Chế tạo pin nhiên liệu từ cacbon đioxit – Giải pháp đầy hứa hẹn
Cacbon đioxit phát thải từ việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch là tác nhân chính gây nên sự nóng lên toàn cầu và biến đổi khí hậu. Vì vậy, việc thu hồi, lưu giữ hay sử dụng lại cacbon đioxit mở ra nhiều hướng nghiên cứu phát triển và ứng dụng trên thế giới. Điển hình trong số đó là nghiên cứu rất thú vị của Đại học MIT và Đại học Harvard thực hiện việc chuyển đổi trực tiếp cacbon đioxit thành muối format – một loại nhiên liệu rắn có thể lưu trữ dài hạn và được sử dụng để cấp nhiệt hoặc điện cho các hộ tiêu thụ dân dụng hoặc công nghiệp.
Nguồn: [1]
Thu giữ cacbon đioxit
Một số phương pháp tiếp cận chuyển đổi cacbon đioxit thành nhiên liệu thường bao gồm hai giai đoạn: đầu tiên là khí được thu giữ theo phản ứng hóa học và chuyển thành dạng rắn như canxi cacbonat, sau đó chất này được gia nhiệt để tách cacbon đioxit và chuyển nó thành nguyên nhiên liệu ở dạng cacbon monoxit. Tuy nhiên, nhược điểm của quá trình công nghệ hai giai đoạn này là hiệu suất của giai đoạn 2 rất thấp, chỉ khoảng 20% cacbon đioxit được chuyển đổi thành sản phẩm mong muốn.
Các nhà nghiên cứu tại Đại học MIT và Đại học Harvard đưa ra cách tiếp cận khác và phát triển một quá trình công nghệ được xem là hiệu quả: chuyển đổi cacbon đioxit thành muối format, ở dạng chất lỏng hoặc chất rắn, có thể được sử dụng như hydro hoặc methanol để tạo nguồn điện cho pin nhiên liệu và sản xuất ra điện. Các muối kali hoặc natri format, đã được sản xuất ở quy mô công nghiệp, là chất không độc hại, không cháy, dễ dàng lưu trữ và vận chuyển, có thể chứa lâu dài trong bồn thép bình thường.
Nghiên cứu quá trình công nghệ mới này được giáo sư Đại học MIT cùng với nhóm nghiên cứu sinh của Đại học MIT và Harvard thực hiện theo chương trình hỗ trợ của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ.
Hình 1. Minh họa quá trình thu giữ CO2 và chuyển thành muối format [2]
Quá trình công nghệ mới này có hiệu suất cao, có thể chuyển đổi trên 96% cacbon đioxit (ở quy mô phòng thí nghiệm) và không cần giai đoạn gia nhiệt hiệu suất thấp như ở các phương pháp tiếp cận khác.
Hình 2. Quá trình nghiên cứu và thí nghiệm [2]
Quá trình công nghệ này gồm các bước cơ bản sau đây: đầu tiên là dùng dung dịch kiềm để thu giữ cacbon đioxit (từ khói thải nhà máy điện hoặc từ các nguồn phát thải khác hay ngay cả từ không khí) và chuyển thành một chất trung gian – dung dịch bicacbonat kim loại lỏng. Tiếp theo đó, chất lỏng này tham gia phản ứng điện hóa trong các bộ điện phân (màng trao đổi cation) sử dụng điện từ các nguồn cacbon thấp như điện gió, điện mặt trời hoặc điện hạt nhân, để chuyển thành các tinh thể muối format dạng rắn.
Các tinh thể này có tuổi thọ rất dài và có trạng thái ổn định nên có thể lưu trữ hàng năm hoặc thậm chí có thể đến hàng thập kỷ mà rất ít hoặc hầu như không có tổn thất.
Chế tạo pin nhiên liệu
Nhóm nghiên cứu cũng chế tạo pin nhiên liệu để tối ưu hóa việc sử dụng nhiên liệu format nêu trên cho sản xuất điện. Chất bột format được lưu giữ sẽ được hòa tan trong nước và được bơm đến pin nhiên liệu khi cần. Theo nhóm nghiên cứu, mặc dù nhiên liệu rắn này nặng hơn nhiều hydro nhưng hydro lại cần các bồn chứa áp suất cao để lưu trữ nên kết quả sau cùng là công suất điện tạo ra gần như bằng nhau xét trên cùng đơn vị thể tích lưu trữ.
Pin nhiên liệu sử dụng trực tiếp format có mật độ thể tích năng lượng cao (53g hydro/lít) và có mật độ năng lượng riêng cao (2,13 kWh/kg, lớn hơn 5 lần so với pin lithium hiện nay). Hiện tại, pin nhiên liệu sử dụng trực tiếp format có thể cung cấp mật độ công suất đỉnh là 302 mW/cm2, có khả năng cạnh tranh với các pin nhiên liệu hydro (sử dụng màng trao đổi proton) tiêu chuẩn hiện nay (~700 mW/cm2).
Nhiên liệu format có tiềm năng thích ứng với nhiều ứng dụng đa dạng, từ các hộ tiêu thụ gia đình cho đến các hộ tiêu thụ công nghiệp quy mô lớn hoặc các hệ thống lưu trữ năng lượng kết nối với lưới điện. Ứng dụng ở hộ gia đình có thể bắt đầu ở quy mô một bộ điện phân có kích cỡ chiếc tủ lạnh để thu giữ và chuyển đổi cacbon đioxit thành format được chứa ở các bồn chôn ngầm hoặc ở trên mái nhà. Khi có nhu cầu, bột format sẽ được hòa trộn vào nước và cấp đến pin nhiên liệu để cung cấp điện và nhiệt.
Mặc dù còn nhiều công đoạn cần thí nghiệm và kiểm chứng, kết quả nghiên cứu của nhóm nghiên cứu của đại học MIT và Harvard đem lại nhiều tiềm năng hứa hẹn trong việc thu giữ cacbon đioxit và sử dụng sản phẩm làm nhiên liệu cho pin nhiên liệu.
Đặc biệt là tiềm năng mở ra nền “kinh tế format” nơi mà các muối format kim loại (không độc hại, có trạng thái bền vững) đóng vai trò như “hydro dạng rắn” nhưng dễ dàng và thuận tiện hơn nhiều trong lưu trữ dài hạn và có thể sử dụng ở nhiều lĩnh vực đa dạng.
Thực hiện: Nhi Đỗ
Nguồn tham khảo:
[1] MIT News. Engineers develop an efficient process to make fuel from carbon dioxide. 30 October 2023.
[2] Zhen Zhang, Dawei Xi, Zhichu Ren, Ju Li. A Carbon-efficient Bicarbonate Electrolyzer. Cell Reports, Physical Science. 15 November 2023.