SpStinet - vwpChiTiet

 

Công nghiệp hydro

Hydro được sử dụng làm nhiên liệu đốt trực tiếp trong các động cơ đốt trong và turbine khí từ thế kỷ 19; từ lâu đã là nguyên liệu đầu vào cho nhiều ngành công nghiệp hóa chất như sản xuất ammonia, phân bón, methanol, lọc dầu, luyện kim, mỹ phẩm,…Nhờ sự phát triển của khoa học và công nghệ, thế kỷ 21 được dự báo sẽ là thế kỷ của hydro.

Hydro (H2) là chất khí không màu, không mùi, không vị, không độc, hiện diện khắp nơi trên trái đất, nhưng không tồn tại độc lập, mà luôn liên kết với các nguyên tử khác để tạo thành các hợp chất hóa học, ví dụ như nước (H2O), metan (CH4), là thành phần chính trong khí tự nhiên, trong nhiều loại hydrocarbon (than đá, dầu thô, sinh khối,…) và các hợp chất hữu cơ khác

Hydro được xem như nguồn năng lượng thứ cấp (không thể khai thác trực tiếp mà phải sản xuất từ một nguồn sơ cấp, là các hợp chất có chứa hydro). Điều này khá bất lợi, nhưng cũng lại là điểm mạnh, khi có thể sản xuất hydro từ nhiều nguồn khác nhau

Đặc trưng dễ cháy giúp có thể sử dụng hydro như một loại nhiên liệu, nhưng phải rất cẩn thận để ngăn ngừa cháy nổ. Tuy nhiên, do nhẹ hơn không khí và tan nhanh, nên hydro ở nơi thông thoáng (hay có các hệ thống an toàn phù hợp) thì nguy cơ cháy, nổ sẽ thấp.

Vai trò của hydro trong công nghiệp và đời sống xã hội

Hydro được dùng làm nhiên liệu từ buổi đầu của công nghệ du hành không gian. Nhờ nhiều ưu điểm về môi trường và kinh tế, hydro có triển vọng trở thành nguồn nhiên liệu tiềm năng cho giao thông tiên tiến. Khi đó, các pin nhiên liệu hydro sẽ được sử dụng phổ biến trong vận tải đường bộ, hàng hải, đường sắt và hàng không,…không gây ô nhiễm, tiếng ồn, đồng thời bảo tồn tài nguyên thiên nhiên, giúp môi trường sống trong lành hơn.

Hydro được chuyển hóa thành điện và mêtan có thể dùng để cung cấp năng lượng trong đời sống hàng ngày (đun nấu, sưởi ấm, chiếu sáng,…). Trong ngắn hạn và trung hạn, hydro có thể được sử dụng để thay thế khí nén tự nhiên, chỉ cần những thay đổi nhỏ với cơ sở hạ tầng hiện có. Các tòa nhà sẽ không còn phụ thuộc vào điện lưới quốc gia hay các nhà máy điện lớn tập trung nhờ vào các pin nhiên liệu hydro sản xuất điện và nhiệt ngay tại chỗ. 

Tổng quan về sản xuất và sử dụng hydro

Nguồn: Christopher J. Quarton, Olfa Tlili, Lara Welder,…; The curious case of the conflicting roles of hydrogen in global energy scenarios.

Đa dạng công nghệ sản xuất hydro

Hydro có thể sản xuất từ các hợp chất khác nhau, nhưng chỉ có nước là nguồn duy nhất để tạo ra hydro mà không gây ô nhiễm môi trường, nếu sử dụng năng lượng mặt trời hay điện gió trong quá trình sản xuất. Công nghệ sản xuất hydro được đánh giá dựa trên các đặc điểm chủ yếu là hiệu quả, độ tinh khiết của hydro tạo ra và lượng phát thải khí CO2.

Ba phương pháp cơ bản để sản xuất hydro là: chuyển hóa hydrocarbon, điện phân nước và phương pháp sinh học:

Chuyển hóa hydrocarbon: có nhiều cách

(a) Hóa nhiệt khí thiên nhiên với hơi nước (natural gas steam reforming), là phương pháp được sử dụng phổ biến hiện nay trong công nghiệp sản xuất hydro, chủ yếu cung cấp nguyên liệu hydro cho các ngành hóa chất, phân bón, tinh lọc dầu mỏ,…Khí thiên nhiên được sử dụng có thành phần chủ yếu là methane.

(b) Khí hóa hydrocarbon nặng (gasification heavy hydrocarbon), sử dụng nhiên liệu hóa thạch làm nguyên liệu và đồng thời cũng làm nhiên liệu cung cấp nhiệt lượng cho quá trình. Nhiên liệu hóa thạch là nguồn tài nguyên hữu hạn và quá trình tạo ra khí CO2 gây hiệu ứng nhà kính. Tuy vậy, công nghệ này sử dụng rất phổ biến trong công nghiệp hóa chất vì ưu thế chi phí thấp, phương pháp này sẽ còn chiếm ưu thế trong tương lai gần do cơ sở hạ tầng để phát triển sản xuất hydro từ các nguồn khác còn hạn chế.

(c) Khí hóa sinh khối và nhiệt phân (biomass gasification and pyrolysis), nguyên liệu sử dụng bao gồm sinh khối thực vật, các loại mảnh gỗ vụn, rác thải nông nghiệp/đô thị,…

(d) Quy trình KCB&H (Kværner Carbon Black and Hydrogen Process), tạo ra hydro từ khí thiên nhiên, không thải ra CO2, được đưa vào sản xuất từ năm 1999 ở Canada.

Điện phân nước: là phương pháp dùng dòng điện để tách nước thành khí hydro và oxy. Các dạng điện phân phổ biến như điện phân thông thường, điện phân nước áp suất cao, điện phân nước ở nhiệt độ cao, quang điện phân (photoelectrolysis). Phương pháp này sẽ tạo ra “hydro xanh” nếu sử dụng nguồn năng lượng điện sạch như điện mặt trời hay điện gió

Phương pháp sinh học: đã có các nghiên cứu cho thấy một số loại tảo và vi khuẩn chuyên biệt có thể sản sinh ra hydro như là sản phẩm phụ trong quá trình trao đổi chất, đồng thời đã xác định được cơ chế quá trình tảo "thở" bằng oxy từ nước và giải phóng ra hydro. Có nghĩa là sẽ có một phương pháp gần như vô hạn để sản xuất hydro sạch trong tương lai.

Tùy theo phương pháp sản xuất, hydro thành phẩm được chia thành 3 loại:

(a) Hydro xám (grey hydrogen), được sản xuất bằng công nghệ nhiệt hóa các loại hợp chất hydrocacbon, gây ra phát thải khí nhà kính CO2

(b) Hydro lam (blue hydrogen) được sản xuất bằng phương pháp nhiệt hóa hydrocacbon, kết hợp với công nghệ thu gom và lưu trữ CO2 để giảm phát thải khí nhà kính. Tuy nhiên, việc bổ sung hệ thống thu gom và lưu trữ CO2 sẽ làm tăng chi phí sản xuất.

(c) Hydro xanh (green hydrogen) thu được từ quá trình điện phân nước bằng năng lượng tái tạo, thân thiện với môi trường. Phương pháp này có chi phí khá cao, nhưng cùng với sự phát triển của công nghệ điện phân, sự giảm giá thành điện gió và điện mặt trời đã tạo ra khả năng giảm chi phí cho quá trình sản xuất hydro xanh và mang lại nhiều triển vọng để phát triển công nghiệp hydro.

Nhờ hydro có thể sản xuất được từ nhiều nguồn, nên mỗi khu vực, mỗi quốc gia, tùy từng điều kiện, có thể có những cách kết hợp khác nhau để tạo ra hydro, cũng như cách sử dụng chúng. Dự kiến, trong tương lai sẽ hình thành nền kinh tế hydro, tiên phong là các nước phát triển, sau đó sẽ mở rộng ra toàn cầu. Tuy nhiên, do chi phí sản xuất hydro từ các nguồn năng lượng tái tạo hiện còn đắt đỏ và quá trình chuyển đổi sử dụng hydro là vấn đề phức tạp, nên cần các quy trình quản lý, vận hành chặt chẽ. Hiện các quốc gia tiên tiến trên thế giới đang nỗ lực đẩy nhanh phát triển và ứng dụng công nghệ hydro để giải quyết các vấn đề về môi trường và tăng cường an ninh năng lượng.

Hydro hiện được sản xuất từ khí thiên nhiên, qua công nghệ chuyển hóa hydrocarbon bằng nhiệt. Công nghệ này sẽ tiếp tục được sử dụng trong tương lai gần, do các công nghệ khác còn đang trong giai đoạn nghiên cứu hay hoàn thiện để đảm bảo sản xuất hiệu quả và giảm giá thành. Kỳ vọng từ năm 2030, các công nghệ sản xuất hydro xanh sẽ chiếm lĩnh thị trường hydro trên toàn cầu.

Xu hướng sản xuất hydro

Nguồn: theworldofhydrogen.com, Gasunie; What is hydrogen and how is it made?

Phương Lan (CESTI)

 

Các tin khác: