Ngành năng lượng Hydro - nguyên tử - Những bước đường phát triển

Tại Hội nghị Thượng đỉnh thiên niên kỷ vào 6/9/2000 ở New York, L.B. Nga đã đề xuất sáng kiến về thực hiện chương trình năng lượng đảm bảo cho sự phát triển bền vững của nhân loại, giải quyết căn bản các vấn đề không phổ biến vũ khí hạt nhân và làm lành mạnh sinh thái trên toàn bộ hành tinh Trái đất. Tại cuộc gặơ mặt của Tổng thống Nga và Mỹ ở Matscơva tháng 5 năm 2002 đã ra tuyên bố về hợp tác khoa học kỹ thuật và tác nghiệp trong lĩnh vực sử dụng các nguồn năng lượng phi truyền thống, các công nghệ tiết kiệm năng lượng và sạch về sinh thái và về nghiên cứu triển khai các công nghệ mới an toàn hơn về sinh thái của ngành năng lượng hạt nhân. Tại cuộc gặp mặt các nhà lãnh đạo các nước tiên phong trên thế giới ở Evine tháng 5 năm 2003 đã tuyên bố, thành tố quan trọng của sự phát triển bền vững tương lai cho nền văn minh nhân loại là ngành năng lượng hydro. Các đặc tính của Hydro (H2) Ở trạng thái tự do và trong các điều kiện bình thường, hydro - khí không màu, không mùi và không vị. Tỷ trọng hydro bằng 1/14 tỷ trọng của không khí. Hydro thường tồn tại ở dạng liên kết với các nguyên tố khác như ôxy trong nước, cacbon trong khí methane và trong các hợp chất hữu cơ. Do hydro có hoạt tính cực mạnh nên hiếm thấy hydro tồn tại như một nguyên tố riêng rẽ. Được làm mát tới trạng thái lỏng hydro chiếm 1/700 thể tích của trạng thái khí. Hydro khi hoá hợp với ôxy có hàm lượng năng lượng cao nhất trên một đơn vị khối lượng: 120,7 GJ/T. Đó là một trong các nguyên nhân tại sao hydro lỏng được sử dụng làm nhiên liệu cho các tên lửa vả năng lượng cho tầu vũ trũ, tại đây khối lượng phân từ nhỏ và suất hàm lượng năng lượng cao có ý nghĩa hàng đầu. Hydro đốt trong oxy tinh khiết, các sản phẩm duy nhất sinh ra là nhiệt lượng với nhiệt độ cao và nước. Do đó khi sử dụng hydro sẽ không tạo ra khí nhà kính và không phá hoại vòng luân chuyển của nước trong thiên nhiênh. Sản xuất hydro Trữ lượng hydro gắn kết trong vật chất hữu cơ và trong nước thực tế là vô hạn. Việc cắt rời các mối gắn kết đó cho phép sản xuất hydro và tiếp đó hydro được sử dụng làm nhiên liệu. Người ta đã nghiên cứu triển khai nhiều quá trình phân giải nước thành các nguyên tố Hydro và O xy. Khi đốt nóng trên 2500oC nước được phân giải thành hydro và oxy (nhiệt phân trực tiếp). Nhiệt độ cao như vậy có thể thu được nhờ gương hội tụ năng lượng mặt trời. Vấn đề ở đây là ngăn cản sự tái hợp hydro và o xy. Ngày nay trên thế giới phần lớn hydro được điều chế ở quy mô công nghiệp thu được trong quá trình biến hoán khí methane bằng hơi nước (BMH). Hydro thu được bằng phương pháp đó dùng để làm chất phản ứng tinh chế dầu mỏ và để làm thành tố của phân đạm và kể cả kỹ thuật tên lửa. Hơi nước và nhiệt năng với nhiệt độ 750 - 850oC cần thiết để tách hydro khỏi gốc cacbon trong methane, quá trình đó diễn ra trong các máy cải biến hoá học hơi nước. Giai đoạn thứ nhất của quá trình BMH tách khí methane, và hơi nước ra thành hydro và khí oxyd carbon (CO). Tiếp đó sang giai đoạn thứ hai "phản ứng chuyển dịch" biến oxyd carbon và nước thành dioxyd carbon (C02) và hydro. Phản ứng này xảy ra với nhiệt độ 200 - 250oC. Điện phân nước: Hydro được sinh ra từ điện phân nước là khá dễ dàng, nhưng đắt. Trong các thiết bị điện phân nước công nghiệp và thử nghiệm công nghiệp đã đạt hiệu suất điện phân 70 - 80% với mật độ dòng điện dưới 1A/cm2 kể cả điện phân dưới áp suất. Các nhà nghiên cứu Nhật Bản đã nghiên cứu triển khai những khối điện cực kiểu màng với chất điện phân bằng polime rắn đảm bảo điện phân nước với hiệu suất (về điện) trên 90% khi mật độ dòng điện 3A/cm2. Trên thế giới thiết bị điện phân công nghiệp kiểu dung dịch kiềm tốt nhất do tập đoàn "Stuart Energe" (Canada) chế tạo. Các thiết bị này vận hành ổn định lâu dài, đảm bảo suất tiêu hao điện dưới 5 kWh/m3 H2 nên có thể cạnh tranh với phương pháp sản xuất hydro bằng biến hoán khí đốt thiên nhiên với việc áp dụng sự hấp thu chu trình ngắn. Ngoài ra các thiết bị điện phân đó cho phép thay đổi phụ tải từ 3% tới 100%. Người ta đặc biệt quan tâm đến thiết bị điện phân kết hợp với nguồn năng lượng tái tạo. Thí dụ, Trung tâm nghiên cứu năng lượng thuộc Trường đại học Humbolt đã nghiên cứu triển khai hệ thống sản xuất hydro bằng năng lượng mặt trời độc lập, trong đó sử dụng pin quang điện công suất 9,2 kW để cung cấp điện cho bộ truyền động các máy nén khí cấp khí cho hồ nuôi cá, và một thiết bị điện phân kiểu kiềm công suất 7,2 kW để sản xuất 25 lít H2/phút. Hệ thống nói trên đã vận hành độc lập từ năm 1993. Khi có ánh nắng mặt trời, các máy nén khí được cung cấp điện từ một nguồn điện 1,5 kW sử dụng hydro làm nhiên liệu. Tiềm năng sử dụng hydro Ở Châu Âu, vào cuối thế kỷ XIX, người ra đã đốt nhiên liệu được gọi là "khí thành phố hoặc khí tổng hợp" - đó là hỗn hợp hydro với oxyd carbon (CO). Một số nước kể cả Braxin và Đức ở đâu đó đến tận ngày nay vẫn sử dụng nhiên liệu này. Người ta đã sử dụng hydro để di chuyển trong bầu trời (khí cầu lái và khí cầu) bắt đầu từ chuyến bay đầu tiên ở Pháp ngày 27/8/1784 của Jacque Charle trên khí cầu nạp hydro. Ngày nay nhiều ngành công nghiệp sử sụng hydro để tinh chế dầu mỏ và để tổng hợp amoniac và methanol. Hệ thống tàu vũ trụ "Shattle" sử dụng hydro để làm nhiên liệu cho các khối tăng tốc. Hydro cũng được sử dụng để khởi động tàu chở hàng "Energy" để đưa lên quỹ đạo những kiện hàng siêu trọng, thí dụ như con tàu "Buran". Ô tô và buồng đốt của máy bay tương đối dễ dàng chuyển đổi sang sử dụng hydro làm nhiên liệu. Ở Nga động cơ ô tô lần đầu tiên sử dụng hydro tại Leningrad khi bị Đức bao vây năm 1942. Vào những năm 80, Tổ hợp khoa học - kỹ thuật hàng không (TKHH) mang tên A.N. Tupolev đã chế tạo phòng thí nghiệm bay (trên cơ sở máy bay TU - 154V) sử dụng hydro lỏng làm nhiên liệu. Kết quả là đã tạo ra máy bay đầu tiên trên thế giới sử dụng nhiên liệu được làm lạnh - hydro lỏng và khí thiên nhiên hoá lỏng (KTNL) - máy bay TU - 155. Hiện nay ngành năng lượng hydro - nguyên tử quy mô lớn đang được quan tâm mà những người khởi xướng là những nhà chế tạo các loại ô tô khổng lồ. Hydro có nhiều ưu việt để làm nhiên liệu cho các phương tiện vận tải và ngành công nghiệp ô tô đang tích cực tham gia vào việc sử dụng hydro. Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu, thiết kế, chủ doanh nghiệp, nhà đầu tư lại hướng sự chú ý đặc biệt vào pin nhiên liệu. Pin nhiên liệu (tức là các thiết bị phát điện kiểu điện - hoá - "PĐĐH"), loại công nghệ áp dụng phản ứng oxy hoá hydro trong quá trình điện hoá màng mỏng để sản sinh ra điện, nhiệt năng và nước. Các chương trình vũ trụ của Mỹ và Liên Xô đã áp dụng các PĐĐH trong suốt nhiều thập niên qua. Pin nhiên liệu làm dẫn động cho ô tô tải và ô tô khách đang được nghiên cứu triển khai thành công cho các phương tiện vận tải thế hệ tiếp theo kể cả cho các hệ thống cung cấp điện độc lập. Pin nhiên liệu polime rắn, về trình độ kỹ thuật đang ở ngưỡng thương mại hoá. Tuy nhiên, hiện nay giá thành cao (thiết bị năng lượng khoảng 10.000 USD/kW) trong chừng mực đáng kể đang kìm hãm quá trình áp dụng rộng rãi. Nhiều hãng dự báo giảm giá thành thiết bị năng lượng với Pin nhiên liệu polime rắn xuống một bậc và thấp hơn nữa khi sản xuất hàng loạt. Để sử dụng rộng rãi Pin nhiên liệu polime rắn trong ngành vận tải ô tô, giá thành của chúng cần giảm xuống tới 50 - 100 USD/kW. Trong tương lai gần, các tiêu chuẩn về khí thải khắt khe hơn, giá xăng tăng lên và giá thành Pin nhiên liệu giảm bớt thì lợi thế thuộc về các ô tô và các thiết bị phát điện độc lập sử dụng Pin nhiên liệu polime rắn có công suất 100 - 300 kW. Ở Mỹ, Đức, Nhật Bản, Canada đã xây dựng và khai thác các trạm nạp hydro cho ô tô. Ôtô chạy bằng hydro sẽ được bán rộng rãi trong tương lai gần. Việc chế tạo ô tô với các kiểu động cơ hoạt động theo nguyên lý mới đòi hỏi đầu tư rất lớn và hầu như không thể thực hiện nếu chính phủ không hỗ trợ. Từ năm 1995, theo chương trình nghiên cứu, chế tạo thử nhằm chế tạo các kiểu động cơ mới nói trên Chính phủ Mỹ đã tài trợ cho chương trình 1,7 tỷ USD. Phần lớn trong khoản tài trợ nhằm tạo ra các loại ô tô - ghép (Hybrid) và loại sử dụng pin nhiên liệu. Mô hình đầu tiên chiếc ô tô nói trên đã hoàn thành vào năm 2001. Các mẫu ô tô chế tạo đầu tiên đã sử dụng hydro trong các bình (chai) bằng thép. Tiếp theo đó đã xuất hiện các ô tô chạy bằng hydro liên kết về hoá học trong rượu methyl (methanol). Ô tô đầu tiên chạy bằng pin năng lượng được hãng Daimler - Benz trình diễn vào năm 1994. Đến năm 2000 đã hoàn thiện mẫu ô tô bình chứa 100 lít hydro lỏng đảm bảo công suất động cơ điện 74 mã lực, tốc độ tối đa 160 km/h, đủ cho hành trình 450 km. Chuyển động ô tô bắt đầu ngay khi nhấn pê- đan tăng tốc, sau 2 giây, công suất của động cơ đạt 90% mức tối đa. Loạt ô tô con đầu tiên chạy với pin năng lượng bằng hydro lỏng được Trung tâm nghiên cứu thuộc hãng Ford Focus (Mỹ) cho ra xưởng trong năm 2004. Chi nhánh hãng Ford Foschungszentrum Aachen (Đức) hợp tác với 40 trường đại học thuộc 12 nước đã chế tạo mẫu Modeo P2000 HFC trên cơ sở loạt ô tô Ford Taurus. Bình hydro lỏng đặt sau ghế ngồi đảm bảo hành trình 160 km. Loạt ô tô Mondeo P2000 HFC được lắp ráp tại Mỹ khai thác thử nghiệm. Giá dự kiến - 35 nghìn USD. Tổ hợp Bavar BMW trình diễn ở nhiều nước loạt ô tô BMW 750 hl với bình chưa 140L hydro lỏng. Tốc độ tối đa - 200 km/h, nhiên liệu hydro đủ cho hành trình 350 km. Trạm nạp hydro tự động được xây dựng năm 1999 ở Muyních ngay cạnh sân bay. 16 ô tô con BMW 750 hl từ năm 1999 đã chạy được trên 65.000 km. Hãng ô tô Toyota (Nhật) bắt đầu đưa ra hàng loạt ôtô đầu tiên với pin năng lượng bằng hydro lỏng với giá 75 nghìn USD một chiếc. Giá ô tô cao như vậy là do các yêu cầu cao của các bộ phận cấu thành của máy PĐĐH (Pin nhiên liệu) và hệ thống bảo quản hydro phức tạp với nhiệt độ quá thấp. Những vấn đề phát sinh thêm khi đỗ ô tô -bắt đầu quá trình tổn thất hydro do bốc hơi. Việc bảo quản hydro dưới áp suất gây ra các vấn đề khác. Ngày nay người ta đã nghiên cứu triển khai các hệ thống bảo quản hydro trong các hợp chất ghép. Các hợp chất này là hợp chất hydro với các nguyên tố hoá học khác, thí dụ hệ thống bảo quản hydro trên cơ sở hợp chất ghép với mege (Mg). Một số hợp kim mage - niken, mage - đồng và sắt - titan, hấp thu khối lượng lớn hydro và giải phóng hydro khi đun nóng. Tuy nhiên, các hợp chất ghép có hàm lượng năng lượng cho một đơn vị trọng lượng không cao và quá trình nạp hydro chậm đến mức không cho phép. Công nghệ mới tổng hợp các chất hoá học chứa hydro như amoniac, methanol và các hợp chất khác với quy mô lớn cho phép giảm chi phí cho cơ sở hạ tầng cung cấp và nạp hydro, sử dụng các hệ thống bảo quản tối ưu. Rượu methyl hoặc benzin (xăng) là nguồn hydro lỏng có triển vọng. Khi sử dụng methanol, hệ thống bảo quản và vận chuyển nhiên liệu đơn giản hơn. Hãng Daimler Chrysler dự tính chế tạo khai thác thử loạt ô tô NECAR3 với pin năng lượng bằng methanol và đủ cho hành trình giữa 2 lần nạp nhiên liệu - 400 dặm. Mẫu xe Ford Mondeo P2000 FC5 được chế tạo tại trung tâm nghiên cứu ở châu Âu của Hãng Ford Forschungxentrum Aachen, 400 mắt (ô) nhiên liệu methanol khối lượng 172 kg đặt dưới chỗ ngồi. Với nhiệt độ tăng cao sẽ bắt đầu phản ứng tạo ra hydro từ methanol. Động cơ điện 120 mã lực đảm bảo đạt tốc độ tối đa 145 km/h. Hãng này dự kiến giảm giá ô tô xuống tới 15 nghìn USD/chiếc vào năm 2004. Đó là những ô tô sạch về mặt sinh thái. Giá thành hydro Ngày nay phương pháp sản xuất hydro hiệu quả nhất về kinh tế là phương pháp biến hoán methane bằng hơi nước. Theo các số liệu của Bộ Năng lượng Mỹ năm 1995, giá thành hydro là 7 USD/GJ (1 tỷ Joules) sản xuất ở nhà máy lớn tức là tương đương giá xăng 0,24 USD/l. Để hạch toán người ta đã quy định giá khí thiên nhiên 2,3 USD/GJ (80 USD/1000m3). Sản xuất hydro bằng phương pháp điện phân trên cơ sở các công nghệ hiện đại được đánh giá theo chi phí là từ 10 - 20 USD/GJ. Trong tương lai gần nhất, hydro sản xuất từ nước trong quá trình biến hoán bằng hơi nước có thể giảm xuống dưới 7 USD/GJ, tức là rẻ hơn xăng. Hợp tác quốc tế Tháng 3 năm 2003 Bộ năng lượng Mỹ đã khởi động các công trình theo chương trình "Sáng kiến về hydro - nguyên tử" nhằm tạo ra trước năm 2015 tổ hợp hydro - nguyên tử về sản xuất hydro bằng lò phản ứng hạt nhân nhiệt độ cao. Tháng 7 năm 2003 Thượng Viện Mỹ đã cấp ngân sách cho sáng kiến về hydro - nguyên tử gấp 2 lần so với đề nghị của chính quyền Tổng thống Mỹ. Tháng 6 năm 2003 tại kỳ họp của Cơ quan năng lượng quốc tế Bộ trưởng năng lượng Mỹ Spencer Abraham đã tuyên bố rằng sau 20 năm nữa toàn thế giới (các nước phát triển sẽ sớm hơn) sẽ chuyển sang loại nhiên liệu mới chạy động cơ, thí dụ, hydro. Trong suốt 5 năm nghiên cứu triển khai động cơ chạy bằng hydro Mỹ chi phí 1,7 tỷ USD, còn Liên minh Châu Âu 2 tỷ USD. Phát biểu tại Hội nghị Liên minh Châu Âu ở Bruxen (Bỉ), Spencer Abraham đã kêu gọi châu Âu liên kết trong việc nghiên cứu để phát triển ngành năng lượng hydro dựa vào năng lượng nguyên tử. 25/6/2003 trong một tuyên bố chung, Tổng thống Mỹ Gorge Bush và Chủ tịch Liên minh Châu Âu Romano Prody đã tuyên bố về sự cần thiết phải hợp tác để phát triển ngành năng lượng hydro. Trong thời gian gặp gỡ thượng đỉnh về năng lượng Nga - Mỹ (Saint Peterbung. 22 - 23/9/2003) các bộ trưởng năng lượng Nga - Mỹ đã tuyên bố về hợp tác Nga - Mỹ trong các công trình để phát triển ngành kinh tế hydro. (Nguồn: QLNĐ)