Sản xuất nước sạch và và hydro xanh giá rẻ từ ánh nắng và nước biển
Một dự án hợp tác do Đại học Cornell dẫn đầu đã phát triển một phương pháp giá rẻ để sản xuất hydro “xanh” không chứa carbon thông qua quá trình điện phân nước biển bằng năng lượng Mặt trời. Quá trình này tạo ra một sản phẩm phụ là nước sạch.
Nhóm nghiên cứu đã công bố kết quả này trên tạp chí Energy and Environmental Science vào ngày 9/4. Họ đã tạo ra một thiết bị điện phân nước bằng năng lượng Mặt trời lai (HSD-WE), có thể sản xuất 200 ml hydro mỗi giờ, trực tiếp từ nước biển dưới ánh sáng Mặt trời, với hiệu suất năng lượng 12,6%. Các nhà nghiên cứu ước tính trong vòng 15 năm, công nghệ này có thể giảm chi phí sản xuất hydro xanh xuống còn 1 USD/kg – bước tiến quan trọng góp phần đạt được mục tiêu đạt mức phát thải ròng bằng 0 vào năm 2050.
“Nước và năng lượng đều rất cần thiết cho cuộc sống hàng ngày, nhưng thông thường, nếu muốn sản xuất nhiều năng lượng hơn, chúng ta phải tiêu tốn nhiều nước hơn”, Lenan Zhang, phó giáo sư tại Trường Kỹ thuật cơ khí và hàng không vũ trụ Sibley thuộc Đại học Cornell, người đứng đầu dự án, cho biết. “Do vậy, chi phí là một nút thắt trong sản xuất hydro xanh”.
Hydro xanh được sản xuất bằng cách phân tách các phân tử nước “có độ tinh khiết cao” – chẳng hạn nước khử ion – thành hydro và oxy thông qua quá trình điện phân. Quá trình này cần một lượng nước sạch khổng lồ, do vậy chi phí sản xuất hydro xanh có thể cao gấp 10 lần so với hydro thông thường.
“Đó là lý do chúng tôi phát triển công nghệ này”, Zhang cho biết. “Chúng tôi muốn tận dụng nguồn tài nguyên dồi dào nhất trên Trái đất – nước biển và năng lượng Mặt trời. Đây là những nguồn tài nguyên vô hạn và miễn phí”.
Là một nhà nghiên cứu tại Viện Công nghệ Massachusetts (MIT), Zhang bắt đầu tìm hiểu các phương pháp ứng dụng năng lượng Mặt trời để biến nước biển thành nước sạch thông qua quá trình khử muối bằng nhiệt. Khi Zhang đến Đại học Cornell vào năm 2024, ông đã nhận được sự hỗ trợ từ Quỹ Khoa học quốc gia để mở rộng công nghệ sản xuất hydro xanh.
Thông qua việc hợp tác với các nhà nghiên cứu từ MIT, Đại học Johns Hopkins và Đại học bang Michigan, Zhang và các cộng sự đã thiết kế một thiết bị có kích thước 10cm x 10cm, có thể khắc phục được vấn đề hiệu suất thấp của công nghệ quang điện. Hầu hết các tế bào quang điện chỉ có thể chuyển đổi khoảng 30% năng lượng Mặt trời thành điện, còn lại chuyển thành nhiệt thải. Nhưng thiết bị của nhóm nghiên cứu có thể khai thác phần lớn nhiệt thải này.
“Về cơ bản, ánh sáng Mặt trời bước sóng ngắn sẽ tương tác với tấm pin Mặt trời để tạo ra điện, còn ánh sáng bước sóng dài hơn tạo ra nhiệt thải để cung cấp năng lượng cho quá trình chưng cất nước biển”, Zhang cho biết. “Nhờ đó, chúng tôi có thể tận dụng được toàn bộ năng lượng Mặt trời”.
Để kích hoạt quá trình bốc hơi, có một thành phần quan trọng là ống mao dẫn, có tác dụng giữ nước tạo thành lớp màng mỏng tiếp xúc trực tiếp với tấm pin Mặt trời. Như vậy, chỉ cần đun nóng lớp màng mỏng này thay vì một lượng nước lớn, và hiệu suất bốc hơi sẽ tăng lên hơn 90%. Sau khi nước biển bốc hơi, muối sẽ ở lại, hơi nước đã khử muối sẽ ngưng tụ thành nước sạch, đi qua bộ phận điện phân, tách các phân tử nước thành hydro và oxy.
“Việc phát triển thiết bị này gặp khá nhiều thách thức vì phải kết hợp nhiều thứ phức tạp: khử muối kết hợp với điện phân, điện phân kết hợp với pin Mặt trời và pin Mặt trời kết hợp với khử muối thông qua quá trình chuyển đổi năng lượng hóa học, nhiệt, Mặt trời và điện”, Zhang cho biết.
Zhang cho biết, chi phí sản xuất hydro xanh hiện tại là khoảng 10 USD/kg, nhưng với nguồn ánh sáng Mặt trời và nước biển dồi dào, trong vòng 15 năm, thiết bị của nhóm nghiên cứu có thể giảm chi phí xuống còn 1 USD/kg. Công nghệ này cũng có thể được kết hợp vào các trang trại điện Mặt trời để làm mát các tấm pin Mặt trời, giúp cải thiện hiệu suất và kéo dài tuổi thọ của chúng.
“Chúng tôi muốn giảm phát thải carbon và hạn chế ô nhiễm. Nhưng đồng thời, chúng tôi cũng quan tâm đến vấn đề chi phí, vì chi phí càng thấp thì tiềm năng ứng dụng trên quy mô lớn càng cao”, ông nói.
Thanh An dịch từ Cornell Chronicle
