Nhiên liệu Hydro

Nhiên liệu Hydro

Nhiên liệu hydro là nhiên liệu không phát thải khi đốt bằng oxy, nếu coi nước không phải là khí thải. Nó thường sử dụng các tế bào điện hóa, hoặc đốt trong động cơ nội bộ, để tạo nguồn điện cho xe điện và các thiết bị điện. Nó cũng được sử dụng trong việc phóng tàu vũ trụ và có thể được sản xuất hàng loạt và được thương mại hóa cho các phương tiện vận chuyển hành khách và máy bay.

Khí Hydro - H2
Khí Hydro – H2

Hydrogen nằm trong nhóm đầu tiên và giai đoạn đầu tiên trong bảng tuần hoàn, tức là nó là thành phần đầu tiên của bảng tuần hoàn. Nó là nguyên tố nhẹ nhất. Vì khí hydro rất nhẹ, nóbay lên trong không khí (như chúng ta vẫn hay bơm khí Hydro và khí Heli vào bóng bay) và do đó hiếm khi tìm được nó ở dạng tinh khiết, H2.

Trong một ngọn lửa khí hydro tinh khiết, cháy trong không khí, hydro (H2) phản ứng với oxy (O2) để tạo ra nước (H2O) và giải phóng năng lượng.

2H2 (g) + O2 (g) → 2H2O (g) + năng lượng

Nếu được thực hiện trong môi trường không khí thay vì oxy tinh khiết, sự đốt cháy hydro có thể tạo ra một lượng nhỏ các oxit nitơ, cùng với hơi nước.

Năng lượng được giải phóng cho phép hydro hoạt động như một nhiên liệu. Trong một tế bào điện hóa, năng lượng đó có thể được sử dụng với hiệu quả tương đối cao. Nếu nó chỉ đơn giản được sử dụng cho nhiệt, giới hạn nhiệt động lực học bình thường giới hạn hiệu quả nhiệt được áp dụng.

Sản xuất Hydro

Sản xuất và phân phối hydro

Mặc dù Hydro có rất nhiều trên trái đất như là một phần tử, hydrogen luôn luôn được tìm thấy như là một phần của hợp chất khác, chẳng hạn như nước (H2O), và phải được tách ra khỏi các hợp chất có chứa nó trước khi nó có thể được sử dụng trong xe cộ. Một khi tách ra, hydro có thể được sử dụng cùng với oxy từ không khí trong một tế bào nhiên liệu để tạo ra điện thông qua một quá trình điện hóa.

Sản xuất

Hydrogen có thể được sản xuất từ ​​các nguồn tài nguyên đa dạng, bao gồm nhiên liệu hóa thạch, sinh khối và điện phân nước. Tác động môi trường và hiệu suất năng lượng của hydro phụ thuộc vào cách thức sản xuất ra nó.

Các phương pháp sản xuất khí Hydro
  • Từ khí thiên nhiên: Khí tổng hợp, hỗn hợp của hydro, carbon monoxide, và một lượng nhỏ carbon dioxide, được tạo ra bằng cách phản ứng với khí tự nhiên với hơi nước nhiệt độ cao. Carbon monoxide phản ứng với nước để tạo ra thêm hydro. Phương pháp này là rẻ nhất, hiệu quả nhất, và phổ biến nhất. Cải cách khí tự nhiên bằng hơi nước chiếm phần lớn lượng khí hydro được sản xuất hàng năm
  • Một loại khí tổng hợp cũng có thể được tạo ra bằng cách phản ứng than hoặc sinh khối với hơi nước và oxy trong nhiệt độ cao trong máy nén khí áp suất, được chuyển thành các thành phần khí – một quá trình gọi là khí hóa. Khí tổng hợp kết quả chứa hydrogen và carbon monoxide, phản ứng với hơi nước để phân tách hydro.
  • Điện phân: Dòng điện phân tách nước thành hydro và oxy. Nếu điện được sản xuất bởi các nguồn năng lượng tái tạo, chẳng hạn như năng lượng mặt trời hoặc gió, hyđrô kết quả sẽ được coi là tái tạo, và có nhiều lợi ích phát thải. Các dự án điện để hydro được bắt đầu, nơi mà điện tái tạo dư thừa, khi nó có sẵn, được sử dụng để làm cho hydro thông qua điện phân.
  • Thay đổi chất lỏng tái tạo: Các nhiên liệu lỏng tái tạo, như ethanol, được phản ứng với hơi nước nhiệt độ cao để tạo ra hydro gần điểm sử dụng cuối cùng.
  • Quá trình lên men: Sinh khối được chuyển đổi thành các nguyên liệu giàu đường có thể lên men để tạo ra hydro.
Một số phương pháp sản xuất hydro đang được phát triển:
  • Nhiệt phân nước: Nhiệt độ cao do các bộ khuếch đại mặt trời hoặc lò phản ứng hạt nhân tạo ra phản ứng hóa học phân chia nước để tạo ra hydro.
  • Phân tách nước bằng photobiological: Các vi sinh vật, như tảo xanh, tiêu thụ nước khi có ánh sáng mặt trời, tạo ra hydro như một sản phẩm phụ.
  • Phân tách nước: Các hệ thống quang điện hóa tạo ra hydro từ nước bằng chất bán dẫn đặc biệt và năng lượng từ ánh sáng mặt trời.

Khí Hydro được cung cấp như thế nào?

Hiện nay, hydro được phân phối thông qua ba phương pháp:

  • Đường ống dẫn: Đây cách rẻ nhất để cung cấp khối lượng lớn hydro.
  • Bình khí nén: Vận chuyển khí hydro bằng bình khí nén
  • Bồn  hydro hoá lỏng: Sự hóa lỏng cryogenic là một quá trình làm lạnh hydro thành nhiệt độ nơi nó trở thành chất lỏng. Mặc dù quá trình hoá lỏng là tốn kém, nó cho phép vận chuyển hydro một cách hiệu quả hơn

Ứng dụng của khí Hydro

Nhiên liệu hydro có thể cung cấp động cơ cho tên lửa nhiên liệu lỏng, ô tô, thuyền và máy bay, các ứng dụng tế bào nhiên liệu di động hoặc các ứng dụng tế bào nhiên liệu cố định, có thể cung cấp năng lượng cho động cơ điện. Các vấn đề của việc sử dụng nhiên liệu hydro trong xe hơi phát sinh từ thực tế là hydro rất khó để lưu trữ trong bể áp suất cao hoặc bồn chứa siêu lạnh

Một số phân tích tính kinh tế trong việc sử dụng Hydro

Những người ủng hộ nền kinh tế hydro cho rằng hydro là nhiên liệu tiềm năng cho động lực (bao gồm cả ôtô và thuyền) và điện phụ trợ trên tàu, sản xuất điện tĩnh (ví dụ nhu cầu năng lượng của các tòa nhà) và như một phương tiện lưu giữ năng lượng (ví dụ, đối với sự chuyển đổi giữa các điện cực thừa tạo ra ngoài đỉnh).

Sự gia tăng sự chú ý đối với khái niệm này đã được các nhà phê bình, các nhà quan sát trung lập và những người ủng hộ nghiên cứu và phát triển hơn nữa mô tả lại nhiều lần. Một số sáng kiến ​​quy mô nhỏ vẫn đang cố gắng để cho phép vận chuyển bằng nhiên liệu hydro. Tuy nhiên, ứng dụng này phải đối mặt với nhiều vấn đề, cho hiệu quả chuyển đổi cơ bản thấp và sự cạnh tranh từ các nguồn khác.

Trong nền kinh tế hydrocarbon hiện tại, vận tải chủ yếu là xăng dầu. Việc đốt cháy các nhiên liệu hydrocarbon phát ra khí cácbonic và các chất gây ô nhiễm khác. Việc cung cấp các nguồn tài nguyên hydrocarbon có thể sử dụng được trên thế giới còn hạn chế, và nhu cầu về nhiên liệu hydrocarbon ngày càng tăng, đặc biệt ở Trung Quốc, Ấn Độ và các nước đang phát triển khác.

Những người ủng hộ một nền kinh tế hydro trên quy mô thế giới cho rằng hydro có thể là nguồn năng lượng thân thiện với môi trường cho người tiêu dùng, đặc biệt là trong các ứng dụng vận chuyển mà không thải ra các chất gây ô nhiễm (như chất dạng hạt) hoặc carbon dioxide vào thời điểm sử dụng cuối cùng.

Hydrogen có mật độ năng lượng cao theo trọng lượng nhưng có mật độ năng lượng thấp theo thể tích khi không nén hoặc hoá lỏng. Một động cơ đốt trong chạy bằng hyđro là một động cơ chạy bằng vòng tuần hoàn của Otto, có hiệu suất tối đa khoảng 38%, cao hơn 8% so với động cơ đốt trong xăng.

Sự kết hợp của pin nhiên liệu và động cơ điện hiệu suất gấp 2-3 lần so với động cơ đốt trong. Tuy nhiên, chi phí vốn cao của pin nhiên liệu, khoảng 5.500 USD / kW vào năm 2002, là một trong những trở ngại chính của sự phát triển của nó, nghĩa là tế bào nhiên liệu chỉ có tính kỹ thuật nhưng không kinh tế hiệu quả hơn so với động cơ

Các trở ngại kỹ thuật khác bao gồm các vấn đề lưu trữ hydro và yêu cầu về độ tinh khiết của hydro được sử dụng trong các tế bào nhiên liệu – với công nghệ hiện tại, một tế bào nhiên liệu hoạt động đòi hỏi độ tinh khiết của hydro lên đến 99,999%. Mặt khác, công nghệ chuyển đổi động cơ hydro là tiết kiệm hơn so với các tế bào nhiên liệu.

Thị trường hydro hiện nay

Có hai cách sử dụng chính cho hydro ngày nay. Khoảng một nửa được sử dụng trong quá trình Haber để sản xuất amoniac (NH3), sau đó được sử dụng trực tiếp hoặc gián tiếp như phân bón. Bởi vì cả dân số thế giới và nông nghiệp thâm canh sử dụng để hỗ trợ nó đang phát triển, nhu cầu amoniac đang tăng lên.

Một nửa sản lượng hydro hiện tại được sử dụng để chuyển các nguồn dầu mỏ nặng thành các phân đoạn nhẹ hơn thích hợp để sử dụng làm nhiên liệu. Quá trình này được gọi là hydrocracking. Hydrocracking đại diện cho một vùng tăng trưởng thậm chí còn lớn hơn, vì giá dầu tăng cao khuyến khích các công ty dầu mỏ trích xuất các nguồn nguyên liệu nghèo hơn, như cát và dầu đá phiến sét.

Tính từ năm 2004 đến năm 2016, 96% sản xuất hydro toàn cầu là từ nhiên liệu hóa thạch (48% từ khí đốt tự nhiên, 30% từ dầu và 18% từ than đá); nước điện giải chỉ chiếm 4%. Việc phân phối sản xuất phản ánh những ảnh hưởng của những hạn chế về nhiệt động lực học đối với các lựa chọn về kinh tế