Công nghệ PEC mới sử dụng năng lượng mặt trời để sản xuất Hydro từ nước

Trong kết quả nghiên cứu đăng trên Tờ Nature Materials, các nhà nghiên cứu cho biết phương pháp này giúp giảm chi phí sản xuất hydro một cách đáng kể và hydro có thể được sản xuất tập trung tại các điểm bán lẻ cách xa các nhà máy điện mặt trời, sau đó cung cấp cho khách hàng (ví dụ như tại các trạm xăng dành cho ô tô điện chạy bằng nhiên liệu hydro).

Nhiên liệu hydro được coi là một trong những nguồn năng lượng sạch tương lai đầy hứa hẹn bởi những ưu điểm nổi bật sau:

• Có thể được sản xuất từ nguyên liệu rất phổ biến trên trái đất là nước
• Sử dụng nhiên liệu hydrogen làm giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch (như dầu và khí thiên nhiên…) mà các điều kiện khai thác bị ảnh hưởng nhiều bởi các yếu tố địa chất, chính trị…
• Không gây ô nhiễm môi trường và không khí vì sản phẩm phụ duy nhất của quá trình sản xuất hydrogen lại là nước

Hydro hiện nay hầu hết được sản xuất từ khí tự nhiên theo một quy trình có phát thải khí CO2, gây ô nhiễm không khí. Hoặc cũng được sản xuất bằng cách điện phân nước thành hydro và oxy, tuy nhiên chi phí cao. Do vậy, nhiều quốc gia như Nhật, Đức và Mỹ đã chú trọng đầu tư mạnh mẽ vào các dự án sản xuất hydro bằng công nghệ “xanh” - thân thiện với môi trường.

Một thiết bị PEC truyền thống, với một màng ngăn giữa 2 sản phẩm (Oxy bên phải, hydro bên trái)

Các nhà nghiên cứu tại Viện Technion và trên thế giới đang phát triển một công nghệ mới là công nghệ tế bào hóa học điện quang (photoelectrochemical, PEC), sử dụng năng lượng mặt trời để tách trực tiếp nước thành hydro và oxy mà không cần tới bất kỳ nguồn năng lượng bên ngoài nào.

Tuy vậy, công nghệ này vẫn còn một số thách thức chính như sau:

• Phân tách các phân tử hydro và oxy sau khi tạo ra
• Thu lại khí hydro từ hàng triệu tế bào PEC
• Vận chuyển hydro đến các điểm bán.

Để giải quyết các thách thức này, nhóm nghiên cứu đã đưa ra một phương pháp tế bào PEC mới, theo đó hydro và oxy sẽ được tạo ra từ hai tế bào riêng biệt, một để tạo hydro và một - tạo oxy. Đây là phương pháp đối lập với phương pháp truyền thống khi hydro và oxy cùng được tạo ra từ một tế bào sau đó mới được phân tách qua một lớp màng mỏng, ngăn không cho chúng trộn lẫn vào nhau để tạo thành 1 hỗn hợp dễ cháy nổ.

Công nghệ do Technion phát triển: Oxy và hydro được sản xuất và lưu giữ ở 2 tế bào riêng biệt

Bằng cách sử dụng một cặp điện cực phụ làm bằng niken hydroxide và một dây nối kim loại, công nghệ mới cho phép sản xuất oxy độc lập ở một trang trại năng lượng mặt trời (gồm hàng triệu tế bào PEC) và sản xuất hydro độc lập ở một địa điểm cách xa đó một cách hiệu quả, tiết kiệm chi phí. Công nghệ này còn cho phép tiến xa hơn: thay vì phải nén và vận chuyển khí hydro từ nơi sản xuất tới điểm bán, người ta chỉ cần đổi đầu điện cực ở hai địa điểm cho nhau.

Evonik Creavis GmbH và Viện Nghiên cứu Năng lượng Mặt trời tại German Aerospace Center (DLR) đã phối hợp tính toán hiệu quả kinh tế của công nghệ mới và cho thấy có thể tiết kiệm chi phí xây dựng và vận hành các trạm sản xuất hydro một cách đáng kể.

Công nghệ này hiện đang được nghiên cứu để đưa vào giai đoạn phát triển sản xuất thử nghiệm ở quy mô tiền công nghiệp.