Khí hydrogen được xem là “vua của các năng lượng sạch” trong tương lai vì sản phẩm cháy duy nhất của nó là nước. Hiện nay, ngành công nghiệp năng lượng thế giới phân loại hydrogen thành các “sắc màu” khác nhau dựa trên “dấu chân carbon” của công nghệ sản xuất:
• Công nghệ 1: Khí CH4 trong khí thiên nhiên được cho phản ứng với hơi nước ở nhiệt độ cao, giải phóng H2 và CO2 xả thẳng ra khí quyển.
• Công nghệ 2: Áp dụng quy trình như Công nghệ 1, nhưng tích hợp thêm hệ thống bẫy giữ và chôn lấp hoặc lưu trữ carbon dưới lòng đất, ngăn không cho CO2 phát tán ra môi trường.
• Công nghệ 3: Sử dụng dòng điện được tạo ra từ hệ thống pin mặt trời hoặc tua bin gió để tiến hành điện phân nước, thu về H2 và O2 tinh khiết mà không phát sinh bất kỳ khí thải nhà kính nào trong suốt chu trình.
Trong các phương tiện giao thông thế hệ mới, pin nhiên liệu hydrogen hoạt động dựa trên phản ứng điện hoá giữa khí H2 và O2 không khí để sinh dòng điện với hiệu suất năng lượng vượt trội.
Để đánh giá hiệu năng của một dòng xe ô tô chạy bằng pin nhiên liệu hydrogen, người ta thử nghiệm xe chạy trên quãng đường 100 km với vận tốc không đổi. Năng lượng cơ học cần thiết cho chiếc xe chạy hết 100 km là 61200 kJ. Biết rằng hiệu suất chuyển đổi từ hoá năng thành điện năng của pin là 60% và từ điện năng thành cơ năng của động cơ điện là 85%.
Phản ứng hoá học xảy ra trong pin như sau: 2H2(g) + O2(g) → 2H2O(g)
Biết rằng năng lượng giải phóng khi đốt cháy hoàn toàn 1 mol khí H2 là 285,8 kJ.
a) Dựa vào các thông tin về nguồn gốc và công nghệ sản xuất được cung cấp ở trên, hãy xác định và giải thích công nghệ nào tương ứng với các thuật ngữ: “hydrogen xanh”; “hydrogen xám” và “hydrogen lam”. Tại sao pin nhiên liệu hydrogen lại không gây ô nhiễm tại nơi phương tiện vận hành?
b) Tính khối lượng (kg) khí H2 tối thiểu mà chiếc xe phải tiêu thụ để hoàn thành quãng đường 100 km thử nghiệm nêu trên.
c) Nếu lượng hydrogen trên được sản xuất hoàn toàn bằng phương pháp điện phân nước từ năng lượng mặt trời (Công nghệ 3) với hiệu suất dòng điện là 80%. Tính điện năng theo kWh mà hệ thống pin mặt trời cần cung cấp để sản xuất đủ lượng H2 cho xe chạy 100 km. Biết phản ứng điện phân nước (2H2O → 2H2 + O2) tiêu tốn năng lượng đúng bằng năng lượng giải phóng khi tái hợp H2 và O2. Biết: 1 kWh = 3600 kJ.
(a) Công nghệ 1 tạo ra hydrogen xám do CO2 được xả thải trực tiếp ra môi trường.
Công nghệ 2 tạo ra hydrogen lam do CO2 được chôn lấp hoặc lưu trữ carbon dưới lòng đất, việc này không phải là vĩnh cửu mà CO2 có thể thoát ra dần theo thời gian. Không có kho chứa địa chất nào có thể cam kết kín tuyệt đối mãi mãi.
Công nghệ 3 tạo ra hydrogen xanh do sử dụng năng lượng xanh (năng lượng gió, mặt trời) để sản xuất H2 từ điện phân H2O. Quy trình này không phát thải CO2 trực tiếp, chỉ phát thải ở các khâu sản xuất pin mặt trời, tua-bin gió, xây dựng cơ sở hạ tầng…
Pin nhiên liệu hydrogen lại không gây ô nhiễm tại nơi phương tiện vận hành vì pin hoạt động dựa trên phản ứng 2H2(g) + O2(g) → 2H2O(g), rõ ràng nó không phát thải chất gây ô nhiễm mà chỉ thải ra H2O, một chất thân thiện.
(b) Năng lượng mà phản ứng cần cung cấp cho quãng đường 100 km:
E = 61200/(60%.85%) = 120000 kJ
Lượng H2 cần thiết: mH2 = 2.120000/285,8 = 839,75 gam ≈ 0,84 kg
(c) Năng lượng mà pin mặt trời cần cung cấp để có được lượng H2 trên:
E = 120000/80% = 150000 kJ = 41,67 kWh.