TÌM HIỂU NGUỒN NĂNG LƯỢNG TƯƠNG LAI - Năng lượng hidro - Diễn đàn
[ New messages · Members · Forum rules · Search · RSS ]
Page 1 of 11
Diễn đàn » Hóa học đại học và sau đại học » Hóa học vô cơ (Inorganic Chemistry) » TÌM HIỂU NGUỒN NĂNG LƯỢNG TƯƠNG LAI - Năng lượng hidro (Bài báo khoa học đăng trên tập san khoa học trường ĐHHP)

TÌM HIỂU NGUỒN NĂNG LƯỢNG TƯƠNG LAI - Năng lượng hidro
hieu-manuNgày: Thứ sáu, 2010-04-16, 5:55 PM | Tin nhắn # 1
Trung tá
Chức vụ: Chủ tịch HPChemC
Tổng số bài viết: 1031
Phần thưởng: 0
Danh tiếng: 24
Trạng thái: Offline
TÌM HIỂU NGUỒN NĂNG LƯỢNG TƯƠNG LAI

(A study on energy mining for future)

****************

Người thực hiện: Nguyễn Hữu Hiệu

ĐHSP Hoá học K8- Khoa KHTN –Trường ĐH Hải Phòng

Cán bộ hướng dẫn: Th.s Vũ Thành Công

The current economy is dependent on fossil fuels, which are integral to industry, transport and every day life. The use of fossil fuel creates global warming, melting the Arctic ice cap, degradation of forests, agricultural, environmental damage, such as air pollution, oil spills, human health and mortality.
Nuclear fission and nuclear fusion are not energy options due to safety and nuclear waste problems, security from terrorists, limited reserve of uranium mining.
Solar - Hydrogen is produced from water and solar energy. Hydrogen from water is the most basic and ubiquitous element in the universe. It is the " forever fuel". producing no harmful carbon dioxide emissions when burned and giving off as byproducts only heat and pure water. Fuel cells powered by hydrogen are now being introduced into the market for home, office, cars, buses and industrial use,
For these numerous reasons it is necessary to convert from fossil sources to the Solar - Hydrogen sources and the Solar -Hydrogen Economy is the choice of the 21st century. In the changing to the Solar -Hydrogen Economy , there are a lot of problems for research and development, among them catalysis plays an important role.
In the report a review is given for the role catalysis in the Energy Revolution in the 21st century. The change of the Fossil Economy to the Solar -Hydrogen Economy

I.Đặt vấn đề

Năng lượng là thứ cần thiết và quan trọng nhất trong quá trình công nghiệp, hoá hiện đại hoá của loài người trong t­ương lai. Hiện nay con ng­ười sử dụng rất nhiều nguồn năng lượng khác nhau như­: năng lượng hoá thạch, năng lượng nguyên tử, năng lượng mặt trời..v..v.., nhưng chủ yếu là năng lượng hoá thạch. Con người phát hiện và sử dụng năng lượng hoá thạch cách đây khoảng 3 đến 4 trăm năm . Ban đầu con người chỉ sử dụng nó như một thứ chất đốt để thắp sáng. Sau cuộc cách mạng công nghiệp nổ ra ở thế kỉ 17, nhu cầu sử dụng năng lượng của con người bắt đầu tăng vọt theo cấp số nhân. Từ đó năng lượng hoá thạch trở thành một thứ vô cùng quý giá không thể thiếu trong sự phát triển kinh tế-khoa học-kĩ thuật của loài người.
Theo thống kê của tổ chức năng lượng thế giới (IAEA), hàng năm tổng sản lượng tiêu thụ là 425 quad BTU (425.109 BTU). Trong đó: Dầu mỏ chiếm: 36,8% Khí thiên nhiên chiếm: 26%; Than đá chiếm: 25,2%; 10% còn lại: hạt nhân chiếm 7,5% , thuỷ điện chiếm2,4% …
Như vậy năng lượng hoá thạch chiếm 90% sản lượng toàn cầu (382,5 quad BTU). Vậy con người đang lệ thuộc rất nhiều vào năng lượng hoá thạch .
Chính vì sự lệ thuộc này đã đặt ra 2 câu hỏi lớn cho nhân loại:
• Chúng ta được sử dụng nguồn năng lượng hoá thạch đến bao giờ?
• Hậu quả của sự phụ thuộc đó với môi trường như thế nào?
Tôi xin được trả lời :
Câu hỏi 1: Năng lượng hoá thạch là năng lượng không tái tạo, chỉ phát hiện thêm chứ không sinh sinh ra. Ước tính trái đất còn dự trữ khoảng 140 tỉ tấn dầu và 100.000 tỉ m3. Theo thống kê của IAEA mỗi năm con người sử dụng 28 tỷ tấn dầu và 2000 tỷ m3 khí đốt và đến cuối thế kỉ 21 con người sẽ sử dụng đến giọt dầu cuối cùng.
Câu hỏi 2: Thành phần hoá học tạo nên năng lượng hoá thạch bao gồm các nguyên tố: C, H, O, N, S, tạp chất…Khi đốt cháy chúng sinh ra nhiệt và thải ra các khí COx, NOx, SOx, VOC…là các khí thải độc hại gây ô nhiễm không khí, nguồn nước, đất đai ..v..v..
Như vậy con người không thể mãi dựa dẫm vào năng lượng hoá thạch, phải tìm ra một loại năng lượng mới đủ sức khắc phục và thay thế năng lượng hoá thạch trong tương lai.

II- Kết quả và thảo luận

A- Các nguồn năng lượng thay thế
Con người đã nghiên cứu và bắt đầu đưa vào sử dụng các loại năng lượng thay thế sau đây:
1.Năng lượng hạt nhân
Ưu điểm: là nguồn năng lượng sạch, dồi dào.
Nhược điểm: Việc để không xảy ra sự cố khi sử dụng loại năng lượng này chỉ là trên lí thuyết, thực tế chúng ta đã chứng kiến rất nhiều vụ tai nạn thảm khốc do sự dò rỉ phóng xạ gây nên như ở các nước: Mỹ, Nhật, Ukraina.
Chính vì những hậu quả như trên mà nhiều nước trên thế giới đã đóng cửa nhà máy điện hạt nhân, không xây dựng mới nhà máy điện hạt nhân nguyên tử.
Như vậy năng lượng hạt nhân không còn là giải pháp khả thi cho thế kỉ 21. Bởi chúng không thể thay thế được năng lượng hóa thạch và rất kém an toàn
2.Những nguồn năng lượng khác
2.1 Thủy điện
Thuỷ điện là nguồn năng lượng rất dồi dào và rất sạch
Tuy nhiên thuỷ điện có rất nhiều nhược điểm:
Thuỷ điện chỉ khai thác được ở những nơi có các con sông lớn chảy qua. Nhưng không phải ở đâu cũng đáp ứng được yêu cầu này.
Ngay cả ở những nơi có nh÷ng con sông lớn thì cũng gặp vấn đề là: lưu lượng nước của sông tuỳ thuộc vào mùa, cho nên vào mùa khô thì việc thuỷ điện gặp rắc rối là điều không thể tránh khỏi.
Chi phí để xây nhà máy thủy điện rất lớn: một nhà máy thuỷ điện cỡ nhỏ cũng ngốn hàng triệu USD.
Cho nên thuỷ diện không phải là nguồn năng lượng thay thế cho tương lai mà nó chỉ đóng vai trò bổ sung mà thôi.
2.2 Năng lượng sinh học
Xét về yêu cầu sạch thì năng lượng sinh học hoàn toàn đáp ứng yêu cầu đó. Nguồn năng lượng sinh học được chủ yếu sản xuất từ những cây lương thực như: lúa, ngô, v v…(chủ yếu là ngô). Chính vì điều này đã nảy sinh ra vấn đề rất nhức nhối đó là lương thực. Hàng năm những nước lớn như: Mĩ, Nga sử dụng gần ½ lượng lương thực để sản xuất năng lượng sinh học. Trong khi đó ở biết bao nước nghèo, người dân không đủ gạo ăn. Vậy nguyên nhân sâu xa của việc thiếu hụt lương thực là thiếu hụt năng lượng. Chính sự khủng hoảng này là giá lương thực liên tục tăng và sự lạm phát giá cả ngày càng nhiều.
Để giải quyết vấn đề này, ngày 29/04/2008 hiệp hội nông lâm thế giới FAO kết hợp với tổ chức Liên Hợp Quốc ban hành điều khoản: “Cấm các nước sử dụng lương thực để sản xuất năng lượng trong vòng 5 năm từ 2008 đến 2013”
Như vậy năng lượng sinh học cũng không phai là nguồn năng lượng chủ đạo trong tương lai.
2.3 Năng lượng gió
Đây là nguồn năng lượng đáp ứng khá đầy đủ yêu cầu đối với một năng lượng cho tương lai.
Tuy nhiên năng lượng gió có những nhược điểm sau: Thiết bị khai thác kồng kềnh vµ công suất không cao
Do vậy năng lượng gió cũng không phải là năng lượng chủ đạo trong tương lai, nó chỉ đóng vai trò là nguồn năng lượng bổ sung .
2.4 Hiđro- năng lượng của tương lai
Năng lượng hidro có những ưu điểm khá nổi bật mà tất cả các nguồn năng lượng khác không thể có được.
Nền kinh tế hidro sẽ thay thế cho nền kinh tế hóa thạch, bảo đảm thỏa mãn nguồn năng lượng cho phát triển một cách ổn định, bền vững mà không hủy diệt môi trường sống, không biến đổi khí hậu hành tinh.
Mọi thứ sẽ thay đổi tận gốc, từ sản xuất, cung ứng, tồn trữ vận chuyển, phân phối sử dụng, luật lệ vận chuyển, an toàn về nguồn năng lượng Hidro.
Như vậy trong quá trình tiến hóa của nhân loại, ý nghĩa của cuộc cách mạng năng lượng sạch mà đi đầu là năng lượng Hidro có ý nghĩa như cuộc cách mạng công nghiệp thế kỉ 17-18 hay cuộc cách mạng không gian vũ trụ thế kỉ 20.
B-Năng lượng Hidro
1.Sản xuất hidro
1.1 Sản xuất hidro bằng điện phân nước nhờ sử dụng nguồn năng lượng từ pin mặt trời
1.1.1 Sơ đồ điện phân nước

1.1.2 Sử dụng nguồn điện từ pin mặt trời để điện phân nước
Thế hệ 1: pin mặt trời Silic đơn tinh thể:
Cấu tạo: gồm 2 miếng tinh thể silic ghép lại với nhau, trong đó có một miếng Silic loại p, một miếng là silic loại n.
Nguyên lí hoạt động: khi chiếu chùm ánh sáng mặt trời vào pin. tại nơi giáp ranh giữa hai miếng silíc, các e dư sẽ bứt ra khỏi miếng silíc loại n. Sau đó chúng theo dây dẫn truyền sang miếng silic loại p. Chính sự dịch chuyển e đó đã tạo ra dòng điện.
Thế hệ 2:
Có cùng nguyên lí như pin thế hệ 1 nhưng chế tạo dưới dạng màng rất mỏng.
Ưu điểm của nó so với loại một là:
  • Tạo liên kết diện rộng hơn, hiệu suất cao hơn.
  • Giảm khối lượng vật liệu, pin nhẹ hơn, giá cả hạ hơn.
  • Sử dụng được cả silic thù hình và silic tinh thể.
  • Hiệu suất chuyển hóa :thù hình (6%), đa tinh thể (14 --> 16 %), đơn tinh thể (24% )
    Chính vì ưu điểm như vậy nên dự kiến sẽ sản xuất hàng loạt pin loại 2, vì giá cả rẻ, nhẹ, dễ lắp đặt ở mọi nơi ( mái nhà, xe hơi, xe máy...).
    Thế hệ 3 : pin măt trời quang điện hóa (pin Graetzel)
    Cấu tạo: gồm hai điện cực bán dẫn nhạy sáng, ở giữa hai điện cực là chất điện li ôxi hóa-khử. Điện cực catôt được ghép bởi hai phần: điện cực catốt đối diện bằng Pt và điện cực thủy tinh trong suốt dẫn điện. Điện cực anốt: điện cực TiO2 / chất màu nhạy sáng và điện cực thủy tinh trong suốt dẫn điện.
    Nguyên lí hoạt động: Khi pin hoạt động , ánh sáng mặt trời cung cấp năng lượng làm e bứt ra : h=h+ - e. Sau đó e chuyển lên vùng năng lượng cao hơn, sau đó e di chuyển ra điện cực âm theo dây dẫn sang điện cực dương. Tại đây e trao đổi năng lượng với cặp chất oxi hoá khử I-/I3- Sau đó e về kết hợp lại với h+: h+ + e =h.Và tiếp tục thực hiện chu trình mới. Dòng chuyển dời e chính là dòng điện.
    Thế hệ 4 : pin mặt trời bán dẫn hữu cơ.
    Cho đến nay loại pin nay vẫn chưa được tiết lộ công nghệ. Chúng ta mới chỉ biết chúng được làm từ màng bán dẫn hữu cơ mỏng.
    Ưu điểm : Mỏng gọn nhẹ, dễ lắp đặt, có thể thay thế mái nhà, giá thành rẻ (35$/1m2 panel)
    Nhược điểm: Hiệu suất chuyển hoá năng lượng thấp(5 đến 6%)
    1.1.3.Thiết bị sản xuất hidro
    Nếu sử dụng những thiết bị điện phân nước sản xuất hidro cổ điển thì sẽ rất đắt vì chúng sử dụng điện cực Platin (bạch kim) . Mặt khác hiệu suất điện phân sẽ không cao. Như vậy ta phải cải tiến thiết bị điện phân cổ điển bằng những bước cải tiến.
    1.2. Sản xuất H2 nhờ quá trình quang điện hóa ánh sáng mặt trời
    - Quá trình điện hoá phân rã nước nhờ nguồn sáng UV ánh sáng mặt trời
    Hiệu ứng Honda-Fujshima:

    Cấu tạo của thiết bị quang điện hoá phân rã nước giống hệt như pin năng lượng mặt trời thế hệ 3. Tuy nhiên chất trao đổi e không còn là căp oxi- hoá khử I-/I3 - nữa mà là nước.
    - Quá trình điện hoá phân rã nước nhờ nguồn sáng khả kiến, thực hiện bằng cực quang ghép lai :
    Nguyên lí hoạt động như thiết bị quang điện hoá phân rã nước nhờ nguồn sáng UV. Tuy nhiên e được kích thích 2 lần nhờ 2 chùm photon năng lượng thấp và cao để e dễ dàng vượt qua vùng cấm (vùng cấm là vùng cản sự chuyển động của e).
    Ngoài cách thực hiện bằng cực quang ghép lai, còn có thể thực hiện bằng cách phủ chất màu nhạy sáng lên bề mặt điện cực tạo ra điện cực quang nhạy sáng dễ dàng hấp thụ năng lượng để e vượt qua vùng cấm.
    * Các cách giảm năng lượng vùng cấm
    -Giảm năng lượng vùng cấm của TiO2 bằng cách cấy ion kim loại chuyển tiếp (Cr, V,Fe,Mo…) vào TiO2 hoặc cấy anion á kim (N,C,…) vào TiO2 hoặc kết hợp cả 2 cách trên.
    2 Sử dụng Hyđro
    2.1. Phương thức 1
    Sử dụng hidro như một dạng nhiên liệu khí (được nén ở thể lỏng) cho động cơ đốt trong.
    VD: Xe ZEV (Zero Eminsion Vehide); Ford Escape hybrid; HONDA Insight
    2.2. Phương thức 2
    Sử dụng hidro làm nhiên liệu trong pin nhiên liệu để sản xuất điện năng.
    2.2.1. Lịch sử ra đời
    1838: C.F Schonbein (Đức) đã nêu ý tưởng này trên tạp chí Philosophycal Magazine.
    Điện phân H2O: H2O + E = H2 + 1/2O2 ║ Pin nhiên liệu: H2 + 1/2O2 = H2O + E.
    1843: R.Grove (xứ walles) đã chế tạo pin nhiên liệu theo ý tưởng trên với chất điện ly axit phophoric và đã được xác nhận là đúng như ý tưởng đã nêu.
    1959: F.T Bacon (Anh) chế tạo pin nhiên liệu với công suất 5kw với chất điện ly là màng plime trao đổi proton, pin này được gọi là pin Bacon.
    Từ năm 1960 -> nay: General Electric company bắt đầu sản xuất pin nhiên liệu đầu tiên theo ý tưởng của Bacon cho NASA, lần lượt tàu APOLO, Apolo - Soyez, Skylab, tàu con thoi sử dụng loại pin này.
    2.2.2.Nguyên lý hoạt động của pin nhiên liệu hidro
    - Ở Anot- 2H2 = 4H+ + 4e- - Ở catot: 4H+ + 4e- = H2O
    Khi pin hoạt động: H2 được ion hoá ở Anot tạo ra Ion H+ và e tự do.Sau đó e tự do sẽ theo dây dẫn sang cực catot. Tại catot Oxi được đưa vào và bị ion hoá thành ion O2-. Sau đó Ion O2- kết hợp với Ion H+ từ cực anot chuyển sang tạo thành phân tử H2O thải ra ngoài.Chính dòng e tự do chuyển từ cực anot sang cực catot là dòng điện do pin phóng ra khi hoạt động.
    2.2.3. Phân loại Pin Hiđro
    Cải tiến pin nhiên liệu hidro (Quan tâm đến giá thành).
    + Các loại pin nhiên liệu Hidro.
    Tuỳ theo chất điện li, sẽ có pin nhiêu liệu khác nhau về tên gọi và điện lượng.
    Loại pin nhiên liệu hidro có giá thành không hề rẻ tuy nhiên chúng đang trên đường hạ giá thành.
    Giá pin nhiên liệu: 2002: 1000 USD/kw; 2006: 110USD/kw
    Tiến tới con người đạt mục tiêu hạ giá pin nhiên liệu H2 xuống mức tối thiểu khoảng 35 USD/kW bằng các giải pháp.
    - Chế tạo điện cực nano Pt -> giảm 30% lượng Pt so với trước.
    - Chế tạo hợp kim Au - Pd thay Pt
    - Chế tạo nano vàng: Hoạt tính như Pt.
    2.2.4. Đặc điểm nổi bật của pin
    - Không cần nhiên liệu hoá thạch.
    - Không cần nhà máy điện với những tuốc bin kồng kềnh.
    - Không khí thải.
    - Sử dụng trên phương tiện giao thông mà không cần cơ cấu truyền động, động cơ đốt trong, không dầu mỡ bôi trơn, không tiếng ồn.
    - Xóa bó sự tập trung sản xuất phân phối điện
    - Đã có thiết bị sản xuất điện và sản xuất H2 kết hợp làm 1 với chiều thuận: pin nhiên liệu hidro sản xuất điện và chiều nghịch: Điện phân sản xuất hidro (với ý tưởng nếu thu lại được chất thải sau khi thải, sẽ thực hiện được chu trình khép kín toàn bộ).
    2.2.4. Ứng dụng của pin nhiên liệu Hidro
    Thay xăng, dầu, động cơ đốt trong cho các phương tiện giao thông: xe ô tô, máy bay, tàu ngầm, tàu thuỷ. Dùng cho công nghiệp vũ trụ.
    Cung cấp năng lượng phóng các phi thuyền không gian lên quỹ đạo.
    Cung cấp năng lượng điện cho phi thuyền không gian, trạm nghiên cứu vũ trụ hoạt động dài ngày.
    3. Tån chøa Hi®ro
    3.1. Hoá lỏng Hidro
    PP1: Ta có thể nén H2 ở -2520C với áp suất trung bình.
    PP2: Hoá lỏng bằng cách nén ở P cao nhưng nhiệt thường.
    3.2. Giữ H2 bằng cách tạo hidrua kim loại
    Ta cho H2 phản ứng với các kim loại ở điều kiện đặc biệt (tuỳ từng kim loại mà có nhiệt độ, P thích hợp).®ể tạo ra Hidrua kim loại.VD: MgH2; NaH; LiH; CaH2; AlH3; BH3, NaBH4; LiAlH4.Khi cần sử dụng ta tách H2 từ các hidrua ra để sử dụng bằng cách phân huỷ muối hidrua của các kim loại.
    3.3. Hấp thu Hiđro trên các vật liệu nano
    Ta cũng có thể hấp thụ H2 trên các vật liệu nano như: Nanotabe cacbon, Cacbon buckybulls.
    Kết luận: Như vậy cách tồn chứa H2 hiệu quả nhất là chứa H2 được nén trong bình thép và sử dụng chúng như sử dụng gas đun nấu trong gia đình.
    C- Lộ trình hiện thực hóa nền kinh tế Hidro
    1. Trên thế giới
    Lộ trình hiện thực hoá nền kinh tế hidro trải qua 4 giai đoạn với thời gian hiện thực tối thiểu từ 50 - 60 năm
    - Giai đoạn 1: Sự phát triển công nghệ.
    - Giai đoạn 2: Bắt đầu xâm nhập thị trường
    - Giai đoạn 3: Cơ sở hạ tầng được đầu tư.
    - Giai đoạn 4: Giai đoạn hoàn thiện.
    Như vậy thế giới đang bước vào kỷ nguyên mới, kỷ nguyên của năng lượng sạch, của những chiếc ô tô không khói, không ồn, của những nhà máy không khí thải, của bầu không khí trong lành hơn, của một thế giới xanh sạch đẹp hơn.
    2. Việt Nam
    Tuy nền kinh tế Hidro đang có những bước phát triển mạnh mẽ nhưng dường như sự phát triển ấy vẫn chưa ảnh hướng tích cực đến nước ta. Trong khi thế giới đang từ bỏ năng lượng hạt nhân do sự nguy của nó đem lại thì nước ta tiếp tục theo đuôi nó (chuẩn bị xây 2 nhà máy điện hạt nhân ở Ninh Thuận). Như vậy muốn Việt Nam hội nhập nền kinh tế hidro thì Nhà nước cần phải thay đổi những chính sách năng lượng: không xây dựng nhà máy điện hạt nhân nữa mà thay vào đó là năng lượng Hidro với kinh phí rẻ hơn và an toàn hơn. Mặt khác chúng ta cũng phải kết hợp sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo khác như: thủy điện, năng lượng gió.
    Kết luận: Như vậy chính sách năng lượng của Việt Nam trong tương lai là năng lượng Hidro. Nước ta phải bắt đầu ngay để nền kinh tế hidro nhanh chóng thành hiện thực, các nhà quản lý, bộ tài nguyên môi trường, bộ thương mại, bộ công nghiệp phải cùng Nhà nước xây dựng một chính sách năng lượng phù hợp cho tương lai.Các nhà khoa học phải là những người nghiên cứu, cố vấn để thúc đẩy sự phát triển của nền kinh tế hidro.

    III- Kết luận
    Năng lượng Hiđro là năng lượng chủ đạo cho tương lai bởi chính những ưu điểm vượt trội của nó. Năng lượng Hiđro là chìa khoá cho một nền công nghiệp hiện đại mà thân thiện với môi trường trong tương lai. Vì vậy con người cần nhanh chóng hiện thực hoá nền kinh tế Hiđro.
    Tài liệu tham khảo
    [1] Energy Comsumption by Source, Report International Energy Association; 2005 , www.earthtrends.wri.org
    [2] Christopher Flavin, Energy for the 21 st Century: The decline of Nuclear power, baif diễn văn trước quốc hội Phần Lan ngày 4/4/1999.
    [3] Nuclear Power Phase- out, http:// en.wikipedia.org

    Tham khảo thêm: http://docs.google.com/Doc?doc....c&hl=vi


    Nguyễn Hữu Hiệu
    SDT: 0934511477
    email: hh10manu@gmail.com - hh10_manu@yahoo.com
    Tài khoản
    - Ngân hàng đông á
    - Chủ tài khoản: Nguyễn Hữu Hiệu
    - Số tài khoản: 0104213252.
  •  
    Diễn đàn » Hóa học đại học và sau đại học » Hóa học vô cơ (Inorganic Chemistry) » TÌM HIỂU NGUỒN NĂNG LƯỢNG TƯƠNG LAI - Năng lượng hidro (Bài báo khoa học đăng trên tập san khoa học trường ĐHHP)
    Page 1 of 11
    Search:

    Powered by uCoz | Website Builder Templates | Designed by game cheats