Hydrogen & Pin nhiên liệu (Lưu chứa hydrogen) 15.3. 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: (i) Lưu chứa hydrogen trong các bình khí nén áp suất 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 khác như với các hyđrua kim loại hay ống carbon nano rỗng). 15.3.1. Lưu chứa hydrogen dưới dạng khí nén Hydrogen có thể được nén trong các bình chứa với áp suất cao. Các loại bình chứa khác nhau về cấu trúc tùy theo dạng ứng dụng đòi hỏi mức áp suất như thế nào. Phần lớn các bình ứng dụng tĩnh có mức áp suất thấp hơn. Trong khi đó, yêu cầu cho các ứng dụng di động lại khá khác biệt bởi sự hạn chế về không gian lưu trữ. Đối với các ứng dụng này, áp suất trong bình được tăng lên đến 700 bar để chứa được càng nhiều hydrogen càng tốt trong một không gian giới hạn. Các bình áp suất chứa khí nén thường làm bằng thép nên rất nặng. Các bình áp suất hiện đại được làm từ những vật liệu composite và nhẹ hơn nhiều. 15.3.2. Lưu chứa hydrogen dưới dạng khí hóa lỏng Hydrogen chỉ tồn tại ở thể lỏng dưới nhiệt độ cực lạnh, 200K hay âm 2350C. Nén, làm lạnh (hóa lỏng) hydrogen tiêu tốn khá nhiều năng lượng, do đó tổn thất năng lượng hao hụt đến khoảng 30% khi dùng phương pháp này. Tuy nhiên, ưu điểm của việc lưu trữ hydrogen dưới dạng lỏng là tốn ít không gian nhất, do hydrogen có tỉ trọng năng lượng theo thể tích cao nhất khi hóa lỏng. Vì thế mà cách này đặc biệt thích hợp với các ứng dụng di động như các phương tiện giao thông. Hiện tại người ta đã sản xuất được những robot tự động để “tiếp” nhiên liệu (re- fuelling). Với các dạng lưu trữ tĩnh, cách thức này chỉ được dùng khi hydrogen thực sự cần thiết phải ở dạng lỏng, ví dụ như trong các trạm nhiên liệu hay khi cần vận chuyển hydrogen đường dài (bằng tàu biển chẳng hạn). Ngoài ra, với tất cả các ứng dụng khác ta nên tránh dùng cách lưu trữ này bởi sự tiêu tốn khá nhiều năng lượng cần để hóa lỏng. 15.3.3. Lưu chứa hydrogen nhờ hấp thụ hóa học Hydrogen có thể được giữ trong nhiều hợp chất nhờ liên kết hóa học. Và khi cần thiết, phản ứng hóa học sẽ xảy ra để giải phóng chúng, sau đó hydrogen được thu thập và đưa vào sử dụng trong pin nhiên liệu. Các phản ứng hóa học thay đổi tủy theo hợp chất dùng để lưu trữ hydrogen. Ví dụ như: với NH3BH3, hydrogen được giải phóng nhờ nhiệt ở 100-3000C; hay hydrogen có thể được giải phóng qua quá trình thủy phân (tác dụng với nước) của các hydride như LiH, LiBH4, NaBH4… Với phương pháp này, ta có thể điều chỉnh được lượng hydrogen sinh ra theo nhu cầu. 15.3.4. Lưu chứa hydrogen trong các hyđrua kim loại (metal hydride) Phương pháp này sử dụng một số hợp kim có khả năng độc đáo, có thể hấp phụ hydrogen. Các hợp kim này hoạt động giống như miếng xốp có thể hút nước vậy, chúng “hút bám” hydrogen, tạo nên các hyđrua kim loại. Khi một hyđrua kim loại được “lấp kín” dần với các nguyên tử khí hydrogen, nó sẽ tỏa nhiệt, do đó, khi muốn giải phóng hydrogen, ta sẽ phải cung cấp nhiệt cho nó. Công thức tổng quát của quá trình hấp phụ và nhả hấp hyđrua kim loại: M + xH2 < => MH2x (15.6) Phương pháp này có thể chứa được một lượng rất lớn thể tích khí hydrogenhấp phụ vào kim loại. Tuy nhiên, lượng hydrogen hấp phụ chỉ chiếm khoảng 1% – 2% tổng trọng lượng bình chứa (kim loại). Vì thế mà các bình chứa dạng này khá nặng và vì vậy chúng không thể sử dụng trong các ứng dụng di động. Ưu điểm của phương pháp này là hầu hết các hyđrua kim loại có thể hoạt động ở áp suất bình thường, do đó xét về mặt sử dụng và an toàn, đây là những điểm thuận lợi của việc lưu trữ hydrogen nhờ các hyđrua kim loại. Muốn giải phóng khí hydrogen cần cung cấp nhiệt, vì thế, trường hợp các thùng chứa bị bể vỡ chẳng hạn thì hydrogen vẫn giữ kết nối trong kim loại mà không bị hao hụt. Lưu trữ hydrogen bằng các hyđrua kim loại hiện nay đang được ứng dụng nhiều trong các tàu ngầm. 15.3.5. Lưu chứa hydrogen trong ống carbon nano rỗng Phương pháp này về nguyên tắc tương tự như hyđrua kim loại trong cơ chế lưu giữ và giải phóng hydrogen. Vật liệu carbon nano này có thể tạo nên một cuộc cách mạng trong công nghệ lưu trữ hydrogen trong tương lai. Cách đây vài năm, các nhà khoa học đã khám phá được đặc tính hữu ích của carbon nano là có thể chứa được những lượng lớn hydrogen trong các vi cấu trúc than chì dạng ống. Hydrogen có thể chui vào trong ống, cũng như vào khoảng trống giữa các ống. Lượng hydrogen hấp thụ phụ thuộc vào áp suất và nhiệt độ, nên về nguyên tắc, người ta có thể thay đổi áp suất hoặc nhiệt độ, rồi bơm hydrogen vào để lưu trữ, hay đẩy hydrogen ra để sử dụng. Vấn đề hiện nay là phải tìm ra các loại ống nano carbon chứa được nhiều hydrogen. Ngoài ra, ta cũng cần vật liệu với tỷ lệ ống nano carbon cao, không lẫn với nhiều loại bụi than khác. Ưu điểm mang tính đột phá của công nghệ nano này chính là lượng lớn hydrogen mà nó có thể lưu chứa được, hơn nữa, so với cách lưu trữ bằng hợp kim thì ống carbon nano cũng nhẹ hơn. Ống carbon nano có thể chứa được lượng hydrogen chiếm từ 4% – 65% trọng lượng của chúng. Hiện nay, công nghệ này đang được quan tâm nghiên cứu rất nhiều trên thế giới, hứa hẹn một phương thức lưu trữ hydrogen đầy tiềm năng, nhất là cho các ứng dụng pin nhiên liệu di động và nhỏ gọn như máy tính xách tay, máy ảnh, điện thoại di động…v.v. Ngoài ra, còn một phương pháp lưu trữ hydrogen khác tuy ít phổ biến nhưng cũng khá thú vị, đó là chứa hydrogen trong các vi cầu bằng kính. 15.3.6. Lưu chứa hydrogen trong các vi cầu thủy tinh (glass microsphere) Các khối cầu thủy tinh rỗng tí hon có thể được dùng như một phương thức lưu trữ hydrogen an toàn. Những vi cầu rỗng này được làm nóng dẻo, gia tăng khả năng thấm của thành thủy tinh, rồi được lấp đầy khi được đặt ngập trong khí hydrogen với áp suất cao. Các khối cầu này sau đó được làm nguội, “khóa lại” hydrogen bên trong khối thủy tinh. Khi ta tăng nhiệt độ, hydrogen sẽ được giải phóng ra khỏi khối cầu và sử dụng. Phương pháp vi cầu này rất an toàn, tinh khiết và có thể chứa được hydrogen ở áp suất thấp, vì thế gia tăng giới hạn an toàn. . Hydrogen & Pin nhiên liệu (Lưu chứa hydrogen) 15.3. Lưu chứa hydrogen Với vai trò “chuyên chở” năng lượng (energy carrier). thức lưu trữ hydrogen như sau: (i) Lưu chứa hydrogen trong các bình khí nén áp suất cao. (ii) Lưu chứa hydrogen dưới dạng khí hóa lỏng. (iii) Lưu chứa hydrogen trong hợp chất khác (hấp thụ. dụng trong pin nhiên liệu. Các phản ứng hóa học thay đổi tủy theo hợp chất dùng để lưu trữ hydrogen. Ví dụ như: với NH3BH3, hydrogen được giải phóng nhờ nhiệt ở 100-3000C; hay hydrogen có