Sản xuất hydrogen

SẢN XUẤT HYDROGEN GV: ThS. DƯƠNG THÀNH TRUNG NHÓM: Triệu Quang Tiến Võ Đức Minh Minh Nguyễn Huỳnh Hưng Mỹ 1 NỘI DUNG TRÌNH BÀY 1. Giới thiệu 2. Tính chất của hydrogen 3. Vai trò của Hydrogen trong nhà máy lọc dầu 4. Quy trình và công nghệ sản xuất Hydrogen 5. Tồn trữ Hydrogen 6. Lĩnh vực ứng dụng của Hydrogen 2 1. GIỚI THIỆU 3 1. GIỚI THIỆU  Hydrogen được phát hiện đầu tiên vào khoảng giữa thế kỷ thứ 16 khi Theophrastus Paracelsus cho kim loại tác dụng với acid sulfuric.  Trên thực tế, Hydrogen là một khí đơn giản nhất và là thành phần chủ yếu trong vũ trụ (chiếm đến hơn 90%).  Trên trái đất, hydrogen tồn tại chủ yếu ở dạng hợp chất với oxygen là H2O.  Hydrogen đồng thời cũng là nguyên tố chính trong các hydrocarbon 4 GIỚI THIỆU  Hydrogen ngày nay được ứng dụng rất nhiều trong công nghiệp như : sản xuất hoá chất, các quá trình no hoá dầu mở,..  Hydrogen cũng là nhiên liệu rất sạch 5 GIỚI THIỆU  Ngày nay, khi nhu cầu về nhiên liệu ngày càng tăng, trữ lượng dầu mỏ nhẹ ngày càng ít đi, đòi hỏi chế biến sâu và chế biến các loại dầu nặng.  Các yêu cầu về độ sạch của nhiên liệu cũng ngày một cao, đòi hỏi một quá trình chế biến sạch.  Tầm quan trọng của Hydrogen càng thê hiện rõ rệt trong chế biến dầu khí 6 2. TÍNH CHẤT CỦA HYDRO7 TÍNH CHẤT CỦA HYDROGEN  Là chất khí ở điều kiện thường, không màu, không mùi, và không có độc tính.  Khí hydro nhẹ hơn không khí, tan rất ít trong nước. • Khí hydro khuếch tán rất nhanh trong không khí, tốc độ khuếch tán nhanh gấp 3.5 lần so với không khí. 8 TÍNH CHẤT CỦA HYDROGEN Màu Không màu Trạng thái Khí Tỉ trọng (0 °C, 101.325 kPa) 0.08988 g/L Tỉ trọng lỏng ở điểm chảy 0.07 (0.0763 solid) g·cm−3 Tỉ trọng lỏng ở điểm sôi 0.07099 g·cm−3 Điểm chảy 14.01 K, -259.14 °C, -434.45 °F Điểm sôi 20.28 K, -252.87 °C, -423.17 °F Điểm 3 pha 13.8033 K (-259°C), 7.042 kPa Điểm tới hạn 32.97 K, 1.293 MPa Nhiệt tạo thành 0.117 kJ·mol−1 Nhiệt hoá hơi 0.904 kJ·mol−1 Nhiệt dung riêng (25 °C) (H2) 28.836J.mol−1·K−1 9 TÍNH CHẤT CỦA HYDROGEN  Khí hydrogen là khí dễ cháy.  Khí hydro cháy êm dịu trong không khí và tạo ra lượng nhiệt lớn (ngọn lửa hydro tinh khiết với oxy tinh khiết có nhiệt độ khoảng 2500oC). 10 TÍNH CHẤT CỦA HYDROGEN 11 TÍNH CHẤT CỦA HYDROGEN  Khí Hydro bền ở nhiệt độ thường, rất khó phân ly, khí hydro chỉ bị phân ly khi nhiệt độ khoảng 2000oC.  Ở nhiệt độ cao, áp suất cao đặc biệt là có mặt xúc tác, khí hydro rất hoạt động và thể hiện tính khử rất mạnh.  Ứng dụng trong công nghiệp chế biến dầu khí: hydrogenolysis (HDS, HDN, cracking), hydrogenation. 12 3. VAI TRÒ CỦA HYDROGEN TRONG NMLD 13 VAI TRÒ CỦA HYDROGEN TRONG NMLD 14 QUÁ TRÌNH XỬ LÝ HYDRO (HYDROTREATING)  Loại bỏ những dị tố (S, N, O) trong nguyên liệu  Loại bỏ kim loại trong nguyên liệu  No hoá nguyên liệu. 15 QUÁ TRÌNH XỬ LÝ HYDRO (HYDROTREATING) 16 QUÁ TRÌNH XỬ LÝ HYDRO (HYDROTREATING)  Các phản ứng trong quá trình HT: 17 QUÁ TRÌNH XỬ LÝ HYDRO (HYDROTREATING)  Xúc tác cho quá trình HT:  Xúc tác đơn kim: Ni, Co, Mo, W  Xúc tác lưỡng kim: Ni-Mo, NiW,…  Tuỳ theo yêu cầu công nghệ mà lựa chọn xúc tác thích hợp. 18 QUÁ TRÌNH XỬ LÝ HYDRO (HYDROTREATING) Quy trình Naphtha HT: 19 QUÁ TRÌNH XỬ LÝ HYDRO (HYDROTREATING) Quy trình Diesel HT: 20 QUÁ TRÌNH XỬ LÝ HYDRO (HYDROTREATING) Quy trình desulfurization cặn khí quyển: 21 HYDROCRACKING Là quá trình cracking có hydrogen Là sự kết hợp của quá trình hydrotreating và cracking Có thể chế biến được nguyên liệu có độ nặng cao, cho sản phẩm có tính chất tốt. Chi phí đầu tư rất lớn, vận hành phức tạp 22 HYDROCRACKING  Các phản ứng trong quá trình hydrocracking 23 HYDROCRACKING  Xúc tác cho hydrocracking: Xúc tác cho quá trình hydrocracking thực tế là xúc tác tổng hợp của 2 quá trình: xúc tác cho quá trình hydrotreating (xúc tác tâm kim loại) và xúc tác cho quá trình cracking (xúc tác có tâm acid). 24 HYDROCRACKING  Xúc tác cho hydrocracking: Tuỳ theo yêu cầu công nghệ mà lựa chọn xúc tác thích hợp 25 HYDROCRACKING  Quy trình hydrocracking một lần:  Quy trình hydrocracking 1 lần cho hiệu suất chuyển hoá dao động trong một khoảng khá rộng từ 40%-80%, tuỳ thuộc vào sản phẩm đáy hồi lưu về từ cột chưng cất 26 HYDROCRACKING  Quy trình hydrocracking 2 lần:  Quy trình hydrocracking 2 bước cho sự linh động hơn trong việc lựa chọn sản phẩm, và hiệu suất cao và ổn định hơn. Quy trình này được khuyến khích sử dụng cho các nguyên liệu có độ nặng cao. 27 4. QUY TRÌNH VÀ CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT HYDRO 28 SẢN XUẤT HYDRO Hydro có thể được sản xuất theo các hướng sau:  Reforming (steam reforming, reforming xúc tác) hoặc oxy hóa riêng phần các phân đoạn dầu mỏ;  Khí hóa than hoặc biomass;  Reforming các sản phẩm lỏng sinh học (bio-derived liquids);  Nhiệt hóa (phân ly nước);  Điện năng (nhiệt phân nước);  Quang hóa;  Sinh hóa. 29 BIO-DERIVED LIQUIDS 30 HEAT-DRIVEN CHEMICAL REACTION TO SPLIT WATER 31 SO SÁNH Reforming Bio-derived liquids Khí hóa than hoặc biomass Chi phí đầu tư cao; Chi phí vận hành và bảo trì cao; Nguồn nguyên liệu (khí thiên nhiên, hydrocarbon nhẹ). Chi phí đầu tư cao; Chi phí vận hành và bảo trì cao; Chi phí quá trình sản xuất bio-derived liquids; Chất lượng và sản lượng nguyên liệu. Chi phí thiết bị cao; Chi phí vận hành và bảo trì cao; Hiệu quả của hệ thống; Tạp chất trong nguyên liệu. Công nghệ đã thương mại và phát triển từ lâu; Hiệu quả kinh tế cao. Sử dụng nguồn nguyên liệu tái tạo; Có thể sử dụng công nghệ đã thương mại của quá trình reforming. Tận dụng được nguồn nguyên liệu biomass phong phú; Công nghệ đã thương mại hóa. 32 SO SÁNH Nhiệt hóa Điện phân Quang hóa Sinh hóa Chi phí thiết bị; Cần có vật liệu bền và hiệu quả để xây dựng hệ thống; Đang nghiên cứu. Hiệu suất hệ thống thấp và chi phí đầu tư cao; Kết hợp với các nguồn năng lượng khác; Đang nghiên cứu và phát triển. Vật liệu thực hiện phản ứng quang hóa; Hiệu suất thấp; Chi phí thiết bị cao; Đang nghiên cứu và phát triển. Hiệu suất thấp; Chủng vi sinh vật; Đang nghiên cứu. Chỉ sử dụng nước, năng lượng và hóa chất được tái sử dụng. Không gây ô nhiễm; Sạch và bền vững. Vận hành ở điều kiện nhiệt độ thấp; Sạch và bền vững. Tận dụng nguồn nguyên liệu biomass; Sạch và bền vững. 33 QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT HYDRO  Hiện nay, trong nhà máy lọc dầu và hóa dầu, hydro chủ yếu được sản xuất chủ từ khí thiên nhiên và các dòng hydrocarbons nhẹ thông qua các giai đoạn:  Tiến hành phản ứng thu khí tổng hợp;  Điều chỉnh tỷ lệ H2/CO (phản ứng water gas shift ở nhiệt độ thấp và nhiệt độ cao);  Tách CO2 và CO;  Sản phẩm hydrogen cuối cùng có độ tinh khiết trong khoảng 95-98%. 34 4.1 SẢN XUẤT KHÍ TỔNG HỢP  Steam reforming;  Oxy hóa riêng phần;  Auto reforming. 35 STEAM REFORMING  Steam reforming là quá trình reforming có sự hiện diện của hơi nước và sử dụng xúc tác Ni/chất mang.  Nguyên liệu: dòng khí thiên nhiên hoặc hydrocarbon nhẹ (từ C3 đến C7). Những dòng này có thể chứa chất ức chế hoặc đầu độc xúc tác Nikel. Chất đầu độc là những hợp chất của lưu huỳnh (H2S, mercaptan) và các dẫn xuất của halogen như chlorides.  Yêu cầu nguyên liệu chứa hàm lượng lưu huỳnh ít hơn 0,1 ppm và hàm lượng chloride giới hạn ở 0,5 ppm. 36 PHẢN ỨNG HÓA HỌC Các phản ứng chính xảy ra trong quá trình steam reforming của methane:  CH4 + H2O ↔ CO + 3H2 ΔH= 206 kJ/mol; ΔG298 = -58,096 kJ/mol (1)  CO+ H2O ↔ CO2 + H2 ΔH= -41 kJ/mol; ΔG298 = -28,606 kJ/mol (2)  CH4 + 2H2O ↔ CO2 + 4H2 ΔH= 165 kJ/mol; ΔG298 = 113,298 kJ/mol (3) 37  Đối với các hydrocarbon mạch dài hơn methane, phản ứng tổng quát như sau: CnH2n+2 + n H2O ↔ n CO + (2n+1) H2  Phản ứng này được thực hiện thông qua phản ứng chuyển hóa hydrocarbon nhẹ thành methane. Sau đó, tiến hành phản ứng steam reforming khí methane. CnH2n+2 + (n-1)/2 H2O ↔ (3n+1)/4 CH4 + (n-1)/4 CO2 38 PHẢN ỨNG PHỤ  Bên cạnh đó, trong quá trình steam reforming còn xảy ra sự tạo cacbon trên bề mặt xúc tác theo các phản ứng sau:  Crackinh metan: CH4 C + 2H2  Phản ứng CO: 2 CO  C + CO2 39 XÚC TÁC  Các xúc tác sử dụng thường chứa 5-25% khối lượng nikel trên các chất mang α-Al2O3, CaAl2O4.MgO hoặc CaAl2O4.  Hầu hết các xúc tác, ngoài thành phần chính là nikel còn có các chất kiềm hoặc oxit kiềm thổ, các chất này có tác dụng làm tăng khả năng loại bỏ cacbon theo phản ứng: C + H2O  CO + H2  Chúng có tác dụng kích thích sự hấp phụ và hoạt hóa hơi nước. Bằng cách này, quá trình hình thành cacbon được kiểm soát và duy trì hoạt tính xúc tác. 40 CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG  Tỷ lệ mol hơi nước/carbon;  Nhiệt độ đầu vào reforming;  Nhiệt độ đầu ra reforming;  Áp suất;  Nguyên liệu;  Xúc tác. 41 ẢNH HƯỞNG NGUYÊN LIỆU 42 STEAM REFORMING 43 OXY HÓA RIÊNG PHẦN  Quá trình xảy ra theo phản ứng cháy (tỏa nhiệt ΔH= -36 KJ/mol) CH4 + 1/2O2 → CO + 2H2 CnHm + n/2 O2 n CO + m/2 H2  Quá trình này có thể không sử dụng xúc tác nhưng phản ứng phải xảy ra ở điều kiện nhiệt độ va ̀ áp suất cao. Để giảm điểu kiện phản ứng, sử dụng xúc tác là Ni, kim loại chuyển tiếp trong quá trình tổng hợp, còn gọi là quy trình oxy hóa riêng phần có xúc tác (CPO).  Khí tổng hợp tạo thành có tỷ lệ H2/CO gần bằng 2, và sản phẩm phụ gồm CO2 và H2O. 44 CÁC GIAI ĐOẠN QUÁ TRÌNH PHẢN ỨNG  Ở giai đoạn đầu, nguyên liệu được phân tán vào cùng với oxy. Hỗn hợp này được gia nhiệt. Phản ứng cracking xảy ra, tạo thành carbon, methane, hydro và các hydrocarbons.  Giai đoạn 2: một phần các hydrocarbon được chuyển hóa khi đạt đến nhiệt độ xảy ra phản ứng cháy: CnHm + (n/2 + m/2) O2 n CO + m/2 H2O  Cùng lúc đó, xảy ra các phản ứng: CnHm + m CO2 2n CO + m/2 H2 CnHm + mH2O  n CO + (m/2 + n) H2 45  Giai đoạn 3: khi nhiệt độ trong thiết bị phản ứng rất cao, xảy ra các phản ứng phụ:  Hydrocracking: CnHm + (n/2 + m/2) O2 n CO + m/2 H2O  Steam gasification H2O + C  H2 + CO  Steam reforming: CH4 + H2O ↔ CO + 3H2  Water gas shift: CO+ H2O ↔ CO2 + H2 46 XÚC TÁC  Ngoài Nikel, các kim loại chuyển tiếp như Co, Fe va ̀ kim loại đất hiếm khác như Ru, Rh, Pd, Pt, Ir cũng có hoạt tính xúc tác cho quá trình oxy hóa riêng phần methane. Xúc tác Nikel được nghiên cứu nhiều nhất vì gia ́ thành rẻ. Tuy nhiên, nó nhanh bị mất hoạt tính vì sự tạo cốc carbon trên bề mặt, hòa tan carbon vào Ni hoặc mất mát kim loại ở nhiệt độ cao. 47 48 AUTO REFORMING  Là quá trình reforming có cả oxy và hơi nước, quá trình này tận dụng nhiệt tỏa ra khi đốt cháy một phần methane (1) cấp nhiệt cho phản ứng (2) và (3). Các phản ứng xảy ra như sau: CH4 + 2O2 CO2 + 2H2O (1) CH4 + H2O  CO + 3H2 (2) CH4 + CO2 2CO + 2H2 (3)  Các phản ứng này sẽ đạt đến trạng thái cân bằng tủy thuộc vào nhiệt độ. Phản ứng tổng quát là: CH4 + 0,5 O2 CO + 2H2  Ưu điểm của quá trình autothermal refoming là thiết bị đơn giản, các phân xưởng nhỏ gọn và dễ dàng kiểm soát tỷ lệ H2/CO. Quá trình thường sử dụng xúc tác là Nikel. 49 KBR 50 CÁC NGHIÊN CỨU MỚI  Ngoài các phương pháp trên, cũng có nhiều nghiên cứu sản xuất khí tổng hợp theo các hướng:  Dry reforming  Mixed reforming  Plasma 51 4.2 PHẢN ỨNG WATER GAS SHIFT  Là phản ứng thuận nghịch, tỏa nhiệt xảy ra giữa CO va ̀ hơi nước tạo ra H2 va ̀ CO2 theo phương trình: CO + H2O ↔ CO2 + H2 ΔH = −42 kJ /mole  Mục đích của phản ứng WGS là dùng để điều chỉnh ty ̉ lệ H2/CO theo mong muốn trong khí tổng hợp.  Trong quy trình công nghê ̣, phản ứng WGS thường được tiến hành qua 2 bước:  Phản ứng ở nhiệt đô ̣ cao;  Phản ứng ở nhiệt đô ̣ thấp. 52 PHẢN ỨNG Ở NHIỆT ĐÔ ̣ CAO  Xúc tác sử dụng bao gồm Fe3O4 - Cr2O3 hoặc CuO/FeO;  Nhiệt độ phản ứng: 300 – 560oC;  Phản ứng nhanh nhưng cân bằng chứa 2-3% mol CO, nếu muốn tăng chuyển hoá CO, cần thiết bị II ở nhiệt độ thấp. 53 PHẢN ỨNG Ở NHIỆT ĐÔ ̣ THẤP  Xúc tác CuO – ZnO trong đó CuO: thành phần hoạt động va ̀ ZnO là chất mang, bảo vệ Cu khỏi quá trình đầu độc của hợp chất lưu huỳnh hấp phụ;  Nhiệt độ phản ứng: 190 - 260oC;  Hỗn hợp cân bằng chứa 0,1% mol CO. 54 4.3 TÁCH CO2  Các công nghệ tách CO2 đang được ứng dụng hiện nay:  Công nghệ sử dụng dung môi hóa học  Công nghệ sử dụng dung môi vật lý  Công nghệ sử dụng dung môi hóa lý  Quá trình hấp phụ (PSA)  Công nghệ sử dụng màng  Công nghệ rây phân tử 55 METHANATION  Chuyển hóa CO và CO2 còn lại thành methane. CO + 3 H2↔ CH4 + H2 CO2 + 4 H2↔ CH4 + 2H2  Đây là các phản ứng tỏa nhiệt;  Nhiệt độ 300 – 340 oC trên nền xúc tác Nikel;  Chuyển hóa gần như toàn bộ CO và CO2 (còn lại khoảng 10 ppm) 56 57 5. TỒN TRỮ HYDROGEN 58 Vấn đề an toàn Hydrogen  H2 cháy không thể nhận thấy bằng mắt thường, không thể nhận biết để cảnh báo, mang mối nguy hiểm tiềm ẩn.  H2 có tốc độ bừng cháy rất cao và tiêu tán nhanh:  Ví dụ, một vụ cháy xe cộ liên quan đến xăng dầu, đám cháy có thể kéo dài 20-30 phút; trong khi đó, ngọn lửa từ đám cháy của xe chạy bằng năng lượng H2 chỉ kéo dài từ 1-2 phút.  Một vụ nổ khí H2 đã xảy ra tại lò phản ứng số 3 (NMĐHN Fukushima Daiichi):  Một quầng sáng màu da cam xuất hiện trước khi một cột khói lớn màu nâu xám bốc lên;  Áp suất ngay sau vụ nổ: đến 530 kPa (6:50 AM) 490 kPa (9:05 AM) 380 kPa (11:13 AM)  360 kPa (11:55 AM).  H2 không độc và không gây ăn mòn.  Tỉ trọng thấp va khả năng khuếch tán nhanh cho phép H2 thoát nhanh vào khí quyển nếu như có sự rò rỉ xảy ra.  Trong khi đó, LPG và xăng dầu, với tỉ trọng cao và khả năng khuếch tan thấp, dễ tụ lại gần mặt đất, làm gia tăng rủi ro cháy nổ.  H2 phải đạt đến nồng độ  4% trong khi quyển mới gây nguy hiểm.  Đối với xăng dầu nồng độ rò rỉ  1% là có thể gây ra rủi ro cháy nổ thấp. Vấn đề an toàn Hydrogen  H2 cháy sinh ra nhiệt và hơi nước (không có C). Hơi nước là chất hấp thụ nhiệt nên H2 cháy tỏa nhiệt ít hơn nhiều so với khi các HC cháy.  H2 cháy không bị lan đi. Do đó, những vật khác ở gần ngọn lửa H2 cháy sẽ khó mà tự bắt cháy. Mối nguy hiểm về cháy lan và khói độc được giảm đi đáng kể.  Điều này có ý nghĩa rất quan trọng trong công tác chữa cháy. Vấn đề an toàn Hydrogen 5. TỒN CHỨA HYDROGEN  Có 4 phương cách cơ bản:  Dưới dạng khí nén áp suất cao  Dưới dạng khí hóa lỏng  Dưới dạng hợp chất o Hấp thụ hóa học o Hydrua kim loại o Ống carbon nano  Vi cầu thủy tinh 5. Tồn trữ Hydrogen 5.1 Tồn chứa H2 dưới dạng khí nén  H2 có thể được nén trong các bình chứa với áp suất cao (700 bar).  Ngày nay, các bình chứa áp suất cao hiện đại được làm từ composite và vật liệu nhẹ hơn thay cho các bình thép truyền thống. 5. Tồn trữ Hydrogen 5.2 Tồn chứa H2 dưới dạng khí hóa lỏng  H2 chỉ tồn tại ở thể lỏng dưới nhiệt độ cực lạnh (âm 235 oC).  Nén, làm lạnh (hóa lỏng) H2 tiêu tốn khá nhiều năng lượng (max đến 30% tổn thất năng lượng hao hụt);  Ưu điểm tồn trữ H2 dưới dạng lỏng là cho tỉ trọng năng lượng theo thể tích cao nhất và tốn ít không gian nhất.  Phương pháp này tương thích với các ứng dụng di động như sử dụng làm nhiên liệu cho các phương tiện giao thông. 5. Tồn trữ Hydrogen 5.2 Tồn chứa H2 dưới dạng khí hóa lỏng (tt)  Ngày nay, công tác nạp H2 dưới dạng khí hóa lỏng được thực hiện bằng các robot tự động (re-fuelling robots).  Hạn chế:  Tồn trữ H2 theo cách này tiêu tốn khá nhiều năng lượng cần để hóa lỏng;  Hóa lỏng H2 trong các trường hợp thực sự cần thiết như: trong các trạm nhiên liệu hay khi cần vận chuyển H2 đường dài (bằng tàu biển). 5. Tồn trữ Hydrogen 5.3.1 Tồn chứa H2 nhờ hấp thụ hóa học  H2 có thể được giữ trong nhiều hợp chất nhờ liên kết hóa học. Và khi cần thiết, thực hiện phản ứng hóa học để giải phóng H2, sau đó được thu hồi và đưa vào sử dụng trong pin nhiên liệu.  Ví dụ: NH3BH3, H2 được giải phóng ở nhiệt độ từ 100-300 oC;  LiH, LiBH4, NaBH4: H2 được giải phóng bằng quá trình thủy phân.  Phương pháp tồn trữ này, có thể điều chỉnh được lượng H2 sinh ra theo nhu cầu. 5. Tồn trữ Hydrogen 5.3.2 Tồn chứa H2 trong các hydrua kim loại  Phương pháp tồn chứa này sử dụng một số hợp kim có khả năng độc đáo, có thể hấp phụ H2. Các hợp kim này hoạt động giống như miếng xốp có thể “hút bám” H2 tạo nên các hydrua kim loại.  Khi một hydrua kim loại được “lấp kín” bằng các nguyên tử H2, muốn giải phóng H2 thì cần cung cấp nhiệt.  Công thức tổng quát của quá trình: M + xH2 MH2x 5. Tồn trữ Hydrogen 5.3.2 Tồn chứa H2 trong các hydrua kim loại (tt)  Phương pháp này có thể tồn chứa được một lượng rất lớn thể tích H2 hấp phụ vào kim loại.  Lượng H2 hấp phụ chỉ chiếm 1-20 % tổng trọng lượng bình chứa (kim loại).  Các bình chứa dạng này khá nặng và bị hạn chế trong các ứng dụng di động.  Ưu điểm của phương pháp này là hầu hết các hydrua kim loại có thể hoạt động ở áp suất bình thường.  Về an toàn sử dụng: đây là những điểm thuận lợi của việc tồn chứa H2 bằng các hydrua kim loại; 5. Tồn trữ Hydrogen 5.3.2 Tồn chứa H2 trong các hydrua kim loại (tt)  Muốn giải phóng H2 cần cung cấp nhiệt, trong trường hợp các bình chứa bị bể vỡ thì H2 vẫn giữ kết nối trong kim loại mà không bị hao hụt;  Lưu trữ H2 bằng các hydrua kim loại hiện nay đang được ứng dụng nhiều trong các tàu ngầm. 5. Tồn trữ Hydrogen 5.3.3 Tồn chứa H2 trong ống carbon nano rỗng  Vật liệu carbon nano này có thể tạo nên một cuộc cách mạng trong công nghệ tồn chứa H2 trong tương lai.  Các nhà khoa học đã phát hiện đặc tính hữu ích của carbon nano, vật liệu này có thể chứa lượng lớn H2 trong các vi cấu trúc than chì dạng ống;  H2 có thể chui vào trong ống và khoảng trống giữa các ống;  Lượng H2 hấp thụ phụ thuộc vào áp suất và nhiệt độ, có thể thay đổi áp suất hoặc nhiệt độ để bơm H2 vào tồn chứa hay đẩy H2 ra để sử dụng. 5. Tồn trữ khí Hydrogen 5.3.3 Tồn chứa H2 trong ống carbon nano rỗng (tt)  Yêu cầu hiện nay là phải tìm ra các loại ống nano carbon chứa được nhiều H2. Và cần loại vật liệu với tỷ lệ ống nano carbon cao, không lẫn loại bụi than khác.  Ưu điểm mang tính đột phá của công nghệ nano chính là lượng lớn H2 mà nó có thể tồn chứa được nhiều hơn phương pháp hydrua kim loại và thiết bị tồn chứa nhẹ hơn.  Ống carbon nano có thể chứa được lượng H2 từ 4- 65% trọng lượng thiết bị.  Công nghệ này đang được quan tâm nhiều trên thế giới và hứa hẹn một phương cách tồn chứa H2 đầy tiềm năng cho các ứng dụng pin nhiên liệu di động và nhỏ gọn như Laptop, camera, cell phone... 5. Tồn trữ Hydrogen 5.4 Tồn chứa H2 trong các vi cầu thủy tinh  Các khối cầu thủy tinh rỗng tí hon có thể được sử dụng tồn chứa H2 an toàn.  Những vi cầu rỗng được làm nóng dẻo, gia tăng khả năng thấm của thành thủy tinh, rồi được lấp đầy khi được đặt ngập trong khí H2 với áp suất cao. 5. Tồn trữ Hydrogen 5.4 Tồn chứa H2 trong các vi cầu thủy tinh (tt)  Các khối cầu này sau đó được làm nguội và "khóa lại" H2 bên trong khối thủy tinh.  Khi tăng nhiệt độ, H2 sẽ được giải phóng ra khỏi khối cầu và sử dụng.  Đây là phương pháp rất an toàn, tinh khiết và có thể chứa được H2 ở áp suất thấp nhằm gia tăng giới hạn an toàn. ỨNG DỤNG CỦA HYDROGEN 11/1/2013  H2 là một nguồn nhiên liệu đầy tiềm năng với nhiều ưu điểm thuận lợi về môi trường và kinh tế:  H2 là nguồn năng lượng sạch, gần như không phát thải khí gây ô nhiễm mà chỉ sinh ra hơi nước;  Từ nước qua quá trình điện phân thu được H2. Vậy H2 là nguồn năng lượng gần như vô tận hay có thể tái sinh được;  H2 có tỉ trọng năng lượng cao.  Một số ứng dụng của H2: 6. ỨNG DỤNG CỦA HYDROGEN 6.1 Khí đốt 6.2 Nhiên liệu động cơ 6.3 Pin nhiên liệu 6.4 Công nghiệp chế biến 6.5 Công nghiệp vũ trụ 6. Ứng dụng của Hydrogen 6.1 Khí đốt  H2 có thể thay thế khí thiên nhiên để cung cấp năng lượng cho các nhu cầu dân dụng như: đun nấu, sưởi ấm, chiếu sáng...  H2 là một nhiên liệu cho nhiệt năng cao nhất tiết kiệm chi phí rất lớn cho các doanh nghiệp sản xuất;  Nhiệt năng H2: 2.200 oC (so với than chỉ 1.600- 1.700 oC) Chỉ tiêu H2 CH4 C3H8 Nhiệt trị, kJ/kg 119,97 50,02 46,35 KLR, kg/m3 0,089 0,717 2,011 6. Ứng dụng của Hydrogen 6.1 Khí đốt (tt)  H2 đem đốt không thải ra khí độc  không gây ô nhiễm môi trường, không gây độc hại trực tiếp cho người sản xuất. 6. Ứng dụng của Hydrogen 6.2 Nhiên liệu động cơ  H2 có thể được đốt trực tiếp trong động cơ của các loại phương tiện giao thông chạy bằng xăng dầu. 6. Ứng dụng của Hydrogen 6.2 Nhiên liệu động cơ (tt)  Mức tiêu hao nhiên liệu của 1 xe chạy bằng H2 khoảng 4 kg H2/ 300km. 6. Ứng dụng của Hydrogen 6.2 Nhiên liệu động cơ (tt)  Hãng Nissan đã cho ra đời xe ô tô Leaf chạy bằng H2 (tại Mỹ);  General Motors đã sản xuất 100 xe H2 thử nghiệm có tên gọi Chevrolet Equinox;  Hãng Honda có mẫu xe FCX Clarity chạy H2;  Toyota có kế hoạch đưa mẫu xe chạy H2 đại trà đầu tiên vào 2015;  BMW (Đức) đã kết thúc quá trình chạy thử nghiệm một động cơ H2 và tiếp tục nghiên cứu thêm cho các thế hệ tiếp theo;  Canada đã đưa 20 xe bus chạy H2 vào hoạt động 2010. 6. Ứng dụng của Hydrogen 6.2 Nhiên liệu động cơ (tt)  Khi các phương tiện giao thông sử dụng nhiên liệu H2 cần thiết lập các trạm phân phối vào bình chứa.  Do lượng khí các xe tiêu thụ lớn hơn rất nhiều so với xăng, sẽ đòi hỏi một mạng lưới vận chuyển khổng lồ.  Một ý kiến cho rằng: "Nếu tất cả các xe trên thế giới hiện nay chuyển sang dùng H2, thì cứ 5 xe đang lưu thông sẽ có 1 chiếc là xe téc chở khí H2".  Trong tương lai, mức tiêu tốn cho 1 xe chạy bằng H2 khoảng 0,95 lít H2 lỏng/100km. 6. Ứng dụng của Hydrogen 6.3 Pin nhiên liệu  H2 làm nguồn năng lượng cung cấp cho hệ thống pin nhiên liệu, nhờ quá trình điện hóa để tạo ra điện năng. Anod: 2 H2  4 H+ + 4e- Cathod: O2 + 4 H+ + 4e-  2 H2O Tổng quát: 2 H2 + O2  2 H2O + E 6. Ứng dụng của Hydrogen 6.3 Pin nhiên liệu (tt)  Khi những nguyên tử H2 vào pin nhiên liệu, phản ứng hóa học xảy ra ở anod: o Những nguyên tử H2 bị ion hóa và mang điện tích dương (H+). o Electron âm sẽ chạy qua dây dẫn tạo ra dòng điện một chiều. o O2 đi vào cathod kết hợp với e- từ dòng điện và các ion H+ ra khỏi chất điện phân từ anod (hoặc O2 lấy e- rồi đi qua chất điện phân đến anod và kết hợp với H+) sinh ra H2O. 6. Ứng dụng của Hydrogen 6.3 Pin nhiên liệu (tt)  Phản ứng tổng quát cho pin nhiên liệu tương tự như phản ứng hóa học mô tả quá trình H2 bị đốt cháy với sự hiện diện của O2.  Điểm khác biệt quan trọng giữa hai quá trình đó là cơ chế phản ứng: o Phản ứng cháy tạo ra nhiệt trong khi phản ứng điện hóa của pin nhiên liệu sinh ra điện năng.  Chuyển đổi hóa năng thành điện năng của pin nhiên liệu không phải là đối tượng của định luật nhiệt động lực học - giới hạn hiệu suất tối đa của các động cơ nhiệt thông thường (Carnot). o Hiệu suất pin nhiên liệu có thể vượt giới hạn Carnot, ngay cả khi vận hành ở nhiệt độ tương đối thấp. 6. Ứng dụng của Hydrogen 6.3 Pin nhiên liệu (tt)  Pin nhiên liệu chạy rất êm, không gây ra tiếng động, chấn động như động cơ đốt trong; hiệu suất sử dụng cao vì thế tiết kiệm năng lượng hơn.  Pin nhiên liệu sử dụng H2 làm nhiên liệu, mang đến triển vọng cung cấp cho thế giới một nguồn điện năng sạch và bền vững.  Pin nhiên liệu hiện nay đang dần được phổ biến trên thị trường, dự đoán sẽ tạo nên cuộc cách mạng năng lượng trên thế giới trong tương lai. 6. Ứng dụng của Hydrogen 6.3 Pin nhiên liệu: (tt) Pin nhiên liệu Ắc quy Cơ chế phản ứng điện hóa điện hóa Năng lượng cung cấp oKhông chứa bên trong; oChuyển hóa trực tiếp nhiên liệu thành điện năng oChứa bên trong; oCần nạp điện lại từ một nguồn bên ngoài Dòng cung cấp Liên tục Gián đoạn (do sạc) 6. Ứng dụng của Hydrogen 6.4 Công nghiệp chế biến  Lọc dầu  Hóa dầu: sản xuất ammonia, metanol, phân bón...  Luyện kim: H2 được sử dụng trong ngành sản xuất thép (cắt, nấu);  Sản xuất công nghiệp: giấy (nồi hơi), nấu gốm sứ, chất bán dẫn... 6. Ứng dụng của Hydrogen 6.5 Công nghiệp vũ trụ  H2 có đặc tính nhẹ và tỉ trọng năng lượng cao nên được sử dụng làm nhiên liệu cho tên lửa, công nghệ du hành không gian. 11/1/2013 TRÂN TRỌNG CẢM ƠN!