Cách hoạt động của nền kinh tế hydro

Đường ống dẫn hơi nước tại Trạm tạo địa nhiệt Wairakei.

Có vẻ như ngày nào cũng có thông báo mới về ô tô chạy bằng pin nhiên liệu. Những lời hứa này thật hấp dẫn, vì pin nhiên liệu có khả năng tăng gấp đôi hiệu suất của ô tô một cách nhanh chóng đồng thời giảm đáng kể ô nhiễm không khí.

Đồng thời, đã có những câu chuyện thời sự trong nhiều thập kỷ về các vấn đề liên quan đến xăng dầu. Tất cả mọi thứ, từ sự cố tràn dầu đến cảnh báo ôzôn cho đến sự nóng lên toàn cầu đều bị đổ lỗi cho sự phụ thuộc của chúng ta vào nhiên liệu hóa thạch.

Hai lực lượng này đang dẫn dắt thế giới hướng tới cái được gọi rộng rãi là nền kinh tế hydro . Nếu các dự đoán là đúng, trong vài thập kỷ tới, tất cả chúng ta sẽ bắt đầu thấy sự thay đổi đáng kinh ngạc từ nền kinh tế nhiên liệu hóa thạch mà chúng ta đang có ngày nay để hướng tới một tương lai hydro sạch hơn nhiều.

Liệu xã hội có thể thực sự tạo ra sự thay đổi này, hay các rào cản về công nghệ, kinh tế và chính trị sẽ khiến chúng ta bị ràng buộc bởi dầu mỏ và các nhiên liệu hóa thạch khác trong thế kỷ tới và hơn thế nữa? Trong bài viết này, bạn sẽ tìm hiểu về những lợi ích của nền kinh tế hydro, cùng với những vấn đề tiềm ẩn của nó. Chúng tôi cũng sẽ kiểm tra một số công nghệ có thể giúp quá trình chuyển đổi có thể thực hiện được.

Nội dung

Các vấn đề với nền kinh tế nhiên liệu hóa thạch
Ưu điểm của nền kinh tế hydro
Công nghệ vượt rào
Hydro đến từ đâu?
Bạn lưu trữ và vận chuyển hydro như thế nào?
Triển vọng trong tương lai

> Các vấn đề với nền kinh tế nhiên liệu hóa thạch

Hiện tại, Hoa Kỳ và hầu hết thế giới đang bị ràng buộc bởi cái có thể được gọi là nền kinh tế nhiên liệu hóa thạch . Ô tô, xe lửa và máy bay của chúng tôi hầu như chỉ được cung cấp nhiên liệu bởi các sản phẩm dầu mỏ như xăng và dầu diesel. Một tỷ lệ rất lớn các nhà máy điện của chúng tôi sử dụng dầu, khí đốt tự nhiên và than để làm nhiên liệu.

Nếu dòng chảy của nhiên liệu hóa thạch đến Hoa Kỳ bị cắt đứt, nền kinh tế sẽ bị đình trệ. Sẽ không có cách nào để vận chuyển các sản phẩm mà các nhà máy sản xuất. Sẽ không có cách nào để mọi người lái xe đi làm. Toàn bộ nền kinh tế, và trên thực tế là toàn bộ xã hội phương Tây, hiện đang phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch.

Trong khi nhiên liệu hóa thạch đóng một vai trò quan trọng trong việc đưa xã hội phát triển như ngày nay, thì có 4 vấn đề lớn mà nhiên liệu hóa thạch tạo ra:

Ô nhiễm không khí - Khi ô tô đốt xăng, lý tưởng nhất là chúng sẽ đốt cháy hoàn toàn và không tạo ra gì ngoài carbon dioxide và nước trong ống xả của chúng. Thật không may, động cơ đốt trong không hoàn hảo. Trong quá trình đốt cháy xăng, nó cũng tạo ra:

Carbon monoxide, một loại khí độc
Ôxít nitơ, nguồn chính của khói bụi đô thị
Các hydrocacbon chưa cháy, nguồn chính tạo ra ôzôn đô thị

Bộ chuyển đổi xúc tác loại bỏ phần lớn ô nhiễm này, nhưng chúng không hoàn hảo. Ô nhiễm không khí từ ô tô và các nhà máy điện đang là một vấn đề thực sự ở các thành phố lớn.

Thật là tệ khi vào mùa hè, nhiều thành phố có mức ôzôn trong không khí ở mức nguy hiểm.

Ô nhiễm môi trường - Quá trình vận chuyển và lưu trữ dầu có ảnh hưởng lớn đến môi trường mỗi khi xảy ra sự cố.

Tàu chở dầu ở Ả Rập Xê Út

Sự cố tràn dầu, nổ đường ống hoặc cháy giếng có thể tạo ra một mớ hỗn độn lớn. Vụ tràn Exxon Valdez là ví dụ nổi tiếng nhất về vấn đề này, nhưng các vụ tràn nhỏ liên tục xảy ra.

Sự nóng lên toàn cầu - Khi bạn đốt một gallon khí trong ô tô của mình, bạn thải ra khoảng 2,3 kg carbon vào khí quyển. Nếu đó là carbon rắn, nó sẽ cực kỳ đáng chú ý - nó giống như ném một túi đường nặng 5 pound ra cửa sổ ô tô của bạn cho mỗi gallon khí bị đốt cháy. Nhưng bởi vì 5 pound carbon phát sinh ra như một loại khí vô hình, carbon dioxide, nên hầu hết chúng ta đều không biết đến nó. Khí cacbonic thoát ra từ mỗi ống xả của ô tô là khí nhà kính điều đó đang làm tăng nhiệt độ của hành tinh một cách từ từ. Những tác động cuối cùng vẫn chưa được biết, nhưng có khả năng cao là cuối cùng sẽ có những thay đổi khí hậu mạnh mẽ ảnh hưởng đến tất cả mọi người trên hành tinh. Ví dụ, nếu các chỏm băng tan chảy, mực nước biển sẽ dâng lên đáng kể, gây ngập lụt và phá hủy tất cả các thành phố ven biển đang tồn tại ngày nay. Đó là một tác dụng phụ lớn.

Sự phụ thuộc - Hoa Kỳ, và hầu hết các nước khác, không thể sản xuất đủ dầu để đáp ứng nhu cầu, vì vậy họ nhập khẩu dầu từ các nước giàu dầu mỏ. Điều đó tạo ra sự phụ thuộc về kinh tế. Khi các nhà sản xuất dầu Trung Đông quyết định tăng giá dầu, phần còn lại của thế giới không có lựa chọn nào khác ngoài việc trả giá cao hơn.

> Lợi thế của nền kinh tế hydro

Trong phần trước, chúng ta đã thấy những vấn đề nghiêm trọng trên toàn thế giới do nhiên liệu hóa thạch tạo ra. Nền kinh tế hydro hứa hẹn sẽ loại bỏ tất cả các vấn đề mà nền kinh tế nhiên liệu hóa thạch tạo ra. Do đó, những lợi thế của nền kinh tế hydro bao gồm:

Loại bỏ ô nhiễm do nhiên liệu hóa thạch gây ra - Khi hydro được sử dụng trong pin nhiên liệu để tạo ra năng lượng, đó là một công nghệ hoàn toàn sạch. Sản phẩm phụ duy nhất là nước. Cũng không có nguy cơ môi trường như tràn dầu phải lo lắng với hydro.
Loại bỏ khí nhà kính - Nếu hiđro sinh ra từ quá trình điện phân nước thì hiđro không tạo ra khí nhà kính cho môi trường. Có một chu trình hoàn hảo - quá trình điện phân tạo ra hydro từ nước và hydro tái kết hợp với oxy để tạo ra nước và năng lượng trong pin nhiên liệu.
Loại bỏ sự phụ thuộc kinh tế - Việc loại bỏ dầu có nghĩa là không phụ thuộc vào Trung Đông và trữ lượng dầu của nó.
Sản xuất phân tán - Hydro có thể được sản xuất ở bất cứ đâu mà bạn có điện và nước. Mọi người thậm chí có thể sản xuất nó tại nhà của họ bằng công nghệ tương đối đơn giản.

Các vấn đề với nền kinh tế nhiên liệu hóa thạch là rất lớn và những lợi thế về môi trường của nền kinh tế hydro rất đáng kể, thúc đẩy nền kinh tế hydro rất mạnh mẽ.

> Vượt rào công nghệ

Bạn có biết?
Những cảm biến phát hiện rò rỉ tiềm ẩn trong động cơ xe buýt nội bộ chạy bằng hydro được NASA phát triển để phát hiện rò rỉ hydro trong quá trình phóng tàu con thoi.

Ở

Câu hỏi lớn đối với nền kinh tế hydro là, "Hydro đến từ đâu?" Sau đó là vấn đề vận chuyển, phân phối và lưu trữ hydro. Hydro có xu hướng cồng kềnh và khó ở dạng khí tự nhiên.

Một khi cả hai câu hỏi này được trả lời một cách kinh tế, nền kinh tế hydro sẽ được đặt ra.

Chúng ta sẽ xem xét từng câu hỏi này một cách riêng biệt trong các phần sau.

Ở

> Hydro đến từ đâu?

Một trong những vấn đề thú vị hơn đối với nền kinh tế hydro là bản thân hydro. Nó sẽ đến từ đâu? Với nền kinh tế nhiên liệu hóa thạch, bạn chỉ cần bơm nhiên liệu hóa thạch lên khỏi mặt đất (xem Cách hoạt động của công việc khoan dầu) và tinh chế nó (xem Cách hoạt động của lọc dầu). Sau đó, bạn đốt cháy nó như một nguồn năng lượng.

Hầu hết chúng ta coi dầu, xăng, than và khí đốt tự nhiên là điều hiển nhiên, nhưng chúng thực sự rất thần kỳ. Những nhiên liệu hóa thạch này đại diện cho năng lượng mặt trời được lưu trữ từ hàng triệu năm trước. Hàng triệu năm trước, thực vật đã phát triển bằng cách sử dụng năng lượng mặt trời để cung cấp năng lượng cho sự phát triển của chúng. Chúng chết đi, và cuối cùng biến thành dầu mỏ, than đá và khí đốt tự nhiên. Khi chúng tôi bơm dầu từ lòng đất, chúng tôi khai thác kho năng lượng mặt trời khổng lồ đó "miễn phí". Bất cứ khi nào chúng ta đốt một gallon xăng, chúng ta sẽ giải phóng năng lượng mặt trời dự trữ đó.

Trong nền kinh tế hydro, không có kho để khai thác. Chúng tôi phải thực sự tạo ra năng lượng trong thời gian thực.

Có hai nguồn cung cấp hydro:

Sự điện phân của nước - Sử dụng điện nên dễ dàng phân tách các phân tử nước để tạo ra hydro và oxy tinh khiết. Một lợi thế lớn của quá trình này là bạn có thể thực hiện nó ở bất cứ đâu. Ví dụ:bạn có thể có một chiếc hộp trong nhà để xe sản xuất hydro từ nước máy và bạn có thể tiếp nhiên liệu cho ô tô của mình bằng lượng hydro đó.
Cải cách nhiên liệu hóa thạch - Dầu mỏ và khí tự nhiên chứa hydrocacbon - phân tử bao gồm hydro và carbon. Sử dụng thiết bị được gọi là bộ xử lý nhiên liệu hoặc máy cải cách , bạn có thể tách hydro ra khỏi carbon trong hydrocacbon một cách tương đối dễ dàng và sau đó sử dụng hydro. Bạn thải carbon còn lại vào khí quyển dưới dạng carbon dioxide.

Lựa chọn thứ hai, tất nhiên, hơi sai lầm. Bạn đang sử dụng nhiên liệu hóa thạch làm nguồn cung cấp hydro cho nền kinh tế hydro. Cách tiếp cận này làm giảm ô nhiễm không khí, nhưng nó không giải quyết được vấn đề khí nhà kính (vì vẫn có carbon đi vào khí quyển) hoặc vấn đề phụ thuộc (bạn vẫn cần dầu). Tuy nhiên, đây có thể là một bước tạm thời tốt để thực hiện trong quá trình chuyển đổi sang nền kinh tế hydro. Khi bạn nghe nói về "phương tiện chạy bằng pin nhiên liệu" đang được các công ty xe hơi phát triển ngay bây giờ, hầu hết tất cả họ đều dự định lấy hydro cho pin nhiên liệu từ xăng bằng máy cải tiến. Lý do là vì xăng là nguồn cung cấp hydro dễ dàng. Cho đến khi có các "trạm hydro" ở mọi ngóc ngách như chúng ta có các trạm xăng hiện nay, đây là cách dễ nhất để thu được hydro để cung cấp năng lượng cho pin nhiên liệu của xe.

Điều thú vị về lựa chọn đầu tiên là nó là cốt lõi của nền kinh tế hydro thực sự. Để có nền kinh tế hydro tinh khiết , hydro phải được lấy từ các nguồn có thể tái tạo chứ không phải nhiên liệu hóa thạch để chúng ta ngừng thải carbon vào khí quyển. Có đủ điện để tách hydro khỏi nước và tạo ra lượng điện đó mà không cần sử dụng nhiên liệu hóa thạch, sẽ là thay đổi lớn nhất mà chúng ta thấy trong việc tạo ra nền kinh tế hydro.

Trạm điện Bayswater (New South Wales, Australia) tạo ra điện bằng cách sử dụng điều áp hơi nước để chạy máy phát điện tăng áp.

Điện năng cho quá trình điện phân nước sẽ lấy từ đâu? Hiện tại, khoảng 68 phần trăm (tham chiếu) điện sản xuất ở Hoa Kỳ đến từ than đá hoặc khí đốt tự nhiên. Tất cả công suất phát điện đó sẽ phải được thay thế bằng các nguồn tái tạo trong nền kinh tế hydro. Ngoài ra, tất cả năng lượng từ nhiên liệu hóa thạch hiện nay được sử dụng cho giao thông vận tải (trong ô tô, xe tải, tàu hỏa, tàu thuyền, máy bay) sẽ phải chuyển đổi thành hydro và hydro cũng sẽ được tạo ra bằng điện. Nói cách khác, công suất phát điện trong nước sẽ phải tăng gấp đôi để đáp ứng nhu cầu vận tải, và sau đó tất cả sẽ phải chuyển đổi từ nhiên liệu hóa thạch sang các nguồn tái tạo. Tại thời điểm đó, và chỉ tại thời điểm đó, dòng khí carbon vào khí quyển mới dừng lại.

Hiện tại, có một số cách khác nhau để tạo ra điện không sử dụng nhiên liệu hóa thạch:

Năng lượng hạt nhân
Đập thủy điện
Pin mặt trời
Tua bin gió
Năng lượng địa nhiệt
Sức mạnh của sóng và thủy triều
Đồng phát (Ví dụ:một xưởng cưa có thể đốt vỏ cây để tạo ra năng lượng hoặc một bãi rác có thể đốt khí mê-tan mà thùng rác thối rữa tạo ra.)

Theo chiều kim đồng hồ từ trên cùng bên phải:Trạm năng lượng mặt trời; nhà máy điện hạt nhân; đập thủy điện; tuabin gió

Ở Hoa Kỳ, khoảng 20 phần trăm năng lượng hiện nay là từ hạt nhân và 7 phần trăm đến từ thủy điện. Năng lượng mặt trời, gió, địa nhiệt và các nguồn khác chỉ tạo ra 5% điện năng - hầu như không đủ để quan trọng.

Trong tương lai, nếu không có một số đột phá về công nghệ, có vẻ như một trong hai điều sẽ xảy ra để tạo ra nền kinh tế hydro:Công suất sản xuất điện hạt nhân hoặc năng lượng mặt trời sẽ tăng lên đáng kể. Hãy nhớ rằng, trong nền kinh tế hydro thuần túy, công suất phát điện sẽ phải tăng lên xấp xỉ gấp đôi vì tất cả năng lượng vận chuyển hiện nay đến từ dầu mỏ sẽ phải được thay thế bằng hydro được tạo ra bằng điện. Vì vậy, số lượng nhà máy điện sẽ tăng gấp đôi và tất cả các nhà máy sử dụng nhiên liệu hóa thạch sẽ được thay thế.

Vấn đề phát điện có lẽ là rào cản lớn nhất đối với nền kinh tế hydro. Một khi công nghệ được cải tiến và trở nên rẻ tiền, các loại xe chạy bằng pin nhiên liệu hydro có thể thay thế động cơ đốt trong chạy xăng trong vòng một hoặc hai thập kỷ. Nhưng việc chuyển đổi các nhà máy điện sang hạt nhân và năng lượng mặt trời có thể không dễ dàng như vậy. Điện hạt nhân có các vấn đề chính trị và môi trường, còn điện mặt trời hiện có các vấn đề về chi phí và vị trí.

> Bạn lưu trữ và vận chuyển hydro như thế nào?

Open for Business
Các trạm nạp hydro đã được mở ở một số quốc gia bao gồm Hoa Kỳ, Iceland, Nhật Bản và Đức. Xem FuelCells.org - Các trạm tiếp nhiên liệu hydro trên toàn thế giới để tìm một trạm hydro gần bạn.

Tại thời điểm này, vấn đề với việc đưa các phương tiện chạy bằng hydro tinh khiết trên đường là vấn đề lưu trữ / vận chuyển. Hydro là một loại khí cồng kềnh và nó không dễ hoạt động như xăng. Nén khí cần năng lượng, và hydro nén chứa ít năng lượng hơn nhiều so với cùng một thể tích xăng. Tuy nhiên, các giải pháp cho vấn đề lưu trữ hydro đang nổi lên.

Ví dụ, hydro có thể được lưu trữ ở dạng rắn trong một hóa chất gọi là natri borohydride, và công nghệ này đã xuất hiện trên tin tức gần đây vì Chrysler đang thử nghiệm nó. Hóa chất này được tạo ra từ hàn the (một thành phần phổ biến trong một số chất tẩy rửa). Khi natri borohydride giải phóng hydro của nó, nó sẽ trở lại thành borax để có thể tái chế.

Một khi vấn đề lưu trữ được giải quyết và tiêu chuẩn hóa, thì một mạng lưới các trạm hydro và cơ sở hạ tầng giao thông sẽ phải phát triển xung quanh nó. Rào cản chính đối với điều này có thể là quy trình phân loại công nghệ. Các trạm sẽ không phát triển nhanh chóng cho đến khi có một công nghệ lưu trữ thống trị thị trường. Ví dụ, nếu tất cả các xe ô tô chạy bằng hydro của tất cả các nhà sản xuất đều sử dụng natri borohydride, thì một mạng lưới nhà ga có thể phát triển nhanh chóng; kiểu tiêu chuẩn hóa đó khó có thể xảy ra nhanh chóng, nếu lịch sử là bất kỳ hướng dẫn nào.

Cũng có thể có một đột phá công nghệ có thể nhanh chóng thay đổi sân chơi. Ví dụ, nếu ai đó có thể phát triển một loại pin sạc rẻ tiền với dung lượng cao và thời gian sạc lại nhanh chóng, thì ô tô điện sẽ không cần pin nhiên liệu và sẽ không cần hydro trên đường. Ô tô sẽ sạc lại bằng điện trực tiếp.

> Triển vọng trong tương lai

Bạn sẽ ngày càng nghe nhiều hơn về nền kinh tế hydro trong những tháng tới, bởi vì tiếng trống đang ngày càng lớn hơn. Các vấn đề môi trường của nền kinh tế nhiên liệu hóa thạch đang kết hợp với những đột phá trong công nghệ pin nhiên liệu và sự kết hợp này sẽ cho phép chúng tôi thực hiện những bước đầu tiên.

Bước rõ ràng nhất mà chúng ta sẽ thấy là tiếp thị xe chạy bằng pin nhiên liệu . Mặc dù ban đầu chúng sẽ được cung cấp năng lượng bằng xăng và các thiết bị cải tiến, nhưng pin nhiên liệu thể hiện hai cải tiến lớn so với động cơ đốt trong:

Chúng hiệu quả gấp đôi.
Chúng có thể làm giảm đáng kể ô nhiễm không khí ở các thành phố.

Xe chạy bằng pin nhiên liệu xăng là một bước chuyển tiếp tuyệt vời vì những ưu điểm đó.

Chuyển sang nền kinh tế hydro tinh khiết sẽ khó hơn. Các nhà máy sản xuất điện sẽ phải chuyển sang sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo và thị trường sẽ phải thống nhất về các cách lưu trữ và vận chuyển hydro. Những trở ngại này có thể sẽ khiến quá trình chuyển đổi sang nền kinh tế hydro là một quá trình khá dài.