Nguồn năng lượng hydro đã sẵn sàng để lưu trữ và vận chuyển?

Thế giới đã sẵn sàng để lưu trữ và vận chuyển hydro? Hình minh họa

Để giải quyết vấn đề này, các nhà nghiên cứu đang xem xét hydro như một vectơ năng lượng sạch, vì quá trình đốt cháy nhiên liệu này không phát thải CO2, đây sẽ là giải pháp thay thế hiệu quả cho quá trình khử carbon.

Hydro là nguyên tố dồi dào nhất hành tinh. Trên Trái đất, nó được tìm thấy ở dạng dihydrogen (H2). Phân tử này đang thu hút sự chú ý ở nhiều lĩnh vực (tinh chế, hóa học, luyện kim, sản xuất thủy tinh, xi măng, điện tử, v.v.), cũng như các vấn đề về (chi phí năng lượng cho sản xuất, lưu trữ, vận chuyển, tương tác giữa các vật liệu). Ngành công nghiệp ngày nay tiêu thụ 50 triệu tấn H2. Lĩnh vực vận tải (đối với động cơ đẩy) là lĩnh vực ứng dụng quan trọng nhất (tàu hỏa, xe tải, máy bay, ô tô, thuyền, xe buýt). Đến năm 2050, tỷ lệ H₂ trong sản xuất năng lượng toàn cầu ước tính vào khoảng 12%, trong đó khoảng 70% sẽ là H2 xanh (ít carbon).

Trong hơn 160 năm, con người đã khai thác nguồn năng lượng dầu mỏ khổng lồ để cơ khí hóa và tạo điều kiện thuận lợi cho mọi lĩnh vực hoạt động. Cụ thể, với 1 lít xăng (khoảng 0,75 kg) chúng ta có thể sản xuất được 10 kWh. Đây là năng lượng cần thiết để đi 50 km (trung bình) bằng ô tô điện... Với 1 lít H2 lỏng (khoảng 0,071 kg, nhẹ hơn xăng 10 lần), chúng ta có thể sản xuất khoảng 3 kWh. Nói cách khác, với H2 lỏng, chúng ta thu được nguồn năng lượng lớn gấp 3 lần so với xăng.

Nhiên liệu nhẹ hơn

Trong lĩnh vực vận tải, khối lượng chính là yếu tố then chốt: vật càng nặng sẽ cần càng nhiều năng lượng để di chuyển. Do đó, trọng lượng nhẹ là nền tảng để giảm mức tiêu thụ năng lượng, từ đó giảm phát thải CO2. Vào năm 2035, Airbus dự kiến thực hiện chuyến bay đầu tiên cho máy bay sử dụng hydro lỏng mang tên Zero-e (biểu trưng cho lượng khí thải CO2 bằng 0). Một nửa trọng lượng của máy bay này được tạo thành từ vật liệu composite nhẹ, kết hợp sợi carbon và nhựa, có nguồn gốc từ nhiên liệu hóa thạch (dầu mỏ). Vậy kế hoạch không phát thải CO2 liệu sẽ mãi là giấc mơ hay trở thành một cuộc cách mạng?

Trước khi bắt đầu cuộc cách mạng này, cần lưu ý rằng việc sản xuất hydro (dạng lỏng hoặc khí) có chi phí biến đổi. H2 có màu sắc đa dạng (đen, nâu, xám, xanh dương, vàng, xanh lá cây, xanh ngọc và trắng – từ đắt nhất đến rẻ nhất), mức độ phát thải CO2 của nhiên liệu này còn tùy thuộc vào quy trình sản xuất được sử dụng. Sự khác biệt này về cơ bản là do chi phí năng lượng của các kỹ thuật. Ví dụ, hydro đen xuất phát từ quá trình chuyển hóa than thành khí. Do đó, nó tiêu tốn nhiều năng lượng và gây ô nhiễm. Ngược lại, hydro trắng có nguồn gốc tự nhiên nên dễ khai thác hơn. Nhưng ngày nay, 95% lượng hydro được sản xuất đều đến từ các nguồn hóa thạch.

Dựa trên mức sử dụng năng lượng hiện tại (40 triệu phương tiện cá nhân ở Pháp), nếu tất cả người dân Pháp lựa chọn sử dụng hydro thì sẽ cần một lượng 5 triệu tấn, hoặc 300 TWh điện (mức năng lượng cần thiết để sản xuất ra nó). Điều này đồng nghĩa sẽ cần xây dựng thêm 46 lò phản ứng hạt nhân, 30.000 tuabin gió và 6.000 km2 tấm quang điện. Nhìn chung, sản xuất H2 có thể sẽ tốn kém về mặt năng lượng. Để sản xuất ra nó, hiệu suất (tỷ lệ giữa năng lượng thu được và năng lượng đầu vào) phải có tính cạnh tranh so với các nguồn năng lượng khác.

Đâu là những hạn chế đối với nguồn nhiên liệu này?

Hãy cùng xem xét các rào cản công nghệ và những thách thức đối với vật liệu trong môi trường H2. Thực tế, việc thay đổi mô hình sản xuất năng lượng (cụ thể là thay thế động cơ nhiệt sử dụng nhiên liệu xăng hóa thạch) đòi hỏi sự điều chỉnh toàn bộ hệ thống động cơ đẩy và phương pháp lưu trữ nhiên liệu. Điều này đặt ra nhiều vấn đề khoa học kỹ thuật về mặt vật liệu.

Trước hết là vấn đề bảo quản: ở áp suất khí quyển, 1 kg H2 lỏng có thể tích nhỏ hơn khoảng 800% so với 1 kg H2 ở dạng khí. Để lưu trữ hydro ở dạng lỏng, nó phải đạt nhiệt độ -250°C (còn gọi là nhiệt độ đông lạnh). Về mặt kỹ thuật sẽ khá khó khăn và tốn kém.

H2 dạng nén cũng có thể được cân nhắc sử dụng nhưng áp suất bể có thể đạt tới 700 bar (tương ứng giới hạn kỹ thuật của vật liệu). Để chịu được áp suất cao đòi hỏi phải sử dụng vật liệu bền và siêu nhẹ để không làm tăng trọng lượng cấu trúc.

Thông thường, vật liệu composite (chẳng hạn như vật liệu được sử dụng trong hàng không) kết hợp sợi carbon và polyme (nhựa) là những lựa chọn phù hợp để đáp ứng yêu cầu về độ bền của bể. Các nghiên cứu khoa học đã chứng minh rằng khí hydro, được sử dụng trong những điều kiện nhiệt độ nhất định, ít ảnh hưởng đến nhựa hoặc chất chất nhiệt dẻo (ví dụ như cao su được sử dụng trong các ống mềm). Mặt khác, việc giảm áp suất khí nhanh chóng cũng có thể gây bất lợi cho các vật liệu này.

Các vật liệu kín cũng là yếu tố cần thiết, vì H2 nằm trong số những phân tử kích thước nhỏ và có thể di chuyển qua hầu hết các loại vật liệu. Khi đó cần phải sử dụng một lớp lót – như hydrua kim loại – để đảm bảo độ kín. Nghiên cứu này đã được thực hiện trong hơn 20 năm. Ngày nay, chúng ta đã đạt đến trình độ nhất định để giải quyết những vấn đề này. Thách thức chính nằm ở việc kiểm soát chi phí để có thể “dân chủ hóa” và ứng dụng chúng vào các lĩnh vực khác nhau. Phạm vi ứng dụng có thể mở rộng từ ô tô đến tên lửa, bao gồm cả ngành công nghiệp và cung cấp năng lượng thay thế cho các máy phát điện chạy bằng động cơ diesel.

Các vật liệu dễ vỡ

Về vấn đề các vật liệu kim loại trở nên dễ vỡ khi tiếp xúc với hydro lỏng hoặc khí. Dù chúng được sử dụng để lưu trữ hay vận chuyển hydro, thì sự giòn là một quá trình vật lý trong đó các phân tử hydro sẽ xâm nhập vào vật liệu và khiến nó trở nên dễ hỏng. Kim loại mất đi tính đàn hồi và trở nên giòn hơn.

Biến đổi này thường dẫn đến sự thay đổi tính chất cơ học và giảm độ bền theo thời gian. Ví dụ, trong lĩnh vực hàng không, các vấn đề về vật liệu là những vấn đề gặp phải khi tuabin khí tiếp xúc với hydro và hơi nước ở nhiệt độ cao. Các tuabin này, thường được chế tạo từ siêu hợp kim (hoặc hợp kim kim loại để sử dụng lâu dài ở nhiệt độ cao), trải qua hiện tượng oxy hóa, ăn mòn nóng (hệ quả lâu dài của quá trình oxy hóa) và khuếch tán H2 trong cấu trúc vi mô.

Đây là những hiện tượng thường gặp trong các quy trình hóa dầu, động cơ, nồi hơi và lò phản ứng của các nhà máy điện hạt nhân. Đối với vật liệu composite tương tác với khí H2, các cơ chế vật lý liên quan hoàn toàn không giống nhau do sự khác biệt về cấu trúc vi mô và thành phần hóa học. Do đó, chúng ít nhạy cảm hơn với nhiệt độ thấp và độ giòn so với vật liệu kim loại.

Trong số những hạn chế về vật liệu liên quan đến việc lưu trữ (trong bể chứa) hoặc phân phối hydro (trong ống dẫn), khả năng chống cháy là yếu tố đặc biệt quan trọng. Loại khí này rất dễ gây cháy nổ, thách thức chính nằm ở việc sử dụng các vật liệu có thể duy trì độ bền và khả năng chống chịu trong trường hợp hỏa hoạn. Do đó, vật liệu composite được gia cố bằng sợi carbon là giải pháp phù hợp vì chúng có thể duy trì các đặc tính cơ học trong môi trường nhiệt độ cao. Đặc biệt, sợi carbon phân hủy ở nhiệt độ cao, nhưng vẫn duy trì hiệu suất cơ học trong điều kiện khắc nghiệt, tuy nhiên, cho đến nay, vẫn còn rất ít nghiên cứu tập trung vào vấn đề này.

Nhìn chung, các vấn đề về vật liệu như độ giòn, quá trình oxy hóa, ăn mòn, yêu cầu về hiệu suất cơ học và khả năng chống cháy là minh chứng rõ ràng cho những thách thức tiềm ẩn liên quan đến vật liệu trong các bộ phận và cơ sở hạ tầng tương tác với hydro lỏng hoặc khí. Do đó, việc lựa chọn vật liệu cho các ứng dụng liên quan đến hydro là vấn đề cần được cân nhắc giữa chi phí năng lượng, tính sẵn có, khả năng tái chế, tính chất vật lý và hiệu suất sử dụng.

Do đó, hiểu được các cơ chế vật lý liên quan là điều cơ bản để phát triển và làm cho việc ứng dụng H2 trở nên đáng tin cậy hơn trong nhiều lĩnh vực công nghiệp khác nhau. Nền tảng chuyên môn và các công trình nghiên cứu trong lĩnh vực vật liệu (kim loại và vật liệu tổng hợp) tương tác với hydro đã tăng lên đáng kể trong mười năm qua. Ngày nay, chúng có thể giải quyết được nhiều trở ngại về mặt công nghệ và có cái nhìn tổng quát về các ứng dụng hydro trong nhiều lĩnh vực công nghiệp. Cuối cùng, thách thức chính sẽ là sản xuất nó với chi phí năng lượng thấp.

Nh.Thạch

AFP