Hy drô (hydrogen) là nguyên tố đơn giản nhất. Một nguyên tử của hy drô gồm có một prô tông (proton) và một điện tử (electron). Hy drô cũng là một khí có đầy rẫy trong vũ trụ và có chứa năng lượng.
Mặt trời là một quả cầu chứa đầy khí hy drô và hê li (helium). Khí hy drô kết hợp với nhau và làm thành khí hê li. Quá trình này gọi là sự hợp hạt (fusion) và phát ra năng lượng bức xạ (radiant energy). Tất cả sự sống trên trái đất đều phụ thuộc vào năng lượng bức xạ của mặt trời. Bom nguyên tử hy drô (hydrogen bomb) cũng dùng phương pháp tương tự.
Với cùng một trọng lượng, hy drô chứa nhiều năng lượng nhất so với các nguồn năng lượng khác. Nhưng nếu so về thể tích thì hy drô lại có ít năng lượng nhất. Ðiều đó gây ra sự khó khăn trong việc chuyên chở hy drô. Tuy nhiên hy drô là loại năng lượng sạch và có đầy rẫy trên trái đất nên được giới khoa học và kỹ nghệ chú ý đến rất nhiều. Trong bài này tôi nói về năng lượng hy drô dùng cho hỏa tiễn, xe hơi và các dụng cụ khác.
Ðặc tính của khí hy drô
Chất khí hy drô không tồn tại trên trái đất theo dạng độc lập mà có trong những hợp chất. Nước là hợp chất của ô xy (oxygen) và hy drô. Hy drô cũng có trong khí mê tan, than đá và dầu hỏa và tất cả những chất hữu cơ. Ở trạng thái bình thường hy drô là một chất khí không có mùi vị và màu sắc. Hy drô nhẹ hơn không khí và rất dễ cháy.
Phương pháp sản xuất hy drô
Khí hy drô là nguồn nhiên liệu đắt tiền và phức tạp vì phải tách ra từ những hợp chất có hy drô. Quy trình sản xuất hy drô tốn rất nhiều năng lượng. Hy drô có thể được rút ra từ nhiều nguồn khác nhau, thí dụ như khí thiên nhiên hay than đá, ngay cả nước. Có hai cách chính để sản xuất hy drô.
-Phương pháp thay đổi hơi nước-mê tan (steam-methane reforming) – Khí thiên nhiên có chứa mê tan và có thể dùng để tạo ra hy drô qua quy trình gọi là steam-methane reforming. Trong phương pháp này mê tan phản ứng với một luồng hơi nóng (700 tới 1000 độ C) dưới một áp suất cao và một chất xúc tác sẽ tạo ra hy drô, các bon mô nô xít (monoxide) và một ít các bon đi ô xít (dioxide).
Ðiện phân (electrolysis) – đây là phương pháp dùng điện để tách nước ra thành hy drô và ô xy. Dụng cụ cho phương pháp này gọi là bình điện phân (electrolyzer). Nếu điện dùng cho việc điện phân lấy từ năng lượng mặt trời hay năng lượng gió thì phương pháp điện phân được coi là một quy trình sạch vì không có chất thải độc hại. Ðây là hình minh họa bình điện phân.
Pin nhiên liệu (fuel cell) hy drô
Pin nhiên liệu hy drô sinh ra điện bằng cách kết hợp nguyên tử hy drô và ô xy. Pin nhiên liệu có hiệu năng gấp 2, 3 lần máy nổ nội (internal combustion engine) chạy bằng xăng. Hơn nữa, chất thải của pin nhiên liệu hy drô chỉ là nước. Sau đây là hình minh họa pin nhiên liệu hy drô.
Có nhiều loại pin nhiên liệu hy drô để dùng trong nhiều công việc khác nhau. Loại nhỏ có thể dùng cho máy tính xách tay hay điện thoại di động. Loại nhỡ thì dùng cho xe hơi. Loại lớn có thể dùng trong trường hợp bị cúp điện hay những chỗ không có điện.
Hiện tại ở Hoa Kỳ thì việc nghiên cứu và phát triển pin nhiên liệu hy drô chú trọng nhất là dùng cho xe hơi. Lý do là pin nhiên liệu hy drô có hiệu suất cao và chất thải ra chỉ là nước, không phun khói độc hại ra ngoài không khí.
Theo cơ quan U.S. Energy Information Administration thì ở Hoa Kỳ hiện nay có khoảng 500 xe chạy bằng pin nhiên liệu hy drô, đa số là ở tiểu bang California. Công ty Toyota mới tung ra thị trường một xe chạy bằng pin nhiên liệu hy drô, đó là xe Toyota Mirai. Xe dùng pin nhiên liệu hy drô để quay động cơ điện giống như xe điện dùng pin thường. Khác ở chỗ là phải mất mấy tiếng đồng hồ mới nạp lại điện cho xe điện dùng pin thường, trong khi xe dùng pin nhiên liệu hy drô thì chỉ mất mấy phút để nạp nhiên liệu hy drô giống như bạn đổ xăng cho xe hơi thường.
Tuy nhiên vấn đề là vẫn còn rất ít trạm nạp nhiên liệu hy drô. Ðây là một vòng luẩn quẩn, khách hàng không mua xe pin nhiên liệu hy drô nếu không có trạm nạp nhiên liệu hy drô, các công ty không thiết lập trạm nạp nhiên liệu nếu không có khách hàng. Cũng theo cơ quan nói trên, tiểu bang California hiện có 55 trạm nạp nhiên liệu hy drô, trong đó chỉ có 30 trạm cho công chúng. California Energy Commission đang có chương trình giúp đỡ để phát triển nhiều trạm nạp nhiên liệu hy drô. Mục đích là để khuyến khích sự dùng xe pin nhiên liệu hy drô vì xe loại này không làm ô nhiễm môi trường.
Nhiên liệu hy drô lỏng cho hỏa tiễn
Từ thập niên 1940 các nhà khoa học ở Hoa Kỳ đã thấy tiềm năng của hy drô lỏng trong việc phóng hỏa tiễn. Sau nhiều lần thử nghiệm và nhiều tai nạn, cuối cùng NASA đã dùng Hy drô lỏng làm nhiên liệu cho hỏa tiễn thám hiểm không gian. Hy drô là một nhiên liệu có sức đẩy mạnh mà lại nhẹ. Hợp với ô xy lỏng, hy drô lỏng có sức đẩy mạnh nhất so với những nhiên liệu khác có cùng một trọng lượng.
Tuy nhiên hy drô và ô xy là chất khí chỉ có thể làm thành lỏng ở nhiệt độ cực thấp. hy drô lỏng phải giữ ở nhiệt độ âm 253 độ C. Khi hy drô lỏng hấp thu nhiệt nó nở ra rất nhanh và có thể nổ tung. Khi dùng cho hỏa tiễn thì bình chứa hy drô lỏng phải được cách nhiệt một cách chặt chẽ để hơi nóng từ ống phun lửa của hỏa tiễn hay sự cọ sát với không khí không thâm nhập vào được. Khi ra ngoài vũ trụ thì phải làm sao cho sức nóng bức xạ của mặt trời không làm nóng bình hy drô lỏng.
Ưu điểm của năng lượng hy drô
-Năng lượng sạch – năng lượng hy drô là một năng lượng sạch vì không có chất thải độc hại. Thí dụ pin nhiên liệu chỉ cho ra nước và hơi nóng.
-Năng lượng có thể tái tạo – vì hy drô có đầy rẫy trong vũ trụ nên luôn luôn còn.
-Hiệu năng cao và sức mạnh lớn – năng lượng hy drô có hiệu năng rất cao so với những nhiên liệu khác. Vì vậy các hỏa tiễn thời nay đều dùng nhiên liệu hy drô lỏng.
Khuyết điểm của năng lượng hy drô
-Khá đắt – Mặc dù hy drô có ở cùng khắp nhưng không có riêng rẽ mà ở trong các hợp chất. Quá trình rút hy drô ra từ những hợp chất rất là đắt tiền.
-Vẫn phải dùng nhiên liệu hóa thạch – Quá trình tách hy drô từ những hợp chất nhiều khi phải dùng nhiên liệu hóa thạch.
-Không bền và dễ cháy – vì không bền và dễ cháy nên chuyên chở hy drô là một vấn đề khó khăn. Thường thì hy drô được chuyển đi bằng đường ống dẫn hay những tàu chở dầu. Hy drô được chuyên chở dưới dạng lỏng hay dưới một áp suất cao.
Tương lai của năng lượng hy drô
Vì năng lượng hy drô là sạch và tái tạo được, nên mặc dù đắt tiền và chuyên chở khó khăn, nhưng các nhà khoa học và các công ty vẫn ráo riết nghiên cứu để làm sao chế tạo ra hy drô rẻ tiền hơn và dễ dàng sử dụng hơn. Trong tương lai chắc chắn sẽ có nhiều xe dùng năng lượng hy drô hơn.
—————–
Nguồn tài liệu:
https://www.eia.gov
https://energy.gov
https://www.nasa.gov
