện phân chứa màng polyme, chất điện phân là vật liệu rắn, đó là vật liệu nhựa đặc biệt (Hình 1. Nguyên lý hoạt động của bình điện phân có thể được mô tả như sau: nước phản ứng tại anốt để tạo thành ôxi, các electron và các ion dương H+.
Các electron di chuyển theo mạch ngoài còn các ion H+ di chuyển qua màng polyme đến catốt. Tại catốt, ion H+ kết hợp với electron từ mạch ngoài để tạo thành khí hiđrô. ác phản ứng tại anốt và catốt được mô tả bởi Pt.6) ì 1 1 Sơ đồ bì đ ện phân sử dụng màng polyme với chất đ ện phân là vật liệu rắn [12] Quá trình sinh hóa sản xuất hiđrô sử dụng vi sinh vật và ánh sáng mặt e 9 trời để biến nước và các chất hữu cơ thành hiđrô. ây là công nghệ mới được nghiên cứu ở quy mô phòng thí nghiệm nhưng có tiềm năng trong việc sản xuất hiđrô bền vững và ít tác động đến môi trường.
Trong một hệ sinh hóa, các vi sinh vật như vi tảo xanh hoặc vi khuẩn lam được chiếu ánh sáng mặt trời để tách nước thành ôxi và iôn hiđrô. ác ion hiđrô có thể kết hợp với nhau bằng cách trực tiếp hoặc gián tiếp để giải phóng khí hiđrô. Những thách thức của quá trình này là hiệu suất sinh hiđrô thấp, mặt khác, quá trình tách nước cũng tạo ra ôxi, điều này làm ức chế các phản ứng sản xuất hiđrô hoặc tính an toàn khi trộn ôxi với hiđrô ở nồng độ nhất định. Các nhà nghiên cứu đang làm việc để phát triển các phương pháp cho phép các vi sinh vật sản xuất hiđrô trong thời gian dài hơn và tăng tỷ lệ sản xuất hiđrô.
Hệ quang hóa sản xuất hiđrô từ việc tách nước sử dụng năng lượng mặt trời có thể chia ra làm ba loại chính là: (1) tế bào quang điện–điện phân (PV- E: photovoltaic – electrolysis), (2) hệ quang hóa xúc tác (PC: photochemical) và (3) tế bào quang điện hóa (PEC: photoelectrochemical cell). PV-E là công nghệ kết hợp giữa hai công nghệ hiện có là tế bào quang điện và điện phân nước. Mặc dù công nghệ PV-E được chứng minh là có hiệu suất chuyển đổi năng lượng mặt trời thành hiđrô cao (khoảng 10%) nhưng công nghệ này có chi phí rất cao so với các phương pháp truyền thống sử dụng nhiên liệu hóa thạch như reforming hơi nước từ khí tự nhiên. PC là quá trình quang xúc tác trên vật liệu bán dẫn phân tán hoặc lơ lửng trong nước, các phản ứng ôxi hóa và khử để tách nước thành ôxi và hiđrô xảy ra trên các vật liệu bán dẫn này.
PC là công nghệ đơn giản và tiết kiệm cho việc sản xuất hiđrô nhưng hiệu suất chuyển đổi năng lượng mặt trời thành hiđrô thấp (khoảng 1%) và có thể xảy ra cháy nổ từ hỗn hợp hiđrô và ôxi. o đó, đòi hỏi phải có thêm các công nghệ với chi phí cao để tách hiđrô và ôxi để tránh các phản ứng ngược giữa chúng. PEC là công nghệ tích hợp giữa quá trình hấp thụ ánh sáng trên vật e 10 liệu bán dẫn và quá trình điện hóa trong tế bào quang điện, trong đó các phản ứng ôxi hóa và khử nước diễn ra tr n các điện cực để tách nước thành hiđrô và ôxi. Công nghệ PE được xem là trung gian giữa công nghệ PV-E và PC, nó có hiệu suất chuyển đổi năng lượng mặt trời thành hiđrô cao (tr n 10%) với chi phí hợp lý.
Các phân tích kinh tế kĩ thuật gần đây cho thấy công nghệ tách nước PEC có thể đạt được chi phí hệ thống thấp hơn đáng kể so với cách tiếp cận PV-E và có thể cạnh tranh được với các phương pháp sản xuất hiđrô có nguồn gốc từ nhiên liệu hóa thạch.2 mô tả ba loại hệ tách nước sử dụng ánh sáng mặt trời, trong đó hệ PC bị giới hạn bởi hiệu suất thấp, hệ PV- E bị giới hạn bởi chi phí cao còn hệ PEC nằm trung gian giữa hiệu suất cao và chi phí hợp lý.