Tìm ra công nghệ lưu trữ an toàn
Hydrogen vốn là loại nhiên liệu rất khó lưu trữ do nguy cơ cháy nổ cao. Hydrogen là một loại nhiên liệu tái sinh, thân thiện với môi trường, không gây ô nhiễm, không phát thải ra khí gây hiệu ứng nhà kính. Đây là nguyên/nhiên liệu thiết yếu cho công nghiệp và chuyển đổi năng lượng.
Tuy nhiên, việc lưu trữ hydrogen là một thách thức lớn vì khả năng cháy nổ của nó rất cao. Chính vì vậy, công nghệ bảo quản và quá trình sử dụng nó phải đặc biệt đề cao tính an toàn.
Năm 2023, nhóm sinh viên Võ Dư Định, Lâm Đạo Nhơn, Mai Đức Hưng, Lê Anh Vân, Nguyễn Hưng Tâm thuộc chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật, Đại học Đà Nẵng đã bắt tay nghiên cứu Công nghệ lưu trữ hydrogen rắn trong đô thị thông minh, với mong muốn tìm ra giải pháp lưu trữ hydrogen an toàn, hướng tới xây dựng các đô thị thông minh, giảm thiểu ô nhiễm môi trường và nâng cao hiệu quả năng lượng.
Nhóm đã thiết kế và xây dựng mô hình có cấu tạo gồm 2 phần: Phần cơ khí (bình lưu trữ, bình nhớt gia nhiệt, bơm bánh răng) và phần vi mạch (bo mạch Arduino, chiết áp điều khiển bơm, rơ-le đóng ngắt sò, cảm biến khí hydro, cảm biến nhiệt, thanh gia nhiệt).
Sinh viên Võ Dư Định, nhóm trưởng nghiên cứu đề tài cho biết, hệ thống hoạt động dựa trên nguyên lý sử dụng kim loại Mg để hấp thụ hydro qua hoạt động gia nhiệt được điều khiển bởi hệ thống tạo thành hợp chất MgH2 theo phản ứng hóa học.
Quá trình nạp và xả hydro diễn ra ở cùng mức nhiệt độ, khoảng 250 - 350 độ C. Khi áp suất dưới 1 bar, quá trình giải phóng hydrogen xảy ra, trong khi đó, khi áp suất trên 1 bar, quá trình nạp hydrogen được thực hiện.
Hoạt động cũng như các tính năng an toàn của hệ thống được quản lý chặt chẽ bởi vi điều khiển và các cảm biến. Sự kết hợp giữa cơ khí và điện tử, nhiệt độ và áp suất giúp điều khiển quá trình chuyển pha một cách hiệu quả, đảm bảo hiệu suất cao trong việc lưu trữ, sử dụng năng lượng.
Bước tiếp theo, nhóm sử dụng phần mềm mô phỏng để phân tích các yếu tố kỹ thuật liên quan, nhằm đánh giá khả năng ứng dụng công nghệ lưu trữ hydrogen rắn trong các hệ thống năng lượng của đô thị thông minh. Những mô phỏng này cung cấp cái nhìn sâu sắc về cách thức công nghệ có thể được triển khai, tích hợp vào hệ thống năng lượng hiện tại, từ đó đánh giá tính khả thi và hiệu quả của nó trong thực tế.
Vật liệu lưu trữ hydrogen rắn bằng hợp chất MgH2 được thử nghiệm có khả năng hoạt động hiệu quả với hiệu suất tối ưu trong việc lưu trữ và giải phóng hydrogen. Công nghệ này không chỉ đảm bảo cơ bản về mức độ an toàn, ổn định trong môi trường đô thị mà còn mở ra nhiều cơ hội ứng dụng trong các hệ thống quản lý năng lượng và phương tiện giao thông xanh.
Năng lượng xanh, thân thiện với môi trường
Theo TS Bùi Văn Hùng, Trưởng bộ môn Cơ khí Ô tô, thuộc Khoa Cơ khí (Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật - Đại học Đà Nẵng), nhu cầu hydrogen toàn cầu ngày càng tăng, bởi đây là giải pháp thông minh cho sự bền vững của các hệ thống năng lượng trong tương lai do có thể được sử dụng như vật mang năng lượng và phương tiện lưu trữ trong các phương tiện giao thông xanh, trong lưới điện thông minh cũng như các ứng dụng khác.
Trong khi đó, các nghiên cứu hiện tại hay công nghệ về hydrogen thân thiện với môi trường, nhằm thay thế các nhiên liệu hóa thạch truyền thống vẫn chưa được triển khai rộng rãi và chưa phổ biến trên thị trường.
Theo sinh viên Lê Anh Vân, đề tài đóng vai trò quan trọng giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường, nhất là môi trường đô thị, bằng cách giảm thiểu khí thải ô nhiễm từ các nguồn năng lượng truyền thống, góp phần xây dựng các đô thị thông minh, nơi mà việc quản lý năng lượng hiệu quả là vô cùng quan trọng. Đồng thời, góp phần vào sự phát triển của nguồn năng lượng sạch và bền vững.
Chính vì hydrogen là nguồn năng lượng sạch, nên quá trình sử dụng không phát thải khí độc hại và các chất gây ô nhiễm môi trường. Ví dụ, ứng dụng hydrogen trong lĩnh vực giao thông có thể giúp giảm lượng khí thải từ các phương tiện, cải thiện chất lượng không khí, đặc biệt là khu vực đô thị, góp phần xây dựng đô thị thông minh, thân thiện với môi trường và nâng cao hiệu quả năng lượng.
“So với các nghiên cứu trước đây, hệ thống này có nhiều ưu điểm vượt trội như mật độ lưu trữ cao, độ an toàn cao và khả năng điều khiển linh hoạt. Việc sử dụng hợp chất MgH2 giúp giảm thiểu đáng kể rủi ro cháy nổ, đồng thời tăng cường khả năng lưu trữ năng lượng. Vi mạch điều khiển được tích hợp giúp tối ưu hóa quá trình hấp thụ và giải phóng hydrogen, đảm bảo hiệu suất cao và ổn định của hệ thống”, TS Bùi Văn Hùng khẳng định.
Tuy nhiên, khối lượng hydrogen trong sản phẩm của nhóm ước tính khoảng 20g, tương đương khoảng 0.66 kWh, là khá thấp. Mức năng lượng này phù hợp cho các thiết bị nhỏ hoặc thí nghiệm, nhưng không đủ để vận hành các phương tiện như ô tô hay thiết bị công nghiệp trong thời gian dài.
Để tăng khối lượng hydrogen lưu trữ, TS Hùng gợi ý nhóm nên tìm các hợp kim hoặc vật liệu có khả năng hấp thụ hydrogen nhiều hơn mà không tăng quá nhiều khối lượng vật liệu.
Nhóm sinh viên bày tỏ hi vọng, với những kết quả đạt được trong thời gian nghiên cứu vừa qua, nhóm sẽ tiếp tục nghiên cứu và phát triển sâu hơn công nghệ lưu trữ hydrogen rắn; mở rộng hợp tác với các chuyên gia, doanh nghiệp công nghệ, tìm kiếm tài trợ từ các quỹ nghiên cứu; tiến hành thử nghiệm quy mô nhỏ để đánh giá tính khả thi thực tiễn; thay thế và đánh giá khả năng lưu trữ hydrogen bằng nhiều hợp chất khác nhau để đưa ra giải pháp lưu trữ hydrogen rắn tối ưu nhất.
