Hydrogen & Pin nhiên liệu (Lưu chứa hydrogen)

Lưu chứa hydrogen Với vai trò “chuyên chở” năng lượng (energy carrier) hơn là một nguồn năng lượng cơ bản, giống như điện năng, hydrogen giúp cho việc phân phối, sử dụng năng lượng được thuận tiện. Thêm vào đó, khác với điện năng, hydrogen còn có thể lưu trữ được lâu dài. Về cơ bản có ba phương thức lưu trữ hydrogen như sau:
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Hydrogen & Pin nhiên liệu (Lưu chứa hydrogen) Hydrogen & Pin nhiên liệu (Lưu chứa hydrogen)15.3. Lưu chứa hydrogenVới vai trò “chuyên chở” năng lượng (energycarrier) hơn là một nguồn năng lượng cơ bản,giống như điện năng, hydrogen giúp cho việcphân phối, sử dụng năng lượng được thuậntiện. Thêm vào đó, khác với điện năng,hydrogen còn có thể lưu trữ được lâu dài. Về cơbản có ba phương thức lưu trữ hydrogen nhưsau:(i) Lưu chứa hydrogen trong các bình khí nén ápsuất cao.(ii) Lưu chứa hydrogen dưới dạng khí hóa lỏng.(iii) Lưu chứa hydrogen trong hợp chất khác(hấp thụ hóa học, hấp phụ trong hợp chất khácnhư với các hyđrua kim loại hay ống carbonnano rỗng).15.3.1. Lưu chứa hydrogen dưới dạng khínénHydrogen có thể được nén trong các bình chứavới áp suất cao. Các loại bình chứa khác nhauvề cấu trúc tùy theo dạng ứng dụng đòi hỏi mứcáp suất như thế nào. Phần lớn các bình ứngdụng tĩnh có mức áp suất thấp hơn. Trong khiđó, yêu cầu cho các ứng dụng di động lại khákhác biệt bởi sự hạn chế về không gian lưu trữ.Đối với các ứng dụng này, áp suất trong bìnhđược tăng lên đến 700 bar để chứa được càngnhiều hydrogen càng tốt trong một không giangiới hạn.Các bình áp suất chứa khí nén thường làmbằng thép nên rất nặng. Các bình áp suất hiệnđại được làm từ những vật liệu composite vànhẹ hơn nhiều.15.3.2. Lưu chứa hydrogen dưới dạng khíhóa lỏngHydrogen chỉ tồn tại ở thể lỏng dưới nhiệt độcực lạnh, 200K hay âm 2350C. Nén, làm lạnh(hóa lỏng) hydrogen tiêu tốn khá nhiều nănglượng, do đó tổn thất năng lượng hao hụt đếnkhoảng 30% khi dùng phương pháp này. Tuynhiên, ưu điểm của việc lưu trữ hydrogen dướidạng lỏng là tốn ít không gian nhất, do hydrogencó tỉ trọng năng lượng theo thể tích cao nhất khihóa lỏng. Vì thế mà cách này đặc biệt thích hợpvới các ứng dụng di động như các phương tiệngiao thông. Hiện tại người ta đã sản xuất đượcnhững robot tự động để “tiếp” nhiên liệu (re-fuelling). Với các dạng lưu trữ tĩnh, cách thứcnày chỉ được dùng khi hydrogen thực sự cầnthiết phải ở dạng lỏng, ví dụ như trong các trạmnhiên liệu hay khi cần vận chuyển hydrogenđường dài (bằng tàu biển chẳng hạn). Ngoài ra,với tất cả các ứng dụng khác ta nên tránh dùngcách lưu trữ này bởi sự tiêu tốn khá nhiều nănglượng cần để hóa lỏng.15.3.3. Lưu chứa hydrogen nhờ hấp thụ hóahọcHydrogen có thể được giữ trong nhiều hợp chấtnhờ liên kết hóa học. Và khi cần thiết, phản ứnghóa học sẽ xảy ra để giải phóng chúng, sau đóhydrogen được thu thập và đưa vào sử dụngtrong pin nhiên liệu. Các phản ứng hóa học thayđổi tủy theo hợp chất dùng để lưu trữ hydrogen.Ví dụ như: với NH3BH3, hydrogen được giảiphóng nhờ nhiệt ở 100-3000C; hay hydrogen cóthể được giải phóng qua quá trình thủy phân(tác dụng với nước) của các hydride như LiH,LiBH4, NaBH4… Với phương pháp này, ta cóthể điều chỉnh được lượng hydrogen sinh ratheo nhu cầu.15.3.4. Lưu chứa hydrogen trong các hyđruakim loại (metal hydride)Phương pháp này sử dụng một số hợp kim cókhả năng độc đáo, có thể hấp phụ hydrogen.Các hợp kim này hoạt động giống như miếngxốp có thể hút nước vậy, chúng “hút bám”hydrogen, tạo nên các hyđrua kim loại. Khi mộthyđrua kim loại được “lấp kín” dần với cácnguyên tử khí hydrogen, nó sẽ tỏa nhiệt, do đó,khi muốn giải phóng hydrogen, ta sẽ phải cungcấp nhiệt cho nó.Công thức tổng quát của quá trình hấp phụ vànhả hấp hyđrua kim loại:M + xH2 < => MH2x (15.6)Phương pháp này có thể chứa được một lượngrất lớn thể tích khí hydrogenhấp phụ vào kimloại. Tuy nhiên, lượng hydrogen hấp phụ chỉchiếm khoảng 1% – 2% tổng trọng lượng bìnhchứa (kim loại). Vì thế mà các bình chứa dạngnày khá nặng và vì vậy chúng không thể sửdụng trong các ứng dụng di động.Ưu điểm của phương pháp này là hầu hết cáchyđrua kim loại có thể hoạt động ở áp suất bìnhthường, do đó xét về mặt sử dụng và an toàn,đây là những điểm thuận lợi của việc lưu trữhydrogen nhờ các hyđrua kim loại. Muốn giảiphóng khí hydrogen cần cung cấp nhiệt, vì thế,trường hợp các thùng chứa bị bể vỡ chẳng hạnthì hydrogen vẫn giữ kết nối trong kim loại màkhông bị hao hụt.Lưu trữ hydrogen bằng các hyđrua kim loại hiệnnay đang được ứng dụng nhiều trong các tàungầm.15.3.5. Lưu chứa hydrogen trong ống carbonnano rỗngPhương pháp này về nguyên tắc tương tự nhưhyđrua kim loại trong cơ chế lưu giữ và giảiphóng hydrogen. Vật liệu carbon nano này cóthể tạo nên một cuộc cách mạng trong côngnghệ lưu trữ hydrogen trong tương lai. Cách đâyvài năm, các nhà khoa học đã khám phá đượcđặc tính hữu ích của carbon nano là có thể chứađược những lượng lớn hydrogen trong các vicấu trúc than chì dạng ống. Hydrogen có thểchui vào trong ống, cũng như vào khoảng trốnggiữa các ống. Lượng hydrogen hấp thụ phụthuộc vào áp suất và nhiệt độ, nên về nguyêntắc, người ta có thể thay đổi áp suất hoặc nhiệtđộ, rồi bơm hydrogen vào để lưu trữ, hay đẩyhydrogen ra để sử dụng. Vấn đề hiện nay làphải tìm ra các loại ống ...