Nghiên cứu, ứng dụng công nghệ lưu trữ hydrogen

TMO - Hiện nay hydrogen được coi là nguồn năng lượng sạch tiềm năng. Tuy nhiên, việc lưu trữ hydrogen an toàn là thách thức lớn do tính dễ nổ của nó. Trước thực tế này, nhóm sinh viên trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật-Đại học Đà Nẵng đã tập trung nghiên cứu, phát triển hệ thống lưu trữ hydrogen, hạn chế cháy nổ.

Được biết, Hydro (hydrogen - H2) là nguyên tố hóa học phổ biến, tạo nên khoảng 75% tổng khối lượng vũ trụ và hơn 90% tổng số nguyên tử. Hiện nay, hydro được sử dụng phổ biến trong ngành công nghiệp hóa chất như chế tạo ammonia, methanol, sản xuất phân bón, công nghiệp luyện kim, lọc dầu, chất bán dẫn, mỹ phẩm…

Xuất phát từ mong muốn tìm ra giải pháp để lưu trữ hydrogen an toàn. Nhóm sinh viên trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật - Đại học Đà Nẵng đã tập trung nghiên cứu, phát triển hệ thống lưu trữ hydrogen đột phá, giúp giảm thiểu đáng kể rủi ro cháy nổ, đồng thời tăng cường khả năng lưu trữ năng lượng, góp phần bảo vệ môi trường trong đô thị.

Cụ thể, nhóm sinh viên Đại học Sư phạm Kỹ thuật-Đại học Đà Nẵng đã nghiên cứu, chế tạo thiết bị chuyển hydrogen từ dạng khí, dạng lỏng sang dạng rắn để dễ dàng lưu trữ, vận chuyển mà không gây các nguy cơ mất an toàn, cháy nổ; có tính ứng dụng cao trong sản xuất công nghiệp.

Nhóm sinh viên gồm Võ Dư Định, Lâm Đạo Nhơn, Mai Đức Hưng, Lê Anh Vân, Nguyễn Hưng Tâm (sinh viên chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô, trường Đại học Sư Phạm Kỹ thuật-Đại học Đà Nẵng) bắt đầu nghiên cứu đề tài “Công nghệ lưu trữ hydrogen rắn trong đô thị thông minh” từ tháng 10/2023, dưới sự hướng dẫn Tiến sĩ 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).

Đại diện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật-Đại học Đà Nẵng cho hay, hydrogen là một nguồn năng lượng sạch, có tiềm năng thay thế các nhiên liệu hóa thạch truyền thống. Tuy nhiên, một trong những thách thức lớn đối với việc sử dụng hydrogen là vấn đề lưu trữ an toàn và hiệu quả. Nhận thấy tiềm năng của công nghệ lưu trữ hydrogen, nhóm nghiên cứu đã tập trung tìm hiểu các loại vật liệu lưu trữ hydrogen rắn, phân tích tính khả thi trong việc triển khai vào các hệ thống năng lượng của đô thị thông minh; bắt đầu bằng việc tìm hiểu sâu về các loại vật liệu có khả năng lưu trữ hydrogen dưới dạng rắn, đặc biệt là các hợp kim kim loại có khả năng hấp thụ và giải phóng hydrogen một cách hiệu quả.

Lưu trữ hydrogen hiện đang là thách thức lớn bởi hydrogen dễ bị cháy nổ. (Ảnh minh hoạ). 

Để thực hiện, nhóm sinh viên cần trải qua quá trình nghiên cứu bao gồm nhiều bước quan trọng. Đầu tiên, nhóm thực hiện tổng quan lý thuyết để nắm bắt kiến thức cơ bản về các vật liệu lưu trữ hydrogen và nguyên lý hoạt động của chúng. Các kiến thức này không chỉ giúp xác định hiệu suất của từng vật liệu mà còn phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả lưu trữ như nhiệt độ, áp suất và khả năng tái sử dụng.

Trưởng nhóm nghiên cứu đề tài cho biết, nhóm đã thiết kế và xây dựng mô hình có cấu tạo gồm 2 phần: Phần cơ khí (gồm bình lưu trữ, bình nhớt gia nhiệt, bơm bánh răng) và phần vi mạch (gồm bo mạch Arduino, chiết áp điều khiển bơm, rơ le đóng ngắt sò, cảm biến khí hydrogen, cảm biến nhiệt, thanh gia nhiệt). Hệ thống hoạt động dựa trên nguyên lý sử dụng kim loại Mg để hấp thụ hydrogen, 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 hydrogen diễn ra ở cùng mức nhiệt độ, khoảng 250-350°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, 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 và sử dụng năng lượng. Theo giảng viên hướng dẫn cho biết, khi thực hiện đề tài "Công nghệ lưu trữ Hydrogen rắn trong đô thị thông minh", sinh viên gặp nhiều khó khăn như: thiếu nguồn tài liệu chuyên sâu về công nghệ mới này, chi phí cao cho thiết bị nghiên cứu và khó khăn trong việc mô phỏng hệ thống lưu trữ, ứng dụng thực tế.

Công nghệ liên quan đến hydrogen đòi hỏi kiến thức liên ngành, từ vật liệu đến cơ khí và năng lượng, khiến việc nắm bắt và triển khai trở nên phức tạp. Bên cạnh đó, Hydrogen là chất dễ cháy nổ, do đó việc đảm bảo an toàn trong quá trình nghiên cứu và ứng dụng cũng là một thách thức lớn. Nêu ra vai trò của đề tài đối với việc bảo vệ môi trường, thành viên nhóm nghiên cứu cho hay, đề tài đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ môi trường đô thị, bằng cách giảm thiểu khí thải ô nhiễm từ các nguồn năng lượng truyền thống. Cụ thể, Hydrogen là nguồn năng lượng sạch, khi được sử dụng không tạo ra khí thải độc hại như CO₂ hay NOₓ, góp phần làm giảm ô nhiễm không khí.

Nhóm nghiên cứu thuộc trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật-Đại học Đà Nẵng. (Ảnh: BTT).

Ngoài ra, công nghệ lưu trữ hydrogen rắn có thể tích hợp với năng lượng tái tạo như điện mặt trời và điện gió, giúp lưu trữ và sử dụng hiệu quả các nguồn năng lượng này. Việc ứng dụng hydrogen trong hệ thống năng lượng và giao thông đô thị không chỉ giảm lượng khí thải từ phương tiện giao thông, mà còn hỗ trợ phát triển các giải pháp năng lượng bền vững, góp phần xây dựng các đô thị xanh, thông minh và thân thiện với môi trường.

Đối với những thành phố đang phát triển như Đà Nẵng, việc triển khai công nghệ lưu trữ hydrogen rắn sẽ hỗ trợ đáng kể trong việc xây dựng hệ thống năng lượng thông minh, ổn định và thân thiện với môi trường, đồng thời giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch truyền thống. Giảng viên hướng dẫn khẳng định, so với các nghiên cứu trước đây, hệ thống của nhóm nghiên cứu 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. Đề tài nghiên cứu với sản phẩm công nghệ lưu trữ hydrogen dưới dạng rắn sẽ mở ra một hướng đi mới trong lĩnh vực năng lượng sạch, góp phần vào việc xây dựng một tương lai bền vững.

Để phát triển và có kết quả cao nhất, trong thời gian tới, nhóm nghiên cứu sẽ tiếp tục dự án bằng cách 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.

 Cùng với đó, nhóm sẽ 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. Điều này sẽ giúp nhóm cải tiến hệ thống, giải quyết các thách thức kỹ thuật và nâng cao chất lượng nghiên cứu.

Hydrogen có nguồn gốc từ các nguồn tái tạo, đã góp phần mang lại một giải pháp bền vững để loại carbon trong ngành năng lượng, giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch và tăng cường khả năng phục hồi khí hậu và môi trường trên trái đất. Các nghiên cứu, ứng dụng về lưu trữ hydrogen của nhóm sinh viên trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật-Đại học Đà Nẵng là cơ sở, tiền đề quan trọng để thúc đẩy những Dự án tiềm năng liên quan đến hydrogen.

Tú Anh