Nhiên liệu hydro với nhiều tên gọi khác nhau như một loại nhiên liệu sạch, nhiên liệu không carbon là loại nhiên liệu dễ tiếp cận nhất và là tương lai của các loại nhiên liệu. Nhiên liệu là bất cứ thứ gì có thể được tạo ra để phản ứng với các chất khác để giải phóng năng lượng và sự hiện diện của hydro trong các nguồn tài nguyên trong nước như sinh khối, khí tự nhiên, điện hạt nhân khiến nó trở thành nhiên liệu của tương lai. Nó thậm chí có thể được sản xuất thông qua năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời và gió. Tất cả những phẩm chất này kết hợp với nhau để làm cho nó trở thành một lựa chọn nhiên liệu thay thế cho giao thông vận tải, các ứng dụng phát điện, thiết bị điện tử cầm tay và hệ thống dự phòng điện.
Theo nhiều cách, hydro là nhiên liệu hoàn hảo. Đây là cách đốt sạch nhất và hiệu quả nhất, tạo ra một vòng lặp năng lượng có thể tái tạo và không gây hại cho môi trường. Hydro kết hợp hóa học với hầu hết các nguyên tố, vì vậy nó đã được sử dụng như một hóa chất công nghiệp trong một loạt các ứng dụng trong nhiều năm. Với sự hiện diện phong phú của nó, cách sản xuất hóa ra cũng có nhiều. Hãy chuyển sang sản xuất hydro.
Các công nghệ đột phá của sản xuất nhiên liệu hydro
Hydro là nguyên tố đơn giản nhất do thành phần hóa học của nó chỉ gồm một proton và một electron nên dễ dàng phản ứng với các chất khác nhau để biến đổi thành dạng có khả năng giải quyết một số vấn đề lớn của nhiên liệu trong tương lai. Hiệu quả năng lượng và tác động môi trường của hydro hoàn toàn phụ thuộc vào cách nó được sản xuất. Có một số phương pháp được sử dụng trong các ngành công nghiệp để sản xuất nhiên liệu hydro. Một vài trong số chúng được nói đến dưới đây:
Quá trình điện phân: Phương pháp tách nước thành hydro và oxy này bằng cách sử dụng dòng điện được gọi là điện phân. Rõ ràng là điện được sản xuất từ các nguồn tái tạo, chẳng hạn như năng lượng mặt trời hoặc gió, hydro tạo ra cũng sẽ được coi là tái tạo và có nhiều lợi ích về khí thải. Các dự án điện thành hydro đang được triển khai, trong đó lượng điện tái tạo dư thừa, nếu có, được sử dụng để tạo ra hydro thông qua quá trình điện phân.
Nhiệt phân mêtan: Sản xuất hydro bằng cách sử dụng nhiệt phân mêtan bằng khí tự nhiên là quy trình một bước “không có khí nhà kính” gần đây. Phát triển sản xuất khối lượng bằng phương pháp này là chìa khóa để cho phép giảm cacbon nhanh hơn bằng cách sử dụng hydro trong các quy trình công nghiệp, vận chuyển xe tải hạng nặng chạy bằng pin nhiên liệu và sản xuất điện từ tuabin khí. Nhiệt phân mêtan sử dụng khí mêtan CH4 sủi bọt qua chất xúc tác kim loại nóng chảy ở nhiệt độ cao (1340 K, 1065 ° C hoặc 1950 ° F) để tạo ra khí hydro H2 không gây ô nhiễm với khối lượng lớn, chi phí thấp và tạo ra cacbon rắn không gây ô nhiễm. C không phát thải khí nhà kính.
CH4 (g) → C (s) + 2 H2 (g) ΔH ° = 74 kJ / mol
Quá trình nhiệt phân mêtan đang được phát triển và được coi là phù hợp để sản xuất hydro số lượng lớn thương mại.
Cải cách hơi nước (Phương pháp công nghiệp): Hydro thường được sản xuất bằng cách sử dụng khí tự nhiên, bao gồm việc loại bỏ hydro khỏi hydrocacbon ở nhiệt độ rất cao, với 48% sản lượng hydro là từ quá trình cải tạo hơi nước. Hydro dạng khối thương mại thường được sản xuất bằng quá trình cải tạo hơi nước của khí tự nhiên với việc giải phóng khí nhà kính trong khí quyển hoặc bằng cách sử dụng CCS và giảm thiểu biến đổi khí hậu. Cải cách bằng hơi nước còn được gọi là quy trình của Bosch và được sử dụng rộng rãi để điều chế hydro trong công nghiệp.
Ở nhiệt độ cao (1000–1400 K, 700–1100 ° C, hoặc 1300–2000 ° F), hơi nước phản ứng với mêtan để tạo ra cacbon monoxit và H2.
CH4 + H2O → CO + 3 H2
Quá trình sinh học: Các quá trình sinh học sử dụng các vi sinh vật như vi khuẩn và vi tảo và có thể tạo ra hydro thông qua các phản ứng sinh học. Trong quá trình chuyển đổi sinh khối của vi sinh vật, vi sinh vật phân hủy chất hữu cơ như sinh khối hoặc nước thải để tạo ra hydro, trong khi trong quá trình sinh học ảnh, vi sinh vật sử dụng ánh sáng mặt trời làm nguồn năng lượng.
Quy trình điều khiển bằng năng lượng mặt trời: Điều khiển bằng năng lượng mặt trời về cơ bản là sử dụng ánh sáng mặt trời hoặc bức xạ để tạo thành hydro. Về cơ bản có ba quy trình sử dụng năng lượng mặt trời thuộc loại đó bao gồm quang sinh học, quang điện hóa, nhiệt hóa năng lượng mặt trời. Quá trình sinh học ảnh sử dụng hoạt động quang hợp tự nhiên của vi khuẩn và tảo lục để sản xuất hydro. Quá trình quang điện hóa sử dụng chất bán dẫn chuyên dụng để tách nước thành hydro và oxy. Sản xuất hydro nhiệt hóa bằng năng lượng mặt trời sử dụng năng lượng mặt trời tập trung để thúc đẩy các phản ứng tách nước thường cùng với các loài khác như oxit kim loại.
Ứng dụng thực tế trong ngành công nghiệp công nghệ
Ứng dụng trong ngành công nghiệp ô tô
Hydro được coi là nhiên liệu thay thế cho ngành công nghiệp ô tô do hiệu suất cao và không phát thải carbon. Sử dụng hydro trong các phương tiện giao thông là trọng tâm chính của nghiên cứu và phát triển pin nhiên liệu. Ở các nước như Hoa Kỳ, họ cũng có các trạm nạp hydro. Hầu hết các phương tiện chạy bằng nhiên liệu hydro là ô tô và xe buýt vận chuyển có động cơ điện chạy bằng pin nhiên liệu hydro. Một số loại xe này đốt cháy hydro trực tiếp. Chi phí cao của pin nhiên liệu và sự sẵn có hạn chế của các trạm tiếp nhiên liệu hydro đã hạn chế số lượng phương tiện sử dụng nhiên liệu hydro. Ngay cả pin nhiên liệu hydro cũng được sử dụng trong các chuyến tàu ở Đức và nhận thấy rằng trong thời gian XNUMX năm tới, nó có thể đến được Anh, Pháp, Ý, Nhật Bản và Hoa Kỳ. Đối với các phương tiện sử dụng cá nhân, chín trong số các nhà sản xuất ô tô lớn đang phát triển xe điện pin nhiên liệu hydro (FCEV) để sử dụng cho mục đích cá nhân. Các mẫu xe đáng chú ý bao gồm Toyota Mirai, Honda Clarity, Hyundai Nexo và BMW.
Trong sản xuất điện
Pin nhiên liệu hydro sản xuất điện bằng cách kết hợp các nguyên tử hydro và oxy. Hydro phản ứng với oxy qua một tế bào điện hóa tương tự như pin để tạo ra điện, nước và một lượng nhỏ nhiệt. Nhiều loại pin nhiên liệu khác nhau có sẵn cho một loạt các ứng dụng. Pin nhiên liệu nhỏ có thể cung cấp năng lượng cho máy tính xách tay, thậm chí cả điện thoại di động và các ứng dụng quân sự. Pin nhiên liệu lớn có thể cung cấp điện cho nguồn điện dự phòng hoặc khẩn cấp trong các tòa nhà và cung cấp điện ở những nơi không kết nối với lưới điện.
Ngoài ra, hydro cũng được sử dụng trong một số ứng dụng Hàng hải, ứng dụng Không gian và chủ yếu là sản xuất điện dự phòng.
Những thách thức đặt ra bởi Hydrogen như một nhiên liệu thay thế
Chúng ta luôn nghe nói rằng một đồng xu có hai mặt, điều này cũng giống như nhiên liệu mới trong tương lai. Nói về những thách thức đối với việc sử dụng nhiên liệu hydro trong các ngành công nghiệp, có khá nhiều điều là hợp lý và không thể tránh khỏi. Một vài trong số chúng được liệt kê dưới đây: -
Khai thác hydro
Mặc dù có sẵn rất nhiều trong vũ trụ, việc khai thác là khá khó khăn. Hydro không tự tồn tại nên cần được chiết xuất từ nước thông qua quá trình điện phân hoặc tách khỏi nhiên liệu hóa thạch carbon. Cả hai quá trình này đều cần một lượng năng lượng đáng kể để đạt được. Năng lượng này có thể nhiều hơn năng lượng thu được từ chính hydro cũng như đắt tiền.
Chi phí nguyên vật liệu và đầu tư thêm
Để chiết xuất hydro, cần có các kim loại quý như bạch kim và iridium làm chất xúc tác và một số chất điện phân để điện phân. Tất cả những chi phí tăng thêm này làm cho chi phí nguyên liệu thô cao hơn. Chi phí cao đã ngăn cản một số người đầu tư vào pin nhiên liệu hydro công nghệ. Những chi phí như vậy cần phải được giảm bớt để biến pin nhiên liệu hydro thành nguồn nhiên liệu khả thi cho tất cả mọi người. Pin nhiên liệu hydro cần được đầu tư phát triển đến mức chúng trở thành nguồn năng lượng thực sự khả thi. Điều này cũng đòi hỏi ý chí chính trị để đầu tư thời gian và tiền bạc vào việc phát triển nhằm cải thiện và hoàn thiện công nghệ.
Cơ sở hạ tầng và kho chứa hydro
Nhiên liệu hóa thạch đã được sử dụng trong nhiều thập kỷ, cơ sở hạ tầng cho việc cung cấp năng lượng này đã có. Việc áp dụng quy mô lớn công nghệ pin nhiên liệu hydro cho các ứng dụng ô tô sẽ yêu cầu cơ sở hạ tầng tiếp nhiên liệu mới hỗ trợ nó, mặc dù đối với các ứng dụng tầm xa như cho HGV và xe tải giao hàng có khả năng sẽ sử dụng tiếp nhiên liệu từ đầu đến cuối.
Việc lưu trữ và vận chuyển hydro phức tạp hơn so với những quy trình cần thiết cho nhiên liệu hóa thạch. Điều này ngụ ý chi phí bổ sung để xem xét pin nhiên liệu hydro như một nguồn năng lượng.
Nhiên liệu hydro là lựa chọn nhiên liệu thay thế và bền vững tốt nhất cho tương lai gần và các ứng dụng của nó rất quan trọng đối với không chỉ môi trường mà còn đối với nhu cầu ngày càng tăng về nhiên liệu. Các nhà nghiên cứu và các công ty sáng tạo nên chung tay nỗ lực để cung cấp hydro giống như nước không chỉ cho mục đích sử dụng công nghiệp mà còn cho mục đích sử dụng cá nhân.
sheeba chauhan
-
sheeba chauhanhttps://www.eletimes.com/author/sheebaXu hướng mới nổi trong Công nghệ bán dẫn khoảng cách băng rộng (SiC và GaN) cho các ứng dụng ô tô và tiết kiệm năng lượng
-
sheeba chauhanhttps://www.eletimes.com/author/sheebaHình dáng nhà máy của chúng tôi: Sản xuất trong kỷ nguyên hậu đại dịch