HYDROGEN VÀ PIN NHIÊN LIỆU

Thách thức lớn mà hành tinh của chúng ta phải đối mặt ngày nay – liên quan đến vấn đề biến đổi khí hậu do con người thúc đẩy và mối liên hệ chặt chẽ của nó với nhu cầu năng lượng hiện tại và tương lai của xã hội toàn cầu. Môi trường - biến đổi khí hậu khoa học: thích nghi, giảm thiểu, hay bỏ qua?. Hyđrogen và pin nhiên liệu hiện được coi là một trong những giải pháp năng lượng quan  trọng cho thế kỷ 21. Những công nghệ này sẽ góp phần đáng kể vào việc giảm tác động môi trường, tăng cường an ninh năng lượng (và sự đa dạng) và tạo ra các ngành công nghiệp năng lượng mới.

Hydrogen và pin nhiên liệu có thể được sử dụng trong vận chuyển, phân phối nhiệt và phát điện cũng như các hệ thống lưu trữ năng lượng điện mặt trời. Tuy nhiên, việc chuyển đổi từ hệ thống năng lượng dựa trên carbon (nhiên liệu hóa thạch) sang nền kinh tế dựa trên hydro liên quan đến những rào cản đáng kể về khoa học, công nghệ và kinh tế xã hội đối với việc triển khai hydro và pin nhiên liệu như những công nghệ năng lượng sạch của tương lai. Bài báo này nhằm mục đích tóm tắt lại tình trạng hiện tại, những thách thức khoa học và kỹ thuật chính và dự báo của hydro và pin nhiên liệu trong một tầm nhìn năng lượng bền vững của tương lai. Chúng tôi không đưa ra bình luận nào ở đây về chính sách và chiến lược năng lượng. Thay vào đó, chúng tôi xác định những thách thức mà công nghệ pin nhiên liệu và hydro đang đối mặt cần phải vượt qua trước khi những công nghệ này có thể đóng góp đáng kể vào các quy trình sản xuất năng lượng sạch hơn và hiệu quả hơn.

Tại sao lại sử dụng hydro và pin nhiên liệu?

Động lực toàn cầu cho tầm nhìn năng lượng bền vững trong tương lai của chúng ta tập trung vào nhu cầu:  giảm lượng khí thải carbon dioxide (CO2) do con người gây ra trên toàn cầu và cải thiện chất lượng không khí tại địa phương (đô thị), đảm bảo an ninh cung cấp năng lượng và tạo ra một cơ sở năng lượng công nghiệp và công nghệ mới, rất quan trọng cho sự thịnh vượng kinh tế của chúng ta.

Hydro là một giải pháp thay thế hấp dẫn cho nhiên liệu dựa trên carbon. Một phần của sự hấp dẫn của nó là nó có thể được sản xuất từ các nguồn tài nguyên đa dạng, cả tái tạo (thủy điện, gió, mặt trời, sinh khối, địa nhiệt) và không tái tạo (than, khí tự nhiên, hạt nhân). Sau đó, hydro có thể được sử dụng trong các hệ thống phát điện hiệu suất cao, bao gồm cả pin nhiên liệu, cho cả phương tiện giao thông và phát điện phân tán. Pin nhiên liệu chuyển đổi hydro hoặc nhiên liệu giàu hydro và chất oxy hóa (thường là oxy tinh khiết hoặc oxy từ không khí) trực tiếp thành điện bằng quy trình điện cơ nhiệt độ thấp.

Pin nhiên liệu, hoạt động bằng hydro hoặc nhiên liệu giàu hydro, có tiềm năng

trở thành nhân tố chính thúc đẩy quá trình chuyển đổi sang một hệ thống năng lượng bền vững trong tương lai với lượng khí thải CO2 thấp. Tầm quan trọng gắn liền với những phát triển như vậy đang tăng lên nhanh chóng. Một số lượng lớn các quốc gia hiện đang biên soạn các lộ trình, trong nhiều trường hợp với các mục tiêu số cụ thể, cho sự tiến bộ của công nghệ pin nhiên liệu và hydro. Chỉ là một ví dụ điển hình, lộ trình phát triển và triển khai công nghệ pin nhiên liệu và hydro của Châu Âu hiện đã đặt ra mục tiêu là 1 GW công suất phát điện phân tán từ pin nhiên liệu vào năm 2015 và 0,4–1,8 triệu xe hydro được bán ra mỗi năm vào năm 2020.

Tại thời điểm hiện tại, có ba rào cản công nghệ chính cần phải vượt qua để chuyển đổi từ carbon dựa trên hệ thống năng lượng (nhiên liệu hóa thạch) sang nền kinh tế dựa trên hydro.

Thứ nhất, chi phí sản xuất và phân phối hydro hiệu quả và bền vững phải được giảm đáng kể. Thứ hai, phải phát triển các giống mới của hệ thống lưu trữ hydro cho cả các ứng dụng dành cho xe cộ và văn phòng phẩm. Cuối cùng, chi phí của pin nhiên liệu và các hệ thống dựa trên hydro khác phải được giảm xuống.

Tầm nhìn về một hệ thống năng lượng tích hợp như vậy trong tương lai sẽ kết hợp các tế bào nhiên liệu lớn và nhỏ cho gia đình và sản xuất điện và nhiệt phi tập trung với mạng lưới cung cấp hydro cục bộ (hoặc mở rộng hơn) cũng sẽ được sử dụng để cung cấp nhiên liệu cho các phương tiện chạy bằng pin nhiên liệu (đốt trong) thông thường.

Điều quan trọng cần nhấn mạnh là, không giống như than đá, khí đốt hoặc dầu mỏ, hydro không phải là nguồn năng lượng chính. Vai trò của nó phản ánh gần hơn vai trò của điện như một "chất mang năng lượng", được sản xuất bằng cách sử dụng năng lượng từ một nguồn khác và sau đó được vận chuyển để sử dụng trong tương lai, nơi năng lượng hóa học dự trữ của nó có thể được sử dụng. Hydro có thể được lưu trữ làm nhiên liệu và được sử dụng trong vận chuyển, phân phối nhiệt và phát điện bằng cách sử dụng pin nhiên liệu, động cơ đốt trong hoặc tuabin, và quan trọng là pin nhiên liệu hydro chỉ cung cấp nước và không có CO2 tại điểm sử dụng.

Một tính năng hấp dẫn của hydro là nó cũng có thể được sử dụng như một phương tiện lưu trữ điện năng được tạo ra từ các nguồn tài nguyên tái tạo không liên tục như năng lượng mặt trời, gió, sóng và thủy triều.

Hydro có thể được sản xuất từ khí tự nhiên, than, hydrocacbon, sinh khối và thậm chí cả chất thải đô thị bằng cách sử dụng nhiều kỹ thuật khác nhau, cũng như bằng cách tách nước. Sự đa dạng như vậy rõ ràng góp phần đáng kể vào việc đảm bảo an ninh nguồn cung cấp nhiên liệu (Hình 1).

Do đó, nó cung cấp giải pháp cho một trong những vấn đề chính của năng lượng bền vững, cụ thể là vấn đề gây khó chịu về khả năng cung cấp gián đoạn. Miễn là hydro được sản xuất từ nguồn thức ăn chăn nuôi không phải nhiên liệu hóa thạch, thì nó là một loại nhiên liệu tái tạo hoặc bền vững thực sự.

Hơn nữa, hydro sản xuất trong nước cho phép đưa năng lượng tái tạo vào lĩnh vực giao thông vận tải, mang lại lợi thế tiềm năng lớn về kinh tế và an ninh năng lượng cũng như lợi ích của cơ sở hạ tầng dựa trên sản xuất năng lượng phân tán. Chính yếu tố quan trọng này của khả năng lưu trữ năng lượng của hydro đã tạo ra mối liên hệ chặt chẽ giữa các công nghệ năng lượng bền vững và nền kinh tế năng lượng bền vững, thường được đặt dưới tên gọi chung là 'nền kinh tế hydro'.

Sự an toàn của hydro cũng rất quan trọng, không chỉ bao gồm các khía cạnh khoa học và công nghệ mà còn cả các vấn đề tâm lý và xã hội. Bất chấp danh tiếng của nó, hydro có một kỷ lục an toàn đặc biệt trong nhiều thập kỷ được sử dụng trong các ứng dụng công nghiệp. Tuy nhiên, hydro có sự khác biệt đáng kể so với các nhiên liệu phổ biến hiện nay vì khả năng di chuyển qua các kênh rất nhỏ, và cũng trong các mối quan hệ thích hợp khi đốt cháy của nó - một lần nữa rất khác so với nhiên liệu dựa trên carbon. Những khía cạnh này đòi hỏi các biện pháp phòng ngừa an toàn đa dạng và một nền văn hóa (mới) thích hợp cho các hoạt động trong đó khách hàng sẽ tương tác trực tiếp với công nghệ hydro và pin nhiên liệu.

Sản xuất, phân phối và lưu trữ hydro

Mặc dù hydro là nguyên tố hóa học phong phú thứ ba trong vỏ Trái đất, nhưng nó luôn liên kết trong các hợp chất hóa học với các nguyên tố khác. Do đó, nó được sản xuất từ các nguồn chứa hydro khác bằng cách sử dụng năng lượng, chẳng hạn như điện hoặc nhiệt.

Hydro có thể được sản xuất từ khí tự nhiên, than, hydrocacbon, sinh khối và thậm chí cả chất thải đô thị bằng cách sử dụng nhiều kỹ thuật khác nhau, cũng như bằng cách tách nước. Sự đa dạng như vậy rõ ràng góp phần đáng kể vào việc đảm bảo an ninh nguồn cung cấp nhiên liệu (Hình 1).

Ngày nay, hydro được sản xuất với số lượng lớn bằng cách cải tạo hơi nước của hydrocacbon, nói chung là metan. Phương pháp này thu được CO2 như một sản phẩm phụ, nhưng không nhiều hơn so với việc đốt cháy cùng một lượng khí metan. Phát thải CO2 , được coi là nguyên nhân chính gây ra biến đổi khí

hậu toàn cầu, có thể được quản lý tại các cơ sở quy mô lớn thông qua quá trình hấp thụ CO2 , liên quan đến việc thu giữ và lưu trữ một lượng lớn CO2 dưới lòng đất (ví dụ như trong khí đốt tự nhiên và dầu cạn kiệt giếng hoặc dạng địa chất). Tuy nhiên, sự cô lập CO2 vẫn chưa được chứng minh về mặt kỹ thuật và thương mại. Một lộ trình đầy hứa hẹn khác là nhiệt phân ở nhiệt độ cao (phân hủy trong điều kiện không có oxy) hydrocacbon, sinh khối và chất thải rắn đô thị thành hydro và carbon đen (rắn), đi kèm với việc sử dụng công nghiệp và / hoặc dễ dàng cô lập. Hiện tại, chi phí của quá trình này cao hơn so với quá trình cải tạo hơi nước của khí tự nhiên.

Hydro cũng có thể được sản xuất bằng cách tách nước thông qua các quá trình khác nhau, bao gồm điện phân, quang điện phân, phân hủy ở nhiệt độ cao và tách nước quang sinh học.

Quá trình sản xuất hydro thương mại bằng phương pháp điện phân nước đạt hiệu

suất 70–75%. Tuy nhiên, chi phí hydro được sản xuất từ con đường này cao hơn

nhiều lần so với sản xuất từ nhiên liệu hóa . Các nguồn năng lượng tái tạo (ví dụ như gió, thủy triều, sinh khối) có thể cung cấp các nguồn hydro địa phương, nhưng chắc chắn sẽ không đáp ứng được khối lượng hydro khổng lồ cần thiết trên toàn cầu cho nguồn năng lượng mới. Việc sử dụng năng lượng hạt nhân (cả phân hạch và nhiệt hạch) để cung cấp nhu cầu năng lượng hydro trong tương lai cũng đang được xem xét. Một báo cáo gần đây của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ cho thấy năng lượng mặt trời rất có thể là nguồn năng lượng duy nhất có khả năng tạo ra lượng hydro cần thiết để cung cấp cho nền kinh tế hydro.

Các lựa chọn hiện nay để vận chuyển và phân phối hydro bao gồm khí nén (200 bar) trong các xi lanh dạng ống, bồn chứa hydro lỏng và một vài ví dụ về mạng lưới đường ống hydro cục bộ. Tất cả các lựa chọn này góp phần đáng kể vào chi phí hydro cho người dùng cuối và trong một số trường hợp, sản xuất hydro địa phương phi tập trung bằng cách sử dụng phương pháp cải tạo metan hoặc điện phân nước sẽ trở nên khả thi về mặt kinh tế.

Một trong những rào cản công nghệ quan trọng đối với việc sử dụng rộng rãi hydro như một chất mang năng lượng hiệu quả là thiếu phương pháp lưu trữ hydro an toàn, trọng lượng thấp và chi phí thấp với mật độ năng lượng cao Hydro chứa nhiều năng lượng hơn bất kỳ chất nào khác. Thật không may, vì nó là nguyên tố hóa học nhẹ nhất trong bảng tuần hoàn, nên nó cũng có mật độ năng lượng rất thấp trên một đơn vị thể tích (Bảng 1).

Các lựa chọn lưu trữ hiện tại cho hydro tập trung vào các thùng chứa khí có áp suất cao (lên đến 700 bar) hoặc hydro chất lỏng được làm lạnh (hóa lỏng) bằng phương pháp đông lạnh. Một nhược điểm của các phương pháp này là mức phạt năng lượng đáng kể - cần tới 20% hàm lượng năng lượng của hydro để nén khí và lên đến 40% để hóa lỏng nó. Một vấn đề quan trọng khác đối mặt với việc sử dụng các trung tâm lưu trữ áp suất cao và đông lạnh là nhận thức và khả năng chấp nhận của công chúng liên quan đến việc sử dụng khí có áp suất và ngăn chứa hydro lỏng. Lưu trữ hydro đòi hỏi một bước đột phá lớn về khoa học và công nghệ nếu một bước tiến như vậy có thể được thực hiện, nó được công nhận rộng rãi rằng nó sẽ tạo ra sự thay thế chấp nhận nhất cho hydro nén và lỏng, tức là lưu trữ hydro trong chất rắn hoặc chất lỏng. Đáng chú ý, một số lớp vật liệu lưu trữ hydro ở trạng thái rắn có mật độ năng lượng cao hơn so với hydro lỏng (ví dụ, NH₃BH₃, xem Bảng 1). Tuy nhiên, cần có nhiều nghiên cứu và phát triển hơn nữa để cải thiện các đặc tính hấp thụ / giải hấp hydro của chúng.

Tế bào nhiên liệu

Pin nhiên liệu đang nổi lên như một công nghệ thay thế hàng đầu cho các động cơ đốt trong gây ô nhiễm hơn trong các ứng dụng năng lượng phân tán tĩnh và xe. Ngoài ra, nhu cầu về nguồn điện di động trong tương lai có thể sẽ vượt quá khả năng của công nghệ pin hiện tại.

Pin nhiên liệu là một thiết bị tương tự như pin sạc liên tục và tạo ra điện bằng phản ứng điện hóa ở nhiệt độ thấp của hydro và oxy từ không khí. Một điểm khác biệt quan trọng là pin dự trữ năng lượng, trong khi pin nhiên liệu có thể sản xuất điện liên tục miễn là cung cấp nhiên liệu và không khí.

Bất kỳ nhiên liệu giàu hydro nào cũng có thể được sử dụng trong các loại pin nhiên liệu khác nhau (sử dụng quá trình cải tạo nhiên liệu bên ngoài hoặc bên trong), nhưng việc sử dụng nhiên liệu gốc hydro chắc chắn dẫn đến phát thải CO2.

Pin nhiên liệu chạy bằng hydro chỉ thải ra nước và hầu như không phát thải chất ô nhiễm, thậm chí cả oxit nitơ, bởi vì chúng hoạt động ở nhiệt độ thấp hơn nhiều so với bên trong  động cơ đốt trong. Tuy nhiên, ngay cả các tế bào nhiên liệu được cung cấp nhiên liệu hydro cacbon cũng có tiềm năng cung cấp hiệu quả, sạch và chuyển đổi năng lượng yên tĩnh, có thể góp phần vào giảm thiểu khí nhà kính và ô nhiễm cục bộ. Vì nhiên liệu các tế bào không phải chịu các giới hạn của chu trình Carnot, chúng chuyển đổi nhiên liệu thành điện năng với hiệu suất cao hơn gấp đôi so với động cơ đốt trong. Trong giao thông vận tải, pin nhiên liệu hydro động cơ hoạt động với hiệu suất lên đến 65%, so với 25% đối với động cơ ô tô chạy bằng xăng ngày nay. Khi nhiệt sinh ra trong pin nhiên liệu cũng được sử dụng trong nhiệt và điện kết hợp (CHP) hệ thống, có thể đạt được hiệu suất tổng thể vượt quá 85%.

Một số loại pin nhiên liệu phù hợp với các năng lượng khác nhau các ứng dụng ở các quy mô khác nhau đã được phát triển, nhưng tất cả đều chia sẻ thiết kế cơ bản của hai điện cực (cực dương và cực âm) tách biệt bằng chất điện phân rắn hoặc lỏng hoặc màng (Hình 2). Hydrogen (hoặc nhiên liệu chứa hydro) và không khí được đưa vào cực dương và cực âm của pin nhiên liệu và các phản ứng điện hóa được hỗ trợ bởi các chất xúc tác diễn ra ở các điện cực. Chất điện phân cho phép

vận chuyển các ion giữa các điện cực trong khi dư thừa các electron chạy qua một mạch bên ngoài để cung cấp điện.

Pin nhiên liệu được phân loại theo bản chất của chất điện phân, cũng xác định nhiệt độ hoạt động của chúng, loại nhiên liệu và một loạt các ứng dụng. Chất điện phân có thể là axit, bazơ, muối hoặc màng gốm hoặc cao phân tử rắn mà dẫn các ion. Bảng 2 tóm tắt các đặc điểm của các pin nhiên liệu các loại.

Không giống như động cơ đốt trong hoặc tua bin, pin nhiên liệu thể hiện hiệu quả cao trên hầu hết công suất đầu ra của chúng. Khả năng mở rộng này làm cho pin nhiên liệu trở nên lý tưởng cho nhiều loại các ứng dụng từ điện thoại di động đến phát điện quy mô lớn. Tuy nhiên, hiện tại, pin nhiên liệu không thể cạnh tranh với các công nghệ chuyển đổi năng lượng về chi phí và độ tin cậy.

Pin nhiên liệu oxit rắn nhiệt độ cao (SOFC) và nóng chảy pin nhiên liệu cacbonat (MCFC) là lý tưởng cho năng lượng phân tán nguồn cung cấp đang hoạt động ngày nay bằng khí tự nhiên, cho phép phát triển và sử dụng công nghệ này một cách độc lập với thành lập cơ sở hạ tầng hydro. Thật vậy, họ cung cấp một quá trình chuyển đối thủ vị sang nền kinh tế hydro, mang lại hiệu quả đáng kể không thể đạt được đối với nhiên liệu hydro carbon có sẵn trên thị trường hiện nay trong khi hoạt động hiệu quả trên nhiên liệu sinh học tái tạo khi những điều này trở nên hiệu quả về chi phí và cuối cùng là hoạt động với hiệu suất cao đối với hydro khi điều này trở nên phổ biến rộng rãi. Chúng cũng đang được theo đuổi để sử dụng như các đơn vị năng lượng phụ trợ cho  xe cộ và trong các ứng dụng ngoài lưới điện để thay thế động cơ diesel nhỏ máy phát điện. Những loại pin nhiên liệu này không yêu cầu bên ngoài máy cải cách để chuyển đổi nhiên liệu giàu hydro thành hydro và điều này cho phép sử dụng nhiều loại nhiên liệu và giảm chi phí liên kết với việc thêm một trình cải cách vào hệ thống. họ đang đặc biệt phù hợp với các ứng dụng CHP khi chúng sản xuất nhiệt thải cao cấp (hoặc làm mát) cũng như năng lượng điện. Các công nghệ đã được chứng minh bằng một số cuộc trình diễn các dự án hoạt động liên tục trên hàng chục nghìn giờ.

Tế bào nhiên liệu màng trao đổi proton nhiệt độ thấp (PEMFCs) và pin nhiên liệu kiềm (AFC) cung cấp một thứ tự mật độ năng lượng cao hơn bất kỳ hệ thống pin nhiên liệu nào khác Tuy nhiên, một nhược điểm lớn là chúng yêu cầu một loại bạch kim đắt tiền chất xúc tác và cần hydro rất tinh khiết. PEMFC và AFC có được phát triển từ những năm 1958 và được sử dụng trong không gian NASA chương trình. PEMFC được ưa chuộng nhất cho các ứng dụng CHP tự động trên thị trường đại chúng và các ứng dụng CHP quy mô nhỏ, và có một lượng lớn nỗ lực toàn cầu để phát triển các hệ thống thương mại.

Pin nhiên liệu axit photphoric (PAFCs) chịu được các tạp chất trong hydro hơn PEMFC hoặc AFC. PAFC thường là được sử dụng để phát điện tĩnh nhưng cũng để cung cấp năng lượng lớn các phương tiện như xe buýt thành phố. Chúng có sẵn trên thị trường ngày nay, nhưng chi phí tương đối cao của chúng đã hạn chế sự tiếp thu của thị trường. Thẳng thắn pin nhiên liệu metanol (DMFC) được cung cấp bởi metanol và được xem xét cho một số ứng dụng, đặc biệt là những ứng dụng dựa trên xung quanh việc thay thế pin trong các ứng dụng tiêu dùng như điện thoại di động và máy tính xách tay.

Những thách thức chính về khoa học và kỹ thuật

Đến năm 2050, nhu cầu năng lượng toàn cầu có thể tăng gấp đôi hoặc gấp ba và nguồn cung cấp dầu khí khó có thể đáp ứng được nhu cầu này. Ở nhiều nước, hydro và pin nhiên liệu được coi là một vectơ năng lượng thay thể quan trọng và một công nghệ quan trọng cho hệ thống năng lượng bền vững trong tương lai trong điện tỉnh, các lĩnh vực giao thông vận tải, công nghiệp và dân cư (Châu  Ủy ban, 2003; Bộ Năng lượng Hoa Kỳ, 2004). Tuy nhiên, như với bất kỳ thay đổi lớn nào trong ngành năng lượng, sự chuyển đổi sang | một nền kinh tế hydro sẽ cần vài thập kỷ.

Lịch trình và sự phát triển của quá trình chuyển đổi như vậy là trọng tâm của nhiều 'lộ trình' xuất phát từ Hoa Kỳ, Nhật Bản, Canada và EU (trong số nhiều quốc gia khác). Ví dụ, Ủy ban Châu đã tán thành khái niệm về công nghệ pin nhiên liệu và hydro nền tảng, với chi phí 2,8 tỷ 1 trong khoảng thời gian 10 nhiều năm. Những điểm nổi bật và kịch bản chính của châu lớn này nền tảng công nghệ được tóm tắt trong Hình 3. Phần giới thiệu của hydro như một chất mang năng lượng cũng đã được xác định là chiến lược khả thi để đưa Vương quốc Anh theo hướng tự nguyện  đã thông qua các mục tiêu để giảm 60% CO2 so với mức hiện tại tới 2050.

Bảng 3 tóm tắt các dự báo về một số lộ trình cho tình trạng triển khai và các mục tiêu cho công nghệ hydro và nhiên liệu ứng dụng di động. Để đạt được sự thâm nhập đáng kể của hydro vào tương lai hệ thống năng lượng, các phương pháp sản xuất hydro, phân phối, lưu trữ và sử dụng phải được cải thiện đáng kể ngoài hiệu suất, độ tin cậy và chi phí hiện tại của họ. Một số những thách thức khoa học và kỹ thuật quan trọng đối với hydro nền kinh tế được tóm tắt dưới đây: giảm chi phí sản xuất hydro xuống mức có thể so sánh được đối với chi phí năng lượng của xăng dầu, phát triển một lộ trình không có CO₂ để sản xuất hàng loạt hydro bền vững với chi phí cạnh tranh, phát triển cơ sở hạ tầng quốc gia an toàn và hiệu quả để cung cấp và phân phối hydro, phát triển các hệ thống lưu trữ hydro khả thi cho cả hai các ứng dụng xe cộ và văn phòng phắm và giảm đáng kể chi phí và cải thiện đáng kể độ bền của hệ thống pin nhiên liệu.

Cho đến năm 2020, sản xuất hydro tự nhiên liệu hóa thạch và điện phân nước bằng điện lưới được kỳ vọng là các nguồn hydro quan trọng nhất. Trong quá trình chuyển đổi này giai đoạn, quy trình cải cách khí hóa tiên tiến và sạch sẽ, thu giữ và hấp thụ CO₂ , mới hiệu quả và chi phí thấp chất điện phân sẽ phải được phát triển. Tuy nhiên, về lâu dài thuật ngữ, các công nghệ sản xuất hydro bền vững dựa trên các nguồn năng lượng tái tạo cần trở thành nguồn năng lượng thương mại và dần dần thay thế quá trình cải tạo / khí hóa nhiên liệu hóa thạch. Hydro, được sản xuất bằng cách điện phân nước sử dụng điện được tạo ra từ các nguồn tài nguyên tái tạo, có tiềm năng trở thành chất mang năng lượng sạch, bên vững và do đó trung hòa với khí hậu trong tương lai, cuối cùng loại bỏ phát thải khí nhà kính khối ngành năng lượng

Các công nghệ bền vững có triển vọng có thể cung cấp hydro gen trong tương lai bao gồm quang phân tử nước sử dụng ánh sáng mặt trời trực tiếp và tách nước bằng nhiệt thông qua các chu trình nhiệt hỏa nhiệt độ cao. Công nghệ hạt nhân hiện nay tạo ra điện có thể được sử dụng để sản xuất hydro bằng cách điện phân nước, cho phép ngành năng lượng hạt nhân cung cấp nhiên liệu cho ngành giao thông vận tải, Các lò phản ứng hạt nhân tiên tiến cũng đang được phát triển cho phép điện phân nước ở nhiệt độ cao (với ít năng lượng điện cần thiết hơn) hoặc các chu trình nhiệt hóa, sẽ sử dụng nhiệt và một quy trình hóa học để phân ly nước. Năng lượng nhiệt hạch, nếu được phát triển thành công, có thể là nguồn cuối cùng của một nguồn tài nguyên sạch, dồi dào và không cổ carbon để sản xuất hydro.

Các thành phần của mạng lưới cung cấp và phân phối hydro quốc gia (bao gồm cả các đường ống dẫn hydro) sẽ cần được phát triển để cung cấp nguồn cung cấp hydro chi phí thấp đáng tin cậy cho người dùng cuối. Nếu hydro được sản xuất từ hydrocacbon, mạng lưới hydro sẽ cần được kết hợp với cơ sở hạ tầng cần thiết để thu giữ và lưu trữ carton, Việc sử dụng các phương tiện chạy bằng nhiên liệu hydro sẽ phụ thuộc vào việc phát triển thành công cơ sở hạ tầng tiếp . có giá cả phải chăng và phổ biến. Các thành phần cơ bản của cơ sở hạ tầng cấp và phân phối hydro cần được phát triển, ban đầu để cung cấp cho các trạm tiếp nhiên liệu địa phương.

Để hydro trở thành chất mang năng lượng khá thi, cần phải có các công nghệ lưu trữ hydro tiên tiến. Đối với việc sử dụng vận chuyển pin nhiên liệu hydro - được nhiều người coi là phương pháp quan trọng đầu tiên thâm nhập vào nền kinh tế hydro - Các phương án lưu trữ hydro áp suất cao hay đông lạnh đều không thể đáp ứng các mục tiêu trung hạn. Các hệ thống lưu trữ nhỏ gọn hơn, trọng lượng thấp, chi phí thấp, an toàn và hiệu quả hoạt động ở nhiệt độ gần phòng và áp suất thấp sẽ cần được phát triển cho ô tô cũng như các ứng dụng văn phòng phẩm, Lưu trữ hydro ở trạng thái rắn bằng cách sử dụng hydrua của các nguyên tố hóa học nhẹ có vẻ là phương pháp hứa hẹn nhất để đạt được phân trân trọng lượng cao và mật độ thể tích cao của hydro được lưu trữ (Hình 4), Hiện tại, không có vật liệu nào được biết đến đáp ứng các yêu cầu quan trọng này.

Pin nhiên liệu có tiềm năng thay thế một tỷ lệ rất lớn các hệ thống năng lượng hiện tại, từ pin điện thoại di động thông qua các ứng dụng trên xe đến sản xuất điện tĩnh tập trung hoặc phi tập trung. Pin nhiên liệu cung cấp một lộ trình phát triển công nghệ rất hấp dẫn ở chỗ chúng có thể mang lại hiệu suất đáng kể đối với nhiên liệu hydrocacbon thương mại hiện nay đồng thời mang lại hiệu suất cao trong tương lai khi hydro được phổ biến rộng rãi.

Những thách thức khoa học và kỹ thuật chính mà pin nhiên liệu phải đối mặt là giảm chi phí và tăng độ bền của vật liệu và thành phần.

  Kết Luận

Sự phát triển của công nghệ sản xuất hydro, lưu trữ hydro và pin nhiên liệu sẽ đóng vai trò trung tâm trong việc giải quyết những lo ngại ngày càng tăng về phát thải carbon và biến đổi khí hậu cũng như tính khả dụng và an ninh của nguồn cung cấp năng lượng trong tương lai. Một nghiên cứu được ủy quyền bởi Bộ Thương mại và Công nghiệp cho thấy rằng năng lượng hydro mang lại triển vọng đáp ứng các mục tiêu chính sách quan trọng của Vương quốc Anh về một tương lai năng lượng bền vững.

Bất kỳ đánh giá nào về tính khả thi của một nền kinh tế năng lượng hydro bền vững về liên quan đến việc đánh giá nhiều bước sẽ phải thực hiện trên con đường đến tương lai đồ - không chỉ là các bước trong khoa học và công nghệ, mà còn cả các vấn đề xã hội và kinh tế. * Phương pháp tiếp cận hệ thống" về việc nhìn vào tương lai của năng lượng hydro, như được nêu trong khuôn khổ chiến lược hydro cho Vương quốc Anh, cũng kết luận rằng khi đường duy nhất dẫn đến nền kinh tế hydro; thay vào đó, nhiều yếu tố biến cố liên quan đến việc xác định hướng của nó. Do đó, việc cố gắng thiết lập một con đường duy nhất dẫn đến nền kinh tế hydro tại thời điểm này có thể không chỉ khó khăn mà còn thực sự hạn chế.

Cùng với nhau, hydro và pin nhiên liệu có khả năng tạo ra một cuộc cách mạng xanh trong giao thông vận tải bâng cách loại bỏ hoàn toàn khí thải CO2. Trên toàn bộ phạm vi sử dụng năng lượng, những công nghệ này mang lại cơ hội lớn để chuyển nền kinh tế năng lượng toàn cầu dựa trên carbon của chúng ta cuối cùng sang một nền kinh tế sạch, tái tạo và bền vững dựa trên hydro. Những thách thức là rất lớn và đòi hỏi những đột phá khoa học và phát triển công nghệ đáng kể cùng với cam kết chính trị và xã hội liên tục. Tuy nhiên, Vương quốc Anh có chuyên môn và cơ sở khoa học hàng đầu thế giới, cũng như các nguồn tài nguyên tái tạo để đẩy nhanh quá trình chuyển đổi sang kỷ nguyên hydro.[2]

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[2]      P. P. Edwards, V. L. Kuznetsov, W. I. F. David, and N. P. Brandon, “Hydrogen and fuel cells: Towards a sustainable energy future,” Energy Policy, vol. 36, no. 12, pp. 4356–4362, Dec. 2008, doi: 10.1016/j.enpol.2008.09.036.