Hydro: Quang hợp nhân tạo và Nhiên liệu sạch

13 minute read

Updated on Sun Aug 29 2021

Ở chương vừa rồi, chúng ta đã biết pin cho phép chúng ta thay thế 71% nhiên liệu gốc dầu bằng điện. Nó được sử dụng cho ô tô, xe tải và các loại phương tiện công cộng trên đất liền, nhưng pin không thể trữ đủ năng lượng trên mỗi kg để tạo ra điện cho máy bay và thuyền.

Hydro có thể giúp chúng ta ở đây, và khi nó đủ rẻ, nó còn có thể được sử dụng làm nhiên liệu cho ô tô nữa! Bằng cách nào ư? Bằng việc Hydro giữ năng lượng gấp 128 lần so với pin Li-Ion trên mỗi kilogram đó.

Năng lượng riêng của Hydro và pin Li-Ion

Trong tự nhiên, hydro (H) thường xuất hiện dưới dạng một cặp hai nguyên tử (H₂). Điều này cũng giống với oxy (O₂).

Nước (H₂O) được làm từ hydro và oxy. Bạn có thể chưa bao giờ thấy nước tách thành H₂ và O₂ đúng không? Đó là bởi vì nước là một hợp chất ổn định. Tách H₂O cần năng lượng. Do đó, chúng ta có thể tích trữ năng lượng bằng cách tách nước (2H₂O) thành 2H₂ vàO₂ và sau đó lấy năng lượng lại bằng cách hợp chúng lại với nhau.

Nhiên liệu từ nước ư?

Ý tưởng rất đơn giản: sử dụng điện sạch (từ năng lượng tái tạo hoặc hạt nhân) để tách nước trong một quá trình được gọi là quá trình điện phân.

Quá trình điện phân

Sau này, chúng ta có thể biến H₂ trở lại thành điện bằng cách sử dụng thứ gọi là pin nhiên liệu hydro:

Pin nhiên liệu hydro

Ngày nay Hydro được sản xuất như thế nào?

Ta có thể thấy được nhu cầu đáng kể của hydro từ năm 1975. Và bởi vì hydro ngày nay được sản xuất từ khí tự nhiên, việc sản xuất chúng thải ra 2% tổng lượng phát thải CO₂ toàn cầu!

Tại sao người ta lại dùng khí tự nhiên thay vì năng lượng tái tạo? Vì giá thành của nó đó. Nhưng với những cải tiến và việc triển khai năng lượng Mặt Trời và gió, chúng ta có thể giảm chi phí xuống rất nhiều:

Giá thành của hydro

Ta cần thay đổi điều gì?

Hiệu suất điện phân cao hơn: Càng nhiều hydro từ mỗi đơn vị năng lượng thì càng tốt.

Hiệu suất nén cao hơn: Dù mỗi đơn vị năng lượng chúng ta dùng cho việc nén đều trở nên lãng phí sau đó, chúng ta vẫn cần nén hydro để có thể chứa trong thùng. Dù gì thì hydro cũng ở dạng khí mà.

Hiệu suất pin nhiên liệu cao hơn: Ta có thể lấy được càng nhiều năng lượng từ mỗi kilogram hydro thì càng tốt.

Điện phân rẻ hơn: Năng lượng chỉ là một phần trong chi phí của hydro mà thôi. Máy điện phân cần rẻ hơn 20-50% để đáp ứng được số liệu dự đoán từ biểu đồ mà chúng ta đã hiện thị trước đây.

Cơ sở hạ tầng: Rất khó để vận chuyển được chất ở dạng khí. Để tránh phần chi phí trả trước khổng lồ cho việc xây dựng đường ống dẫn, H₂ có thể được sản xuất gần nơi nó được sử dụng. Đây là một sự đánh đổi vì việc chế tạo nhiều máy điện phân nhỏ hơn có thể sẽ đắt hơn một vài máy điện phân lớn.

Quang hợp nhân tạo có thể giúp gì không?

Hiệu quả của quang hợp

Điều gì sẽ xảy ra nếu chúng ta có thể làm những gì thực vật làm để tạo ra năng lượng, nhưng làm điều đó tốt hơn chúng?

Thực vật cần những nguyên liệu đầu vào nào để phát triển?


Các sản phẩm của quá trình quang hợp ở cây là gì?


Dưới góc nhìn của một kĩ sư, thực vật là loại máy có thể biến CO₂, nước và năng lượng thành đường và oxy.

Phương trình của quá trình quang hợp

Các nhà nghiên cứu đang nghiên cứu về quang hợp nhân tạo, một công nghệ trực tiếp biến nước, ánh sáng mặt trời và không khí thành H₂ và O₂, hoặc thậm chí là nhiên liệu tương tự như nhiên liệu chúng ta sử dụng trên ô tô ngày nay!

Dù rằng ta đang có những tiến triển trong lĩnh vực này, ngay cả các nhà nghiên cứu đang nghiên cứu về vấn đề này cũng nói rằng quang hợp nhân tạo sẽ không phải là một công nghệ vừa túi tiền trong tương lai gần hoặc thậm chí trong 20 năm nữa.

Chi phí và cái bẫy của pin hydro

Pin đã trở nên rẻ hơn!

Bên cạnh sự đổi mới, việc gia tăng nhu cầu đã tạo ra kinh tế quy mô, theo đó mọi thứ sẽ rẻ hơn nếu bạn có thể sản xuất chúng nhiều hơn.

Ví dụ, để làm một túi khoai tây chiên, bạn cần phải xây dựng một trang trại khoai tây và một nhà máy sản xuất khoai tây chiên. Nếu sau đó bạn làm thêm 100.000 túi và chia đều chi phí ban đầu cho chúng, mỗi túi sẽ rẻ hơn nhiều!

Vì điều này đã diễn ra đối với pin trên ô tô rồi, nên hydro khó có thể bắt kịp được.

Kết luận

Hydro có thể thay thế nhiên liệu gốc dầu cho máy bay và tàu, điều mà pin không thể làm được.

Làm cho việc sản xuất, nén, lưu trữ và vận chuyển hydro rẻ hơn có thể có tác động lớn đến toàn bộ hệ sinh thái năng lượng và như một tác dụng phụ, nó sẽ giúp tránh 2% sự phát thải toàn cầu từ việc sản xuất hydro ngày nay.

Chúng ta cần sự đổi mới!

Chương tiếp theo