Các nhà khoa học Trung Quốc đã cải tiến một công nghệ sản xuất hydro từ nước biển, đồng thời thu hồi nước ngọt, uranium và bromine. Đáng chú ý, hệ thống mới giúp giảm lượng điện năng bị thất thoát và có thể đưa chi phí sản xuất hydro xuống mức cạnh tranh với giá bán hiện nay.
Một nhóm nhà khoa học Trung Quốc đã xây dựng thành công một hệ thống đồng sản xuất quy mô nhỏ nhưng có độ ổn định cao, cho phép tách hydro và nước ngọt từ nước biển trong cùng một quy trình, đồng thời thu hồi uranium, bromine và tận dụng hiệu quả hơn nguồn điện đầu vào.
Theo nghiên cứu được công bố trên tạp chí khoa học Nature Energy, hệ thống mới giúp tăng hiệu suất sử dụng điện khoảng 15% so với công nghệ hiện có.
Công trình do Deng Dehui và Liu Yanting, các nhà khoa học thuộc Viện Vật lý Hóa học Đại Liên, Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc, dẫn đầu.
Điểm đáng chú ý của nghiên cứu không nằm ở việc phát minh hoàn toàn một phương pháp mới, mà ở cách nhóm nghiên cứu tận dụng phần năng lượng vốn thường bị bỏ đi trong quá trình sản xuất hydro.
Bài toán khó khi sản xuất hydro từ nước biển
Sản xuất hydro từ nước biển bằng nguồn năng lượng tái tạo được xem là một hướng quan trọng để tạo ra hydro xanh. Tuy nhiên, nước biển chứa nhiều tạp chất khiến quá trình điện phân trở nên phức tạp.
Một phương pháp là điện phân trực tiếp nước biển.
Vấn đề nằm ở hàm lượng ion chloride cao. Trong quá trình điện phân, chloride có thể phản ứng với cực dương, gây ăn mòn điện cực. Trong khi đó, các ion calcium và magnesium có thể tạo cặn trên cực âm, làm giảm hiệu suất của hệ thống.
Phương án thứ hai an toàn hơn nhưng lại tốn kém hơn.
Nước biển trước tiên được khử muối, sau đó phần nước tinh khiết mới được đưa vào hệ thống điện phân để sản xuất hydro. Công đoạn khử muối thường sử dụng công nghệ thẩm thấu ngược hoặc chưng cất, đồng nghĩa với việc phải đầu tư thêm thiết bị và tiêu thụ một lượng điện đáng kể.
Nghiên cứu được công bố ngày 15/9 cho biết nhóm các nhà khoa học Trung Quốc đã lựa chọn phương án thứ hai làm nền tảng, sau đó tìm cách giải quyết điểm yếu lớn nhất của nó: tiêu hao năng lượng quá cao.
Tận dụng phần nhiệt vốn bị bỏ đi
Năm 2023, nhóm nghiên cứu đã chế tạo một hệ thống công suất 25 kW dựa trên công nghệ khử muối và được Liên đoàn Công nghiệp Hóa chất và Dầu khí Trung Quốc đánh giá là đạt trình độ quốc tế hàng đầu.
Sau đó, các nhà khoa học tiếp tục mở rộng quy mô lên 250 kW.
Trong quá trình này, họ tập trung vào một “lỗ rò” năng lượng thường bị bỏ qua trong các hệ thống thương mại.
Khi hoạt động ở nhiệt độ khoảng 80-90 độ C, khoảng 30% lượng điện sử dụng trong quá trình điện phân cuối cùng chuyển thành nhiệt thải có chất lượng thấp. Phần nhiệt này rất khó thu hồi nên thường bị loại bỏ thông qua hệ thống làm mát.
Điều này tạo ra một vòng luẩn quẩn: hệ thống vừa mất năng lượng, vừa phải tiêu thụ thêm nước và điện để làm mát.
Nhóm nghiên cứu Trung Quốc tìm cách tận dụng chính lượng nhiệt tưởng như vô dụng đó.
Họ kết nối hệ thống điện phân với một thiết bị khử muối. Nhiệt thải từ quá trình điện phân được dẫn trực tiếp vào tháp chưng cất chân không.
Tại đây, nhiệt thải được sử dụng để làm nước biển sôi và bay hơi ở nhiệt độ chỉ khoảng 40-50 độ C.
Hơi nước sau đó được ngưng tụ thành nước ngọt.
Cách làm này giúp biến phần nhiệt vốn phải thải ra môi trường thành một nguồn năng lượng phục vụ quá trình khử muối.
Một hệ thống, nhiều sản phẩm
Theo Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc, hệ thống có thể tạo ra đủ nước ngọt để đáp ứng nhu cầu của chính quá trình điện phân, đồng thời vẫn còn dư một lượng nước.
Không chỉ tạo hydro và nước ngọt, phần nước biển còn lại sau khi cô đặc có thể tiếp tục được xử lý qua nhiều công đoạn để thu hồi muối, uranium, bromine và các tài nguyên biển khác.
Đây là điểm khiến công nghệ mới có tiềm năng khác biệt về mặt kinh tế.
Thay vì chỉ bán hydro, một cơ sở có thể thu được doanh thu từ nhiều dòng sản phẩm khác nhau.
Hệ thống công suất 250 kW được nhóm nghiên cứu cho biết có thể sản xuất khoảng 380.000 m³ hydro tiêu chuẩn mỗi năm, tương đương khoảng 13,4 triệu feet khối tiêu chuẩn.
Độ tinh khiết của hydro đạt tới 99,9999%. Hệ thống đồng thời tạo ra khoảng 256 tấn nước ngọt mỗi năm.
Hiệu suất điện tăng 14,4%
Các thử nghiệm cho thấy hệ thống mới có khả năng cải thiện đáng kể hiệu quả sử dụng điện.
So với công nghệ điện phân nước kiềm truyền thống để sản xuất hydro, mức sử dụng điện hiệu quả của hệ thống tăng 14,4%.
Quan trọng hơn, hệ thống đã vận hành ổn định trong 40 ngày, với chế độ khởi động và dừng mỗi ngày mà không ghi nhận sự suy giảm hiệu suất rõ rệt.
Đây là yếu tố quan trọng đối với các hệ thống hydro sử dụng năng lượng tái tạo.
Điện mặt trời và điện gió không tạo ra nguồn điện ổn định liên tục, vì vậy thiết bị sản xuất hydro phải có khả năng thích ứng với việc nguồn điện tăng giảm và thường xuyên khởi động, dừng.
Chi phí hydro có thể xuống dưới giá bán hiện nay
Theo phân tích kinh tế trong nghiên cứu, hệ thống mới có khả năng cạnh tranh hơn so với quy trình truyền thống gồm khử muối nước biển trước rồi mới điện phân để sản xuất hydro.
Các nhà khoa học Trung Quốc ước tính chi phí sản xuất hydro trung bình có thể xuống khoảng 2,1 USD/kg nếu sử dụng điện từ điện gió trên bờ với giá 0,033 USD/kWh.
Nếu sử dụng điện mặt trời với giá 0,049 USD/kWh, chi phí ước tính khoảng 2,9 USD/kg. Trong khi đó, giá hydro hiện vào khoảng 3,9 USD/kg.
Nếu các con số này có thể được duy trì khi mở rộng quy mô thương mại, khoảng cách giữa chi phí sản xuất và giá bán sẽ tạo ra dư địa lợi nhuận đáng kể.
Tuy nhiên, đây vẫn là những con số được tính toán dựa trên điều kiện năng lượng và vận hành cụ thể của nghiên cứu. Khả năng thương mại hóa trên quy mô lớn còn phụ thuộc vào giá thiết bị, chi phí bảo trì, nguồn điện tái tạo và hiệu quả thu hồi các tài nguyên phụ.
Bước tiếp theo: chất xúc tác và AI
Nhóm nghiên cứu cho rằng công nghệ vẫn còn nhiều dư địa để cải thiện.
Trong giai đoạn tiếp theo, các nhà khoa học sẽ tập trung phát triển chất xúc tác hiệu quả hơn, tăng khả năng thu hồi nhiệt thải từ quá trình điện phân và ứng dụng trí tuệ nhân tạo (AI) để tối ưu các thông số vận hành.
Mục tiêu là điều chỉnh toàn bộ quy trình theo thời gian thực, từ đó nâng cao hiệu suất của hệ thống và giảm thêm chi phí sản xuất.
Nếu thành công, công nghệ này có thể biến nước biển từ một nguồn nguyên liệu khó xử lý thành một “mỏ tài nguyên” đa sản phẩm: hydro cho ngành năng lượng, nước ngọt cho nhu cầu sử dụng, cùng các khoáng chất và nguyên tố có giá trị cho công nghiệp.
Điểm đáng chú ý nhất có lẽ không phải việc Trung Quốc tìm ra một cách mới để sản xuất hydro từ nước biển, mà là họ đang tìm cách kiếm tiền từ phần năng lượng vốn trước đây bị coi là chất thải.
Theo SCMP
