Biến chất thải thành năng lượng sạch nhờ pin nhiên liệu hydro

Ngày 29.6, Doosan Fuel Cell thông báo rằng họ đã phát triển thành công mô hình pin nhiên liệu hydro sử dụng khí sinh học. Đó là kết quả hợp tác cùng Công ty Điện lực Tây Hàn Quốc (Korea Western Power).

Khí sinh học là loại khí được tạo ra khi chất thải hữu cơ (nước thải, rác thực phẩm, phân gia súc...) phân hủy trong môi trường kín, có thành phần gồm 50 - 70% mê tan (CH₄).

Mô hình này được phát triển từ năm 2021 cùng với Korea Western Power. Kết quả là tạo ra một sản phẩm thân thiện với môi trường sử dụng khí sinh học để tạo ra điện thông qua pin nhiên liệu hydro. Nó có thể vận hành bằng cách bơm trực tiếp khí sinh học vào pin nhiên liệu hydro hoặc trộn khí sinh học với khí thiên nhiên (NG) để sử dụng.

Vào năm 2023, “Luật thúc đẩy sản xuất và sử dụng khí sinh học từ tài nguyên chất thải hữu cơ” (gọi tắt là Luật Khí sinh học) đã được ban hành.

Bộ Môi trường Hàn Quốc cũng đã công bố kế hoạch mở rộng sản lượng khí sinh học từ 360 triệu Nm³ (1 Nm³ là thể tích của một lượng khí cụ thể khi nó ở nhiệt độ 0∘C và áp suất 1 atm) từ năm 2020 lên 500 triệu Nm³ mỗi năm vào năm 2026. Do đó, nhu cầu đối với sản phẩm vừa được phát triển lần này dự kiến sẽ tăng cao.

Sản phẩm chủ lực của Doosan Fuel Cell là pin nhiên liệu axit photphoric (PAFC), có thể sử dụng nhiều nguồn năng lượng khác nhau. Trong đó gồm: mô hình hydro (bơm trực tiếp hydro), mô hình NG (sử dụng khí thiên nhiên), và mô hình kép (sử dụng khí hóa lỏng LPG và khí thiên nhiên NG).

Ngoài ra, Doosan Fuel Cell còn có sản phẩm mới là pin nhiên liệu oxit rắn (SOFC), dự kiến sẽ được sản xuất hàng loạt trong nửa cuối năm nay. Một đại diện của Doosan Fuel Cell cho biết: “Chúng tôi sẽ tiếp tục nâng cao công nghệ chuyển hóa nhiên liệu để bất kỳ nguồn năng lượng nào có khả năng chiết xuất hydro đều có thể được sử dụng cho phát điện bằng pin nhiên liệu hydro”.

Ông nói thêm: “Chúng tôi kỳ vọng rằng các cơ hội kinh doanh trong tương lai sẽ mở rộng nhờ vào việc cung cấp các sản phẩm pin nhiên liệu hydro tùy chỉnh, sử dụng nhiều loại nguồn năng lượng khác nhau”.

Pin nhiên liệu hydro là gì?

Pin nhiên liệu hydro (Hydrogen Fuel Cell) là một công nghệ đột phá, biến đổi trực tiếp năng lượng hóa học của hydro và oxy thành năng lượng điện thông qua một phản ứng điện hóa, không thông qua quá trình đốt cháy. Khác với pin thông thường (ắc quy), pin nhiên liệu không cần sạc lại và có thể sản xuất điện liên tục miễn là có nhiên liệu (hydro) và chất oxy hóa (thường là oxy từ không khí) được cung cấp.

Về cấu tạo, một tế bào pin nhiên liệu cơ bản bao gồm 3 thành phần chính. Cực anode (Cực âm - Fuel Electrode): Nơi hydro được đưa vào; cực cathode (Cực dương - Oxygen Electrode): Nơi oxy (thường từ không khí) được đưa vào; chất điện phân (Electrolyte): Một lớp vật liệu nằm giữa anode và cathode, cho phép các ion di chuyển qua nhưng ngăn chặn electron đi trực tiếp. Tùy thuộc vào loại pin nhiên liệu mà chất điện phân có thể là dạng lỏng hoặc rắn.

Nguyên lý tạo điện trong pin nhiên liệu hydro

Tại cực anode: Khí hydro (H2 ) được cấp vào cực anode. Tại đây, với sự có mặt của chất xúc tác (thường là bạch kim), các phân tử hydro bị tách thành ion hydro (proton - H+ ) và electron (e− ). Phản ứng: H22H++2e−

Di chuyển của ion và electron: Các ion H+di chuyển qua lớp chất điện phân đến cực cathode. Các electron (e−) không thể đi qua chất điện phân mà phải di chuyển qua một mạch điện bên ngoài, tạo ra dòng điện mà chúng ta có thể sử dụng.

Tại cực cathode: Khí oxy (O2) được cấp vào cực cathode. Tại đây, các ion H+ (từ anode đi qua chất điện phân), các electron (e−) (từ mạch ngoài) và oxy (O2) kết hợp với nhau để tạo thành nước (H2O) và nhiệt. Phản ứng: O2 +4H+ +4e− 2H2O.

Phản ứng tổng quát: Phản ứng tổng thể trong pin nhiên liệu hydro là: 2H2 + O22H2O.

Sản phẩm phụ duy nhất của quá trình này là nước và nhiệt, khiến pin nhiên liệu hydro trở thành một công nghệ năng lượng cực kỳ sạch, không phát thải khí nhà kính hay các chất ô nhiễm khác ra môi trường.

Ưu điểm nổi bật của pin nhiên liệu hydro

Thân thiện với môi trường: Không phát thải CO2 hay các chất ô nhiễm. Sản phẩm phụ là nước tinh khiết.

Hiệu suất cao: Chuyển đổi trực tiếp năng lượng hóa học thành điện năng, hiệu suất cao hơn so với động cơ đốt trong truyền thống.

Hoạt động liên tục: Cung cấp năng lượng miễn là có nhiên liệu, không bị giới hạn bởi dung lượng pin và thời gian sạc.

Đa dạng nguồn nhiên liệu: Mặc dù pin nhiên liệu hydro hoạt động tốt nhất với hydro tinh khiết, nhưng các công nghệ tái tạo nhiên liệu (fuel reforming) cho phép sử dụng nhiều nguồn khác nhau để chiết xuất hydro như khí tự nhiên (NG), khí sinh học (biogas), methanol, hoặc cả amoniac.

Giảm tiếng ồn: Hoạt động rất êm ái.

Pin nhiên liệu hydro có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực.

- Giao thông vận tải

Xe điện pin nhiên liệu (FCEV): Ô tô, xe buýt, xe tải, tàu hỏa chạy bằng hydro (ví dụ: Toyota Mirai, Hyundai Nexo).

Tàu thủy và máy bay: Đang được nghiên cứu và phát triển để thay thế nhiên liệu truyền thống.

- Phát điện tĩnh (Stationary Power)

Cung cấp điện cho các tòa nhà, khu dân cư, trung tâm dữ liệu.

Nguồn điện dự phòng cho các cơ sở hạ tầng quan trọng.

Thiết bị di động: Laptop, điện thoại (mặc dù vẫn còn ở giai đoạn nghiên cứu).

Hàng không vũ trụ: Đã được sử dụng trong các tàu vũ trụ và tàu con thoi để cung cấp điện và nước uống cho phi hành đoàn.

Các loại pin nhiên liệu hydro phổ biến

Có nhiều loại pin nhiên liệu khác nhau, được phân loại dựa trên chất điện phân và nhiệt độ hoạt động, mỗi loại phù hợp với những ứng dụng riêng:

Pin nhiên liệu màng trao đổi proton (PEMFC): Hoạt động ở nhiệt độ thấp (50 - 100°C), khởi động nhanh, thích hợp cho xe cộ và các ứng dụng di động.

Pin nhiên liệu axit photphoric (PAFC): Hoạt động ở nhiệt độ trung bình (150 - 220°C), hiệu suất cao, được dùng trong các nhà máy phát điện cỡ nhỏ và trung bình.

Pin nhiên liệu oxit rắn (SOFC): Hoạt động ở nhiệt độ cao (500 - 1.000°C), có thể sử dụng nhiều loại nhiên liệu (khí tự nhiên, biogas) mà không cần bộ chuyển đổi hydro riêng, lý tưởng cho phát điện quy mô lớn.

Pin nhiên liệu kiềm (AFC): Hoạt động ở nhiệt độ thấp, hiệu suất cao, nhưng nhạy cảm với CO2 trong không khí.

Pin nhiên liệu carbonate nóng chảy (MCFC): Hoạt động ở nhiệt độ cao (600 - 700°C), có thể sử dụng nhiều loại nhiên liệu.

Anh Tú