Hydrogen & Pin nhiên liệu (sản xuất hydrogen)

. 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...
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Hydrogen & Pin nhiên liệu (sản xuất hydrogen) Hydrogen & Pin nhiên liệu (sản xuất hydrogen)15.2. Sản xuất hydrogenHydrogen là nguyên tố phổ biến nhất, cấu thànhđến 90% vật chất của vũ trụ (75% theo trọnglượng). Mặt Trời, hầu hết các ngôi sao và mộtsố hành tinh như Jupiter (“sao” Mộc – hành tinhlớn nhất Thái Dương hệ) được tạo nên chủ yếubởi hydrogen. Phản ứng tổng hợp hạt nhân giữacác đồng vị của hydrogen, deuterium và tritiumđã cung cấp nguồn năng lượng khổng lồ chomặt trời và các ngôi sao, nhờ đó duy trì sựsống.Hydrogen là thành viên nhỏ nhất và có cấu trúcđơn giản nhất trong gia đình các nguyên tố hóahọc, chỉ gồm một proton và một electron. Phântử hydrogen chứa hai nguyên tử hydrogen, làkhí không màu, không mùi, không vị, rất dễcháy. Hydrogen có trọng lượng nhỏ nhất trongcác loại khí và hydrogen dạng nguyên chất gầnnhư không tồn tại trong tự nhiên.Trên Trái Đất, hydrogen phần lớn ở dạng kếthợp với oxygen trong nước, hay với carbon vàcác nguyên tố khác trong vô số các hợp chấthữu cơ tạo nên cơ thể mọi loài động thực vật.Khác với các nguồn năng lượng cơ bản (ví dụnhư dầu mỏ có thể bơm trực tiếp từ lòng đất lênrồi sử dụng), hydrogen là nguồn năng lượng thứcấp, tức là chúng không thể được khai thác trựctiếp mà phải được tạo ra từ một nguồn sơ cấpban đầu. Điều này là một điểm bất lợi, nhưngđồng thời lại là điểm mạnh của hydrogen dongười ta có thể sản xuất khí hydrogen từ nhiềunguồn khác nhau, đặc biệt từ các nguồn nănglượng tái sinh.Có ba phương pháp cơ bản tạo ra hydro:+ Phương pháp chuyển hóa hydrocarbon (nhiênliệu 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 hydrocarbona) 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 chủyếu là methane) được tách carbon và chuyểnhóa thành hydrogennhờ hơi nước dạng siêunhiệt dưới áp suất cao, xúc tác thích hợp ở nhiệtđộ khoảng 900°C.CH4 + H2O => CO + 3 H2 (15.1)Carbon mono-oxide sinh ra lại tiếp tục đượcphản ứng với hơi nước và xúc tác chuyển hóathành khí carbonic và tạo ra thêm khí hydrogen.CO + H2O => CO2 + H2 (15.2)Đây là phương pháp công nghiệp phổ biến hiệnnay để sản xuất hydrogen. Tuy nhiên phươngpháp này không được áp dụng để tạo mộtnguồn năng lượng mà chỉ để cung cấp nguyênliệu cho các ngành hóa chất, phân bón, tinh lọcdầu mỏ v.v.b) Khí hóa hydrocarbon nặng (Gasificationheavy hydrocarbon)Thuật ngữ hydrocarbon nặng là để nói đến dầumỏ và than đá. Than đá trước khi khí hóa phảiđược nghiền thành dạng bột rồi hòa trộn vớinước. Thông thường, nhiên liệu được hóa nhiệtở khoảng 14000C với oxygen hay không khí(oxygen hóa không hoàn toàn), tạo ra hỗn hợpgồm hydrogen, carbon mono oxide (CO) và vàisản phẩm phụ. CO sinh ra lại tiếp tục đượcphản ứng với hơi nước và xúc tác chuyển hóathành khí carbonic và tạo ra thêm khí hydrogen,tương tự như bước thứ hai của quá trình hóanhiệt khí thiên nhiên.Rõ ràng đây không phải là phương pháp tối ưu.Bất lợi lớn nhất của nó là sử dụng nhiên liệuhóa thạch làm nguyên liệu và đồng thời cũnglàm nhiên liệu cung cấp nhiệt lượng cho quátrình. Nhiên liệu hóa thạch là nguồn tài nguyênhữu hạn, thêm vào đó, việc đốt chúng tạo ra khícarbonic gây hiệu ứng nhà kính. Do đó phươngpháp này xét về lâu dài không bền vững.Tuy vậy, phương pháp sản xuất khí hydrogen từnhiên liệu hóa thạch đã và sẽ còn chiếm ưu thếtrong tương lai gần. Lý do chính yếu là do trữlượng nhiên liệu hóa thách còn tương đối dồidào, nhất là đối với khí thiên nhiên. Hơn nữa,những công nghệ này (phương pháp sản xuấthydrogen công nghiệp từ khí thiên nhiên nóiriêng và nhiên liệu hóa thạch nói chung) đã kháquen thuộc trong công nghiệp hóa chất, trongkhi cơ sở hạ tầng cho việc phát triển sản xuấthydrogen từ các nguồn khác còn thiếu thốn. Vìvậy, một khi nhiên liệu hóa thạch vẫn còn rẻ thìphương pháp này vẫn có chi phí thấp nhất.Thêm vào đó, để hạn chế mặt tiêu cực này củanhiên liệu hóa thạch, ta có thể dùng công nghệtách khí carbonic rồi thu hồi và chôn lấp chúng(Xem thêm Chương 13).c) Quy trình hiện đại tạo ra hydrogen từ khí thiênnhiên mà không thải ra CO2Từ những năm 1980, Kværner – một tập đoàndầu khí của Na Uy đã phát triển công nghệmang tên “Kværner Carbon Black and HydrogenProcess” (KCB&H). Nhà máy đầu tiên dựa trênquy trình Kværner hiện đại này đặt ở Canada vàbắt đầu sản xuất vào tháng 6 năm 1999. Quytrình cung plasma – Kværner ở nhiệt độ cao(16000C) tách hydrogen và than hoạt tính từhợp chất hydrocarbon như dầu mỏ hay khí thiênnhiên mà không thải ra CO2.Than đen tinh khiết này được dùng trong sảnxuất vỏ xe hơi và dùng như chất khử trong côngnghiệp luyện kim. Nhờ một số tính chất đặc biệtmà chúng còn có thể dùng để lưu trữ hydrogen(ống carbonnano).d) Khí hóa sinh khối và nhiệt phân (biomassgasifi ...