Hydrogen & Pin nhiên liệu (sản xuất hydrogen) pps

Hydrogen & Pin nhiên liệu
(sản xuất hydrogen)


15.2. Sản xuất hydrogen
Hydrogen là nguyên tố phổ biến nhất, cấu thành
đến 90% vật chất của vũ trụ (75% theo trọng
lượng). Mặt Trời, hầu hết các ngôi sao và một
số hành tinh như Jupiter (“sao” Mộc – hành tinh
lớn nhất Thái Dương hệ) được tạo nên chủ yếu
bởi hydrogen. Phản ứng tổng hợp hạt nhân giữa
các đồng vị của hydrogen, deuterium và tritium
đã cung cấp nguồn năng lượng khổng lồ cho
mặt trời và các ngôi sao, nhờ đó duy trì sự
sống.
Hydrogen là thành viên nhỏ nhất và có cấu trúc
đơn giản nhất trong gia đình các nguyên tố hóa
học, chỉ gồm một proton và một electron. Phân
tử hydrogen chứa hai nguyên tử hydrogen, là
khí không màu, không mùi, không vị, rất dễ
cháy. Hydrogen có trọng lượng nhỏ nhất trong
các loại khí và hydrogen dạng nguyên chất gần
như không tồn tại trong tự nhiên.
Trên Trái Đất, hydrogen phần lớn ở dạng kết
hợp với oxygen trong nước, hay với carbon và
các nguyên tố khác trong vô số các hợp chất
hữu cơ tạo nên cơ thể mọi loài động thực vật.
Khác với các nguồn năng lượng cơ bản (ví dụ

như dầu mỏ có thể bơm trực tiếp từ lòng đất lên
rồi sử dụng), hydrogen là nguồn năng lượng thứ
cấp, tức là chúng không thể được khai thác trực
tiếp mà phải được tạo ra từ một nguồn sơ cấp
ban đầu. Điều này là một điểm bất lợi, nhưng
đồng thời lại là điểm mạnh của hydrogen do
người ta có thể sản xuất khí hydrogen từ nhiều
nguồn khác nhau, đặc biệt từ các nguồn năng
lượng tái sinh.
Có ba phương pháp cơ bản tạo ra hydro:
+ Phương pháp chuyển hóa hydrocarbon (nhiên
liệu hóa thạch, sinh khối) bằng nhiệt (Reforming)
+ Phương pháp điện phân nước (Electrolysis)
+ Phương pháp sinh học (Biological method)

15.2.1 Hóa nhiệt nhiên liệu hydrocarbon
a) Hóa nhiệt khí thiên nhiên với hơi nước
(Natural gas steam reforming)
Quá trình này gồm hai bước chính.
Trước hết, khí thiên nhiên (với thành phần chủ
yếu là methane) được tách carbon và chuyển
hóa thành hydrogennhờ hơi nước dạng siêu
nhiệt dưới áp suất cao, xúc tác thích hợp ở nhiệt
độ khoảng 900°C.
CH4 + H2O => CO + 3 H2 (15.1)
Carbon mono-oxide sinh ra lại tiếp tục được
phản ứng với hơi nước và xúc tác chuyển hóa
thành khí carbonic và tạo ra thêm khí hydrogen.
CO + H2O => CO2 + H2 (15.2)
Đây là phương pháp công nghiệp phổ biến hiện

nay để sản xuất hydrogen. Tuy nhiên phương
pháp này không được áp dụng để tạo một
nguồn năng lượng mà chỉ để cung cấp nguyên
liệu cho các ngành hóa chất, phân bón, tinh lọc
dầu mỏ v.v.
b) Khí hóa hydrocarbon nặng (Gasification
heavy hydrocarbon)
Thuật ngữ hydrocarbon nặng là để nói đến dầu
mỏ và than đá. Than đá trước khi khí hóa phải
được nghiền thành dạng bột rồi hòa trộn với
nước. Thông thường, nhiên liệu được hóa nhiệt
ở khoảng 14000C với oxygen hay không khí
(oxygen hóa không hoàn toàn), tạo ra hỗn hợp
gồm hydrogen, carbon mono oxide (CO) và vài
sản phẩm phụ. CO sinh ra lại tiếp tục được
phản ứng với hơi nước và xúc tác chuyển hóa
thành khí carbonic và tạo ra thêm khí hydrogen,
tương tự như bước thứ hai của quá trình hóa
nhiệt khí thiên nhiên.
Rõ ràng đây không phải là phương pháp tối ưu.
Bất lợi lớn nhất của nó là sử dụng nhiên liệu
hóa thạch làm nguyên liệu và đồng thời cũng
làm nhiên liệu cung cấp nhiệt lượng cho quá
trình. Nhiên liệu hóa thạch là nguồn tài nguyên
hữu hạn, thêm vào đó, việc đốt chúng tạo ra khí
carbonic gây hiệu ứng nhà kính. Do đó phương
pháp này xét về lâu dài không bền vững.
Tuy vậy, phương pháp sản xuất khí hydrogen từ
nhiên liệu hóa thạch đã và sẽ còn chiếm ưu thế
trong tương lai gần. Lý do chính yếu là do trữ

lượng nhiên liệu hóa thách còn tương đối dồi
dào, nhất là đối với khí thiên nhiên. Hơn nữa,
những công nghệ này (phương pháp sản xuất
hydrogen công nghiệp từ khí thiên nhiên nói
riêng và nhiên liệu hóa thạch nói chung) đã khá
quen thuộc trong công nghiệp hóa chất, trong
khi cơ sở hạ tầng cho việc phát triển sản xuất
hydrogen từ các nguồn khác còn thiếu thốn. Vì
vậy, một khi nhiên liệu hóa thạch vẫn còn rẻ thì
phương pháp này vẫn có chi phí thấp nhất.
Thêm vào đó, để hạn chế mặt tiêu cực này của
nhiên liệu hóa thạch, ta có thể dùng công nghệ
tách khí carbonic rồi thu hồi và chôn lấp chúng
(Xem thêm Chương 13).
c) Quy trình hiện đại tạo ra hydrogen từ khí thiên
nhiên mà không thải ra CO2
Từ những năm 1980, Kværner – một tập đoàn
dầu khí của Na Uy đã phát triển công nghệ
mang tên “Kværner Carbon Black and Hydrogen
Process” (KCB&H). Nhà máy đầu tiên dựa trên
quy trình Kværner hiện đại này đặt ở Canada và
bắt đầu sản xuất vào tháng 6 năm 1999. Quy
trình cung plasma – Kværner ở nhiệt độ cao
(16000C) tách hydrogen và than hoạt tính từ
hợp chất hydrocarbon như dầu mỏ hay khí thiên
nhiên mà không thải ra CO2.
Than đen tinh khiết này được dùng trong sản
xuất vỏ xe hơi và dùng như chất khử trong công
nghiệp luyện kim. Nhờ một số tính chất đặc biệt
mà chúng còn có thể dùng để lưu trữ hydrogen

(ống carbonnano).
d) Khí hóa sinh khối và nhiệt phân (biomass
gasification and pyrolysis)
Sinh khối có thể được sử dụng để sản xuất
hydrogen. Đầu tiên, sinh khối được chuyển
thành dạng khí qua quá trình khí hóa ở nhiệt độ
cao có tạo ra hơi nước. Hơi nước chứa
hydrogen được ngưng tụ trong các dầu nhiệt
phân và sau đó có thể được hóa nhiệt để sinh ra
hydrogen. Quá trình này thường tạo ra sản
lượng hydrogen khoảng từ 12%-17% trọng
lượng hydrogen của sinh khối. Nguyên liệu cho
phương pháp này có thể gồm các loại mảnh gỗ
bào vụn, sinh khối thực vật, rác thải nông nghiệp
và đô thị v.v. Do các chất thải sinh học được sử
dụng làm nguyên liệu như vậy, phương pháp
sản xuất hydrogen này hoàn toàn tái tạo được
(renewable) và bền vững.

15.2.2. Điện phân nước
Phương pháp này dùng dòng điện để tách nước
thành khí hydrogen và oxygen. Quá trình gồm
hai phản ứng xảy ra ở hai điện cực. Hydrogen
sinh ra ở điện cực âm và oxygen ở điện cực
dương:
Phản ứng trên cathode: 2 H2O + 2e- => H2 + 2
OH- (15.3)
Phản ứng trên anode: 2 OH- => H2O + ½ O2 +
2e- (15.4)
______________________________________

__________________
Tổng quát: 2 H2O + điện năng => 2 H2 + O2
(15.5)
Sau đây là một số các dạng điện phân phổ biến:
a) Điện phân thông thường
Quá trình tiến hành với chất điện phân là nước
hay dung dịch kiềm. Hai phần ode và cathode
được tách riêng bởi màng ngăn ion
(microporous) để tránh hòa lẫn hai khí sinh ra.
b) Điện phân nước áp suất cao
Điện phân nước áp suất cao có thể sinh ra
hydrogen ở áp suất đến 5 MPa. Quá trình vẫn
đang trong giai đoạn nghiên cứu và hoàn thiện
dần.
c) Điện phân nước ở nhiệt độ cao
Ưu điểm của phương pháp này là đưa một phần
năng lượng cần thiết cho quá trình điện phân ở
dạng nhiệt năng, nhiệt độ 800-10000C vào quá
trình, 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 tận dụng nhiệt thừa từ các
trạm năng lượng.
d) Quang điện phân (photoelectrolysis)
Các panel mặt trời, chất bán dẫn (ứng dụng
hiện tượng quang điện), chuyển hóa trực tiếp
ánh sáng mặt trời thành điện năng. Khí
hydrogen được sinh ra khi dòng quang điện này
chạy qua thiết bị điện phân đặt trong nước. Sử
dụng năng lượng mặt trời để tạo ra điện dùng

trong điện phân nước, tương tự, chúng ta cũng
có thể sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo
khác như năng lượng gió, thủy điện để điện
phân nước tạo ra hydrogen. Như thế việc sản
xuất hydrogen sẽ là một quá trình sạch (không
khí thải), tái sinh và bền vững.
15.2.3. Phương pháp sinh học
Một số tảo và vi khuẩn chuyên biệt có thể sản
sinh ra hydrogen như là sản phẩm phụ trong
quá trình trao đổi chất của chúng. Các sinh vật
này thường sống trong nước, phân tách nước
thành khí hydrogenvà oxygen. Hiện tại, phương
pháp này vẫn đang trong giai đoạn nghiên cứu.
Ví dụ của phương pháp này là việc ứng dụng
một loại tảo đơn bào có tên Chlamydomonas
reinhardtii. Các nghiên cứu cho thấy loại tảo này
chứa enzyme hydrogenase có khả năng tách
nước thành hai thành phần hydrogen và
oxygen. Các nhà khoa học đã xác định được cơ
chế quá trình, điều này có thể giúp mang lại một
phương pháp gần như vô hạn để sản xuất
hydrogen sạch và tái sinh. Cơ chế này đã phát
triển qua hàng triệu năm tiến hóa giúp tảo tồn tại
trong môi trường không có oxygen. Một khi ở
trong chu trình này, tảo “thở” bằng oxygen lấy từ
nước và giải phóng ra khí hydrogen.
Gần đây, các nhà khoa học tại trung tâm năng
lượng hydrogen của trường ĐH tiểu bang
Pennsylvania cũng đã nghiên cứu thành công
phương pháp tạo ra hydrogen từ quá trình vi

khuẩn phân hủy các chất thải hữu cơ sinh học,
như nước thải sinh hoạt, nước thải nông nghiệp
v.v. Ứng dụng nghiên cứu này sẽ mở ra triển
vọng to lớn đầy hữu ích, vừa kết hợp xử lý nước
thải và vừa sản xuất hydrogen cung cấp cho pin
nhiên liệu vi khuẩn (micro-fuel cell), tạo ra điện
năng.