Láng giềng Việt Nam làm chủ công nghệ biến nước biển thành hydro tinh khiết 99,9999%, chi phí chỉ từ 2,1 USD/kg

Nhóm nghiên cứu do Deng Dehui và Liu Yanting thuộc Viện Vật lý Hóa học Đại Liên, Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc dẫn đầu. Kết quả được công bố trên tạp chí Nature Energy ngày 15/9.

Sản xuất hydro bằng điện tái tạo từ nước biển từ lâu được xem là một hướng đi quan trọng của ngành hydro xanh. Tuy nhiên, những công nghệ hiện nay vẫn tồn tại nhiều hạn chế về chi phí, độ bền thiết bị và mức tiêu thụ điện.

Với phương pháp điện phân trực tiếp nước biển, hàm lượng ion chloride cao có thể phản ứng với cực dương và gây ăn mòn. Trong khi đó, ion canxi và magie dễ tạo cặn trên cực âm, làm giảm hiệu suất vận hành.

Một lựa chọn khác là khử mặn nước biển trước, sau đó sử dụng nước tinh khiết để điện phân tạo hydro. Cách này đã tương đối trưởng thành về mặt công nghệ nhưng đòi hỏi thêm thiết bị khử mặn, khiến chi phí đầu tư và mức tiêu thụ năng lượng tăng lên.

Nhóm nghiên cứu Trung Quốc chọn cải tiến chính quy trình 2 bước này.

Biến nhiệt thải thành nước ngọt

Điểm đáng chú ý nhất của hệ thống mới nằm ở cách xử lý lượng nhiệt vốn bị lãng phí trong quá trình điện phân.

Trong các hệ thống thương mại hiện nay, khi vận hành ở nhiệt độ khoảng 80 đến 90°C, gần 30% điện năng có thể chuyển thành nhiệt chất lượng thấp. Phần nhiệt này khó thu hồi và thường phải loại bỏ bằng hệ thống nước làm mát, kéo theo thêm nhu cầu về điện và nước ngọt.

Nhóm nghiên cứu đã kết nối trực tiếp thiết bị điện phân với hệ thống khử mặn.

Thay vì thải bỏ nhiệt, hệ thống đưa nhiệt từ quá trình điện phân sang một tháp chưng cất chân không. Nhờ môi trường áp suất thấp, nước biển có thể sôi và bay hơi ở nhiệt độ chỉ khoảng 40 đến 50°C.

Hơi nước sau đó được ngưng tụ thành nước ngọt.

Theo Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc, lượng nước ngọt tạo ra đủ để cung cấp ngược trở lại cho quá trình điện phân, đồng thời vẫn còn dư cho các mục đích khác.

Phần nước biển cô đặc còn lại có thể tiếp tục được xử lý theo nhiều công đoạn để thu hồi muối, bromine, uranium và những tài nguyên hòa tan khác trong nước biển.

Nhà máy 250kW, sản xuất 380.000 m³ hydro mỗi năm

Nhóm nghiên cứu bắt đầu với một hệ thống thử nghiệm công suất 25 kW vào năm 2023. Công nghệ này sau đó được Liên đoàn Công nghiệp Dầu khí và Hóa chất Trung Quốc đánh giá ở mức tiên tiến quốc tế.

Từ nền tảng đó, nhóm nâng quy mô lên 250kW và tập trung giải quyết bài toán thất thoát năng lượng.

Theo nghiên cứu, hệ thống 250kW có thể sản xuất khoảng 380.000 m³ hydro tiêu chuẩn mỗi năm, với độ tinh khiết đạt 99,9999%.

Ngoài hydro, hệ thống còn sản xuất khoảng 256 tấn nước ngọt mỗi năm.

So với quy trình điện phân nước kiềm truyền thống, hiệu quả sử dụng điện được cải thiện khoảng 14,4%.

Một điểm quan trọng khác là độ ổn định. Hệ thống đã vận hành liên tục trong 40 ngày theo chế độ khởi động và dừng hàng ngày mà không ghi nhận suy giảm hiệu suất rõ rệt.

Một hệ thống tiền thân của công nghệ này từng được hoàn thiện từ năm 2023 và được Liên đoàn Công nghiệp Dầu khí và Hóa chất Trung Quốc đánh giá ở mức dẫn đầu quốc tế. Phiên bản 250 kW hoàn tất xây dựng và đưa vào vận hành từ tháng 8/2024.

Chi phí hydro có thể xuống 2,1 USD/kg

Nhóm nghiên cứu cũng thực hiện phân tích kinh tế đối với hệ thống.

Trong kịch bản sử dụng điện gió trên bờ có giá khoảng 0,033 USD/kWh, chi phí sản xuất hydro được ước tính ở mức trung bình khoảng 2,1 USD/kg.

Nếu sử dụng điện mặt trời với giá khoảng 0,049 USD/kWh, chi phí vào khoảng 2,9 USD/kg.

Trong khi đó, giá hydro trên thị trường hiện được nhóm nghiên cứu lấy tham chiếu ở mức khoảng 3,9 USD/kg.

Theo Deng Dehui, kết quả cho thấy hệ thống mới có khả năng cạnh tranh kinh tế tốt hơn so với mô hình truyền thống gồm khử mặn nước biển trước rồi mới điện phân.

Lợi thế lớn nằm ở việc một nguồn năng lượng được tận dụng cho nhiều mục đích cùng lúc. Điện được dùng để sản xuất hydro, còn nhiệt thải từ quá trình này lại tiếp tục phục vụ khử mặn, thay vì bị loại bỏ.

Nếu được mở rộng lên quy mô công nghiệp, mô hình này có thể giúp giảm nhu cầu nước ngọt cho sản xuất hydro tại những khu vực khô hạn nhưng có nguồn nước biển và năng lượng tái tạo dồi dào.

Trong giai đoạn tiếp theo, nhóm nghiên cứu dự kiến tập trung phát triển chất xúc tác tốt hơn, nâng tỷ lệ thu hồi nhiệt thải và ứng dụng trí tuệ nhân tạo để tối ưu các thông số vận hành.

Mục tiêu là tiếp tục hạ chi phí, tăng hiệu suất và đưa mô hình từ hệ thống thử nghiệm quy mô nhỏ tiến gần hơn tới ứng dụng thương mại.

Nếu công nghệ có thể mở rộng mà vẫn duy trì độ ổn định và mức chi phí hiện tại, hệ thống này có thể biến nước biển thành nguồn đầu vào cho cùng lúc nhiều lĩnh vực, từ hydro xanh, nước ngọt tới khai thác tài nguyên biển.