SẢN XUẤT HYDRO BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỆN PHÂN NƯỚC

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC VÀ THỰC PHẨM  MÔN HỌC CÔNG NGHỆ ĐIỆN HÓA TIỂU LUẬN ĐỀ TÀI SẢN XUẤT HYDRO BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỆN PHÂN NƯỚC GVHD TS Nguyễn Trường Sơn SV[.]

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM

KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC VÀ THỰC PHẨM

Tp Hồ Chí Minh, 27 tháng 9 năm 2021

MỤC LỤC

SẢN XUẤT HYDRO BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỆN PHÂN NƯỚC

LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Cuối thế kỷ 20, đầu thế kỉ 21 thế giới đã phải đối mặt với 3 thách thức nghiêmtrọng:

Thách thức thứ nhất: Nguồn năng lượng hóa thạch đang cạn kiệt nhanh chóng.

Tốc độ khai thác, tiêu thụ nhiên liệu hóa thạch hiện nay quá nhanh so với tốc độ hìnhthành khiến chúng rơi vào tình trạng ngày càng khan hiếm và dần trở nên cạn kiệt Ởnước ta, với tốc độ khai thác hiện nay, chỉ còn 34 năm dùng dầu mỏ, 63 năm dùng khithiên nhiên và chỉ còn 4 năm là nguồn than đá sẽ cạn kiệt

Thách thức thứ hai: Biến đổi khi hậu diễn ra nhanh chóng, khắc nghiệt và phức

tạp trên diện rộng Quy trình khai thác cũng gây hại đáng kể cho môi trường như có thểlàm biến mất thảm thực vật, xói mòn đất Băng tan ở hai cực, mực nước biển dâng cao,nhiệt độ trái đất tăng lên có nguyên nhân chủ yếu từ hiệu ứng nhà kinh mà thủ phạmchinh là chất thải CO2.

Thách thức thứ ba: Mưa axit diễn ra với tần suất ngày càng nhiều do các khi

SOx, NOx, CO2 thải liên tục ra bầu khi quyển Sông, biển bị ô nhiễm bởi các tai nạn tràndầu, làm hư hỏng nhiều vùng biển và hủy diệt nhiều hệ động, thực vật thủy sinh Bầukhông khi bị ô nhiễm nghiêm trọng bởi bụi, khói, các khi độc hại như CO, Nox, VOCs,các chất phóng xạ…

Mặc dù không thể phủ nhận vai trò to lớn của năng lượng hóa thạch đối với sự phát triển của xã hội loài người trong nhiều thế kỷ qua, nhưng những thách thức trên đây đều có nguyên nhân bắt nguồn từ việc sử dụng năng lượng hóa thạch Vì vậy, để có thể đối phó đồng thời với các thách thức trên, nghĩa là vừa chủ động tìm nguồn năng lượng thay thế năng lượng hóa thạch đang dần cạn kiệt, vừa ngăn ngừa và tránh các thảm họa về môi trường, nhiều quốc gia trên thế giới đã sử dụng các nguồn năng lượng khác để thay thế (một phần hoặc hoàn toàn) năng lượng hóa thạch

3

“Hydro được coi là một ứng cử viên lý tưởng cho một chất mang năng

lượng” Chinh phủ và các ngành công nghiệp ở một số quốc gia đang xem xét các chiến lược thay thế để thực hiện một hệ thống năng lượng dựa trên hydro như một loại nhiên liệu sạch, có khả năng tái tạo

Khái niệm "Nền kinh tế Hydro" dựa trên hệ thống năng lượng H2 đã được đưa ravào những năm 1970, các nước được sử dụng để tạo ra hydro và oxy bằng cách điệnphân, có thể dùng trong pin nhiên liệu để tạo ra điện Qua đó ta có một hệ thống nănglượng dựa trên nước tái sử dụng Thêm vào đó, vì sự phong phú của hydro được sản xuất

ra từ nước, và nước thì phân bố ở hầu hết các khu vực có thể sinh sống trên khắp thế giới,hydro được coi là một chất thay thế cho nhiên liệu hóa thạch

Năng lượng H 2 được coi là một dạng năng lượng hóa học có nhiều ưu điểm

̵ Năng lượng H2 có thể được sản xuất, lưu trữ, vận chuyển trong hạ tầng vận chuyển khithiên nhiên

̵ Về vấn đề an toàn, với tỉ trọng thấp và khả năng khuếch tán nhanh cho phép H2 thoátnhanh vào khi quyển nếu như có sự rò rỉ xảy ra

̵ Thiết bị sử dụng nhiên liệu H2 là Pin nhiên liệu có đặc điểm chạy êm, không gây ra tiếngđộng, chấn động như động cơ đốt trong

̵ Sản phẩm của quá trình đốt cháy H2 chỉ là nước tinh khiết và năng lượng, không có chấtthải nào gây hại đến môi trường

Tất nhiên, có một số thách thức đối với việc triển khai hydro thành một hệ thống năng lượng:

Hiện nay, việc sản xuất H2 bằng điện phân nước vẫn sử dụng nguồn điện chủ yếu sản xuất từ nhiên liệu hóa thạch (than đá, dầu, khi đốt), do đó về bản chất “là năng lượng

tái tạo và không gây hại đến môi trường” vẫn chưa được giải quyết triệt để

̵ Hiện nay các công nghệ và thiết bị thực hiện việc lưu trữ H2 vẫn còn hạn chế về côngsuất và chỉ đáp ứng được quy mô nhỏ Sản xuất quy mô lớn trên toàn thế giới đòi hỏi chiphi cao

̵ Với đặc tinh nhẹ, dễ bay hơi, H2 phải được lưu trữ trong các bình khi nén áp suất caohoặc dưới dạng khi hóa lỏng hoặc hấp phụ trong các loại vật liệu có khả năng hấp phụ

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HYDRO

1 Trạng thái thiên nhiên

Hydro là nguyên tố phổ biến nhất trong vũ trụ, chiếm 75% các vật chất thôngthường theo khối lượng và trên 90% theo số lượng nguyên tử Nguyên tố này được tìmthấy với một lượng khổng lồ trong các ngôi sao và các hành tinh khi khổng lồ Các đámmây phân tử của H2 liên quan đến sự hình thành sao

Hydro là nguyên tố phổ biến thứ 3 trên bề mặt Trái Đất chủ yếu là ở dạng hợp chấthóa học như nước và hydrocacbon Hydro được tạo ra bởi một số vi khuẩn và tảo vàmetan, là nguồn hydro có độ quan trọng ngày càng cao Các nguồn khác bao gồm phầnlớn các chất hữu cơ (hiện tại là mọi dạng của cơ thể sống), than, nhiên liệu hóa thạch vàkhi tự nhiên

Hydro đóng vai trò sống còn trong việc cung cấp năng lượng trong vũ trụ thôngqua các phản ứng proton-proton và chu trình cacbon - nitơ (Đó là các phản ứng nhiệthạch giải phóng năng lượng khổng lồ thông qua việc tổ hợp hai guyên tử hydro thành mộtnguyên tử heli)

Trong công nghiệp, Hydro thường được lưu trữ dưới dạng:

̵ Hydride kim loại (FeTiH2 và LaNi5H6, Mg2NiH4): sử dụng một số hợp kim có khảnăng hấp phụ hydro

̵ Khi nén dưới áp suất cao (300-700 bar)

̵ Khi hóa lỏng siêu lạnh: phải tốn nhiều năng lượng để hóa lỏng H2, tuy nhiên ưu điểmcủa việc lưu trữ H2 dưới dạng lỏng là tốn it không gian nhất vì hydro có tỉ trọng nănglượng theo thể tich cao nhất khi hóa lỏng

̵ Hấp thụ hóa học (LiBH4, NaBH4,…): H2 được giải phóng qua quá trình thủy phân, vớiphương pháp này ta có thể điều chỉnh lượng hydro sinh ra theo nhu cầu

̵ H2 rất dễ phản ứng hóa học với các nguyên tố hóa học khác, đặc biệt là ôxy đồng thờisinh ra năng lượng dưới dạng nhiệt năng lớn hoặc điện năng thông qua phản ứng hóa họcsau:

2H 2 + O 2 → 2H 2 O + Năng lượng

Hydrogen là nguồn năng lượng thứ cấp, tức là nó không sẵn có để khai thác trựctiếp mà phải được tạo ra từ một nguồn sơ cấp ban đầu như là nước hoặc các hợp chấthydrocarbon khác.

Hình 1: Vai trò của Hydrogen trong đời sống

2 Nhu cầu sử dụng

Làm nhiên liệu trong lĩnh vực vận tải, pin nhiên liệu: dựa vào giá trị nhiệt lượng mà nó tạo ra

Do nhiệt trị và nhiệt độ ngọn lửa rất cao, Hydro là nhiên liệu quan trọng trong các

chương trình vũ trụ của Mỹ và Liên Xô, trong đó có Space Shuttle và Buran

BBảng 1 Nhiệt trị của một số nguyên liệu

Những ứng dụng của Hydro vào các ngành công nghiệp trọng điểm:

̵ Trong công nghiệp hóa chất: Sử dụng cho quá trình tổng hợp và phản ứng hydro hóatrong công nghiệp

̵ Ngành công nghiệp thực phẩm: Hydro hóa dầu ăn và các acid béo

̵ Ngành công nghiệp điện: Sử dụng khi Hydro để làm mát các turbin của nhà máy thủyđiện

̵ Ngành công nghiệp thủy tinh: Tạo mội trường cho quá trình tạo hình thủy tinh, tạomôi trường cho việc tạo hình bề mặt, tránh bọt của thủy tinh

̵ Ngành công nghiệp điện tử: Tạo môi trường áp suất thấp, sạch cho các quá trình sảnxuất các linh kiện điện tử, linh kiện bán dẫn

̵ Ngành công nghiệp Vật liệu Chế biến - nhiệt điều trị, luyện kim, luyện kim bột, épkim loại, phun plasma, tinh thể ngày càng tăng, và nhiều hơn nữa

Bảng 2 So sánh đặc tính của nhiên liệu H 2 với các nhiên

liệu khác

̵ Ngành công nghiệp sản xuất các chấn bán dẫn: Sử dụng trong quá trình MOCVD(Metal-Organic Chemical Vapour Deposition) cho quá trình đóng gói, sản xuất thiết bịbán dẫn

Hình 2: Tổng quan về sản xuất và sử dụng hydroCho tới ngày nay, việc sử dụng hydro làm nhiên liệu cũng rất hạn chế Tổng sảnlượng hydro toàn cầu hàng năm từ các nguồn khác nhau ước đạt 55-65 triệu tấn Tốc độtăng trưởng trung bình hàng năm trong vòng 20 năm qua là gần 1,6% Hơn 90% lượnghydro được sản xuất tại nơi tiêu thụ và chỉ 10% nguồn hydro đến từ các công ty sản xuấtkhi (Air Liquide, Linde, Praxair )

Mặc dù năng lượng H2 chưa được sử dụng rộng rãi vì giá khá cao và chưa phù hợptrong điều kiện thiếu cơ sở hạ tầng để hỗ trợ, tuy nhiên, các nhà nghiên cứu vẫn nhậnđịnh đây là nguồn năng lượng vô tận, có thể tái sinh được và là nguồn năng lượng giữ vaitrò chủ đạo thay thế nhiên liệu hóa thạch, không gây ô nhiễm môi trường và là nguồnnăng lượng của tương lai

CHƯƠNG 2: SẢN XUẤT HYDRO BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỆN PHÂN

2.1 Các phương pháp sản xuất nhiên liệu Hydro

Sản xuất Hydro từ nguồn Hydrocarbon hoá thạch

Phương pháp refroming hơi nước (SMR): là một phương pháp sản xuất khi tổnghợp (hydro và carbon monoxide) bằng phản ứng của hydrocacbon với nước Thôngthường khi tự nhiên là nguyên liệu Mục đich chinh của công nghệ này là sản xuất hydro.Phản ứng được biểu diễn bằng cân bằng này:

CH4 + H2O ⇌ CO + 3 H2Phương pháp oxy hoá không hoàn toàn (POX): Quá trình này có thể được sử dụng

để sản xuất hydro từ các hydrocacbon nặng như nhiên liệu diesel và dầu còn sót lại Bất

kỳ nguyên liệu hydrocarbon có thể được nén hoặc bơm có thể được sử dụng trong côngnghệ này CH4 và các hydrocacbon khác trong khi tự nhiên được phản ứng với một sốlượng hạn chế oxy ( thông thường từ không khi ) là không đủ để oxy hóa hoàn toàn cáchydrocacbon để tạo thành CO2 và H2O Với it hơn cân bằng hóa học củ oxy có sẵn , cácsản phẩm phản ứng chứa chủ yếu H2 và CO và N2 Phản ứng được biểu diễn bằngphương trình:

CH4 + O2 = CO +2H2Phương pháp kết hợp SMR và POX (ATR)

Tạo Hydro từ khi thiên nhiên mà không thải ra CO2

Hydro từ nhiên liệu sinh khối: là quá trình tạo ra H2 sinh học dựa trên các enzymexúc tác cho phản ứng hóa học:

2H+ + 2 e- ↔ H2Sản xuất Hydro từ điện phân (Electrolysis)

Sản xuất Hydro bằng phương pháp quang điện phân (Photoelectrolysis)

Trên thực tế còn rất nhiều phương pháp để sản xuất được Hydro Ở bài tiểu luậnnày, chúng tôi tập trung vào sản xuất Hydro bằng phương pháp điện phân.

2.2 Sản xuất Hydro bằng phương pháp điện phân

a) Điện phân nước ở nhiệt độ thường, quang điện phân:

Đây là phương pháp dùng năng lượng điện để bẻ gãy liên kết phân tử H2O tạothành những phân tử khi hydro và oxy Khi cho dòng điện đi qua hai điện cực, quá trìnhđiện phân sẽ diễn ra với sự sinh ra của hydro ở cực âm và oxy ở cực dương

Ở cực dương, khi O2 và các proton được tạo ra nhờ phản ứng oxy hóa nước:

2H2O = 4e + O2 + 4H+Các eletron chạy qua mạch ngoài, còn các ion H+ di chuyển qua màng ngăn polyme

để đến cực âm

Ở cực âm, các ion H+ kết hợp với các electron từ mạch ngoài (phản ứng khử) vàtạo thành khi hydro:

4 H+ + 4e = 2H2.Tổng quát: 2H2O + điện năng = 2H2 + O2

Hình 3 Nguyên lí hoạt động của máy điện phân nước có màng ngăn

Hai điện cực trong bình điện phân được phân cách bởi màng ngăn ion , đây là mộtmàng dẻo mỏng, có tác dụng ngăn không cho khi oxy đi qua để tránh sự hòa lẫn hai khi

gây nổ nhưng lại dẫn được các proton H+ từ cực dương sang cực âm Màng polymer đượcứng dụng rộng rãi trong các thiết bị điện tử là PEM, thiết bị điện phân này có thể hoạtđộng ở áp suất lên đến hàng trăm bar, tỷ lệ điện phân lớn, thiết kế nhỏ gọn Tuy nhiên, dochi phi sản xuất cao, thời gian sống ngắn nên chúng không được phát triển như thiết bịđiện phân kiềm.

Thông qua quá trình điện phân nước, nguồn khi hydro sinh ra khá sạch và khônglẫn tạp chất của carbon hay lưu huỳnh, đây được xem là một phương pháp sản xuất hydroxanh tiềm năng Tuy nhiên, do chi phi sản xuất khá cao so với quá trình reforming khi tựnhiên nên vẫn chưa được ưu tiên sử dụng

Ngoài ra, ta có phương pháp quang điện phân khá là phổ biến với quy trình tương

tự như phương pháp điện phân nước thông thường, phương pháp này sử dụng nguồn điệnnăng tạo ra từ ánh sáng mặt trời Các panel mặt trời, chất bán dẫn chuyển hoá trực tiếpquang năng thành điện năng Khi hydro được sinh ra khi dòng quang điện này chạy quathiết bị điện phân đặt trong nước

Hiệu suất quá trình sử dụng năng lượng mặt trời để chuyển đổi hydro được chứngminh lên đến 16% Tương tự việc sử dụng năng lượng mặt trời, ta có thể sử dụng cácnguồn năng lượng tái tạo khác như năng lượng gió, thuỷ điện để điện phân nước tạo rahydro Phương pháp này được xem là sản xuất hydro xanh vì đây là một quá trình sạchkhông chứa khi thải, tái sinh, tiên tiến và bền vững

Hình 3 Mô tả cho thiết bị quang điện phân

b) Điện phân dung dịch kiềm

Điện phân dung dịch kiềm là một trong những phương pháp dễ dàng nhất để sảnxuất hydro Hiện nay các nhà máy điện phân dung dịch kiềm thường sử dụng môi trườngkiềm có hàm lượng 20 – 40% KOH hoặc NaOH Quá trình điện phân dung dịch kiềmđược mô tả qua sơ đồ sau:

Hình 4 Sơ đồ tổng quát về điện phân dung dịch kiềm

Nguyên lý hoạt động của quá trình điện phân dung dịch kiềm khá đơn giản H2 và

O2 tách ra từ nước khi cho dòng điện một chiều vào nước

Tổng quát: 2H2O → 2H2 + O2

Ở mỗi cực xảy ra các quá trình như sau :

Ở cực âm (cathode): nhận điện tử từ cực dương (anode) nên diễn ra quá trình khử

-Kali hydroxit được sử dụng với tỷ lệ 25% –30% làm chất điện phân cho quá trìnhđiện phân Các hệ thống này có thể hoạt động từ 70 – 100° C, ở áp suất từ 1- 30 bar.Chúng trở nên hiệu quả hơn khi hoạt động ở mật độ dòng điện thấp (0,3A / cm2) Trongcác máy điện phân kiềm thương mại, dải mật độ dòng điện là 100-400 mA / cm2 Nhượcđiểm cũng là tác dụng ăn mòn cao của chất điện phân lỏng được sử dụng ở các giá trịnhiệt độ cao Vì lý do này, chúng có thời gian tồn tại rất ngắn

Trước đây màng ngăn thường được làm bằng amiăng trắng Mg3Si2O5(OH)4 (còngọi là sợi chrysotile) Nhưng có một số nhược điểm do sử dụng màng ngăn amiang trắngnhư độc tinh của nó dẫn đến bệnh bụi phổi amiăng và ung thư phổi Ngoài ra tốc độ ănmòn của amiăng trắng phụ thuộc vào nhiệt độ - nhiệt độ cao hơn dẫn đến ăn mòn nhanhhơn - có nghĩa là việc tăng hiệu suất của chất điện phân bằng cách tăng nhiệt độ là mộtvấn đề khi sử dụng loại màng ngăn này

Do những vấn đề này, các vật liệu khác đã được thử nghiệm để sử dụng làm màngngăn Đa số các màng ngăn hiện nay thường sử dụng là các polymer có tinh thấm nước

cao, khả năng chống ăn mòn cao trong môi trường có tinh kiềm mạnh, và độ dẫn ion.Màng ngăn hiện đại nhất là Zirfon một vật liệu tổng hợp của zirconia và polysulfone Đối với điện cực, vật liệu phổ biến nhất được sử dụng là thép tấm với một số loại

xử lý Ni vì niken có khả năng chống ăn mòn trong môi trường kiềm và vì nó là một kimloại khá rẻ Các kim loại khác nhau như coban, sắt và vanadi được sử dụng làm chất phụgia cho các điện cực Coban được thêm vào cực dương, trong khi sắt và vanadi được sửdụng ở cực âm Người ta phát hiện ra rằng sắt và vanadi có thể tái hoạt hóa cực âm, Quátrình tái hoạt hóa cực âm được thúc đẩy bởi các ion của sắt hoặc vanadi trong dung dịchchứ không phải là kim loại kết hợp trong hợp kim Quá trình khử hoạt tinh của cực âmđược coi là sự hình thành niken hyđrua, mà sắt và vanadi có thể đảo ngược

Máy điện giải kiềm có ưu điểm là hoàn thiện công nghệ và giá thành tương đốithấp so với máy điện phân PEM

Có một số nhược điểm công nghệ liên quan đến hệ thống điện phân kiềm: đó làmật độ dòng điện thấp, hạn chế khả năng hoạt động ở tải thấp và không có khả năng hoạtđộng ở áp suất cao Hai hạn chế sau là do sự trao đổi chéo của các khi có thể qua bộ phântách

Vật liệu xúc tác trên cực dương (anode) thường sử dụng là Ni/Co/Fe, còn ở cực âm(cathode) là Ni/C – Pt

Hiệu suất của quá trình điện phân dung dịch kiềm từ 52 – 69% Đây là một phươngpháp có hiệu suất khá cao Ngày nay hướng tới nguồn nguyên liệu sạch như Hydro làđiều rất cần thiết Nhiều giải pháp, cải tiến đang được thực nghiệm để tăng hiệu suất củaquá trình, đó là một thách thức lớn cho các nhà nghiên cứu

Điện phân hơi nước nhiệt độ cao (HTSE-High Temperature Steam Electrolysis)thường hoạt động ở nhiệt độ 750–950°C và sử dụng hơi nước làm nguyên liệu cấp Ưuđiểm của phương pháp này là đưa một phần năng lượng cần thiết cho quá trình điện phânở dạng nhiệt năng, do đó có thể hạn chế bớt lượng điện năng tiêu thụ Nhiều nghiên cứu

đã hướng đến việc thu nhiệt từ các chảo parabol tập trung năng lượng mặt trời hay tậndụng nhiệt thừa từ các trạm năng lượng

HTSE tương ứng với quá trình ngược lại của pin nhiên liệu oxit rắn (SOFC-SolidOxide Fuel Cell) Khi hoạt động để điện phân, pin này được gọi là pin điện phân oxit rắn

(SOEC-Solid Oxide Electrolysis Cell) Về cơ bản, pin điện phân bao gồm một chất điệnphân oxit rắn với các điện cực dẫn đặt ở hai bên như thể hiện trong sơ đồ hình 5 Chấtđiện li là một vật liệu gốm ceramic kỹ thuật dẫn oxy, điển hình là zirconia (ZrO2) (YSZ)và MgO được ổn định yttria (Y2O3) (YSZ) và MgO Một hỗn hợp hơi nước và mộtlượng nhỏ hydro được cung cấp cho điện cực hydro (cực âm) ở 750–950°C HTSE là sựkết hợp của hai bán phản ứng như hình dưới đây:

Hình 5 (A)Sơ đồ điện phân nước oxit rắn với chất điện phân dẫn O 2 , cực âm zirconia bền bằng niken và cực dương lantan stronti manganite, và (B) chi tiết về pin và các phản

Overall reation: H2O(g) → H2(g) + O2 (g)

Sau đó, oxy chảy dọc theo cực dương, thường được làm bằng vật liệu compositeYSZ và manganite lantan pha tạp chất Stronti Hỗn hợp hydro và hơi nước đi dọc theođiện cực hydro (kim loại Ni/YSZ với độ xốp khoảng 30%) ở phia đối diện của chất điệnphân Thông thường, không khi hoặc hơi nước được làm nóng sơ bộ được sử dụng làm

khi quét để loại bỏ oxy khỏi ngăn xếp, nơi khi quét làm loãng nồng độ oxy và do đó làmgiảm sự ăn mòn của các thành phần xử lý oxy Hỗn hợp hơi nước và hydro thoát ra khỏingăn xếp và sau đó đi qua một thiết bị phân tách để tách hydro khỏi hơi nước còn lại.Mục đich của dòng khi cấp có chứa một phần hydro (10%) là để duy trì các điều kiện khửvà tránh quá trình oxy hóa niken trong điện cực hydro.

HTSE hiệu quả hơn điện phân nước thông thường vì cần it năng lượng hơn để phá

vỡ các phân tử hơi nước so với các phân tử nước lỏng trong điện phân thông thường(Mougin, 2015) và cũng vì một số điện có thể được thay thế bằng nhiệt thải, dẫn đến cảithiện hiệu suất năng lượng và thấp hơn chi phi nguyên liệu (Hanke-Rauschenbach vàcộng sự, 2015) Mougin (2015) báo cáo hiệu suất điện là 89% (giá trị gia nhiệt thấp hơn),cao hơn nhiều so với điện phân nước kiềm (58%) và PEM (63%)

Ngoài ra sản xuất hydro bằng HTSE phải đối mặt với những thách thức, đặc biệt là

để duy trì hoạt động hiệu suất cao của các máy điện phân Vấn đề chinh cần được cảithiện hơn nữa vẫn là tuổi thọ của điện cực hydro, bị hạn chế bởi sự xuống cấp Hai vấn đềlớn cần giải quyết là cải thiện hiệu suất dài hạn của các pin và phát triển các kỹ thuật sảnxuất và lắp ráp các tế bào diện tich lớn để giảm chi phi tổng thể của nhà máy thương mại

CHƯƠNG 3: LƯU TRỮ HYDROGEN

Dự trữ hydro rất quan trọng nếu nó muốn tạo thành một phần của hỗn hợp nănglượng tái tạo trong tương lai Một lợi thế khác của hydro như một nguồn năng lượng là nó

có thể được thu được bằng cách điện phân từ điện sản xuất từ năng lượng tái tạo thặng

dư, đồng thời cho phép hydro đáp ứng nhu cầu năng lượng tương ứng Ngoài ra, hydro cóthể được lưu trữ với số lượng lớn trong thời gian dài Không giống như pin, năng lượngnày không bị mất theo thời gian và do đó có thể được sản xuất và lưu trữ ở quy mô côngnghiệp như một phần của hỗn hợp năng lượng xanh Hydro dự trữ này sau đó có thể đượclấy lại làm nguồn cung cấp năng lượng dự phòng khi cần thiết

Lưu trữ hydro rất quan trọng nếu nó là một phần của các giải pháp năng lượngsạch trong tương lai của chúng ta Tuy nhiên, cần có thêm nhiều nghiên cứu và cải tiến cơsở hạ tầng để hydro phát huy hết tiềm năng của nó Ở đây nhóm chúng tôi sẽ trình bàynăm phương pháp phổ biến trên thế giới hiện nay để lưu trữ khi hydrogen

3.1 Nén khí áp suất cao (High pressure hydrogen storage)

Phương pháp lưu trữ hydro phổ biến nhất là nén pha khi ở áp suất cao (> 200 barhoặc 2850 psi) Hydro được nén trong các bình hydro ở 350 bar (5.000 psi) và 700 bar(10.000 psi) được sử dụng trong các phương tiện hydro Điều này dựa trên thực tế rằng, ở

áp suất và thể tich cố định, thể tich bình chứa khi tăng khi nhiệt độ bình giảm Do đó,bằng cách làm mát một bình từ nhiệt độ phòng đến nhiệt độ nitơ lỏng (77K), dung tichthể tich của nó tăng lên Tuy nhiên, tổng công suất thể tich của hệ thống nhỏ hơn một dothể tich cần thiết cho hệ thống làm mát tăng lên Hạn chế của hệ thống này là năng lượngcần thiết để nén khi Khoảng 20% thành phần năng lượng của hydro bị mất do phươngpháp lưu trữ Năng lượng bị mất để lưu trữ hydro có thể được giảm bớt nhờ sự phát triểncủa loại xi lanh composite nhẹ mới Hơn nữa, vấn đề chinh đối với các vật liệu thôngthường cho bình chứa hydro áp suất cao là sự biến dạng của vật liệu xi lanh, trong nhiềuchu kỳ nạp / xả Các bình áp suất chứa khi nén thường làm bằng thép nên rất nặng, tuynhiên các bình áp suất hiện đại được làm từ những vật liệu composite và nhẹ hơn nhiều

Hình 6 Lưu trữ Hydro trong các bình chứa hiện được sử dụng trong các phương

tiện chạy bằng Hydro

3.2 Khí hoá lỏng (Liquefaction)

Mật độ năng lượng của hydro có thể được cải thiện bằng cách lưu trữ hydro ở trạng tháilỏng Công nghệ này được phát triển trong thời kỳ sơ khai của không gian, khi hydro lỏngđược mang theo trên các tàu vũ trụ nhưng ngày nay nó được sử dụng trên các pin nhiênliệu trên tàu Trong phương pháp lưu trữ này, pha khi đầu tiên được nén ở áp suất cao hơnlà hóa lỏng ở nhiệt độ đông lạnh trong bình hydro lỏng (LH2) Điều kiện nhiệt độ thấpđược duy trì bằng cách sử dụng xi lanh helium lỏng như trong hình Hydro không hóalỏng cho đến -253°C (20 độ trên độ không tuyệt đối) phải sử dụng nhiều năng lượng nhưvậy để đạt được nhiệt độ này Tuy nhiên, các vấn đề vẫn còn xảy ra với bể LH2 do

quá trình đun sôi hydro, năng lượng cần thiết để hóa lỏng hydro, thể tich, trọng lượng vàchi phi bình cũng rất cao Khoảng 40% thành phần năng lượng của hydro có thể bị mất

do các phương pháp lưu trữ An toàn cũng là một vấn đề khác đối với việc xử lý hydrolỏng cũng như tinh toàn vẹn của thùng xe, khi lưu trữ, điều áp và làm mát phần tử ở nhiệtđộ khắc nghiệt như vậy