Hydro là nguyên tố hóa học đơn giản nhất : hạt nhân

Vận hành nhà máy điện hạt nhân

Các thành phần của một nhà máy điện hạt nhân. Các thành phần chính của nhà máy điện hạt nhân : Lò phản ứng hạt nhân :

của nó bao gồm một proton duy nhất và nguyên tử của nó chỉ có một electron. Phân tử dihydrogen (H2) được tạo thành từ hai nguyên tử hydro.
Hydro thường được sử dụng để chỉ dihydro.

Đốt cháy 1 kg hydro giải phóng năng lượng gấp gần 4 lần so với 1 kg xăng và chỉ tạo ra nước :

2H2 + O2 -> 2H2O

Hydro rất phong phú trên bề mặt Trái đất nhưng không tồn tại ở trạng thái nguyên chất. Nó luôn liên kết với các nguyên tố hóa học khác, trong các phân tử như nước và hydrocarbon. Các sinh vật sống (động vật hoặc thực vật) cũng bao gồm hydro.
Do đó, sinh khối là một nguồn hydro tiềm năng khác.

Chiết xuất hydro từ các nguồn tài nguyên chính này như hydrocarbon, sinh khối và nước đòi hỏi một đầu vào năng lượng.
Hydro có thể gần như vô tận, miễn là nó có thể được sản xuất với số lượng đủ với chi phí cạnh tranh và từ năng lượng carbon thấp (hạt nhân

Vận hành nhà máy điện hạt nhân

Các thành phần của một nhà máy điện hạt nhân. Các thành phần chính của nhà máy điện hạt nhân : Lò phản ứng hạt nhân :

và năng lượng tái tạo).
Công nghệ hydro là tập hợp các công nghệ được nghiên cứu để sản xuất hydro, lưu trữ và chuyển đổi nó cho mục đích năng lượng.

Có một số cách hiện tại để sản xuất hydro, mỗi cách đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng về chi phí, hiệu quả năng lượng, tác động môi trường :

Điện phân nước :
Điện phân nước là một quá trình sử dụng điện để phân hủy nước (H2O) thành hydro (H2) và oxy (O2). Có hai loại điện phân chính : điện phân kiềm và điện phân màng trao đổi proton (PEM). Điện phân nước có thể được cung cấp năng lượng bằng điện từ các nguồn tái tạo như năng lượng mặt trời hoặc năng lượng gió, làm cho nó trở thành một phương pháp sản xuất hydro thân thiện với môi trường.

Cải cách hơi nước metan :
Cải cách metan hơi nước là một quá trình hóa học sử dụng metan (CH4), thường ở dạng khí tự nhiên, để tạo ra hydro và carbon dioxide (CO2). Quá trình này thường được sử dụng trên quy mô lớn trong ngành hóa chất để sản xuất hydro. Tuy nhiên, nó cũng thải ra CO2, làm cho nó trở thành một phương pháp sản xuất hydro ít thân thiện với môi trường hơn so với điện phân nước.

Khí hóa sinh khối :
Khí hóa sinh khối là một quá trình chuyển đổi chất hữu cơ thành khí tổng hợp, sau đó có thể được chuyển đổi thành hydro. Phương pháp này sử dụng chất thải nông nghiệp, lâm nghiệp hoặc đô thị làm nguyên liệu, do đó cung cấp khả năng sản xuất hydro từ các nguồn tái tạo và bền vững.

Nhiệt phân nước :
Nhiệt phân nước là một quá trình nhiệt hóa sử dụng nhiệt để phân hủy nước thành hydro và oxy. Mặc dù phương pháp này có thể hiệu quả về mặt hiệu quả năng lượng, nhưng nó đòi hỏi nhiệt độ cao và các điều kiện cụ thể, điều này có thể làm cho việc thực hiện trở nên phức tạp hơn.

Quang điện phân mặt trời :
Quang điện phân mặt trời là một phương pháp sản xuất hydro sử dụng pin mặt trời để chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện năng, sau đó được sử dụng để cung cấp năng lượng cho quá trình điện phân nước. Phương pháp này sử dụng năng lượng mặt trời như một nguồn điện tái tạo, nhưng nó có thể bị hạn chế bởi hiệu quả của pin mặt trời và các chi phí liên quan.

Lưu trữ hydro là một lĩnh vực nghiên cứu và phát triển tích cực do tiềm năng của nó như là một chất mang năng lượng sạch và linh hoạt. Dưới đây là một số cách hiện tại để lưu trữ hydro :

Nén khí :
Hydro có thể được lưu trữ ở dạng khí nén ở áp suất cao trong bể hình trụ gia cố. Bể chứa áp suất cao có thể được làm bằng thép hoặc vật liệu composite để chịu được áp lực cao. Tuy nhiên, nén hydro ở áp suất cao đòi hỏi cơ sở hạ tầng cụ thể và có thể dẫn đến tổn thất năng lượng.

Hóa lỏng :
Hydro có thể được làm lạnh và hóa lỏng đến nhiệt độ rất thấp (dưới -253 độ C) để lưu trữ mật độ năng lượng cao. Lưu trữ ở dạng lỏng làm giảm khối lượng chiếm bởi hydro, nhưng đòi hỏi thiết bị làm mát đắt tiền và tổn thất năng lượng đáng kể trong quá trình hóa lỏng.

Hấp phụ trên vật liệu rắn :
Hydro có thể được hấp phụ vào các vật liệu rắn có cấu trúc xốp, chẳng hạn như than hoạt tính, zeolit, kim loại hữu cơ xốp (MOFs) hoặc vật liệu lai hữu cơ-vô cơ. Những vật liệu này có diện tích bề mặt riêng lớn và có thể hấp thụ hydro ở áp suất vừa phải và nhiệt độ môi trường xung quanh. Tuy nhiên, hấp phụ hydro có thể đảo ngược nhưng đòi hỏi áp suất cao để giải hấp.

Lưu trữ hóa chất :
Hydro có thể được lưu trữ dưới dạng các hợp chất hóa học giải phóng nó khi chúng bị phá vỡ. Ví dụ, hydro có thể được lưu trữ dưới dạng hydrua kim loại hoặc các hợp chất hữu cơ như hydrua hữu cơ. Việc giải phóng hydro có thể được kích hoạt bằng cách gia nhiệt, xúc tác hoặc các phương pháp khác. Tuy nhiên, hệ thống lưu trữ hóa chất có thể có các yêu cầu cụ thể về nhiệt độ, áp suất và tái tạo vật liệu.

Lưu trữ ngầm :
Hydro có thể được lưu trữ dưới lòng đất trong các thành tạo địa chất thích hợp như tầng chứa nước mặn, khoang tự nhiên hoặc hồ chứa xốp. Lưu trữ ngầm cung cấp dung lượng lưu trữ lớn và có thể giảm rủi ro về bảo mật và cơ sở hạ tầng. Tuy nhiên, điều này đòi hỏi các địa điểm địa chất phù hợp và kỹ thuật lưu trữ an toàn và đáng tin cậy.

Hydro có một loạt các ứng dụng tiềm năng trong các lĩnh vực khác nhau do các đặc tính độc đáo của nó, bao gồm tính linh hoạt, sạch sẽ khi được sản xuất từ các nguồn năng lượng tái tạo và tiềm năng giảm phát thải khí nhà kính. Một số ứng dụng tiềm năng của hydro bao gồm :

Di động sạch :
Xe hydro, chẳng hạn như ô tô pin nhiên liệu, xe buýt, xe tải và xe lửa, cung cấp một giải pháp thay thế sạch sẽ cho xe động cơ đốt trong. Chúng tạo ra điện bằng cách kết hợp hydro với oxy từ không khí, chỉ tạo ra nước và nhiệt dưới dạng sản phẩm phụ, giảm phát thải các chất gây ô nhiễm không khí và khí nhà kính.

Lưu trữ năng lượng :
Hydro có thể được sử dụng như một phương tiện lưu trữ năng lượng quy mô lớn, bao gồm lưu trữ năng lượng được sản xuất bởi các nguồn tái tạo không liên tục như năng lượng mặt trời và gió. Điện dư thừa có thể được sử dụng để sản xuất hydro bằng cách điện phân nước và sau đó được lưu trữ để sử dụng sau này làm nhiên liệu hoặc nguồn năng lượng.

Sản xuất công nghiệp :
Hydro được sử dụng rộng rãi trong ngành hóa chất để sản xuất amoniac, được sử dụng trong sản xuất phân bón, cũng như trong sản xuất các hóa chất khác nhau, bao gồm metanol, hydro clo hóa và hydrocarbon. Nó cũng có thể được sử dụng như một chất khử trong sản xuất thép và các kim loại khác.

Sản xuất điện :
Pin nhiên liệu

Pin nhiên liệu PEMFC

PEMFCs sử dụng màng polymer. Các loại pin nhiên liệu khác nhau Tế bào nhiên liệu màng trao đổi proton (PEMFC) :

hydro có thể được sử dụng để tạo ra điện một cách sạch sẽ và hiệu quả, cho cả ứng dụng cố định và di động. Chúng được sử dụng trong các tòa nhà thương mại và dân cư như một nguồn điện dự phòng hoặc như một nguồn năng lượng chính. Chúng cũng có thể được sử dụng để cung cấp điện cho lưới điện trong thời gian nhu cầu cao điểm.

CSưởi ấm dân dụng và thương mại :
Hydro có thể được sử dụng làm nhiên liệu để sưởi ấm dân cư và thương mại, thay thế khí đốt tự nhiên hoặc dầu nhiên liệu. Nồi hơi hydro đang được phát triển và có thể cung cấp một giải pháp thay thế carbon thấp để sưởi ấm các tòa nhà.

Ứng dụng không gian :
Trong ngành công nghiệp vũ trụ, hydro được sử dụng làm nhiên liệu để đẩy các phương tiện phóng không gian, đặc biệt là ở các tầng trên của tên lửa. Hydro lỏng thường được sử dụng làm chất đẩy do mật độ năng lượng cao và quá trình đốt cháy sạch.