Pin nhiên liệu - Nguồn năng lượng của tương lai

Pin nhiên liệu - Nguồn năng lượng của tương lai

Ngày nay, khi mà tiềm năng thuỷ điện đã được con người khai thác gần hết, còn các nguồn nhiên liệu như than, dầu khí thì không có khả năng tái tạo và trong tương lai không xa sẽ cạn kiệt, khi mà năng lượng nguyên tử còn đặt ra quá nhiều tranh cãi bởi sự độc hại của nó thì việc nghiên cứu tìm ra các nguồn năng lượng mới sạch đã trở thành nghiên cứu mũi nhọn của nhiều quốc gia, đặc biệt là các nước phát triển. Trong công cuộc đi tìm nguồn năng lượng mới này, con người đã đạt được những thành công nhất định: đó là sự ra đời của các trung tâm phát điện dùng năng lượng gió, năng lượng mặt trời với công suất lên tới hàng mêga oát. Tuy nhiên những nguồn năng lượng đó tương đối phụ thuộc vào tự nhiên.

Trong những năm gần đây, một hướng nghiên cứu mới đầy triển vọng đã được tìm ra. Đó là việc sử dụng pin nhiên liệu.

Pin nhiên liệu (PAC : piles à combustible) là một máy phát điện biến đổi trực tiếp từ năng lượng của nguồn nhiên liệu sang điện năng nhờ vào quá trình điện hoá. Nhiên liệu sử dụng là hydro và chất gây cháy (oxi). Đây là loại máy phát điện tĩnh, giảm thiểu được các loại chất thải độc hại gây ô nhiễm môi trường và có hiệu suất cao(có thể đạt được hiệu suất 90% nếu sản xuất cả điện và nhiệt).

Pin nhiên liệu có rất nhiều ưu điểm :
-hiệu suất cao : nếu chỉ sản xuất điện thì đạt 40% (bằng nhiệt điện), nếu là cụm nhiệt điện thì có thể đạt tới 90%
-Hiệu suất này ít thay đổi theo công suất phát
-Công suất của PAC có thể từ vài kW tới hàng MW mà không làm thay đổi hiệu suất
-Ít gây ồn ( ngoại trừ máy nén khí và bơm)
-Ít phải bảo quản và giá thành bảo dưỡng rẻ.
-Gần như không gây ô nhiễm môi trường : không cháy, không thải khí độc SOx, còn COx thì thấp hơn 2 lần và NOx thì thấp hơn 50 lần so với máy phát nhiệt điện.
Những tồn tại: dù có rất nhiều điểm mạnh song để có thể cạnh tranh thương mại thì pin nhiên liệu cần đạt được các yêu cầu sau :
-Độ tin cậy của hệ thống : cần đạt được 40nghìn giờ vận hành với các ứng dụng tĩnh(phát điện lên lưới điện).
-Giá thành sản xuất giảm : phải đạt cỡ 5000F/kW công suất đặt. Riêng với ôtô thì giá này cần giảm 10lần( tức là một pin 50kW giá cỡ 25nghìn F)
-Giảm lượng platine cần dùng.
Hơn thế nữa là phải đảm bảo ổn định được nguồn nhiên liệu và hoà được vào lưới điện.

Lịch sử phát triển của pin nhiên liệu :
Nguyên lý hoạt động của pin nhiên liệu (PAC) đã được tìm ra từ năm 1802 nhưng mãi tới năm 1839 nó mới có được bước tiến quan trọng : đó là sự hoạt động lần đầu tiên của một pin nhiên liệu với các điện cực bằng platine và dung dịch điện phân là axít sunfuric.
Đến năm 1855, có nhiều nghiên cứu hướng vào việc chế tạo, thiết kế PAC và cũng đạt được một số kết quả : than được dùng làm nhiên liệu. Tuy nhiên, những kết quả đạt được còn quá khiêm tốn. Và đề tài này dường như bị quên lãng. Người ta phải đợi cho tới khi có sự tham gia của người Mỹ trong công cuộc chinh phục vũ trụ(khoảng những năm 1960) thì nó mới được chú ý lại. Song song với nó là những nghiên cứu loại công nghệ mới này nhằm ứng dụng vào lĩnh vực giao thông. Thế nhưng những vấn đề về công nghệ, giá thành đã khiến cho PAC không thể phát triển và cạnh tranh nổi với kỷ nguyên thống trị của dầu lửa.
Tuy nhiên trong vòng chục năm trở lại đây, khi mà khi mà những tiềm năng về thuỷ điện đã được khai thác gần hết và con người đang cố gắng tìm kiếm những nguồn năng lượng sạch mới để thay thế cho điện nguyên tử, nhiệt điện thì những nghiên cứu về PAC lại có cơ hội nở rộ, dù vẫn sử dụng những nguyên lý từ cách đây vài thế kỉ. Đặc biệt là từ đầu những năm 1990, rất nhiều công ty định hướng phát triển pin nhiên liệu và các thành phần của nó. Nhiều hội thảo được tổ chức thường xuyên định kì. Nhiều trung tâm nghiên cứu, trường đại học, quốc gia đã coi việc nghiên cứu pin nhiên liệu như chiến lược phát triển hàng đầu. Đến nay nhiều chương trình đã được thực hiện và kiểm tra trong các ứng dụng trong đời sống thường ngày. Trong năm 2003, lần đầu tiên ở châu Âu sẽ xuất hiện xe buýt chạy bằng pin nhiên liệu.
Pin nhiên liệu có thể áp dụng trong lĩnh vực giao thông, sản xuất điện và nhiệt năng, trong các ứng dụng di động(máy điện thoại, máy tính xách tay) ...
Nguyên lý hoạt động :
Nguyên lý hoạt động cơ bản của PAC rất đơn giản, đó là quá trình ngược lại của sự thuỷ phân của nước. Pin nhiên liệu tổ hợp oxi và hidro để tạo thành nước, cung cấp điện, và nhiệt mà không thải ra các chất gây ô nhiễm. Quá trình này có thể biểu diễn bằng phương trình hoá học như sau :
H2 +1/2 O2 -> H2O
Một điện cực là ôxi, một điện cực là hydro, hiệu điện thế tạo ra trên thực tế đạt 0,7V trên mỗi cặp điện cực. Do đó cần đặt nhiều phần tử như vậy nối tiếp nhau để đạt được một điện áp mong muốn.

Pin nhiên liệu hoạt động dựa trên phản ứng của oxi và hydro. Để hoạt động được thì ngoài phần hoá học, một máy phát điện loại này cần có các phần khác : đầu vào, đầu ra, phần phụ, hệ thống điều khiển.

Đầu vào :
Sản xuất hydro : có thể được điều chế từ các loại hydro các bon(CxHy) (giá 4F/kg), các sản phẩm phụ của công nghiệp hoá và dầu lửa (5 đến 7,5F/kg) hoặc điều chế hydro từ nước(25F/kg).
Dự trữ nhiên liệu (hydro) : có thể dùng hydro lỏng(ở -252 độ C) áp suất 100bars hoặc hyđrua kim loại ( ???) ( rất nặng và đắt) hoặc trong các ống nonatube
Chất cháy : dùng oxi trong không khí ở điều kiện bình thường. Tuy nhiên trong một số trường hợp để tăng hiệu suất, người ta phải nén khí. Hơn nữa, không khí thường không sạch do đó cũng cần lọc trước khi dùng.

Đầu ra :
Bộ phận thải khí : để thải các khí trơ bám ở anốt làm giảm quá trình phản ứng, khí bão hoà sẽ thành nước bám vào catốt.
Tản nhiệt : các phản ứng trong pin có phát nhiệt, cần phải tản nhiệt để đảm bảo nhiệt độ của pin. Ta có thể tận dụng nhiệt này để làm nhiều việc khác. Lượng nhiệt tản ra cũng gần tương đương với điện năng thu được.
Điện năng : điện phát ra trên hai cực của pin phải đảm bảo được điện áp một chiều tối thiểu làm việc của pin. Điểm làm việc (điện áp ra) này sẽ được cố định nhờ các bộ biến đổi điện. Nếu chúng ta muốn có điện xoay chiều thì cần thêm vào một bộ biến đổi nữa ( từ 1 chiều thành xoay chiều).

Các hệ thống phụ khác : để khởi động PAC cần dùng đến hệ thống pin điện hoá. Nó dùng để nâng nhiệt độ của pin đến ngưỡng cần thiết, đảm bảo hoạt động của các bộ phận cùa pin lúc khởi động, đồng thời cũng đảm bảo an toàn cho pin trong các trường hợp sự cố.

Khối điều khiển : nó gồm tất cả các bộ đo, đồng hồ ? cho phép biết trạng thái vận hành của hệ thống, tình trạng, thông số của tất cả các phần tử?Nó được lập trình chính xác cho các quá trình khởi động, quá độ, dừng và chế độ làm việc xác lập để điều khiển tối ưu sự làm việc của hệ thống.

Như vậy, với việc ra đời của pin nhiên liệu, điện năng từ đây có thể tích trữ được.

amitie

Sản xuất hydro : có thể được điều chế từ các loại hydro các bon(CxHy) (giá 4F/kg), các sản phẩm phụ của công nghiệp hoá và dầu lửa (5 đến 7,5F/kg) hoặc điều chế hydro từ nước(25F/kg).
Như vậy thì nguồn hydro chủ yếu, khả thi và kinh tế nhất vẫn là từ dầu mỏ và các sản phẩm phụ của nó. Việc điều chế hydro từ nước sẽ tiêu thụ một năng lượng đáng kể ngoài cái giá thành trên trời của nó. Và năng lượng để điều chế hydro từ nước rất có thể có nguồn gốc từ năng lượng hoá thạch (dầu mỏ, khí đốt, than đá).
Như vậy, pin nhiên liệu vẫn chưa giải quyết được bài toán cạn kiệt của năng lượng không tái tạo.
GPS
Lat 10o48.528'
Lon 106o44.203'
UTM 48
689874 E
1195378 N
Được gps sửa chữa / chuyển vào 14:37 ngày 03/04/2003

Vote cho ý kiến của bạn
Đúng là nếu dùng các nguồn năng lượng hoá thạch để làm pin nhiên liệu thì thật là ... thần kinh
Điều quan trọng nhất ở đây chính là nơi sản xuất nhiên liệu và nơi tiêu thụ hoàn toàn độc lập. Thế cho nên chúng ta có thể tận dụng rất nhiều nguồn năng lượng có khả năng tái tạo như năng lượng mặt trời, gió, địa nhiệt ... Các nguồn năng lượng này thực ra vẫn còn chưa phát triển nhiều như các nguồn năng lượng truyền thống một phần cũng vì do tính không ổn định của nó (nắng gió không phải lúc nào cũng theo ý con người mà điện thì lại không tích trữ được, sản xuất tới đâu là phải xài ngay tới đó). Thêm nữa là các nhà máy điện thường phải xây gần phụ tải nên không phải lúc nào cứ có nguồn năng lượng là xây được nhà máy điện. Như như trên sa mạc chẳng hạn, hình như là chẳng có NMĐ nào trên sa mạc Sahara cả thì phải. Nhưng (trên lý thuyết) ta hoàn toàn có thể xây dựng 1 NM sản xuất nhiên liệu tại đó rồi chở pin đến thành phố mà dùng .
Tóm lại, với pin nhiên liệu thì ta có thể tận dụng được 1 cách rất triệt để các nguồn năng lượng renewable.
amitie

Hydrogen đã và đang trở thành hiện thực ở những nước công nghệ cao khi mà green power và reusable energy là vấn đề mà khoa học phải đối đầu chứ không thể chờ lâu hơn nữa. Các dạng năng lượng từ mặt trời, gió...còn rất nhiều khuyết điểm nhất là tính ổn định nhưng tại Mỹ đã có nhiều công ty đưa vào thị trường năng lượng từ gió.
Buồn cười nhất là khi lượng tiêu thụ điện trong ngày cao nhất (2-5 giờ chiều) thì lúc đó năng lượng gió lại thấp nhất. Theo lý thuyết thì điện vốn không thể tích trữ vì nó không có hình dạng vật lý nhưng tích trữ năng lượng điện là điều hoàn toàn có thể.
Thí dụ như: Điện năng có thể giữ dưới dạng nhiệt. Nước được đun lên và đưa vào bể kín để chứa và khi cần thì lại dùng nhiệt để chạy máy phát điện trở lại. Hao hụt ở dạng này khá lớn. Dạng khá hơn là ủ điện năng dưới dạng nước đá, thường được dùng nhiều trong thực tế.
Cách giữ năng lượng mà tôi hay nghĩ đến để chế tạo hệ thống điện trong thành phố nhằm giải quyết vấn đề môi trường là dùng năng lượng dư thừa off peak để bom nước lên bể cao. Sau đó hoà nhập năng lượng đó trở lại mạng lưới khi lượng tiêu thụ trong ngày tăng cao. Tôi phải tạm ngưng project cá nhân này vì kẹt "kinh phí" và việc của hãng lúc này khá nhiều. Tuy nhiên có một thú vị mà tôi vừa tìm ra là khi không thể sử dụng năng lượng điện để bơm nước, ta có thể dùng một dàn bơm thủy lực (hydraulic ram pump) để đưa nước lên cao mà không cần năng lượng từ bên ngoài.

Tôi rất tán thành ý kiến của GPS, nói chung có nhiều cách sản xuất ra điện năng nhưng vấn đề là nguồn năng lượng sơ cấp. Hình như tiềm năng thuỷ điện còn rất nhiều, ở VN cũng vậy.
Năng lượng sưc gió ở VN thì thật là thảm hại, theo một công trình uy tín thì ở VN chỉ có thể dùng năng lượng gió ở ... đảo Bạch Long Vỹ, việc sử dụng năng lượng gió không hề đơn giản. Năng lượng mặt trời thì bị hạn chế về mặt công suất và hiệu suất, và rất đắt nếu muốn đủ để điều chế Hidrô.
Cái thuỷ điện mà 7604 nhắc tới gọi là thuỷ điện "tích năng", bạn dùng bể nước thế nào thì tôi không rõ nhưng muốn xây dựng thuỷ điện này không dễ chut nào, bạn phải tìm được nơi nào có vị trí địa lý phù hợp: có 2 cái hồ đủ lớn, 1 cái ở trên cao, một cái ở dưới thấp, lúc thấp điểm, giá điện rẻ thì bơm nước từ dưới lên trên, lúc cao điểm thì xả nước phát điện. Cái này rất có lợi cho hệ thông điện về mặt kỹ thuật, và kinh tế. Trên thế giới đã có nhiều nhưng ở VN thì không thể tìm đâu ra 2 cái hồ như vậy.
Qiseng

Thế các bác nghĩ gì nếu chúng ta sử sụng những nguồn năng lượng không liên tục ( như gió hoặc ánh sáng...) để tạo H2 ạ. Ngoài ra việc tách D2 từ H2O cũng pas mal.
Stand and fight
Live by your heart
Always one more try
I'm afraid to die

Lãng mạn quá! Bạn Ami còn đề cập đến giao thông vận tải nữa, làm đến mức này thì điện của bác giá cao quá rồi. Và việc điều chế D2 từ nước biển thì thật là "nhà thơ", thày dậy vật lý cấp 3 của tôi có nói là nếu điều chế được D2 từ nước biển thì không lo thiếu năng lượng trên toàn cầu, điều chế công nghiệp ấy. C'est formidable!
Qiseng
Được qiseng sửa chữa / chuyển vào 03:02 ngày 10/05/2003

Theo tôi biết thì tiềm năng thủy điện trên thế giới đang cạn dần sắp đến mức thấp nhất rồi. VN có thể còn rất nhiều "nước" nhưng không phải "nước" nào được sử dụng để làm ra điện. Thủy điện có cái lợi là nhiên liệu tự nhiên, nhưng nghĩ sâu xa nó là tài nguyên của toàn dân nên nó cũng có 1 cái giá riêng nào đó. Thay đổi nguồn nuớc tự nhiên, đắp đập thủy điện đã không còn là biện pháp tối ưu khi mà môi trường ngày càng bị ảnh hưởng mạnh. Cho đến thời điểm này sử dụng gió phát điện vẫn còn rất phức tạp, nhưng ứng dụng của nó vào cho một số "khách hàng" nhất định thì hoàn toàn có thể mang lại lợi ích về cả kỷ thuật và kinh tế.
Cái thí dụ mà tôi nhắc đến đúng là chuyển hóa năng lượng của nước nhưng nó nằm trong danh sách green power chứ không thuộc loại tra***ional. Thực tế chỉ cần xây một hồ chứa nước và tạo những đường dẫn nước cũng như những độ cao khác nhau trên đường dẫn....Nếu có dịp bạn thử tìm hiểu các mô hình sản xuất điện loại nhỏ và trung đang được giới thiệu bên ngoài sẽ thấy nhiều điều thú vị.
==========

Hê hê, thì tôi có bảo là bây giờ dùng ngay được đâu. Nó là nguồn năng lượng của tương lai cơ mà. Nhưng nó không phải là viễn tưởng. Bọn tư bản giãy chết nó không ngu đến nỗi vứt tiền qua cửa sổ để nghiên cứu những cái không tưởng đâu. Hê hê, cái này thì đúng là VN có thể nhảy cóc để đón đầu rồi.

Ở những nước đang phát triển và có địa hình như ở VN thì có thể còn kha khá chứ ở những nước phát triển thì có thể nói là gần hết rồi.

Năng lượng gió và mặt trời mà dùng biến đổi trực tiếp thành điện năng thì chỉ dùng cho các vùng mà lưới điện quốc gia không thể vươn tới được thôi còn tất nhiên ở thành phố thì chả ai dùng cái này.
Bây giờ tôi đang hơi bận nên chưa thể tìm được những tài liệu có số liệu rõ ràng nên chỉ nói chung chung như vậy thôi .
amitie

NĂng lượng gió không phải là quá xa nên không hoà vào hệ thống được, mọi vấn đề đều phụ thuộc vào kinh tế hết. Bạn đầu tư bao nhiêu tiền cho 1 kW máy phát điện sức gió??? một ngày phát được mấy giờ??? tốc độ gió bao nhiêu m/sec là tối thiểu sử dụng được máy phát???
Qiseng