Một hệ thống sản xuất điện từ than có hiệu suất cao hơn nhiều được thiết kế bởi các nhà nghiên cứu thuộc Viện Công nghệ Massachusetts (MIT), có thể đạt hiệu xuất chuyển đổi từ nhiên liệu thành điện lên gấp 2 lần so với các nhà máy nhiệt điện đốt than truyền thống hiện nay.
Hầu hết các quốc gia trên thế giới đã tán thành việc giảm đáng kể lượng khí thải nhà kính từ các quốc gia của họ, tuy nhiên, để đạt được những mục tiêu này vẫn còn là một thách thức lớn về công nghệ, kinh tế và chính trị. Theo dự báo của Cơ quan Năng lượng Quốc tế, trong vài thập kỷ tới, sản xuất điện từ than trên toàn cầu sẽ tăng. Việc tìm kiếm một giải pháp sạch hơn trong việc sử dụng than để sản xuất điện có thể là một bước quan trọng hướng tới mục tiêu cắt giảm phát thải cacbon trong khi vẫn đáp ứng những nhu cầu về phát triển kinh tế, công nghiệp hóa ngày càng tăng và sự gia tăng dân số thế giới.
Hiện nay, các nhà nghiên cứu của MIT đang đưa ra một kế hoạch có thể góp phần vào nỗ lực tăng hiệu quả sản xuất điện từ than cao hơn gấp hai lần so với hiệu suất của các nhà máy nhiệt điện đốt than truyền thống hiện nay. Điều này có nghĩa là có thể giảm 50% lượng khí thải cácbon điôxít cho một lượng điện nhất định được sản xuất. Hệ thống đơn giản này là sự kết hợp của 2 công nghệ phổ biến đó là khí hóa than và các tế bào nhiên liệu. Nghiên cứu này được công bố trên Tạp chí Power Sources.
Khí hóa than là một cách để chiết xuất nhiên liệu khí đốt từ than đá nghiền thành bột, chứ không phải là đốt mỗi than. Kỹ thuật này được sử dụng phổ biến ở các nhà máy chế biến hóa chất như một cách để sản xuất khí hydro. Các tế bào nhiên liệu sản xuất điện từ nhiên liệu khí bằng cách đưa nó qua một hệ thống giống như pin, nơi mà nhiên liệu phản ứng điện hóa với oxy từ không khí.
Theo MIT, điều thú vị của việc kết hợp 2 hệ thống này đó là cả 2 quá trình hoạt động ở nhiệt độ cao tương đương nhau khoảng 8000C. Sự kết hợp chúng trong một nhà máy như vậy cho phép hai thành phần trao đổi nhiệt với mức năng lượng bị thất thoát ít nhất. Trong thực tế, các tế bào nhiên liệu sinh ra đủ nhiệt để duy trì một phần quá trình khí hóa, bỏ qua nhu cầu đối với hệ thống sưởi riêng, nhiệt thường được cấp nhờ một phần quá trình đốt than.
Khí hóa than hoạt động ở nhiệt độ thấp hơn so với quá trình đốt và hiệu quả hơn đốt. Trước tiên, than được nghiền thành bột, sau đó được sấy qua hơi nước, giống như hạt bắp được rang trong chiếc phễu khí. Nhiệt sẽ gây ra các phản ứng hóa học, giải phóng khí từ than - chủ yếu là carbon monoxide và hydro, cả 2 đều có thể sản xuất ra điện trong tế bào nhiên liệu oxit rắn.
Trong hệ thống kết hợp, các khí này sau đó được dẫn qua ống từ bộ khí hóa sang ngăn xếp tế bào nhiên liệu riêng biệt hoặc cuối cùng, hệ thống tế bào nhiên liệu có thể được lắp đặt trong buồng tương tự như một bộ khí hóa cho khí nóng chảy thẳng vào trong tế bào. Trong các tế bào nhiên liệu, một màng ngăn phân cách carbon monoxide và hydro khỏi oxy nhằm thúc đẩy phản ứng điện hóa và tạo ra điện mà không cần đốt nhiên liệu.
Do không liên quan đến việc đốt nên hệ thống tạo ra ít tro và các chất gây ô nhiễm không khí khác hơn so với sản xuất điện từ quá trình đốt than. Nó tạo ra carbon dioxide, nhưng ở trạng thái tinh khiết, không ô nhiễm và không lẫn với khí như ở các nhà máy đốt than truyền thống. Quá trình này giúp thu hồi và hấp thụ carbon (CCS) dễ dàng hơn - có nghĩa là việc thu giữ khí ở đầu ra và chôn nó dưới lòng đất hoặc xử lý theo một số cách khác - để loại bỏ hoặc giảm thiểu khí thải nhà kính. Trong các nhà máy truyền thống, nitơ từ không khí phải được loại bỏ khỏi dòng khí để thực hiện CCS.
Một trong những câu hỏi lớn được trả lời trong nghiên cứu mới này, mà trong đó các mô phỏng được sử dụng nhiều hơn thí nghiệm, đó là liệu quá trình này có hiệu quả hơn so với việc sử dụng hơi nước và carbon dioxide phản ứng với các hạt than. Cả 2 phương pháp đã được sử dụng rộng rãi, tuy nhiên, hầu hết những nỗ lực nghiên cứu quá trình khí hóa kết hợp với các tế bào nhiên liệu trước đây đã chọn carbon dioxide. Nghiên cứu mới này đã chứng minh rằng, hệ thống mới này tạo ra sản lượng điện nhiều hơn gấp từ 2-3 lần so với sử dụng hơi nước để thay thế.
Các nhà máy điện đốt than truyền thống thường có hiệu suất rất thấp; chỉ có 30% năng lượng chứa trong nhiên liệu thực sự được chuyển hóa thành điện năng. Trong khi đó, theo mô phỏng, hệ thống kết hợp khí hóa nhiên liệu với tế bào nhiên liệu được đề xuất có thể đạt hiệu suất cao hơn từ 55-60%.
Bước tiếp theo sẽ là xây dựng nhà máy thí điểm quy mô nhỏ để đo hiệu suất hoạt động của hệ thống lai trong những điều kiện thực tế trên thế giới. Bởi vì tất cả các công nghệ riêng biết đều đang phát triển tốt, hệ thống vận hành quy mô được xây dựng hợp lý trong vòng một vài năm. Hệ thống này không yêu cầu những công nghệ mới mà chỉ cần thêm thời gian để phát triển. Vấn đề chỉ là khớp nối các công nghệ hiện nay lại với nhau.
Hệ thống này sẽ đắt hơn so với các nhà máy hiện đang hoạt động, tuy nhiên đầu tư vốn ban đầu có thể trả hết trong vòng vài năm do hiệu suất của hệ thống cao hơn. Và quan trọng là giảm được phát thải, sẽ giúp giảm các phí gắn liền với phát thải carbon dioxide từ các nhiên liệu hóa thạch.
Nguồn: Tạp chí KH&CN Việt Nam