Lên mạng ngày 27/1/2011
Theo dõi tiến bộ và cập nhật hiểu biết về điện sạch :
Điện tế bào nhiên liệu đang cố gắng làm ra điện rẽ tiền hơn
G S Tôn Thất Trình
Năm 2003, tổng thống George Bush đề nghị Sáng kiến Nhiên liệu Hydrogen - hydrogen Fuel Initiative HDI, sau đó thực thi theo luật pháp qua Luật Chánh sách Năng lượng 2005 Energy Policy Act và Sáng Kiến Tiến tiến Năng lượng - Advanced Energy Initiative . Nhắm phát triễn xa hơn nữa các tế bào nhiên liệu hydrogen - fuel cells và các kỷ thuật hạ tầng cơ sở liên hệ, mục đích cuối cùng là sản xuất xe ô tô tế bào nhiên liệu năm 2002. Năm 2008, Hoa Kỳ đã đóng góp 1 tỉ đô la Mỹ vào dự án công nghệ điện này. Nhưng tháng năm 2009, chánh quyền Obama tuyên bố là sẽ “ cúp hết ngân khoản tài trợ” phát triễn xe ô tô chạy nhiên liệu tế bào hydrogen, vì lẽ những kỷ thuật xe ô tô khác sẽ đem tới giảm bớt mau lẹ hơn phát thải, trong một thời gian ngắn hơn. Bộ trưởng Năng Lượng Hoa Kỳ - DOE giải thích là những ô tô chạy hydrogen “ sẽ không thực tế trong vòng 10 đến 20 năm tới” , và cũng lưu ý tới những thách thức liên quan đến việc phát triễn hạ tầng cơ sở phân phối nhiên liệu hydrogen. Tuy nhiên, chánh phủ Hoa Kỳ vẫn sẽ tiếp tục tài trợ khảo cứu cho các tế bào nhiên liệu cố định, đứng yên một chỗ - stationary fuel cells . Hội Quốc gia Hydrogen Hoa Kỳ và Ủy Ban Tế bào Nhiên liệu Hoa Kỳ chỉ trích mạnh mẽ quyết định này biện cứ rằng “ cắt chương trình hydrogen và tế bào nhiên liệu ở đền nghị của DOE đe dọa làm gián đoạn thương mãi hóa một loạt - một gia đình những kỷ thuật đang cho thấy nhiều hứa hẹn khác thường và đang sửa soạn chiếm đọat thị trường.
Cho đến nay có khoảng 60 nhà máy điện đứng yên một chỗ ( cố định )- stationary power plants sử dụng tế bào nhiên liệu trực tiếp DFC - Direct Fuel Cell của hảng FuelCell Energy , tọa lạc tại thành phố Danbury, bang Connecticut , Đông Bắc Hoa Kỳ, cung cấp tổng cọng hơn 180 triệu kilowatt- giờ điện cho khách hàng trong 5 quốc gia trên thế giới ( Hàn Quốc- Nam Hàn , Singapore …). Ngày 21 tháng giêng 2011, hảng Bloom Energy , tọa lạc tại Vùng Vịnh - Bay Area San Francisco, Bắc Ca Li, cho biết đã bán ra khắp thế giới năm 2009, 22 000 tế bào nhiên liệu , tăng 40% so với năm 2008. Trong quá khứ, tế bào nhiên liệu được xem là đắt tiền và khó sản xuất. Nhưng nhờ những chọc thủng ,đột khởi- breakthroughs, trợ cấp của chánh phủ ( gần đây DOE để dành riêng 65 triệu đô la Mỹ trợ cấp cho khảo cứu và phát triễn tế bào nhiên liệu ), giá cả thấp dần nhờ chấp thuận dùng tế bào nhiên liệu tăng thêm, nên các công ty chế tạo tế bào nhiên liệu tuồng như thảy đều muốn nới rộng ra.
Vậy chớ tế bào nhiên liệu là cái gì đây ?
Tế bào nhiên liệu là một tế bào điện hóa học - electrochemical cell , chuyễn hóa một nguồn nhiên liệu thành một dòng điện. Nó phát điện bên trong một tế bào xuyên qua những phản ứng giữa một nhiên liệu và một oxyhóa - oxidant , khởi động trước hiện diện của một điện giải - electrolyte . Các chất phản ứng - reactants chảy vào tế bào, và các sản phẩm phản ứng chảy ra ngoài tế bào , trong khi chất điện giải vẫn tồn tại trong tế bào. Các tế bào nhiên liệu có thể hoạt động liên tục , mỗi khi dòng chảy chất phản ứng cần thiết và chất oxy- hóa được duy trì. Các tế bào nhiên liệu khác với các bình điện - batteries tế bào điện hóa học qui ước là vì chúng tiêu thụ chất phản ứng từ một nguồn ngoại, phải được tái cung cấp , nghĩa là một hệ thống mở nhiệt động lực - thermodynamically . Trái lại , bình điện tồn trữ năng lượng điện dưới hình thức hóa học và như thế biểu hiện một hệ thống nhiệt động lực đóng kín .
Có thể có rất nhiều phối hợp giữa các nhiên liệu và các oxy- hóa. Một tế bào nhiên liệu hydrogen sử dụng hydrogen làm nhiên liệu và oxygen ( thường từ không khí ) làm chất oxy-hóa. Nhiên liệu khác gồm cả hydrocarbons và alcohol . Các chất oxy-hóa gồm luôn cả chlorine nà chlorine dioxides .
Họa kiểu tế bào nhiên liệu
Tế bào nhiên liệu đến chúng ta dưới nhiều dạng. Tuy nhiên chúng đều hoạt động theo một phương cách như nhau. Chúng gồm ba mảnh kẹp chung nhau : cực dương - anode, chất điện giải - electrolyte, cực âm - cathode. Hai phản ứng xảy ra ở những bề mặt chung - interfaces của ba mảnh khác nhau. Thành quả thực - net của 2 phản ứng là nhiên liệu sẽ được tiêu thụ , tạo ra nước và carbon dioxide, và một dòng điện, có thể dùng để chạy các linh kiện điện , thường gọi chung là chất tải - the load .
Ở cực dương , một chất điện giải oxy hóa nhiên liệu , thường là hydrogen, bie6’n nhiên liệu thành môt ion điện tính dương và một electron điện tính âm. Chất điện giải là một chất liệu được họa kiểu đặc thù để các ions có thể xuyên qua nó, nhưng lại không để cho các electrons lọt ra. Các electron được tự do sẽ du hành qua mọt dây để tạo ra dòng điện. Các ions du hành qua chất điện giải đến cực âm. Khi chúng đến cực âm , các ions dương tái thống nhất với các electrons và cả hai phản ứng với một hóa chất thứ ba , thường là oxygen, để tạo ra nước và carbon dioxide.
Những đặc điểm quan trọng nhất của một tế bào nhiên liệu là :
- Chất liệu điện giải - the electrolyte substance. Chất này thường giúp định nghĩa loại - type tế bào nhiên liệu.
- Nhiên liệu tiêu xài. Nhiên liệu thông thường nhất là hydrogen.
- Chất điện giải cực dương , sẽ làm tan vỡ nhiên liệu thành electrons và ions . Cực dương thường là bột bạch kim tán rất nhỏ.
- Chất điện giải cực âm biến các ions thành những hóa chất tỉ như nước và carbon dioxide . Chất phân giải cực âm thường làm bằng nickel .
Một tế bào nhiên liệu điển hình sản xuất ra một điện thế từ 0.6 V dến 0.7 V ở chất tải tỉ lệ toàn phần - full rate load. Điện thế - voltage sẽ giảm khi dòng điện tăng , vì nhiều thừa tố sau đây : mất mát vì hoạt hóa - activation , mất ohm ( ic ), điện thế giảm vì sức kháng của các thành phần tế bào và các nối kết nhau, mất mát vì chuyên chở khối lượng ( các chất phản ứng mất hết đi ở những vị trí điện giải khi chất tải quá cao, gây ra mất điện thế mau lẹ )
Muốn cung cấp một số lượng năng lượng mong muốn, các tế bào nhiên liệu có thể phối hợp nhau thành mạch vòng song song hay nối tiếp nhau - en series. Lắp nối tiếp nhau sẽ cho điện thế cao hơn ; còn lắp song song giúp cung cấp dòng điện lớn hơn. Vùng diện tích ( mặt bằng ) có thể tăng thêm, giúp có được dòng diện mạnh hơn từ mỗi tế bào nhiên liệu.
Năm 1938, nhà khoa học Đức Christian Friedrich khám phá ra nguyên tắc tế bào nhiên liệu tế bào nhiên liệu Nhà khoa học xứ Welsh - Wales, Vương Quốc Anh William Robert Grove chế tạo lần đâu tiên tế bào nhiên liệu, năm 1842, sử dụng những vật liệu tế bào nhiên liệu acid phosphoric hiện nay . Năm 1955, một nhà khoa học , Tổ hợp Công ty General Electric - Company Loeonard Niedrach, họa kiểu một phương cách làm lắng đọng bạch kim vào một mành chắn - membrane sử dụng làm chất điện giải cho các phản ứng oxyhóa oxygen và khử oxygen cần thiết . .dược gọi là “ tế bào nhiên liệu Grubb -Niedrach “ GE tiếp tục phát triễn kỷ thuật này cho NASA và hảng chế tạo phi cơ McDonnel Aircraft , đưa tới việc dùng nó trên dự án phi thuyền Gemini . Đây là công dụng thương mãi đầu tiên tế bào nhiên liệu. Năm 1959 , kỷ sư Thomas Bacon phát triễn thành công một tế bào nhiên liệu 5 kw đứng yên một chỗ . Cũng năm 1959 nhóm Harry Ihrig xây dựng một tế bào nhiên liệu cho máy kéo - tractror cho hảng Allis Chalmers . Hệ thống này dùng hydroxide potassium làm chất điện giải và ép hydrogen và oxygen để làm các chất phản ứng - reactants. Trong thập niên công ty làm động cơ cho phi cơ Pratt and Whitney mua môn bài Hoa Kỳ của Bacon để cung cấp điện và nước uống cho chương trình không gian Hoa Kỳ. Chi nhánh Điện củaTổ hợp United Technologies Corporation , UTC là công ty dầu tiên chế tạo và thương mãi hóa một hệ thống tế bào nhiên liệu tại chỗ, to lớn , dùng đồng hành phát điện - cogeneration ở nhà máy điện cho các bệnh viện, các viện đại học và các dinh thự văn phòng lớn. UTC tiếp tục bán ra loại tế bào nhiên liệu có tên là PureCell 200 . một hệ thống 200 kw, cuối năm 2009 , được thay thế bằng một dịch bản 400 kw , tiếp tục là nhà cung cấp duy nhất tế bào nhiên liệu cho NASA để dùng trên các xe cộ không gian, các sứ mệnh Apollo , và chương trình Không Gian Con Thoi - Space Shuttle , và phát triễn các tế bào nhiên liệu cho xe buýt, ô tô, các tháp điện thoại tế bào. Công ty UTC cũng là nhóm đầu tiên trình diễn tế bào nhiên liệu đầu tiên có khả năng khởi động dưới điều kiện đông giá, nhờ kỷ thuật màng chắn trao đổi proton exchange membrane .
Hiện nay ở Hoa Kỳ có trên 20 loại tế bào nhiên liệu đang khảo cứu hay đã thương mãi hóa. Ba loại đáng kể ra là tế bào nhiên liệu trao đổi proton và hai loại tế bào nhiên liệu nhiệt độ cao , SOFC và MCFC.
Tế bào nhiên liệu trao đổi proton là họa kiểu rất điễn hình tế bào nhiên liệu trao đổi proton màng chắn hydrogen- oxygen , dùng một màng chắn dẫn điện polymer ( chất điện giải ) , phân chia các phía cạnh của cực dương và cực âm . Các năm đầu thập niên 1970 được gọi là “ tế bào nhiên liệu điện giải polymer rắn chắc - solid polymer electrolyte fuel cells - SPEFC ”, trước khi cơ chế trao đổi proton được biết rỏ hơn. Ở phía cực dương, hydrogen khuếch tán đến chất điện giải cực dương, và sau đó sẽ phân chia ra thành các protons và các electrons . Các proton thường phản ứng với các chất oxyhóa làm chúng trở thành những màng chắn nhiều lớp dễ để lọt protons - multi- facilitated proton membranes. Các proton này sẽ được dẫn qua màng chắn đến cực âm, nhưng các electron bi bắt buộc du hành trong một mạch ngoài ( cung cấp điện ) vì màng chắc là vật cách ly điện . Ở chất điện giải cực âm , các phân tử oxygen phản ứng với các electron ( đã dù hành xuyên qua hết mạch vòng ngoài ) và proton làm ra nước , ở thí dụ này, là sản phẩm phế thải duy nhất, dưới thể lỏng hay thể hơi nước . Ngoài loại thuần túy hydrogen, này , các nhiên liệu hydrocarbon khác cho các tế bào nhiên liệu có thể là diesel, methanol, hay các hydrides hóa học . Sản phẩm phế thải của các nhiên liệu này là carbon dioxide và nước. Vật liệu dùng ở các tế bao nhiên liệu khác nhay theo loại tế bào . Ở một lắp ráp điển hình các cực màng chắn - membrane electrode assembly ( MEA ) , các tấm hai cực - electrode bipolar plates thường làm bằng kim loại , nickel hay các ống nanô carbon và thường được bọc với một điện giải ( tỉ như bạch kim , bột sắt nanô hay palladium hầu có hiệu năng cao hơn . Giấy carbon phân chia chúng khỏi chất phân giải. Phân giải có thể là đồ sành sứ - ceramic hay là một màng chắn . Năm 2002 , giá những hệ thống tế bào nhiên liệu điển hình là 1000 đô la Mỹ cho một kw điện sản xuất. Năm 2009 , bộ DOE Hoa Kỳ báo cáo là một hệ thống tế bào nhiên liệu ô tô 80kw giá 61 đô la một kw nếu có thể tích sản xuất dự trù là 500 000 đơn vị một năm . Mục tiêu là hạ giá này xuống 35 đô la Mỹ một kw . Năm 2008, UTC chế tạo những tế bào nhiên liệu đứng yên tại chỗ là 1 000 000 cho 400 kw thiết kế . Mục tiêu là giảm giá phí tổm hầu cạnh tranh với các kỷ thuật thị trường hiện thời, gồm luôn cả các động cơ nổ chạy xăng .
Một tế bào nhiên liệu oxide rắn đặc - solid oxide fuel cell , SOFC, có rất nhiều ưu điểm nhờ có thể dùng một loạt nhiên liệu rộng rải . SOFC có thể chạy bằng hydrogen, butane, methanol, hay các sản phẩm dầu lữa khác. Mỗi loại nhiên liệu khác nhau đều có hóa học riêng biệt cho mình. Tế bào nhiên liệu ethanol SOFC, ở phần cực dương , một chất điện gỉai phá vỡ methanol và nước làm thành carbon dixoxide, các ions hydrogen và các electrons tự do. Các ion hydrogen gặp các ion sắt tạo ra ở phần cực âm và đi xuyên qua chất điện giải đến phần cực dương ; nơi đây chúng phản ứng để tạo ra nước. Một chất tải nối kết bên ngoài giữa cựa âm và cực dương hoàn tất mạch vòng điện. Ở cực dương các SOFC có thể dùng nickel hay các chất điện giải khác để phá vỡ methanol và tạo ra các ion hydtrogen v và carbon monoxide . Một chất rắn đặc - solid tên gọi là yttria ổn định zirconia ( YSZ) được xử dụng làm chất điện giải. Cũng như mọi chất điện giải của tế bào nhiên liệu YSZ cũng dẫn giắt vài ions , trong trường hợp này là ion oxide giúp xuyên qua từ cực âm đến cực dương, nhưng không dẫn giắt tới các electron. YSZ là một chất rắn đặc bền vững và có rất nhiều ưu điểm ở các hệ thống công nghệ. Dù YSZ là một chất dẫn giắt ion tốt , nó chỉ hoạt động ở nhiệt độ cao mà thôi . Nhiệt độ hoạt động tiêu chuẩn là 950o C . Chạy tế bào nhiên liệu ở nhiệt độ cao như vậy sẽ phá vỡ dễ dàng methane và oxygen thành ions . Một khuyết điểm của SOFC là vì thành quả của nhiệt lượng cao nên nó làm nhiều cản trở cho các vật liệu sử dụng làm những mối nối kết. Một khuyết điểm khác khi chạy tế bào ở nhiệt độ cao như vậy là có nhiều phản ứng không mong muốn có thể xảy ra bên trong tế bào nhiên liệu. Các bụi carbon , graphít thường đóng nhiều ở cực dương ngăn cản nhiên liệu đến gặp chất điện giải. Rất nhiều khảo cứu đang cố gắng tìm nhưng thay thế cho YSZ sẽ mang theo ions ở nhiệt độ thấp hơn .
Tế bào nhiên liệu carbonate nung chảy - Molten carbonate fuel cells ( MCFC) hoạt động một cách tương tự , ngoại trừ chất điện giải la carbonat lỏng ( nung chảy - molten ) và đó là một ion âm và một tác nhân oxythóa . Vì lẽ chất điện giải mất đi carbonat ở phản ứng oxythóa , phải luôn luôn châm lại carbonat bằng một cách nào đó . Thường là cho tái tuần hoàn carbon dioxide từ các sản phẩm oxythóa đến cực âm , nơi chúng phản ứng với không khí đang tới, hủy bỏ nhu cầu cần có một cải cách nhiên liệu ngoại . MCFC có thể dùng giảm bớt phát thải CO2 ở các nhà máy điện chạy than đá cũng như ở các nhà máy điện tua bin chạy khí dầu- gas turbine power plant.( Việt Nam đã thiết lập ở Phú Mỹ - Bà Rịa và ở An Khánh - Cà Mau).
Phát điện đồng hành - Cogeneration
Những hể thống tiểu vi phối hợp nhiệt lượng và điện - Micro combined heat and power ( MicroCHP ) tỉ như các tế bào nhiên liệu gia thất và phát điện đồng hành cho các xây cất phòng sở và xưởng máy là pha - phase sản xuất đại trà . Hệ thống phát điện thường trực( bán điện dư thừa cho mạng lưới điện khi không xài đến ) và cùng lúc đó sản xuất ra không khí nóng - hot air và nước từ nhiệt lượng - heat phế thải . MicroCHP thường ít hơn 5 kwe cho một tế bào nhiên liệu gia thất hay cho tiểu doanh nghiệp . Một hiệu năng chuyễn hóa nhiên liệu -qua -điện thấp hơn được chấp nhận ( điển hình 15-20%) , vì rằng đa số năng lượng không chuyễn hóa thành điện được dùng ở thể nhiệt lượng. Vài nhiệt lượng bị mất đi với khí xã - exhaust gas tỉ như ở lò đốt - furnace bình thường ; thế cho nên hiệu năng phối hợp nhiệt lượng và điện vẫn thấp hơn 100%, điển hình khoảng 80% . Trên phương diện năng lượng, tuy nhiên, tiến trình thật là vô hiệu quả và ai đó tốt hơn nên tối đa điện phát ra rồi dùng điện chạy một bơm nhiệt lượng - heat pump. Các tế bào nhiên liệu acid phosphoric - PAFC là khu vực lớn nhất của các sản phẩm CHP hiện hửu khắp thế giới và có thể cung cấp những hiệu năng phối hợp gần 90% ( 35-50% điện + phần còn lại là nhiệt - thermal) .MCFC cũng đã thiết kế những ứng dụng này và các nguyên mẩu - prototypes SOFC cũng đã hiện diện .
Phân phối điện phát ra
Phân phối điện phát ra- Distributed Generation là từ ( ngữ ) dùng nói đến một nguồn phát điện vị trí kế cận mơi cần dùng điện . Đối ngược lại với phát điện trung ương hóa - centralized power generation cung cấp qua mạng lưới điện - the grid. Các nhà máy phát điện trung ương hóa thường có vị trí hàng trăm dặm Anh xa cách người tiêu thụ và ở Hoa Kỳ có khi cung cấp điện cho nhiều bang khác nhau.
Ngày nay, phần lớn điện sản xuất ở Hoa Kỳ cung cấp cho các tiện nghi địa phương - regional utilities và người tiêu thụ qua mạng lưới điện. Trong số 3 800 tỉ kilowatt- giờ ( kwh ) điện sản xuất ở Hoa Kỳ vào năm 2003, chỉ có 4.1 % ( 156 tỉ kwh ) là không do các tiện nghi phát ra . 3.6% ( 135 tỉ kwh ) do các công ty công nghệ làm ra để thõa mãn yêu cầu điện địa phương. Dần dần quang cảnh này thay đổi, vì ưu điểm rỏ rệt của phân phối điện phát ra. Các doanh vụ thương mãi ,các cơ sở - khách sạn , các tiện nghi của chánh phủ … đã lựa chọn tự cung năng lượng họ cần dùng . Làm như vậy , môt độ mềm dẽo nào đó sẽ có được và giảm bớt tắc nghẽn mạng lưới điện và các vấn đề chuyễn vận điện, thường gặp phải với phân phối điện phát ra trung ương hóa, như đã xảy ra trước đây ở Ấn Độ và nay ở Việt Nam .
