Đà Nẵng: Sinh viên tạo ra thiết bị lưu trữ hydrogen

Nghiên cứu do Võ Dư Định, Lê Anh Vân, Lâm Đạo Nhơn, Nguyễn Hưng Tâm và Mai Đức Hưng, bộ môn Cơ khí ôtô, khoa Cơ khí, trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật - Đại học Đà Nẵng thực hiện từ tháng 10/2023. Sản phẩm hướng đến kỹ thuật lưu trữ năng lượng hydrogen dạng rắn, ứng dụng trong các hệ thống quản lý năng lượng và phương tiện giao thông xanh.

Sản phẩm được thiết kế có hai phần chính: bình chứa hydrogen cùng các bộ phận phụ trợ và hệ thống điều khiển thông minh. Nguyên lý hoạt động của bình chứa dựa trên phản ứng giữa kim loại magie có trong bình chứa và hydrogen để tạo ra hợp chất Magie Hydrua (MgH₂). Khi gia nhiệt ở 250-350°C, sẽ xảy ra quá trình nạp hydrogen trong điều kiện áp suất trên 1 bar. Ngược lại, quá trình giải phóng hydrogen xảy ra khi áp suất dưới 1 bar.

Với hệ thống thông minh bao gồm vi điều khiển và các cảm biến đóng vai trò giám sát, điều khiển nhiệt độ, áp suất. Điều này đảm bảo hệ thống hoạt động hiệu quả và an toàn trong quá trình chuyển pha của hợp chất lưu trữ hydrogen.

Theo trưởng nhóm Võ Dư Định, hiện có ba công nghệ lưu trữ hydrogen dưới dạng khí nén, khí hóa lỏng và rắn. Ở dạng khí nén, hydro được lưu trữ trong các bình áp suất cao, từ 350 đến 700 bar (5.000-10.000 psi). Ở dạng lỏng hydrogen được làm lạnh xuống -253°C để chuyển sang trạng thái lỏng, sau đó lưu trữ trong các bồn chứa cách nhiệt. Với dạng rắn, hydrogen được lưu trữ trong các hợp chất hydrua kim loại hoặc các vật liệu hấp thụ khác như khung hữu cơ kim loại (MOFs), carbon nanotubes...

Theo Định, mỗi phương pháp lưu trữ có ưu, nhược điểm khác nhau. Do vậy, lựa chọn công nghệ phụ thuộc vào mục đích sử dụng như dùng để vận chuyển, lưu trữ tĩnh hay ứng dụng di động... trong đó có tính tới yếu tố chi phí, hiệu suất, an toàn.

Nhóm đánh giá, thách thức trong lưu trữ hydrogen đòi hỏi những công nghệ phức tạp, chi phí cao để đảm bảo an toàn và hiệu suất. Do thiếu hạ tầng hỗ trợ và hiệu quả kinh tế chưa cao nên đây là rào cản lớn trong ứng dụng rộng rãi hydro như một nguồn năng lượng sạch.

Trong nghiên cứu của nhóm, các thành viên muốn chế tạo thiết bị lưu trữ hydrogen dưới dạng rắn do công nghệ này an toàn, ít xảy ra cháy nổ. Công nghệ này cho phép lưu trữ dễ dàng hơn do không yêu cầu áp suất quá cao hoặc nhiệt độ cực thấp như với lưu trữ khí hoặc khí hóa lỏng.

Tính toán trên lý thuyết, sản phẩm của nhóm có thể lưu trữ vật liệu, sau phản ứng cho đầu ra tối đa 20,74g hydrogen dạng khí. Theo Định, đây là con số ước tính do cơ sở vật chất của nghiên cứu còn hạn chế, thiếu một số thiết bị dụng cụ chuyên dụng nên hiện chưa xác định cụ thể khối lượng thực tế.

Nhóm thiết kế bình chứa chuyên dụng theo quy chuẩn và tiêu chuẩn của Việt Nam về bình chịu áp lực. Khi gặp các sự cố ngoài mong muốn trong lúc thiết bị đang hoạt động, hệ thống gia nhiệt gián tiếp ngắt toàn bộ nguồn nhiệt đưa về trạng thái bình thường để đảm bảo an toàn.

TS Bùi Văn Hùng, Giảng viên khoa Cơ khí, trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật - Đại học Đà Nẵng đánh giá, nghiên cứu của nhóm mới ở giai đoạn tìm ra vật liệu lưu trữ phù hợp có khả năng hấp thụ và giải phóng hydrogen. Nhóm cũng xây dựng mô hình mô phỏng khả năng và điều kiện lưu trữ nhiên liệu này.

Ông đánh giá, khối lượng hydrogen trong sản phẩm của nhóm ước tính khoảng 20g, tương đương khoảng 0.66 kWh, là khá thấp. Mức năng lượng này phù hợp cho các thiết bị nhỏ hoặc thí nghiệm, nhưng không đủ để vận hành các phương tiện như ôtô hay thiết bị công nghiệp trong thời gian dài.

Để tăng khối lượng hydrogen lưu trữ, TS Hùng gợi ý nhóm nên tìm các hợp kim hoặc vật liệu có khả năng hấp thụ hydrogen nhiều hơn mà không tăng quá nhiều khối lượng vật liệu. Tuy nhiên, một số vật liệu có mật độ lưu trữ hydrogen cao đòi hỏi điều kiện và môi trường để quá trình chuyển pha giữa nạp và xả khó xảy ra hơn. Ông cho rằng, dựa trên nghiên cứu này, nhóm cần tiến hành thử nghiệm thêm những vật liệu khó chuyển pha trong thời gian tới.