Lưu trữ hydro là gì? Các bài nghiên cứu khoa học liên quan

Định nghĩa lưu trữ hydro

Lưu trữ hydro là quá trình chứa và giải phóng phân tử H₂ dưới dạng cơ học hoặc hóa học, nhằm cung cấp nhiên liệu hoặc trung gian năng lượng cho các ứng dụng công nghiệp và giao thông. Hydro có năng lượng riêng cao, xấp xỉ 120 MJ/kg, gấp ba lần xăng, nhưng mật độ thể tích thấp, đòi hỏi công nghệ lưu trữ tối ưu để ứng dụng trong thực tế.

Trong chuỗi cung ứng năng lượng tái tạo (renewable energy value chain), lưu trữ hydro đóng vai trò cầu nối giữa sản xuất điện mặt trời, gió và nhu cầu vào ban đêm hoặc khi gió yếu. Sau khi điện phân nước tạo ra H₂ (“power-to-gas”), hydro được tích trữ chờ giải phóng dưới dạng điện (fuel cell) hoặc đốt trực tiếp.

• Chất mang năng lượng: hydro có thể chuyển giao năng lượng giữa các hệ thống không đồng bộ.
• Ứng dụng đa dạng: từ pin nhiên liệu cho xe, tàu đến lưu trữ lưới điện quy mô lớn.
• Tiềm năng không phát thải CO₂: khi tái sinh, chỉ tạo ra nước.

Phân loại phương pháp lưu trữ

Công nghệ lưu trữ hydro chia thành ba nhóm chính: vật lý, hóa học và hấp phụ. Lưu trữ vật lý bao gồm khí nén và hydro lỏng, dựa vào áp suất cao hoặc nhiệt độ cực thấp để nén và hóa lỏng H₂. Lưu trữ hóa học chuyển H₂ thành hydride hoặc chất mang hữu cơ để giữ ở áp suất và nhiệt độ gần điều kiện thường. Lưu trữ hấp phụ sử dụng vật liệu có diện tích bề mặt lớn như MOFs và carbon nano để hấp phụ H₂ ở áp suất trung bình.

Mỗi phương pháp có ưu nhược điểm riêng về mật độ năng lượng, chi phí, an toàn và hiệu suất vòng. Sự kết hợp đa công nghệ trong cùng một hệ có thể tối ưu hóa hiệu quả tổng thể và giảm chi phí đầu tư.

• Vật lý: nén khí (350–700 bar), hóa lỏng (−253 °C).
• Hóa học: hydride kim loại, hydride hợp kim, LOHC.
• Hấp phụ: MOFs, than hoạt tính, carbon dạng nano.

Công nghệ lưu trữ vật lý

Lưu trữ gas-phase (nén khí) là công nghệ phổ biến nhất hiện tại. Hydro được nén vào bình áp suất composite ở áp suất từ 350 đến 700 bar, cho mật độ năng lượng thể tích khoảng 5–10 MJ/L. Bình composite nhẹ giúp giảm khối lượng hệ thống, phù hợp xe bus và xe tải nhiên liệu hydro.

Hydro lỏng yêu cầu làm lạnh xuống −253 °C, đòi hỏi bể chứa chân không và cách nhiệt cao. Mật độ thể tích tăng lên khoảng 8 MJ/L, gấp đôi khí nén, nhưng tổn thất bay hơi (boil-off) khoảng 1–2% mỗi ngày. Công nghệ này phù hợp lưu trữ quy mô lớn và vận chuyển đường dài.

Phương pháp	Áp suất/Nhiệt độ	Mật độ năng lượng (MJ/L)	Mất mát hàng ngày
Nén khí 350 bar	350 bar, 20 °C	5	–
Nén khí 700 bar	700 bar, 20 °C	10	–
Hóa lỏng	−253 °C	8	1–2%/ngày

• An toàn: thiết kế van xả quá áp, vật liệu chống nứt lạnh.
• Chi phí: bình composite và hệ thống làm lạnh cao.
• Ứng dụng: giao thông, lưu trữ lưới tạm thời.

Công nghệ lưu trữ hóa học

Lưu trữ hóa học bằng hydride kim loại dựa trên phản ứng hấp thụ/tỏa hydro: $M + \tfrac{x}{2}H_{2} \rightleftharpoons MH_{x},$ trong đó M là kim loại hoặc hợp kim. Ví dụ LaNi₅H₆ và MgH₂ có khả năng lưu trữ 1,4–7,6 wt% H₂.

Hydride hợp kim (FeTi, TiFe) cung cấp tốc độ hấp thụ và giải phóng H₂ nhanh hơn, nhưng đòi hỏi điều khiển nhiệt độ và áp suất chính xác. LOHC (Liquid Organic Hydrogen Carrier) như dibenzyltoluene hấp thụ H₂ thông qua phản ứng hydro hóa hữu cơ, lưu ở điều kiện thường và giải phóng H₂ khi khử.

Chất	Công thức	Mật độ lưu trữ (wt%)	Điều kiện giải phóng
Magnesium hydride	MgH₂	7.6	300 °C, 1 bar
LaNi₅H₆	LaNi₅H₆	1.4	60 °C, 1 bar
LOHC (DBT)	C₁₅H₁₈	6.2	300 °C, xúc tác

• Ưu điểm: mật độ năng lượng khối cao, an toàn ở áp suất thấp.
• Nhược điểm: tốc độ trao đổi chậm, chi phí vật liệu cao.
• Ứng dụng: kho bãi công nghiệp, lưu trữ mùa vụ.

Công nghệ lưu trữ hấp phụ

Công nghệ lưu trữ hấp phụ dựa trên việc sử dụng vật liệu có bề mặt riêng rất lớn như các khung kim loại-hữu cơ (MOFs), than hoạt tính và carbon dạng nano để giữ các phân tử H₂ qua lực van der Waals hoặc tương tác hóa học yếu. Ở nhiệt độ thấp (77 K) hoặc khoảng 298 K dưới áp suất vừa phải (5–50 bar), các vật liệu này có thể đạt mật độ lưu trữ thể tích từ 2 đến 10 MJ/L và khối lượng 1–2 wt%.

MOFs là cấu trúc mạng tinh thể ba chiều với khoang rỗng kích thước nano cho phép điều chỉnh độ lớn và hóa tính bề mặt để tối ưu hóa hấp phụ H₂. Một số MOFs như MOF-5 và HKUST-1 đạt diện tích bề mặt >3 000 m²/g và mật độ lưu trữ ~1.5 wt% ở 77 K. Carbon nano (CNT, graphene) hấp phụ H₂ ở điều kiện 298 K, 100 bar nhờ diện tích lớn và độ porosity cao.

• Ưu điểm: hoạt động ở áp suất thấp và nhiệt độ gần điều kiện thường.
• Nhược điểm: hiệu suất hấp phụ giảm mạnh khi nhiệt độ tăng hoặc áp suất giảm.
• Ứng dụng: lưu trữ tại điểm sử dụng nhỏ gọn, xe nhiên liệu giáo dục và phòng thí nghiệm.

Tiêu chí đánh giá hệ lưu trữ

Đánh giá hệ lưu trữ hydro dựa trên các tiêu chí chính: mật độ năng lượng khối (gravimetric energy density, MJ/kg) và thể tích (volumetric energy density, MJ/L), chi phí chu kỳ (cost per kg H₂), độ an toàn, hiệu suất vòng (round-trip efficiency) và độ bền chu kỳ (cycle life).

Tiêu chí	Yêu cầu lý tưởng	Phương pháp điển hình
Mật độ khối	> 6 MJ/kg	MgH₂ (7.6 wt%)
Mật độ thể tích	> 5 MJ/L	Khí nén 700 bar (~10 MJ/L)
Chi phí	< 5 USD/kg H₂	Khí nén (7–10 USD/kg)
Hiệu suất vòng	> 70%	Nén & giải nén (~70–80%)
Độ bền	> 1 000 chu kỳ	Hydride kim loại (>1 000 chu kỳ)

An toàn đặc biệt quan trọng: yêu cầu vật liệu chịu được va đập, không cháy nổ ở áp suất cao và không gây rò rỉ H₂. Quy định quốc tế như ISO/TC 197 và SAE J2601 đưa ra tiêu chuẩn cho bình áp lực và thiết bị lưu trữ.

Ứng dụng thực tiễn

Trong giao thông, lưu trữ hydro bằng bình nén composite 700 bar đã được triển khai trên xe bus và xe tải chạy pin nhiên liệu, cho tầm hoạt động 300–500 km mỗi lần nạp. Các hãng Toyota, Hyundai và Nikola đã đưa xe thương mại sử dụng công nghệ này vào thị trường.

Ở quy mô lưới điện, lưu trữ hydro đóng vai trò cân bằng công suất phát từ nguồn tái tạo gián đoạn. Điện dư từ turbin gió hoặc tấm pin mặt trời được điện phân tạo H₂, lưu trữ và khi cần có thể tái sinh thành điện qua pin nhiên liệu hoặc turbine đốt trực tiếp H₂.

• Giao thông: xe bus, xe tải, xe lửa dùng pin nhiên liệu.
• Lưới điện: dự phòng công suất, giảm tải đỉnh và tích hợp năng lượng tái tạo.
• Công nghiệp: sản xuất ammonia, tinh luyện kim loại, nhiệt công nghiệp.

Thách thức và hạn chế

Chi phí đầu tư cao: bình nén khí composite, quy trình hóa lỏng và vật liệu hydride đều có giá thành đắt đỏ. Chi phí bình composite 700 bar vào khoảng 15–20 kUSD mỗi bộ cho xe bus, chưa kể chi phí máy nén và thiết bị an toàn.

Hiệu suất vòng của hệ vật lý (nén/lỏng hóa và giải phóng) chỉ đạt 60–80%, mất mát năng lượng chủ yếu dưới dạng nhiệt. Hydride kim loại và LOHC cho hiệu suất cao hơn (85–95%) nhưng tốc độ trao đổi H₂ chậm và yêu cầu nhiệt độ cao để giải phóng.

• Chi phí vật liệu: MOFs và hydride hợp kim giá cao.
• Hiệu suất nạp/xả: tổn thất nhiệt và thời gian chờ.
• Độ bền chu kỳ: MOFs giảm công suất theo thời gian, hydride bị oxy hóa.

Xu hướng và nghiên cứu tương lai

Nghiên cứu thế hệ MOFs mới có thể lưu trữ đến 5 wt% H₂ ở 298 K và 100 bar thông qua điều chỉnh chức năng hóa học và cấu trúc nano. Các khung lai 2D/3D kết hợp graphene và MOFs cho thấy tiềm năng tăng mật độ khối trong điều kiện thường.

Phát triển hydride nhẹ dựa trên magiê và hợp kim Mg–Ti nhằm hạ nhiệt độ giải phóng và cải thiện tốc độ trao đổi. Động học hấp phụ có thể được tăng cường bằng doping vi hạt và thiết kế vi cấu trúc vật liệu.

• MOFs thế hệ mới với nhiệt độ phòng và áp suất thấp.
• Hydride nano và hợp kim đa thành phần để tối ưu trao đổi H₂.
• Hệ thống hybrid: kết hợp vật lý, hóa học và hấp phụ trong một module.

Tài liệu tham khảo

• U.S. Department of Energy. Hydrogen Storage. DOE. https://www.energy.gov/eere/fuelcells/hydrogen-storage
• International Energy Agency. The Future of Hydrogen. IEA. https://www.iea.org/reports/the-future-of-hydrogen
• Schlapbach, L. & Züttel, A. Hydrogen-storage materials for mobile applications. Nature. 2001;414(6861):353–358.
• Broom, D. P. Hydrogen Storage Materials: The Characterisation of Their Storage Properties. Springer, 2011.
• Fuel Cells and Hydrogen Joint Undertaking. Annual Review. FCH JU. https://www.fch.europa.eu/