Chiếc áo cà sa ở Wat Chak Daeng

Sáng 18/09/2023, từ tòa nhà của Mạng lưới Phật giáo dấn thân quốc tế (INEB) tại Bangkok, chúng tôi di chuyển xuống phía Nam đến Wat Chak Daeng. Wat tiếng Thái có nghĩa là ngôi chùa, đền thờ. Wat Chak Daeng nằm bên dòng sông Chao Phraya thuộc tỉnh Samut Prakan. Ngôi chùa nổi tiếng với những chiếc áo cà sa được làm bằng vật liệu tái chế từ chai nhựa PET. Sợi polyester tái chế từ chai nhựa, trộn với sợi vải cotton và hạt nano kẽm oxit giúp khử mùi, làm áo có tính kháng khuẩn, mềm mại, không nhăn, dễ giặt và nhanh khô.

Ý tưởng tận dụng đồ cũ này, theo lời Sư Thầy trụ trì Wat Chak Daeng, Phra Mahapranom Dhammalangkaro, đã có từ truyền thống xa xưa khi Đức Phật khuyến khích các tăng sĩ tiết kiệm, góp nhặt những mảnh vụn từ bãi rác và nghĩa địa về rồi giặt sạch và chắp vá lại, tự may thành chiếc y cà sa để mặc. [Tìm hiểu thêm tôi mới biết rằng chiếc cà sa, tiếng Phạn là ‘kasaya’, vốn không có nghĩa áo hay y phục mà là ‘bạc màu, hư hoại’. Tôi giật mình nhận ra ẩn dụ sâu xa của ‘kasaya’ hay ‘hoại sắc’, giống như tấm thân vô thường rồi cũng sinh diệt này, để đừng quá dính mắc vào mọi hình tướng hồng trần]… 

Nhưng ngày nay thế thời đã khác, ở những thùng rác bây giờ, cái người ta tìm thấy nhiều nhất là rác thải nhựa. Rác thải nhựa mất hàng mấy trăm năm đến cả ngàn năm để phân hủy. Thậm chí khi phân hủy, hạt vi nhựa thấm vào môi trường, len lỏi vào không khí, vào chuỗi thức ăn, tiềm ẩn nguy cơ sức khỏe, gây ung thư. Rác thải nhựa trôi nổi làm ngạt thở, gây chết sinh vật biển, ô nhiễm đại dương. Rác thải nhựa đã thực sự trở thành một vấn nạn toàn cầu (*). 

Từ cách đây cả hơn chục năm về trước, Sư Thầy trụ trì chùa Chak Daeng đã trăn trở làm sao để giải quyết vấn nạn này.  Mỗi lần nước triều dâng cao, rác thải nhựa từ sông Chao Phraya lại tràn vào chùa. Lúc đó đa phần rác thải nhựa chỉ được đổ bỏ vào bãi chôn lấp, trong khi đốt nhựa cần lò đốt rác tốn kém với công nghệ hiệu quả để xử lý khí độc. Rồi cơ duyên đến, nhân một chuyến đi học tập tại Đài Loan, Thầy được tham quan nhà máy tái chế chai nhựa PET thành sợi vải. Thế là ý tưởng may áo cà sa làm bằng vải tái chế từ chai nhựa đã được ấp ủ, nung nấu. Khi về lại Thái Lan, Thầy đã phải mất hơn 3 năm thử nghiệm. Sau này có thêm sự hợp tác từ công ty Global Chemical, hỗ trợ máy móc và công nghệ, thành phẩm cuối cùng dần dần hoàn thiện. 

Cứ 15 chai nhựa làm được 1 chiếc áo. Quá trình diễn ra qua nhiều công đoạn. Chai PET không màu được làm sạch, phân loại, loại bỏ lớp dán nhãn bên ngoài và nắp nhựa để tái chế riêng, rồi ép thành kiện và gửi đến nhà máy để nghiền và tạo thành sợi tổng hợp. Sợi tổng hợp sau đó được gửi trở lại chùa, dệt thành vải và được cắt may thành áo. Trong chùa có cả một xưởng may, tạo ra nhiều những sản phẩm đa dạng khác như áo thể thao, áo thun, túi vải, nón, chăn mền… Có lần chiếc áo dạ hội từ nhựa tái chế được gửi đến cuộc thi Miss Earth Thái Lan và đã giành giải thưởng. 

Xưởng may tại chùa

Hiện nay, dự án được vận hành như một doanh nghiệp cộng đồng, giúp tạo ra việc làm cho nhiều người dân, đa số là những người phụ nữ nội trợ, người về hưu, và cả người khuyết tật. Giá một chiếc áo cà sa sản xuất tại Wat Chak Daeng dao động từ 1500 - 5000 bath Thái (khoảng từ 1 - 3 triệu VNĐ). Giá cao nhưng nhu cầu luôn cao vì mọi người mong muốn ủng hộ sản phẩm ý nghĩa với môi trường và cộng đồng này.

Các dạng rác thải nhựa khác được tái chế thành vật liệu xây dựng giả gỗ, làm mái nhà, gạch con sâu lát nền. Vật liệu giả gỗ tái chế từ rác thải nhựa không bị phồng, không bắt lửa, không thấm nước, chống mối mọt. Gần đây, cộng đồng hợp tác với công ty Corsair mới thành lập năm 2020 (**), có trụ sở chính tại Thái Lan cho khu vực châu Á và Hà Lan cho khu vực châu  u, để tái chế rác nhựa thành nhiên liệu. Công ty đang mở rộng sản xuất và thu gom rác nhựa, gồm cả các loại túi nylon, bao bì nhựa từ cộng đồng mang lại. Corsair sử dụng công nghệ nhiệt phân cao cấp trong lò phản ứng kín, chuyển hóa chúng thành các dạng nhiên liệu dầu nhiệt phân lỏng, than carbon đen và khí đốt. 

Thầy cùng các sư trong chùa vận động người dân tham gia chiến dịch thu gom chai nhựa, vớt rác trên sông Chao Phraya. Thu nhặt rác mang đến chùa không chỉ là để tái chế, mà sâu xa, nó nhắc nhở mọi người có trách nhiệm hơn với sự tiêu thụ của mình, giảm bớt việc tạo ra rác thải. Trong khi ở những chùa khác, người ta cúng dường thực phẩm và quần áo thì tại Wat Chak Daeng, người dân có thể cúng dường rác thải nhựa! Mọi người khắp nơi gửi các chai nhựa PET đến Wat Chak Daeng, để chúng được tiếp tục một đời sống hữu ích mới.

Chưa hết, một mảng quan trọng khác ở Wat Chak Daeng là tái chế rác thực phẩm thành phân hữu cơ. Rác thực phẩm, thức ăn thừa thu gom từ cộng đồng trộn với lá cây gom từ việc quét sân mỗi ngày ở chùa được đưa vào hệ thống máy ủ phân to bằng nguyên cái nhà, tạo ra phân bón dạng lỏng và rắn từ quá trình lên men vi sinh được tối ưu hóa trong thời gian ngắn. Như thế, thức ăn thừa hôm nay được chuyển hóa thành phân để trở lại nuôi đất, góp phần vun trồng nên hoa trái cho mai sau. Khí methane sinh ra được thu chứa trong các thùng kim loại. Khí sinh học này được kết nối với van dẫn vào bếp, dùng để nấu ăn. Tất cả đều được tận dụng, không có gì bỏ đi cả.

Chùa Chak Daeng trở thành một trung tâm giáo dục, nâng cao nhận thức môi trường trong cộng đồng, cũng như đào tạo, chia sẻ kinh nghiệm quản lý rác thải. Thành công của Chak Daeng đã tạo nên một ảnh hưởng tốt đẹp lan tỏa. Nhiều trường học, tổ chức, cơ quan chính phủ đã gửi người đến tham quan học tập các mô hình xử lý rác thải tại đây. 

Hôm đó, chúng tôi được thực hành làm chậu cây nhỏ từ xi măng và vật liệu xốp, sau đó vẽ trang trí. Và tại xưởng tái chế, chúng tôi chia thành 2 nhóm, một nhóm lọc, tháo nhãn dán trên vỏ chai và một nhóm gắn dây kẽm nối các chai với nhau. Chúng tôi cũng được xem các video về chùa và nghe các Sư Thầy nói chuyện. Thầy nhấn mạnh giá trị của cây xanh, nhất là khi với số lượng lớn, chúng giúp giải tỏa stress, là nơi trú ẩn cho động vật, tạo bóng mát, giúp giảm nhiệt độ môi trường vi khí hậu, cung cấp oxy, lọc khí. Bộ rễ của chúng có tác động như một bờ kè, giúp giữ nước cho mùa khô. 

Chia sẻ kinh nghiệm, Thầy nói 3 nhóm cần hợp tác, làm việc cùng với nhau là cộng đồng, bắt đầu từ chính gia đình mỗi chúng ta (1), chính phủ (2), và doanh nghiệp/công ty tái chế (3). Và quan trọng nhất là thay đổi tư duy, nâng cao nhận thức mọi người về các vấn đề môi trường cũng như khuyến khích giải pháp sáng tạo cho chúng. Thầy khuyên hãy cứ bắt đầu, nếu có thất bại thì đừng bỏ cuộc, mà đứng dậy, rút ra bài học rồi lại đi tiếp. Ba khía cạnh trong thực hành Phật giáo Văn - Tư - Tu mà Thầy nói đến, tôi thấy đều có thể áp dụng cho mọi lĩnh vực đào tạo, rèn luyện. Đó chính là vòng tròn lắng nghe, xem đọc, học hỏi lý thuyết, quan sát (Văn), sau đó suy tư, chiêm nghiệm, đúc kết (Tư), rồi áp dụng, làm, thực hành trong đời sống (Tu) và tiếp tục quan sát, đúc kết, ứng dụng, nhờ đó mà liên tục cải tiến. 

Việc dọn dẹp môi trường bên ngoài cho sạch sẽ và tái chế rác thải ngẫm ra cũng không khác mấy với sự tu tập, thanh luyện nội tâm. Chánh niệm, tham thiền là nghệ thuật nhận diện và chuyển hóa những rác thải hay chất độc của tâm, biến chúng thành những phẩm tính tích cực. Khi tâm trí trong sạch thì hạnh phúc chân thật vốn luôn hiện hữu sẽ được hiển lộ.

Viết những dòng này ngày cuối năm, tôi nhớ đến câu “Không bùn, không sen” của Sư Ông. Thương chúc tất cả chúng ta sẽ được chuyển hóa, biến đổi thành một phiên bản mới, tốt đẹp hơn, an vui hơn trong năm mới! 💓

---

(*) Theo báo cáo từ trang World Population Review năm 2021, trong top 10 các nước thải rác nhựa gây ô nhiễm đại dương, Philippines đứng đầu bảng với 35% lượng rác thải nhựa đại dương toàn cầu, còn Việt Nam đứng thứ 8 và Thái Lan đứng thứ 10. Đáng chú ý top 10 này đa số là các quốc gia Đông Nam Á, có bờ biển dài, lượng mưa lớn và hệ thống quản lý chất thải kém. Cũng theo trang này, những quốc gia sản xuất hoặc tiêu thụ nhiều nhựa nhất không hẳn là những quốc gia thải rác nhựa ra đại dương nhiều nhất, nhờ cơ chế quản lý, hệ thống phân loại và tái chế tốt. 

Link: https://worldpopulationreview.com/country-rankings/plastic-pollution-by-country 

(**) Năm 2021, Corsair công bố chương trình CSR (trách nhiệm xã hội của doanh nghiệp) về tín chỉ plastic (plastic credit), được vận hành trên nền tảng Ethereum blockchain, như một phương thức mới mẻ, sáng tạo và thuận tiện trong ghi nhận việc làm sạch mội trường và chuyển hóa rác thải nhựa. Tương tự như tín chỉ carbon, mỗi tín chỉ plastic đại diện cho một lượng rác thải nhựa xác định đã được chuyển hóa, không còn gây ô nhiễm môi trường.

Link: https://corsairnow.com 

P/S: Tình cờ, tôi mới biết một ngôi chùa đặc biệt khác ở Thái Lan, Wat Pa Maha Chedi Kaew, được xây dựng với 20 tòa nhà làm từ hàng triệu vỏ chai bia cũ. Nó gợi nhớ đến thời gian làm dự án ở Sóc Trăng hơn 10 năm trước. Sóc Trăng có nhiều chùa Khmer đẹp mà mỗi lần có bạn bè đến thăm chúng tôi hay dẫn đi chơi. Gần văn phòng chúng tôi cách khoảng 8 km có ngôi chùa Khmer hay được gọi là Chùa Chén Kiểu được dát bằng những mảnh sứ từ chén kiểu rất đẹp ngày xưa.

Green Power House — Ngôi nhà năng lượng xanh

THE NEED TO GROW (2018)

Ngay sau chuyến đi VCIL Travel School tại Thái Lan về triết lý kinh tế vừa đủ và nông nghiệp tự nhiên (với nhiều điều hữu ích sẽ được kể từ từ trong những post khác), tôi tình cờ được thu hút tới và tìm xem bộ phim tài liệu đạt nhiều giải thưởng ở các liên hoan quốc tế, “The Need to Grow”. Chữ “grow” ở đây thú vị bởi nó hàm chứa hai lớp ý nghĩa, vừa là sự phát triển, vừa là sự gieo trồng. [Bạn có thể xem phim tại link sau https://grow.foodrevolution.org].

Việc lạm dụng hóa chất và độc canh trong nền nông nghiệp công nghiệp hóa hiện nay đang phá vỡ sự sống các sinh vật trong đất, làm đất ngày càng bạc màu và gây suy giảm đa dạng sinh học, mất cân bằng sinh thái. Đa dạng sinh học dẫn tới sự trù phú. Đa dạng về hạt giống là căn cơ cho an ninh lương thực. Khi đa dạng sinh học giảm thì lại càng phải cần nhiều phân bón tổng hợp, thuốc trừ sâu, diệt cỏ hơn để đạt được cùng sản lượng trước đó và diệt trừ sâu rầy, mà vốn tự nhiên lẽ ra không phải là vấn đề trong một hệ sinh thái lành mạnh. Ngày càng phụ thuộc hơn vào hóa chất, chúng ta đang đầu độc đất, làm đất chết, tăng tốc xói mòn, ô nhiễm môi trường và cũng tự đầu độc chính mình. Thực phẩm từ canh tác lạm dụng hóa chất không những chẳng còn nhiều dinh dưỡng mà còn tiềm ẩn nguy cơ của nhiều căn bệnh thời đại.

Tốc độ mất đất đang diễn ra rất nhanh chóng, gấp nhiều lần so với tốc độ đất được tái tạo lại. Nếu cứ tiếp tục với tốc độ này, thế giới sẽ đi vào thảm họa, biến đổi khí hậu, lũ lụt, hạn hán, khan hiếm thực phẩm. Mọi thứ phát triển với tốc độ hàm số mũ chứ không tuyến tính, và nếu chúng sụp đổ, chúng cũng sẽ sụp đổ với tốc độ hàm số mũ. Tương lai thế giới sẽ phải, hoặc là hướng về những cộng đồng sống thuận tự nhiên, canh tác hữu cơ như mô hình các làng sinh thái, vườn rừng, rừng thực phẩm (food forest), kinh tế tuần hoàn; hoặc là nhân loại sẽ tự mình đi đến chỗ diệt vong. 

“Chúng ta càng chăm lo cho sự đa dạng sinh học, chúng ta càng chăm lo cho đất thì chúng ta càng thực sự trồng được nhiều thực phẩm.” ~ Vandana Shiva 

Ưu tiên hàng đầu hiện nay là cải tạo lại đất. Chúng ta không thể nuôi dưỡng thế giới bằng đất chết. Chúng ta cần bắt đầu chuyển đổi từ tư duy dựa trên sự chết chóc đến nền kinh tế dựa trên sự sống. Sự khác biệt giữa sự sống và cái chết, giữa điêu tàn và trù phú, giống như sự khác biệt giữa bụi và đất. Chúng ta cần áp dụng quá trình sinh học tự nhiên và tăng tốc tái tạo đất. Không có một giải pháp độc nhất nào, mà nhiều nhiều những giải pháp nhỏ, tập hợp lại cùng nhau sẽ thực sự dẫn đến chuyển biến xã hội. Nhưng cần có ý chí của mọi người, và thời điểm đã đến rồi.

Chỉ một nắm đất trong bàn tay có thể chứa đựng số vi sinh vật nhiều hơn dân số con người trên hành tinh. Toàn bộ chuỗi thức ăn và sự tồn tại của chính chúng ta có được là nhờ hàng tỉ tỉ những sinh vật nhỏ bé này, sinh sống ngay dưới chân chúng ta. Không cày xới để hạn chế phá vỡ các hệ thống vi sinh vật đất, luôn che phủ đất để giảm bốc hơi, và làm phân compost, tất cả những phương pháp này giúp giữ nước và làm giàu cho đất. Chúng giúp gia tăng các hợp chất humic, những chỉ thị quan trọng của đất khỏe. Các hợp chất humic , được hình thành từ phân hủy sinh học của thực vật chết, hỗ trợ dòng dưỡng chất thiết yếu cho cây trong cấu trúc đất, giúp đất màu mỡ, phì nhiêu. Acid humic tích lũy trong đất qua thời gian giúp đất tăng khả năng giữ chất dinh dưỡng. Khi cây hấp thụ CO2, carbon được cung cấp cho vi sinh vật qua bộ rễ. Bộ rễ cô lập carbon trong khí quyển vào đất. Do đó, đất khỏe có thể góp phần lớn vào việc cân bằng khí nhà kính trên hành tinh. 

Những nguyên lý hoạt động hài hòa với thiên nhiên này được biết đến như là nền nông nghiệp tái tạo (regenerative agriculture). Bằng việc tạo ra hệ thống thực phẩm lành mạnh và giàu dinh dưỡng, nông nghiệp tái tạo không chỉ nuôi dưỡng thế giới mà còn là niềm hy vọng của hành tinh nhằm chủ động đảo ngược hiện trạng biến đổi khí hậu. Việc hồi phục, gia tăng sức khỏe cho đất thực sự như một mũi tên trúng nhiều đích, nó đồng thời giải quyết gần như nhiều vấn đề môi trường khác. Bộ phim và cả chuyến đi học tập tại Thái Lan đưa ra cùng một thông điệp chung về tầm quan trọng của đất và sự khỏe mạnh của đất đối với nông nghiệp và cả hệ thống thực phẩm: “hãy tập trung vào nuôi dưỡng đất, rồi để đất nuôi cây”, chứ không phải tập trung vào nuôi cây như cách bón phân hóa học hiện nay. 

Khác với những ý kiến rằng canh tác hữu cơ cho năng suất thấp, bộ phim đề cập đến nghiên cứu dài hơn 30 năm đã minh chứng rằng nông nghiệp hữu cơ có thể đọ được hoặc thậm chí vượt trội hơn năng suất canh tác thông thường, giàu dưỡng chất hơn, trong khi đó còn giảm 35% phát thải khí nhà kính, sử dụng 45% ít năng lượng hơn và tái tạo đất thay vì gây thoái hóa đất như canh tác thông thường với phân bón hóa học và hóa chất diệt côn trùng. Các nghiên cứu cũng cho thấy rằng đất càng được quản lý một cách toàn diện thì càng thực sự trồng được nhiều thực phẩm hơn.

Bộ phim kể về ba câu chuyện truyền cảm hứng của ba nhân vật chính nỗ lực mang lại những giải pháp cho cuộc cách mạng hệ thống thực phẩm: Alicia - nhà hoạt động môi trường chỉ mới 8 tuổi đấu tranh chống thực phẩm biến đổi gen và nâng cao nhận thức về thực phẩm hữu cơ; Eric Cutter - chuyên gia nông nghiệp tái tạo mang lại giải pháp trong không gian nhỏ của đô thị nhưng cho năng suất cao với các hộp rau đặt thẳng đứng chứa compost giàu dinh dưỡng, sử dụng ít nước, ít phân bón hơn so với canh tác thông thường; và Michael Smith - nhà khoa học phát minh Green Power House, tòa nhà được thiết kế dùng năng lượng mặt trời và tảo để xử lý chất thải nông nghiệp tạo ra than sinh học (biochar) và chất kích thích sinh học dạng lỏng thúc đẩy quá trình tái tạo đất. 

Hành trình của những con người tuyệt vời và đầy nhiệt huyết này không hề dễ dàng khi phải đối mặt với những trận chiến khó khăn để thuyết phục các ngành công nghiệp và chính phủ cho phổ biến rộng rãi ý tưởng của mình. Họ đã có lúc thất bại, hay gặp cả tai nạn như việc toàn bộ tòa nhà Green Power House từng bị cháy rụi. Bất chấp những thử thách đó, họ đã không bỏ cuộc và tiếp tục lan tỏa những điều tốt đẹp. 

Cả ba nhân vật đều thật đáng được trân quý như những người hùng của cuộc cách mạng thực phẩm! Tôi muốn nói thêm một chút về Michael Smith và phát minh xuất sắc, quá ấn tượng của ông.

GREEN POWER HOUSE (NGÔI NHÀ NĂNG LƯỢNG XANH)

Với Green Power House, sáng chế có tiềm năng biến đổi thế giới (game-changing technology), một kết hợp tuyệt vời giữa công nghệ tiên tiến và trí tuệ sinh thái của tự nhiên, Michael Smith được ví như thiên tài Nichola Tesla thời hiện đại. Tầm nhìn xa rộng phi thường, những suy tư minh triết sâu sắc và trăn trở đầy tâm huyết của ông trong phim thực sự chạm đến trái tim, không khỏi làm chúng ta xúc động. Ông như một vị thiên sứ đã mang đến cho nhân loại đang khủng hoảng trên hành tinh này một giải pháp cứu rỗi trái đất, giải quyết đồng thời nhiều vấn đề môi trường, nông nghiệp và năng lượng tái tạo.

Tòa nhà vòm có hình dạng kim tự tháp lục giác Green Power House là một hệ thống thông minh tự động (intelligent self-management system) khép kín, tích hợp công nghệ kỹ thuật số và AI vận hành các bể sinh học nuôi tảo, kết hợp với thiết bị nhiệt phân, tạo ra đồng thời điện năng và chất giúp tăng tốc quá trình tái tạo đất là than sinh học và chất kích thích sinh học hữu cơ dạng lỏng. 

The Dragon - Con Rồng

Nối với tòa nhà vòm lục giác là hệ thống nhiệt phân hiện đại được gọi là Con Rồng (The Dragon). Khi sinh khối là các phế phụ phẩm nông nghiệp đi vào Con Rồng, nó sẽ được nung lên đến gần 1000 độ F (538 độ C). Điều kiến yếm khí, không có oxy, ngăn chặn sự đốt cháy, cho ra một cấu trúc carbon ổn định, tương tự như than củi (charcoal). Hoàn toàn độc lập, không gắn với lưới điện quốc gia (off-grid), nhiên liệu mà Green Power House sử dụng chỉ là năng lượng mặt trời và sinh khối chất thải nông nghiệp. Nhiệt tạo ra, vốn là sản phẩm phụ từ hoạt động của Green Power House, đủ cung cấp điện cho 100 ngôi nhà mỗi ngày hoặc cho nhà kính có thể trồng thực phẩm hữu cơ quanh năm ở mọi vùng khí hậu.

Biochar - Than sinh học

Than sinh học đang nổi lên như một trong những giải pháp tốt nhất cho vấn đề biến đổi khí hậu bởi việc tạo ra nó làm cô lập carbon; carbon thay vì phát thải vào không khí sẽ được lưu trữ trở lại vào trong đất. Có cấu trúc carbon cực kỳ bền vững với vô số các lỗ rỗng, tạo ra diện tích bề mặt lớn trong một không gian nhỏ, than sinh học có khả năng hấp thụ cao. Cấu trúc này là nền tảng tối ưu cho sự phát triển của các vi sinh vật có lợi trong đất, giúp nâng cao lượng mùn, tăng khả năng giữ nước, giữ chất dinh dưỡng, tạo ra các không gian cho không khí và vi sinh vật đất đi vào, từ đó giúp tái tạo đất và tăng cường sức khỏe của đất canh tác.

Green Power House có thể cố định trên 1 tấn carbon mỗi ngày, tương đương với khả năng hàng ngàn cái cây để làm công việc tương tự.

Công nghệ tảo thủy sinh - Algae Aqua Culture Technology

Các bể sinh học là hệ thống tự điều chỉnh (self-regulating system). Tảo là một trong những sinh vật tạo ra vật chất hữu cơ nguyên sơ trên bề mặt hành tinh và có khả năng sinh sôi rất nhanh chóng, nó giàu dinh dưỡng và có hàm lượng năng lượng cao. Khí carbonic được liên tục cung cấp từ Con Rồng cho các bể nuôi tảo. Tảo được thu hoạch với khối lượng lớn nhanh chóng mỗi ngày. Thông qua quá trình chuyển hóa sinh học, tảo trở thành phân bón giàu chất dinh dưỡng hữu cơ, kết hợp cùng với than sinh học, tạo ra một chất kích thích có thể giúp tái tạo đất mạnh mẽ. 

Methan, sản phẩm phụ của quá trình chuyển hóa tảo được đưa trở lại vào Con Rồng cung cấp nhiệt năng và xử lý tiếp tục phế thải sinh khối từ nông nghiệp. 

Như vậy, trong mỗi thành phần của Green Power House, đầu ra của bộ phận này trở thành đầu vào của bộ phận khác, tạo nên một hệ thống thực sự khép kín, tự vận hành, không chất thải và còn giúp cố định carbon.

Kỳ diệu là chỉ trong vòng 4 - 5 ngày, Green Power House có thể làm được điều mà thiết bị bình thường phải mất cả tháng, và tự nhiên có thể mất đến hàng trăm năm để chuyển hóa! Việc cô lập carbon hay chuyển hóa tảo, tất cả đều là những quá trình tự nhiên trong một vòng tuần hoàn khép kín và chìa khóa đơn giản chỉ là việc tìm ra cách gia tốc nó. Công nghệ này mở ra cơ hội tuyệt vời thực sự có thể làm thay đổi cách chúng ta sống, quay trở lại với các quá trình tự nhiên, vốn không có rác thải (zero waste).

Green Power House duy trì bên trong nó kiểu khí hậu nhiệt đới, có thể trồng được cả chuối và dứa, trong khi mùa đông ở bang Montana, nơi đặt tòa tháp vòm này, có lúc chạm ngưỡng âm 20 độ F (- 29 độ C). Hãy tưởng tượng sẽ lợi ích như thế nào khi chúng ta thiết lập được các Green Power House như thế trên khắp thế giới, giúp xử lý rác thải để cung cấp năng lượng cho cộng đồng, cung cấp thực phẩm tươi ngon, đảo ngược tình trạng biến đổi khí hậu, tái tạo đất gần như ở bất kỳ môi trường nào. Điều này cuối cùng dẫn tới sự độc lập về năng lượng, an ninh lương thực và tự chủ về thực phẩm.

Hydrogen và pin nhiên liệu

Chương 15. Hydrogen và Pin Nhiên Liệu mình phụ trách biên soạn trong Chuyên Đề Năng Lượng của nhóm VnGG (2007).

***

“Tôi tin rằng một ngày nào đó, nước sẽ được sử dụng như nhiên liệu, rằng hydrogen và oxy, hai thành phần tạo nên nước, được sử dụng đơn lẻ hay kết hợp, sẽ cung cấp một nguồn nhiệt và ánh sáng vô tận với mức độ mà than đá không thể so sánh được. Tôi tin rằng khi các mỏ than cạn kiệt, chúng ta sẽ sưởi ấm mình nhờ năng lượng từ nước. Nước sẽ là “than đá” của tương lai.” Jules Vernes (1874).

Hơn một trăm năm trước, Jules Verne trong cuốn tiểu thuyết viễn tưởng “Hòn đảo huyền bí” đã từng dự báo rằng nước sẽ là nguồn năng lượng của tương lai, giống như than đá đang thịnh hành thời bấy giờ vậy. Từ đó, một ý niệm đã được gợi mở, thu hút sự quan tâm của nhiều nhà khoa học về một nguồn năng lượng lý tưởng, sạch và gần như vô tận cho con người: nước và một thành phần của nó, hydrogen.

Ngày nay, điều tiên đoán năm xưa đang dần trở thành hiện thực khi nhiều nước phát triển trên thế giới đã bắt đầu hoạch định mục tiêu hướng đến nền kinh tế hydrogen (hydrogen economy) trong chiến lược năng lượng của mình. Nền kinh tế hydrogen là gì? Nó đem lại những lợi ích nào cho cuộc sống? Tiến trình đi đến một nền kinh tế hydrogen có gặp những khó khăn cản trở nào không? Bài viết này cố gắng giải đáp lần lượt phần nào các câu hỏi đó, từ khái quát sơ lược các vấn đề kỹ thuật cơ bản, những công nghệ sản xuất, lưu trữ, ứng dụng hydrogen cho đến những nỗ lực hiện nay trên toàn cầu nhằm hướng đến viễn cảnh năng lượng sạch và bền vững trong tương lai.

1. Từ nền kinh tế dựa trên nhiên liệu hóa thạch đến nền kinh tế hydro

Như đã đề cập ở các phần trước, thế giới chúng ta đang bị phụ thuộc nặng nề vào một nền kinh tế nhiên liệu hóa thạch. Nhiên liệu của đa số các phương tiện giao thông hiện tại: xe hơi, xe lửa, máy bay… là xăng dầu. Hơn nữa, một tỉ lệ khá cao các nhà máy điện là nhiệt điện dùng dầu hỏa, khí thiên nhiên hay than đá. Nếu không có nhiên liệu hóa thạch, nền kinh tế cùng với các phương tiện giao thông liên lạc, vận tải, sẽ rơi vào khủng hoảng, ngưng trệ. Gần như toàn bộ nền kinh tế, chính xác hơn là toàn bộ xã hội hiện đại đã phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch.

Trong khi nhiên liệu hóa thạch đóng một vài trò quan trọng trong việc đưa xã hội đến mức phát triển như ngày nay thì nó cũng tồn tại những vấn đề nhức nhối lớn: ô nhiễm không khí, các vấn đề môi trường như tràn dầu, nguy hiểm và nóng bỏng hơn cả là vấn đề biến đổi khí hậu toàn cầu cùng với sự nóng lên của trái đất. Ngoài ra, nhiên liệu hóa thạch chỉ là nguồn tài nguyên hữu hạn không thể được tái tạo, và nền kinh tế dựa trên nhiên liệu hóa thạch còn làm cho một số nước không có nhiều tài nguyên sẽ bị phụ thuộc vào những nước vốn có nguồn dầu dồi dào ở vùng Trung Đông, từ đó dẫn đến nhiều hệ quả chính trị và kinh tế khác, thậm chí cả những cuộc chiến tranh giành dầu mỏ.

Giữa bối cảnh đó, khái niệm về một nền kinh tế hydro dựa trên nguồn năng lượng sạch, dồi dào phục vụ mục tiêu phát triển bền vững của nhân loại xuất hiện như một giải pháp đầy tiềm năng. “Nền kinh tế hydro” là một hệ thống lưu trữ, phân phối và sử dụng năng lượng dựa trên nhiên liệu chính hydrogen. Thuật ngữ này được tập đoàn General Motors đặt ra năm vào 1970. Nền kinh tế hydrogen hứa hẹn đẩy lùi tất cả những vấn đề do nền kinh tế dựa trên nhiên liệu hóa thạch đã gây ra.

Một cách tóm tắt, những lợi ích chính của nền kinh tế hydrogen là:

   - Không gây ô nhiễm: khi hydrogen được sử dụng trong pin nhiên liệu, nó là một công nghệ hoàn toàn sạch. Sản phẩm phụ duy nhất sinh ra là nước, do đó sẽ không làm nảy sinh những vấn đề đáng lo ngại như tràn dầu ...

   - Không thải ra khí gây hiệu ứng nhà kính: quá trình điện phân nước tạo hydrogen không hề tạo nên khí nhà kính nào. Đó là một quá trình lý tưởng và hoàn hảo – điện phân hydrogen từ nước, hydrogen lại tái kết hợp với oxygen để tạo ra nước và cung cấp điện năng trong pin nhiên liệu.

   - Không phụ thuộc về kinh tế: không dùng dầu mỏ cũng có nghĩa là không phải phụ thuộc vào các thùng dầu nhập khẩu từ nước ngoài.

   - Hydrogen có thể được sản xuất từ nhiều nguồn khác nhau: nhất là  từ các nguồn năng lượng tái sinh.

Như vậy, những lợi ích về mặt môi trường, kinh tế và xã hội của hydrogen là rất đáng kể và ý nghĩa. Tất cả những thế mạnh này đã tạo nên cú hích mạnh mẽ hướng nhân loại tiến đến nền kinh tế hydrogen.

2. Sản xuất hydrogen

Hydrogen là nguyên tố phổ biến nhất, cấu thành đến 90% vật chất của vũ trụ (75% theo trọng lượng). Mặt Trời, hầu hết các ngôi sao và một số hành tinh như Jupiter ("sao" Mộc - hành tinh lớn nhất Thái Dương hệ) được tạo nên chủ yếu bởi hydrogen. Phản ứng tổng hợp hạt nhân giữa các đồng vị của hydrogen, deuterium và tritium đã cung cấp nguồn năng lượng khổng lồ cho mặt trời và các ngôi sao, nhờ đó duy trì sự sống.

Hydrogen là thành viên nhỏ nhất và có cấu trúc đơn giản nhất trong gia đình các nguyên tố hóa học, chỉ gồm một proton và một electron. Phân tử hydrogen chứa hai nguyên tử hydrogen, là khí không màu, không mùi, không vị, rất dễ cháy. Hydrogen có trọng lượng nhỏ nhất trong các loại khí và hydrogen dạng nguyên chất gần như không tồn tại trong tự nhiên.

Trên Trái Đất, hydrogen phần lớn ở dạng kết hợp với oxygen trong nước, hay với carbon và các nguyên tố khác trong vô số các hợp chất hữu cơ tạo nên cơ thể mọi loài động thực vật. Khác với các nguồn năng lượng cơ bản (ví dụ như dầu mỏ có thể bơm trực tiếp từ lòng đất lên rồi sử dụng), hydrogen là nguồn năng lượng thứ cấp, tức là chúng không thể được khai thác trực tiếp mà phải được tạo ra từ một nguồn sơ cấp ban đầu. Điều này là một điểm bất lợi, nhưng đồng thời lại là điểm mạnh của hydrogen do người ta có thể sản xuất khí hydrogen từ nhiều nguồn khác nhau, đặc biệt từ các nguồn năng lượng tái sinh.

Có ba phương pháp cơ bản tạo ra hydro:

+ Phương pháp chuyển hóa hydrocarbon (nhiên liệu hóa thạch, sinh khối) bằng nhiệt (Reforming)

+ Phương pháp điện phân nước (Electrolysis)

+ Phương pháp sinh học (Biological method)

2.1 Hóa nhiệt nhiên liệu hydrocarbon

   a) Hóa nhiệt khí thiên nhiên với hơi nước (Natural gas steam reforming)
Quá trình này gồm hai bước chính.

Trước hết, khí thiên nhiên (với thành phần chủ yếu là methane) được tách carbon và chuyển hóa thành hydrogennhờ hơi nước dạng siêu nhiệt dưới áp suất cao, xúc tác thích hợp ở nhiệt độ khoảng 900°C.


CH4 + H2O => CO + 3 H2     (15.1)

Carbon mono-oxide sinh ra lại tiếp tục được phản ứng với hơi nước và xúc tác chuyển hóa thành khí carbonic và tạo ra thêm khí hydrogen.

CO + H2O => CO2 + H2        (15.2)

Đây là phương pháp công nghiệp phổ biến hiện nay để sản xuất hydrogen. Tuy nhiên phương pháp này không được áp dụng để tạo một nguồn năng lượng mà chỉ để cung cấp nguyên liệu cho các ngành hóa chất, phân bón, tinh lọc dầu mỏ v.v

 b) Khí hóa hydrocarbon nặng (Gasification heavy hydrocarbon)

Thuật ngữ hydrocarbon nặng là để nói đến dầu mỏ và than đá. Than đá trước khi khí hóa phải được nghiền thành dạng bột rồi hòa trộn với nước. Thông thường, nhiên liệu được hóa nhiệt ở khoảng 14000C với oxygen hay không khí (oxygen hóa không hoàn toàn), tạo ra hỗn hợp gồm hydrogen, carbon mono oxide (CO) và vài sản phẩm phụ. CO sinh ra lại tiếp tục được phản ứng với hơi nước và xúc tác chuyển hóa thành khí carbonic và tạo ra thêm khí hydrogen, tương tự như bước thứ hai của quá trình hóa nhiệt khí thiên nhiên.

Rõ ràng đây không phải là phương pháp tối ưu. Bất lợi lớn nhất của nó là sử dụng nhiên liệu hóa thạch làm nguyên liệu và đồng thời cũng làm nhiên liệu cung cấp nhiệt lượng cho quá trình. Nhiên liệu hóa thạch là nguồn tài nguyên hữu hạn, thêm vào đó, việc đốt chúng tạo ra khí carbonic gây hiệu ứng nhà kính. Do đó phương pháp này xét về lâu dài không bền vững.

Tuy vậy, phương pháp sản xuất khí hydrogen từ nhiên liệu hóa thạch đã và sẽ còn chiếm ưu thế trong tương lai gần. Lý do chính yếu là do trữ lượng nhiên liệu hóa thách còn tương đối dồi dào, nhất là đối với khí thiên nhiên. Hơn nữa, những công nghệ này (phương pháp sản xuất hydrogen công nghiệp từ khí thiên nhiên nói riêng và nhiên liệu hóa thạch nói chung) đã khá quen thuộc trong công nghiệp hóa chất, trong khi cơ sở hạ tầng cho việc phát triển sản xuất hydrogen từ các nguồn khác còn thiếu thốn. Vì vậy, một khi nhiên liệu hóa thạch vẫn còn rẻ thì phương pháp này vẫn có chi phí thấp nhất. Thêm vào đó, để hạn chế mặt tiêu cực này của nhiên liệu hóa thạch, ta có thể dùng công nghệ tách khí carbonic rồi thu hồi và chôn lấp chúng (Xem thêm Chương 13).

   c) Quy trình hiện đại tạo ra hydrogen từ khí thiên nhiên mà không thải ra CO2

Từ những năm 1980, Kværner - một tập đoàn dầu khí của Na Uy đã phát triển công nghệ mang tên "Kværner Carbon Black and Hydrogen Process" (KCB&H). Nhà máy đầu tiên dựa trên quy trình Kværner hiện đại này đặt ở Canada và bắt đầu sản xuất vào tháng 6 năm 1999.  Quy trình cung plasma - Kværner ở nhiệt độ cao (16000C) tách hydrogen và than hoạt tính từ hợp chất hydrocarbon như dầu mỏ hay khí thiên nhiên mà không thải ra CO2. 

Than đen tinh khiết này được dùng trong sản xuất vỏ xe hơi và dùng như chất khử trong công nghiệp luyện kim. Nhờ một số tính chất đặc biệt mà chúng còn có thể dùng để lưu trữ hydrogen (ống carbonnano).

   d) Khí hóa sinh khối và nhiệt phân (biomass gasification and pyrolysis)

Sinh khối có thể được sử dụng để sản xuất hydrogen. Đầu tiên, sinh khối được chuyển thành dạng khí qua quá trình khí hóa ở nhiệt độ cao có tạo ra hơi nước. Hơi nước chứa hydrogen được ngưng tụ trong các dầu nhiệt phân và sau đó có thể được hóa nhiệt để sinh ra hydrogen. Quá trình này thường tạo ra sản lượng hydrogen khoảng từ 12%-17% trọng lượng hydrogen của sinh khối. Nguyên liệu cho phương pháp này có thể gồm các loại mảnh gỗ bào vụn, sinh khối thực vật, rác thải nông nghiệp và đô thị v.v. Do các chất thải sinh học được sử dụng làm nguyên liệu như vậy, phương pháp sản xuất hydrogen này hoàn toàn tái tạo được (renewable) và bền vững.

2.2. Điện phân nước

Phương pháp này dùng dòng điện để tách nước thành khí hydrogen và oxygen. Quá trình gồm hai phản ứng xảy ra ở hai điện cực. Hydrogen sinh ra ở điện cực âm và oxygen ở điện cực dương:

Phản ứng trên cathode: 2 H2O + 2e- => H2 + 2 OH-    (15.3)

Phản ứng trên anode:    2 OH- => H2O + ½ O2 + 2e-    (15.4)

________________________________________________________

Tổng quát:                  2 H2O + điện năng  => 2 H2 + O2  (15.5)

Sau đây là một số các dạng điện phân phổ biến:

  a) Điện phân thông thường

Quá trình tiến hành với chất điện phân là nước hay dung dịch kiềm. Hai phần ode và cathode được tách riêng bởi màng ngăn ion (microporous) để tránh hòa lẫn hai khí sinh ra.

  b) Điện phân nước áp suất cao

Điện phân nước áp suất cao có thể sinh ra hydrogen ở áp suất đến 5 MPa. Quá trình vẫn đang trong giai đoạn nghiên cứu và hoàn thiện dần.  

c) Điện phân nước ở nhiệt độ cao

Ưu điểm của phương pháp này là đưa một phần năng lượng cần thiết cho quá trình điện phân ở dạng nhiệt năng, nhiệt độ 800-10000C vào quá trình, do đó có thể hạn chế bớt lượng điện năng tiêu thụ. Nhiều nghiên cứu đã hướng đến việc thu nhiệt từ các chảo parabol tập trung năng lượng mặt trời hay tận dụng nhiệt thừa từ các trạm năng lượng.

 d) Quang điện phân (photoelectrolysis)

Các panel mặt trời, chất bán dẫn (ứng dụng hiện tượng quang điện), chuyển hóa trực tiếp ánh sáng mặt trời thành điện năng. Khí hydrogen được sinh ra khi dòng quang điện  này chạy qua thiết bị điện phân đặt trong nước. Sử dụng năng lượng mặt trời để tạo ra điện dùng trong điện phân nước, tương tự, chúng ta cũng có thể sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo khác như năng lượng gió, thủy điện để điện phân nước tạo ra hydrogen. Như thế việc sản xuất hydrogen sẽ là một quá trình sạch (không khí thải), tái sinh và bền vững.

2.3. Phương pháp sinh học

Một số tảo và vi khuẩn chuyên biệt có thể sản sinh ra hydrogen như là sản phẩm phụ trong quá trình trao đổi chất của chúng. Các sinh vật này thường sống trong nước, phân tách nước thành khí hydrogenvà oxygen. Hiện tại, phương pháp này vẫn đang trong giai đoạn nghiên cứu.

Ví dụ của phương pháp này là việc ứng dụng một loại tảo đơn bào có tên Chlamydomonas reinhardtii. Các nghiên cứu cho thấy loại tảo này chứa enzyme hydrogenase có khả năng tách nước thành hai thành phần hydrogen và oxygen. Các nhà khoa học đã xác định được cơ chế quá trình, điều này có thể giúp mang lại một phương pháp gần như vô hạn để sản xuất hydrogen sạch và tái sinh. Cơ chế này đã phát triển qua hàng triệu năm tiến hóa giúp tảo tồn tại trong môi trường không có oxygen. Một khi ở trong chu trình này, tảo "thở" bằng oxygen lấy từ nước và giải phóng ra khí hydrogen.

Gần đây, các nhà khoa học tại trung tâm năng lượng hydrogen của trường ĐH tiểu bang Pennsylvania cũng đã nghiên cứu thành công phương pháp tạo ra hydrogen từ quá trình vi khuẩn phân hủy các chất thải hữu cơ sinh học, như nước thải sinh hoạt, nước thải nông nghiệp v.v. Ứng dụng nghiên cứu này sẽ mở ra triển vọng to lớn đầy hữu ích, vừa kết hợp xử lý nước thải và vừa sản xuất hydrogen cung cấp cho pin nhiên liệu vi khuẩn (micro-fuel cell), tạo ra điện năng.

3. Lưu chứa hydrogen

Với vai trò "chuyên chở" năng lượng (energy carrier) hơn là một nguồn năng lượng cơ bản, giống như điện năng, hydrogen giúp cho việc phân phối, sử dụng năng lượng được thuận tiện. Thêm vào đó, khác với điện năng, hydrogen còn có thể lưu trữ được lâu dài. Về cơ bản có ba phương thức lưu trữ hydrogen như sau:

(i)  Lưu chứa hydrogen trong các bình khí nén áp suất cao.

(ii)  Lưu chứa hydrogen dưới dạng khí hóa lỏng.

(iii) Lưu chứa hydrogen trong hợp chất khác (hấp thụ hóa học, hấp phụ trong hợp chất khác như với các hyđrua kim loại hay ống carbon nano rỗng).

3.1. Lưu chứa hydrogen dưới dạng khí nén

Hydrogen có thể được nén trong các bình chứa với áp suất cao. Các loại bình chứa khác nhau về cấu trúc tùy theo dạng ứng dụng đòi hỏi mức áp suất như thế nào. Phần lớn các bình ứng dụng tĩnh có mức áp suất thấp hơn. Trong khi đó, yêu cầu cho các ứng dụng di động lại khá khác biệt bởi sự hạn chế về không gian lưu trữ. Đối với các ứng dụng này, áp suất trong bình được tăng lên đến 700 bar để chứa được càng nhiều hydrogen càng tốt trong một không gian giới hạn.

Các bình áp suất chứa khí nén thường làm bằng thép nên rất nặng. Các bình áp suất hiện đại được làm từ những vật liệu composite và nhẹ hơn nhiều.

3.2. Lưu chứa hydrogen dưới dạng khí hóa lỏng

Hydrogen chỉ tồn tại ở thể lỏng dưới nhiệt độ cực lạnh, 200K hay âm 2350C. Nén, làm lạnh (hóa lỏng) hydrogen tiêu tốn khá nhiều năng lượng, do đó tổn thất năng lượng hao hụt đến khoảng 30% khi dùng phương pháp này. Tuy nhiên, ưu điểm của việc lưu trữ hydrogen dưới dạng lỏng là tốn ít không gian nhất, do hydrogen có tỉ trọng năng lượng theo thể tích cao nhất khi hóa lỏng. Vì thế mà cách này đặc biệt thích hợp với các ứng dụng di động như các phương tiện giao thông. Hiện tại người ta đã sản xuất được những robot tự động để “tiếp” nhiên liệu (re-fuelling). Với các dạng lưu trữ tĩnh, cách thức này chỉ được dùng khi hydrogen thực sự cần thiết phải ở dạng lỏng, ví dụ như trong các trạm nhiên liệu hay khi cần vận chuyển hydrogen đường dài (bằng tàu biển chẳng hạn). Ngoài ra, với tất cả các ứng dụng khác ta nên tránh dùng cách lưu trữ này bởi sự tiêu tốn khá nhiều năng lượng cần để hóa lỏng.

3.3. Lưu chứa hydrogen nhờ hấp thụ hóa học

Hydrogen có thể được giữ trong nhiều hợp chất nhờ liên kết hóa học. Và khi cần thiết, phản ứng hóa học sẽ xảy ra để giải phóng chúng, sau đó hydrogen được thu thập và đưa vào sử dụng trong pin nhiên liệu. Các phản ứng hóa học thay đổi tủy theo hợp chất dùng để lưu trữ hydrogen. Ví dụ như: với NH3BH3, hydrogen được giải phóng nhờ nhiệt ở 100-3000C; hay hydrogen có thể được giải phóng qua quá trình thủy phân (tác dụng với nước) của các hydride như LiH, LiBH4, NaBH4... Với phương pháp này, ta có thể điều chỉnh được lượng hydrogen sinh ra theo nhu cầu.

3.4. Lưu chứa hydrogen trong các hyđrua kim loại (metal hydride)

Phương pháp này sử dụng một số hợp kim có khả năng độc đáo, có thể hấp phụ hydrogen. Các hợp kim này hoạt động giống như miếng xốp có thể hút nước vậy, chúng “hút bám” hydrogen, tạo nên các hyđrua kim loại. Khi một hyđrua kim loại được “lấp kín” dần với các nguyên tử khí hydrogen, nó sẽ tỏa nhiệt, do đó, khi muốn giải phóng hydrogen, ta sẽ phải cung cấp nhiệt cho nó.

Công thức tổng quát của quá trình hấp phụ và nhả hấp hyđrua kim loại:

M + xH2  <=>  MH2x                                (15.6)

Phương pháp này có thể chứa được một lượng rất lớn thể tích khí hydrogenhấp phụ vào kim loại. Tuy nhiên, lượng hydrogen hấp phụ chỉ chiếm khoảng 1% - 2% tổng trọng lượng bình chứa (kim loại). Vì thế mà các bình chứa dạng này khá nặng và vì vậy chúng không thể sử dụng trong các ứng dụng di động.

Ưu điểm của phương pháp này là hầu hết các hyđrua kim loại có thể hoạt động ở áp suất bình thường, do đó xét về mặt sử dụng và an toàn, đây là những điểm thuận lợi của việc lưu trữ hydrogen nhờ các hyđrua kim loại. Muốn giải phóng khí hydrogen cần cung cấp nhiệt, vì thế, trường hợp các thùng chứa bị bể vỡ chẳng hạn thì hydrogen vẫn giữ kết nối trong kim loại mà không bị hao hụt.

Lưu trữ hydrogen bằng các hyđrua kim loại hiện nay đang được ứng dụng nhiều trong các tàu ngầm.

3.5. Lưu chứa hydrogen trong ống carbon nano rỗng

Phương pháp này về nguyên tắc tương tự như hyđrua kim loại trong cơ chế lưu giữ và giải phóng hydrogen. Vật liệu carbon nano này có thể tạo nên một cuộc cách mạng trong công nghệ lưu trữ hydrogen trong tương lai. Cách đây vài năm, các nhà khoa học đã khám phá được đặc tính hữu ích của carbon nano là có thể chứa được những lượng lớn hydrogen trong các vi cấu trúc than chì dạng ống. Hydrogen có thể chui vào trong ống, cũng như vào khoảng trống giữa các ống. Lượng hydrogen hấp thụ phụ thuộc vào áp suất và nhiệt độ, nên về nguyên tắc, người ta có thể thay đổi áp suất hoặc nhiệt độ, rồi bơm hydrogen vào để lưu trữ, hay đẩy hydrogen ra để sử dụng. Vấn đề hiện nay là phải tìm ra các loại ống nano carbon chứa được nhiều hydrogen. Ngoài ra, ta cũng cần vật liệu với tỷ lệ ống nano carbon cao, không lẫn với nhiều loại bụi than khác.

Ưu điểm mang tính đột phá của công nghệ nano này chính là lượng lớn hydrogen mà nó có thể lưu chứa được, hơn nữa, so với cách lưu trữ bằng hợp kim thì ống carbon nano cũng nhẹ hơn. Ống carbon nano có thể chứa được lượng hydrogen chiếm từ 4% - 65% trọng lượng của chúng. Hiện nay, công nghệ này đang được quan tâm nghiên cứu rất nhiều trên thế giới, hứa hẹn một phương thức lưu trữ hydrogen đầy tiềm năng, nhất là cho các ứng dụng pin nhiên liệu di động và nhỏ gọn như máy tính xách tay, máy ảnh, điện thoại di động...v.v.

Ngoài ra, còn một phương pháp lưu trữ hydrogen khác tuy ít phổ biến nhưng cũng khá thú vị, đó là chứa hydrogen trong các vi cầu bằng kính.

3.6. Lưu chứa hydrogen trong các vi cầu thủy tinh (glass microsphere)

Các khối cầu thủy tinh rỗng tí hon có thể được dùng như một phương thức lưu trữ hydrogen an toàn. Những vi cầu rỗng này được làm nóng dẻo, gia tăng khả năng thấm của thành thủy tinh, rồi được lấp đầy khi được đặt ngập trong khí hydrogen với áp suất cao. Các khối cầu này sau đó được làm nguội, "khóa lại" hydrogen bên trong khối thủy tinh. Khi ta tăng nhiệt độ, hydrogen sẽ được giải phóng ra khỏi khối cầu và sử dụng. Phương pháp vi cầu này rất an toàn, tinh khiết và có thể chứa được hydrogen ở áp suất thấp, vì thế gia tăng giới hạn an toàn.

4. Vấn đề an toàn

Hydrogen là khí không màu, không mùi, không vị và rất hoạt động. Khi hydrogen cháy nó mang mối nguy hiểm tiềm ẩn bởi ngọn lửa của nó không thể nhận thấy bằng mắt thường. Do đó nó có thể lan đi mà người ta không thể nhận biết để cảnh báo. Tuy nhiên, trong chừng mực nào đó, hydrogen cháy an toàn hơn các nhiên liệu hóa thạch thông thường. Hydrogen có tốc độ bừng cháy rất cao và tiêu tán mau. Do đó, những vụ cháy, thậm chí bắt nguồn từ hydrogen lỏng, thường bùng lên rất nhanh rồi hết. Theo tính toán của các nhà khoa học cho thấy ở một vụ cháy xe cộ liên quan đến xăng dầu, đám cháy có thể kéo dài hai mươi đến ba mươi phút, trong khi đó, ngọn lửa từ đám cháy của chiếc xe chạy bằng lượng hydrogen tương đương chỉ kéo dài từ một đến hai phút!

Hydrogen khi bị đốt cháy sinh ra nhiệt và hơi nước. Do không có carbon, hơn nữa hơi nước lại là chất hấp thụ nhiệt nên hydrogen cháy tỏa nhiệt ít hơn nhiều so với khi các hydrocarbon cháy và đám cháy không lan đi, chỉ có những vật trực tiếp bị đốt dưới ngọn lửa đó mới bị cháy nặng. Những vật khác ở gần ngọn lửa sẽ khó mà tự bắt cháy được. Vì thế mà mối nguy hiểm về khói độc và việc cháy lan kéo dài đối với hydrogen đã được giảm đi đáng kể. Điều này có ý nghĩa rất quan trọng trong vấn đề cứu hỏa.



Tỉ trọng thấp và khả năng khuếch tán nhanh cho phép hydrogen thoát nhanh vào khí quyển nếu như có sự rò rỉ xảy ra. Trong khi đó, propane và xăng dầu, với tỉ trọng cao và khả năng khuếch tán thấp, dễ tụ lại gần mặt đất, làm gia tăng rủi ro cháy nổ. Hydrogen phải đạt đến nồng độ 4% trong khí quyển mới gây nguy hiểm, khi đó khả năng bắt lửa của hydrogen sẽ tăng lên nhanh. Mặc dù nồng độ 4% xem như không cao, nhưng nếu so sánh với nồng độ cần đạt để bốc cháy của xăng dầu chỉ có 1%, hydrogen cho thấy mức rủi ro cháy nổ thấp hơn đáng kể.

Hydrogen không độc và không ăn mòn. Xăng và dầu rất độc với con người và sinh vật nếu như vô tình chúng bị rò rỉ ra môi trường bên ngoài. Trong khi đó, nếu hydrogen bị thoát ra, chúng sẽ bay hơi gần như hoàn toàn và chỉ để lại nước đằng sau.

5. Ứng dụng nhiên liệu hydrogen

Chúng ta đã khá quen thuộc với hình ảnh hydrogen như là nguyên liệu cho nhiều ngành công nghiệp hóa học: chế tạo ammonia, methanol, lọc dầu, phân bón, luyện kim, mỹ phẩm, chất bán dẫn v.v. Thế nhưng, không chỉ có vậy, hydrogen còn là một nguồn nhiên liệu đầy tiềm năng với nhiều ưu điểm thuận lợi về môi trường và kinh tế. Hydrogen là nguồn năng lượng sạch, gần như không phát thải khí ô nhiễm mà chỉ sinh ra hơi nước. Từ nước qua quá trình điện phân ta lại có thể thu được hydrogen. Vì vậy, hydrogen là nguồn năng lượng gần như vô tận hay có thể tái sinh được. Hơn nữa, xét về mặt trọng lượng, hydrogen có tỉ trọng năng lượng cực kỳ cao. Trên thực tế, nhờ hai đặc tính nhẹ và tỉ trọng năng lượng cao này, hydrogen đã được dùng làm nhiên liệu cho tên lửa từ những buổi ban đầu của công nghệ du hành không gian.

Khi dùng làm nhiên liệu, hydrogen có thể được đốt trực tiếp trong các động cơ đốt trong, tương tự như trong các loại phương tiện giao thông chạy bằng xăng dầu phổ biến hiện nay. Hydrogen cũng có thể thay thế khí thiên nhiên để cung cấp năng lượng cho các nhu cầu dân dụng hàng ngày như đun nấu, sưởi ấm, chiếu sáng...v.v.

Mặt khác, hydrogen còn có thể được sử dụng làm nguồn năng lượng cung cấp cho hệ thống pin nhiên liệu, nhờ quá trình điện hóa để tạo ra điện năng. Bên cạnh những ưu điểm của hydrogen như đã nêu trên (sạch, tái sinh...), pin nhiên liệu còn chạy rất êm, không gây ra tiếng động, chấn động như động cơ đốt trong. Do dựa trên cơ chế của quá trình điện hóa tạo ra điện năng chứ không phải quá trình đốt như ở động cơ đốt trong, pin nhiên liệu còn đạt hiệu suất sử dụng cao hơn nhiều so với động cơ đốt trong, vì thế mà tiết kiệm năng lượng hơn. Với những ưu thế vượt trội đó, pin nhiên liệu đang ngày càng được quan tâm và dự đoán sẽ trở nên nguồn nhiên liệu đầy triển vọng, một thành phần chủ chốt của nền kinh tế hydrogen trong viễn cảnh tương lai.

6. Pin nhiên liệu

Trong khi thế kỉ 19 được mệnh danh là thế kỉ của động cơ hơi nước và thế kỉ 20 là thế kỉ của động cơ đốt trong thì ta có thể nói, thế kỉ 21 sẽ là kỉ nguyên của pin nhiên liệu. Pin nhiên liệu hiện nay đang dần được phổ biến trên thị trường, dự đoán sẽ tạo nên cuộc cách mạng năng lượng trên thế giới trong tương lai. Pin nhiên liệu có thể sử dụng hydrogen làm nhiên liệu, mang đến triển vọng cung cấp cho thế giới một nguồn điện năng sạch và bền vững.

Tương tự như ắc quy, pin nhiên liệu là một thiết bị tạo ra điện năng thông qua cơ chế phản ứng điện hóa. Điểm khác biệt nằm ở chỗ, pin nhiên liệu có thể tạo ra dòng điện liên tục khi có một nguồn nhiên liệu cung cấp cho nó, trong khi đó, ắc quy cần phải được nạp điện lại (sạc) sau một thời gian sử dụng. Vì thế mà pin nhiên liệu không chứa năng lượng bên trong, nó chuyển hóa trực tiếp nhiên liệu thành điện năng, trong khi ắc quy cần phải được nạp điện lại từ một nguồn bên ngoài.





Mỗi pin nhiên liệu gồm có hai điện cực âm (cathode) và dương (anode). Phản ứng sinh ra điện năng xảy ra tại hai điện cực này. Giữa hai điện cực còn chứa chất điện phân, vận chuyển các hạt điện tích từ cực này sang cực khác, và chất xúc tác nhằm làm tăng tốc độ phản ứng. Các module pin nhiên liệu thường kết nối với nhau, song song hay trực tiếp để tạo ra các thiết bị có mức công suất phát điện khác nhau và lớn hơn.

Hai nhiên liệu cơ bản cần thiết cho pin nhiên liệu vận hành chỉ đơn giản là hydrogen và oxygen. Lợi thế hấp dẫn của pin nhiên liệu là ở chỗ nó tạo ra dòng điện sạch, rất ít ô nhiễm, do sản phẩm phụ của quá trình phát điện cuối cùng chỉ là nước, không hề độc hại.

Các phản ứng hóa học tạo ra dòng điện chính là chìa khóa trong cơ chế hoạt động của pin nhiên liệu. Có nhiều loại pin nhiên liệu và mỗi kiểu vận hành một cách khác nhau nhưng cùng chung nguyên tắc cơ bản. Khi những nguyên tử hydrogenđi vào pin nhiên liệu, phản ứng hóa học xảy ra ở anode sẽ lấy đi electron của chúng. Những nguyên tử hydrogenl úc này bị ion hóa và mang điện tích dương. Electron điện tích âm sẽ chạy qua dây dẫn tạo ra dòng điện một chiều.

Oxygen đi vào cathode và, trong một số dạng pin nhiên liệu, chúng sẽ kết hợp với các electron từ dòng điện và những ion hydrogen vừa đi qua chất điện phân từ anode; ở một số dạng pin nhiên liệu khác, oxygen lấy electron rồi đi qua chất điện phân đến anode, gặp và kết hợp với các ion hydrogen tại đó.

Chất điện phân đóng vai trò quyết định chủ chốt. Nó phải chỉ cho phép những ion thích hợp đi qua giữa anode và cathode; vì nếu electron tự do hay các chất khác cũng có thể đi qua chất điện phân này, chúng sẽ làm hỏng các phản ứng hóa học.

Dù cùng gặp ở anode hay cathode, kết hợp với nhau, hydrogen và oxygen cuối cùng cũng tạo ra nước, thoát ra khỏi pin. Pin nhiên liệu sẽ liên tục phát điện khi vẫn được cung cấp hydrogen và oxygen.  Dưới đây là sơ đồ mô tả hai phản ứng cơ bản trong pin nhiên liệu mà phản ứng tồng quát của chúng chính là phản ứng nghịch của quá trình điện phân nước:

Phản ứng trên anode:          2 H2  =>  4 H+ + 4e-                               (15.7)

Phản ứng trên cathode:       O2 + 4 H+ + 4e- => 2 H2O                        (15.8)

__________________________________________________________

Tổng quát:                        2 H2 + O2  =>  2 H2O + năng lượng (điện)    (15.9)


Phản ứng hóa học tổng quát cho pin nhiên liệu còn tương tự như phản ứng hóa học mô tả quá trình hydrogen bị đốt cháy với sự hiện diện của oxy, tức cũng là sự kết hợp giữa khí hydrogenvà oxygen tạo nên năng lượng; điểm làm nên sự khác biệt quan trọng giữa hai quá trình đó nằm ở cơ chế phản ứng - phản ứng cháy tạo ra nhiệt trong khi phản ứng điện hóa của  pin nhiên liệu sinh ra điện năng. Pin nhiên liệu chuyển đổi trực tiếp hóa năng thành điện năng, quá trình này không liên quan đến sự chuyển hóa nhiệt thành cơ năng nên không phải là đối tượng của định luật nhiệt động lực học giới hạn hiệu suất tối đa của các động cơ nhiệt thông thường (Carnot) . Do đó, hiệu suất pin nhiên liệu có thể vượt được giới hạn Carnot, thậm chí ngay cả khi vận hành ở nhiệt độ tương đối thấp.

7. Các loại pin nhiên liệu

Pin nhiên liệu cũng có một số kiểu khác nhau, chủ yếu ở chất điện phân mà chúng sử dụng. Trong khi có chất chỉ cho phép proton (H+) đi qua thì có chất khác chỉ cho các phân tử phức tạp đi xuyên qua màng. Các chất điện phân chúng sử dụng cũng được lấy làm tên gọi để phân biệt các dạng pin nhiên liệu khác nhau, ví dụ như: AFC - pin nhiên liệu kiềm, PEMFC - pin nhiên liệu màng trao đổi proton), PAFC -  pin nhiên liệu axit phosphoric, MCFC – pin nhiên liệu muối carbonate nóng chảy, SOFC – pin nhiên liệu oxit rắn… Mỗi dạng pin nhiên liệu có chế độ vận hành và những ứng dụng khác nhau sẽ được lần lượt giới thiệu dưới đây.

         a) AFC (Alkaline Fuel Cell) - pin nhiên liệu alkali (kiềm).

Pin nhiên liệu alkali (kiềm) vận hành với khí hydrogen nén và oxy, dùng dung dịch kiềm KOH làm chất điện phân. Hiệu suất pin khoảng 70%, và hoạt động ở từ 150 đến 200 độ C. Công suất đầu ra khoảng từ 300W đến 5kW. Do nhỏ, nhẹ, hiệu suất cao nên phần lớn loại pin nhiên liệu alkali này thường được dùng trong các phương tiện xe cộ, giao thông.

Phản ứng trên anode:         2 H2 + 4 OH- => 4 H2O + 4e-                     (15.10)

Phản ứng trên cathode:       O2 + 2 H2O + 4e- => 4 OH-                       (15.11)

________________________________________________________

Tổng quát:                        2 H2 + O2  => 2 H2O + năng lượng (điện)     (15.12)


Pin nhiên liệu alkali đã từng được NASA chọn sử dụng trong các chương trình không gian như đội tàu Con Thoi và các phi thuyền Apollo, chủ yếu bởi vì năng lượng sinh ra đạt hiệu suất đến 70%. Điều thú vị là, không chỉ cung cấp năng lượng dưới dạng điện năng, pin nhiên liệu alkali còn cung cấp nước uống cho các phi hành gia. Nó đòi hỏi nhiên liệu hydrogen tinh khiết và chất xúc tác điện cực bằng Platin (bạch kim). Vì thế mà pin nhiên liệu alkali vẫn còn khá đắt đỏ để thương mại hóa cho các sản phẩm thông thường. Tuy nhiên, một số công ty đang tìm cách giảm giá thành và tăng tính đa dụng của loại pin nhiên liệu này.

Tháng 7/1998, công ty “xe cộ không phát thải” ZEVCO (the Zero Emission Vehicle Company) đã tung ra chiếc taxi mẫu đầu tiên tại London nước Anh . Chiếc taxi sử dụng một bộ pin nhiên liệu alkali 5kW, chất xúc tác cobalt được thay cho bạch kim (platin) để giảm chi phí, xe chạy không sinh ra khí độc và vận hành rất êm, gần như không gây tiếng động như những taxi chạy bằng động cơ đốt trong thông thường.

        b) MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell) - pin nhiên liệu muối carbonate nóng chảy.

MCFC dùng các muối carnonate của Na và Mg ở nhiệt độ cao làm chất điện phân. Hiệu suất pin đạt từ 60 đến 80%, vận hành ở nhiệt độ khoảng 6500C. Các đơn vị có công suất đầu ra 2 MW được kết hợp với nhau và có thể thiết kế cho công suất đến 100 MW. MCFC dùng chất xúc tác điện cực nikel nên không đắt lắm so với xúc tác điện cực bạch kim của AFC. Tuy nhiên, nhiệt độ cao cũng có mặt hạn chế về vật liệu và an toàn. Bên cạnh đó, ion carbonate từ chất điện phân sẽ bị sử dụng hết trong phản ứng, đòi hỏi phải tiếp thêm khí carbonic bù vào.

Phản ứng trên anode:         CO32- + H2 => H2O + CO2 + 2e-                           (15.13)

Phản ứng trên cathode:       CO2+ ½ O2 + 2e- => CO32-                                 (15.14)

____________________________________________________________________

Tổng quát: H2(k) + ½ O2(k) + CO2 (cathode) =>  H2O(k) + CO2 (anode)+ điện năng (15.15)

Pin nhiên liệu MC vận hành ở nhiệt độ khá cao, vì thế đa số các ứng dụng của nó là các nhà máy, trạm phát điện lớn (ứng dụng tĩnh). Nhiệt độ cao của quá trình vận hành có thể được tận dụng tạo nên thêm một nguồn năng lượng bổ sung từ nhiệt thừa để sưởi ấm, dùng cho các quá trình công nghiệp hay động cơ hơi nước sinh ra thêm điện năng. Nhiều nhà máy nhiệt điện chạy bằng gas đã áp dụng hệ thống này, gọi là cogeneration (phát điện kết hợp). Nhật Bản, Hoa Kỳ đã ứng dụng công  nghệ này, xây dựng các nhà máy điện pin nhiên liệu MC từ thập kỉ 90 của thế kỉ trước.

        c) PAFC (Phosphoric Acid Fuel Cell) – pin nhiên liệu axit phosphoric.

PAFC dùng axit phosphoric làm chất điện phân, cơ chế phản ứng như sơ đồ (15.7)-(15.9). Hiệu suất pin có thể đạt từ 40 đến 80%, và nhiệt độ vận hành nằm trong khoảng 150 đến 200 độ C. Các pin nhiên liệu PAFC hiện tại có công suất đến 200 kW, và thậm chí 11 MW đã được thử nghiệm. PAFC có thể chịu được nồng độ CO khoảng 1,5%, do đó mở rộng khoảng chọn lựa loại nhiên liệu mà chúng có thể sử dụng. PAFC đòi hỏi điện cực bạch kim, và các bộ phận bên trong phải chống chịu được ăn mòn axit.

PAFC được phát triển, kiểm tra thực nghiệm từ giữa thập kỉ 60 và 70 của thế kỉ trước, là dạng pin nhiên liệu đầu tiên được thương mại hóa trên thị trường nên đến ngày nay PAFC đã có được nhiều cải tiến đáng kể nhằm giảm chi phí và tăng tính ổn định, chất lượng hoạt động. Hệ thống PAFC thường được cài đặt cho các tòa nhà, khách sạn, bệnh viện, các thiết bị điện (các ứng dụng tĩnh tương đối lớn) và công nghệ này đã được phổ biến ở Nhật Bản, châu Âu và Hoa Kỳ.

       d) PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell) – pin nhiên liệu màng trao đổi proton.

PEMFC, (còn gọi là “Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell” - pin nhiên liệu màng điện phân polymer) có cơ chế phản ứng như sơ đồ (15.7)-(15.9). Pin nhiên liệu PEM hoạt động với một màng điện phân bằng plastic mỏng. Hiệu suất pin từ 40 đến 50%, và vận hành ở nhiệt độ thấp, chỉ chừng 800C. Công suất dòng ra khá linh hoạt có thể chỉ là 2 kW cho các ứng dụng nhỏ, di động hay cả trong khoảng từ 50 đến 250 kW cho các ứng dụng tĩnh lớn hơn. Vận hành ở nhiệt độ thấp nên PEM thích hợp cho các ứng dụng trong gia đình và xe cộ. Tuy nhiên, nhiên liệu cung cấp cho PEM đòi hỏi phải được tinh sạch (không lẫn nhiều tạp chất) và PEM cũng cần xúc tác bạch kim đắt tiền ở cả hai mặt màng điện phân, gia tăng chi phí.

PEMFC lần đầu tiên được sử dụng vào thập kỉ 60 của thế kỉ trước trong chương trình không gian Gemini của  NASA, đến nay pin nhiên liệu PEM đã được phát triển với những hệ thống công suất thông thường từ 1 W đến 2 kW. Người  ta tin rằng PEMFC sẽ là dạng pin nhiên liệu thích hợp nhất cung cấp năng lượng cho các xe cộ, phương tiện giao thông, và cuối cùng về lâu dài sẽ thay thế các động cơ đốt trong chạy bằng xăng dầu, diesel. So với các dạng pin nhiên liệu khác, PEMFC sinh ra nhiều năng lượng hơn với cùng một thể tích hay khối lượng nhiên liệu cho trước. Hơn nữa, nhiệt độ vận hành dưới 1000C cho phép khởi động nhanh. Những ưu điểm này cùng với khả năng thay đổi linh hoạt, nhanh chóng công suất đầu ra đã làm cho pin nhiên liệu PEM trở thành ứng cử viên hàng đầu cho các loại xe hơi hay những ứng dụng di động khác như máy tính xách tay…v.v.

Mặt khác, do chất điện phân là vật liệu rắn (màng), chứ khôn phải là chất lỏng như những dạng pin nhiên liệu khác, việc nút kín các khí phát ra từ điện cực cũng đơn giản hơn và do đó làm giảm chi phí sản xuất. Màng điện phân rắn cũng ít gặp khó khăn trong khi vận hành, ít bị ăn mòn hơn so với các dạng chất điện phân khác, dẫn đến kéo dài tuổi thọ của pin hơn.

       e) SOFC (Solid Oxide Fuel Cell) – pin nhiên liệu oxit rắn

SOFC sử dụng một hợp chất oxit kim loại rắn (như calcium hay zỉconium) làm chất điện phân. Hiệu suất đạt được khoảng 60% và vận hành ở nhiệt độ từ 6000C đến  cả 10000C. Được phát triển từ cuối những năm 50 của thế kỉ trước, đây là dạng pin nhiên liệu vận hành ở nhiệt độ cao nhất hiện nay. Nhiệt độ cao cho phép pin có thể sử dụng được nhiều loại nhiên liệu đầu vào, như khí thiên nhiên, sinh khối hydrocarbon (trích xuất lấy hydrogen trực tiếp mà không cần phải qua chuyển hóa nhiệt). Công suất đầu ra của pin đến 100 kW. Vận hành ở nhiệt độ cao như vậy, chất điện phân là vật liệu oxit rắn, mỏng và cho phép ion oxygen (O2-) đi qua.

Phản ứng trên anode:         2 H2 + 2 O2- => 2 H2O + 4 e-                    (15.16)

Phản ứng trên cathode:       O2 + 4e-  => 2 O2-                                  (15.17)

__________________________________________________________

Tổng quát:                        2 H2 + O2  =>  2 H2O + năng lượng (điện)    (15.18)

Cũng giống như pin nhiên liệu muối carbon nóng chảy, do vận hành ở nhiệt độ khá cao như vậy nên dạng pin nhiên liệu này thường ứng dụng giới hạn trong các hệ thống tĩnh khá lớn và nhiệt thừa có thể được tái tận dụng để tạo thêm nguồn điện bổ sung.

5 dạng pin nhiên liệu trên đã được ứng dụng trên thực nghiệm từ lâu. Ngoài ra, một số dạng pin nhiên liệu khác hứa hẹn nhiều triển vọng vẫn đang còn trong những bước đầu giai đoạn nghiên cứu cũng sẽ được tiếp tục giới thiệu dưới đây.

       f) DMFC (Direct Methanol Fuel Cell) – pin nhiên liệu dùng methanol trực tiếp

Dù công nghệ vẫn mới chỉ chập chững ở những bước ban đầu nhưng đã thể hiện được một số thành công trong những ứng dụng như điện thoại di động và máy tính xách tay (laptop), đem lại triển vọng đầy tiềm năng cho tương lai. DMFC tương tự như PEMFC ở chỗ chất điện phân là polymer và điện tích vận chuyển là ion hydrogen (proton). Tuy nhiên, với DMFC, methanol lỏng (CH3OH) bị oxygen hóa trong nước ở anode, sinh ra khí carbonic, ion hydrogen đi qua chất điện phân và phản ứng với oxygen từ không khí và các electron từ dòng điện tạo thành nước ở anode, hoàn thành chu trình.

Phản ứng trên anode:     CH3OH + H2O => CO2 + 6 H+ + 6e-                 (15.19)

Phản ứng trên cathode:  3/2 O2 + 6 H+ + 6e- => 3 H2O                       (15.20)

____________________________________________________________________

Tổng quát:                CH3OH + 3/2 O2 => CO2 + 2 H2O + năng lượng (điện)     (15.21)

Khi mới bắt đầu phát triển từ đầu những năm 90 của thế kỉ trước, DMFC lúc ấy chưa được chú ý nhiều bởi hiệu suất và mật độ năng lượng thấp cũng như một số vấn đề khác. Tuy nhiên những cải tiến trong chất xúc tác và những phát triển gần đây đã gia tăng mật độ năng lượng lên gấp 20 lần và hiệu suất cuối cùng đã có thể đạt được đến 40%.

DMFC đã được thử nghiệm ở khoảng nhiệt độ từ 500C-1200C. Với nhiệt độ vận hành thấp và không đòi hỏi phải qua bước chuyển hóa thành hydrogen mà có thể dung trực tiếp nhiên liệu methanol, DMFC trở thành ứng cử viên sáng giá cho các ứng dụng cỡ từ rất nhỏ đến trung bình như điện thoại di động và các sản phẩm tiêu dùng khác.

Một trong những nhược điểm của DMFC đó là nhiệt độ vận hành thấp đòi hỏi chất xúc tác phải hiệu lực hơn, có nghĩa lượng xúc tác bạch kim đắt đỏ cần dùng cũng lớn hơn so với dạng PEMFC thông thường. Ngoài ra, methanol còn là một chất độc. Vì thế mà một số công ty đã bắt tay vào việc phát triển các pin nhiên liệu sử dụng ethanol trực tiếp (DEFC – direct ethanol fuel cell). Hiệu suất của DEFC hiện nay mới chỉ khoảng một nửa so với DMFC, nhưng dự đoán khoảng cách này sẽ ngày càng được rút ngắn trong tương lai.

      g) RFC (Regenerative Fuel Cell) – pin nhiên liệu tái sinh.

RFC là một hệ thống vận hành thành một chu trình kín và có thể trở thành nền tảng cơ bản cho nền kinh tế hydrogen dựa trên các nguồn năng lượng tái tạo. Pin nhiên liệu sinh ra điện năng, nhiệt và nước từ hydrogen và oxygen sẽ được sử dụng khắp nền kinh tế, cung cấp năng lượng cho các nhà máy, xe cộ, phương tiện giao thông vận chuyển và cho các nhu cầu dân dụng của hộ gia đình. Hydrogen được sinh ra từ điện phân nước, tách nước thành hai thành phần hydrogen và oxy; quá trình sử dụng năng lượng tái tạo từ các nguồn tự nhiên như gió, mặt trời hay địa nhiệt.

Một hệ thống như vậy sẽ không đòi hỏi bất cứ dạng pin nhiên liệu chuyên biệt nào, nhưng sẽ cần có một cơ sở hạ tầng để phân phối hydrogen đến các pin nhiên liệu để sử dụng. Tuy nhiên hiện tại chúng ta vẫn chưa có được một cơ sở hạ tầng để phân phối hydrogen như vậy.

NASA đang tiến hành dự án phát triển một hệ thống pin nhiên liệu tái sinh nhẹ và hiệu quả để  sử dụng trên chiếc máy bay tên là Helios có thể bay ở độ cao hơn 30 km. Chiếc máy bay trước đây chạy bằng các panel năng lượng mặt trời. Mục tiêu của dự án là tích hợp cả hai hệ thống năng lượng mặt trời và pin nhiên liệu tái sinh.

Hệ thống pin mặt trời sẽ cung cấp năng lượng cho máy bay suốt ban ngày và sinh ra nguồn hydrogen bổ sung, hydrogen được lưu trữ để cung cấp cho pin nhiên liệu sử dụng vào ban đêm. Một hệ thống như vậy dùng hoàn toàn năng lượng sạch và bền vững, có thể giúp chuyến bay kéo dài được trong nhiều ngày. 

       h) ZAFC (Zinc-Air Fuel Cell) – pin nhiên liệu kẽm/không khí

ZAFC vừa có những đặc tính của pin nhiên liệu vừa mang những tính chất của pin ắc quy. Chất điện phân trong ZAFC là chất sứ rắn dùng ion hydroxyl (OH-) làm chất mang điện tích. Để đạt được hiệu suất điện/nhiên liệu cao vớI các nhiên liệu hydrocarbon và một độ dẫn cao cho chất mang điện tích, ZAFC vận hành ở 7000C. Điện cực dương, anode, được làm từ kẽm và được cung cấp hydrogen hay thậm chí cả các hydrocarbon. Điện cực âm, cathode, được tách khỏi nguồn không khí cấp vào nhờ một điện cực phân tán khí GDE (gas diffusion electrode), một màng thẩm thấu cho phép oxygen không khí đi qua. Ở cực âm, oxygen phản ứng với hydrogen để tạo nên ion hydroxyl và nước.

Phản ứng trên anode:         CH4 + H2O =>  CO2 + 6 H+ + 6e-               (15.22)

Zn + OH-  =>  ZnO + H + e-                     (15.23)

Phản ứng trên cathode:       O2 + 2 H+  + 2e-  =>  2 OH-                     (15.24)

O2 + 4 H+  + 4e-  =>  2 H2O                     (15.25)

____________________________________________________________________

Tổng quát:              CH4 + 2 O2  =>  CO2 + 2 H2O + năng lượng (điện)  (15.26)

Nhiệt độ vận hành cao của ZAFC làm cho nó có khả năng chuyển hóa nhiệt hydrocarbon trực tiếp, không cần một thiết bị chuyển hóa bên ngoài để tạo ra hydrogen. Một thuận lợi khác của việc hoạt động ở nhiệt độ cao này đó là  nhiệt thừa có thể được tận dụng để tạo ra hơi nước áp suất cao, hữu ích cho nhiều ứng dụng công nghiệp và thương mại.

Chất điện phân của ZAFC cũng có một số ưu điểm trội hơn so với các chất điện phân khác. Nó không đòi hỏi nước bão hòa như màng polymer của PEMFC và do vậy không bị khô đi hết nên không cần các thiết bị để kiểm tra giám sát độ ẩm ở hai điện cực. Hơn nữa, vì là chất rắn, sự rò rỉ chất điện phân cũng không xảy ra như với các chất điện phân lỏng. Tuy nhiên, do điện cực dương bằng kẽm sẽ bị hao mòn nên bộ phận này thỉnh thoảng cần được thay thế.

Bảng 1. So sánh các dạng pin nhiên liệu chính
(Nguồn: Types of fuel cell: http://www.eere.energy.gov/hydrogenandfuelcells/fuelcells/fc_types.html)

Dạng pin nhiên liệu	PEMFC	AFC	PAFC	MCFC	SOFC
Chất điện phân	Polymer hữu cơ rắn	Dung dịch kiềm	Dung dịch axit phosphoric	Muối carbonate nóng chảy của Li, Na và K	Oxit zirconium rắn
Nhiệt độ vận hành	60-1000C	90-1000C	175-2000C	600-10000C	600-10000C
Lĩnh vực ứng dụng	-Thiết bị điện cầm tay (di động, nhỏ) -Giao thông vận tải (xe cộ)	-Quân sự -Không gian	-Thiết bị điện -Giao thông vận tải	-Trạm phát điện (lớn)	-Trạm phát điện (lớn)
Ưu điểm	-Chất điện phân là rắn nên giảm thiểu những vấn đề ăn mòn và bảo trì. - Nhiệt độ vận hành thấp nên có thể được sử dụng rộng rãi cho các ứng dụng thông thường. - Khởi động nhanh	- Phản ứng ở cathode nhanh hơn trong chất điện phân kiềm	- Đạt hiệu suất lên đến 85% khi kết hợp phát điện và nhiệt (cogeneration) - Có thể sử dụng nhiên liệu không tinh khiết (lẫn tạp chất)	-Hiệu suất cao -Có thể dùng được nhiều loại nhiên liệu đầu vào khác nhau (linh hoạt) -Có thể dùng được các loại xúc tác khác nhau	-Hiệu suất cao -Có thể dùng được nhiều loại nhiên liệu đầu vào khác nhau (linh hoạt) -Có thể dùng được các loại xúc tác khác nhau -Chất điện phân là rắn nên giảm thiểu những vấn đề ăn mòn và bảo trì.
Nhược điểm	-Nhiệt độ thấp đòi hỏi xúc tác đắt tiền -Nhạy cảm cao với tạp chất của nhiên liệu (nếu có)	-Tốn chi phí cho việc khử CO2 khỏi nhiên liệu và dòng không khí	-Đòi hỏi xúc tác bạch kim (Platinium) -Cho dòng điện cường độ thấp -Nặng, kích cỡ to lớn	-Nhiệt độ cao làm tăng ăn mòn và có thể làm giòn vỡ cấu trúc của pin	-Nhiệt độ cao làm tăng ăn mòn và có thể làm giòn vỡ cấu trúc của pin

8. Viễn cảnh nền kinh tế hydrogen (hydrogen economy)

Chúng ta đang đứng trên ngưỡng cửa của buổi giao thời trọng đại, chuyển tiếp sang một thời kì năng lượng mới đa dạng hóa hơn. Cộng đồng quốc tế đã nhận ra hydrogen là một thành phần chủ chốt cho một hệ thống năng lượng sạch và bền vững. Hydrogen sẽ là chất mang năng lượng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực từ phát điện, đến vận tải, công nghiệp, dân dụng và thương mại. Trong tương lai, khi công nghệ đã hoàn thiện dần, hydrogen sẽ được sản xuất chủ yếu từ các công nghệ sạch như điện phân từ các nguồn tái tạo, hay chuyển hóa nhiệt từ các nguyên liệu hóa thạch ban đầu nhưng cùng với kỹ thuật thu hồi carbon. Hydrogen có thể được lưu trữ, chuyên chở bằng các phương tiện vận tải hay trong các đường ống dẫn khí, và được sử dụng trong pin nhiên liệu, động cơ, để tạo ra dòng điện mà không thải khí ô nhiễm và chỉ có nước là sản phẩm phụ chủ yếu.

Trước mắt và trong tương lai gần, hydrogen hầu như sẽ được sản xuất từ khí thiên nhiên bằng công nghệ chuyển hóa nhiệt quen thuộc. Các công nghệ còn đang trong giai đoạn hoàn thiện và phát triển dần hiện nay như sản xuất hydrogen bằng điện phân dùng năng lượng tái tạo, hay trực tiếp từ phương pháp quang sinh học, cùng với công nghệ than sạch… Tất cả sẽ ngày càng trở nên “chi phí – hiệu quả” hơn và góp phần hình thành một hệ thống sản xuất hydrogen nội địa đa dạng phong phú. Một trong những thế mạnh của hydrogen chính là ở chỗ nó có thể sản xuất được từ nhiều nguồn như vậy. Mỗi khu vực, tùy điều kiện của mình có thể có những cách kết hợp các nguồn khác nhau để tạo ra hydrogen. Cơ sở hạ tầng cho hệ thống lưu trữ, phân phối hydrogen cần được xây dựng dần. Nó có thể dựa trên những công nghệ tiên tiến về xây dựng đường ống dẫn dầu khí hiện tại.

Chúng ta có thể sử dụng hydrogen trong các động cơ đốt trong, tương tự như các động cơ trong các phương tiện giao thông dùng xăng dầu hiện nay, chỉ với một số thay đổi nhỏ về cấu trúc. Hydrogen cháy sạch hơn (không thải, sản phầm phụ chỉ là nước) và hiệu quả hơn xăng dầu thông thường, do đó các động cơ đốt trong dùng hydrogen đã và đang dần trở thành hiện thực trong bước chuyển tiếp công nghệ này.

Quan trọng hơn, đó là ứng dụng của hydrogen làm nhiên liệu cho pin nhiên liệu, một công nghệ đầy triển vọng trong tương lai. Về cơ bản, pin nhiên liệu hydrogen vận hành tương tự như quá trình nghịch của phản ứng điện phân: khí hydrogenvà oxygen từ không khí kết hợp với nhau trong một phản ứng điện hóa có xúc tác để tạo nên dòng điện và nước sinh ra tinh khiết đến nỗi có thể uống được. Bên cạnh ưu điểm là không thải khí ô nhiễm, pin nhiên liệu còn vận hành êm ả, không gây chấn động hay tiếng động và có thể đạt được hiệu suất cao gấp hai đến ba lần động cơ đốt trong. Pin nhiên liệu còn có thể được kết nối từ nhiều module khác nhau nên có thể tạo được công suất đầu ra linh hoạt như ý muốn. Hơn nữa, pin nhiên liệu cũng có nhiều loại, nên nó có thể có nhiều kiểu ứng dụng phong phú khác nhau, từ các ứng dụng di động nhỏ như laptop - máy tính xách tay (50- 100 W) hay đến cả các trạm phát điện lớn với công suất cả trăm MW (1-200 MW). Một khi những công nghệ pin nhiên liệu trở nên hoàn thiện, chúng có thế được sản xuất và ứng dụng trực tiếp ngay trong các hộ gia đình, các thiết bị văn phòng, công nghiệp. Mặc dù tiềm năng pin nhiên liệu có thể phục vụ cho gần như mọi mặt của nền kinh tế, hiện tại, nó vẫn còn tương đối đắt đỏ so với động cơ đốt trong thông thường. Pin nhiên liệu cần phát triển hơn nữa, nâng cao độ bền và giảm giá thành để có thể ứng dụng rộng rãi trên thực tế.

Bước chuyển tiếp sang nền kinh tế hydrogen sẽ cần có thời gian và phải trải qua nhiều giai đoạn. Các giai đoạn được xác định bởi những tiến bộ về công nghệ và sự chấp nhận của thị trường. Thêm vào đó, việc giáo dục về an toàn hydrogen cũng cần được nỗ lực xúc tiến để đảm bảo và thuyết phục cộng đồng sẵn sàng cho hydrogen ngày càng trở nên phổ biến hơn. Nhà nước - chính phủ, công nghiệp và cộng đồng, tất cả sẽ đóng những vai trò quan trọng quyết định.

Nhà nước sẽ là người hỗ trợ chính cho việc nghiên cứu và phát triển công nghệ, cũng như trong việc phát triển các quy định luật pháp và tiêu chuẩn an toàn cho việc sử dụng hydrogen.  Nhà nước cũng có thể sử dụng chính sách kích thích thị trường và khuyến khích các công nghệ năng lượng hydrogen. Vai trò của nền công nghiệp là xác định khi nào các công nghệ đã sẵn sàng cho bước chuyển tiếp vào thị trường, và thiết lập nên cơ sở sản xuất để cung cấp các thành phần của công nghệ. Công nghiệp cùng với cộng đồng, sẽ xác định những đòi hỏi của người tiêu dùng và sự chấp nhận của thị trường đối với các công nghệ này.

Bước chuyển tiếp sẽ đòi hỏi những nỗ lực đầu tư đáng kể ban đầu. Tuy nhiên, kết quả đạt được sẽ là một nền kinh tế ổn định và bền vững, sử dụng những nguồn tài nguyên tái tạo được sẵn có của địa phương để cung cấp nguồn điện năng và nhiên liệu sạch đáp ứng cho các nhu cầu năng lượng của chúng ta.

Phụ lục - Thế giới hướng đến nền kinh tế hydro

Các nước trên thế giới đã bắt đầu lưu tâm đến hydrogen và xem nó như là giải pháp then chốt cho những vấn đề lâu dài về bảo đảm an ninh năng lượng, bảo vệ môi trường và phát triển kinh tế của mình. Để nền kinh tế hydrogen trong lý tưởng sớm trở thành hiện thực, những hợp tác quốc tế trên mọi mặt của việc phát triển năng lượng hydrogen, từ nghiên cứu công nghệ đến ứng dụng, đều rất quan trọng. Phần phụ lục dưới đây nhằm tóm lược những nỗ lực trên toàn cầu đang diễn ra nhằm hướng đến hydrogen như một triển vọng tiềm năng cho nhu cầu năng lượng trong tương lai của thế giới.

1. Cơ quan năng lượng quốc tế - International Energy Agency (IEA)

IEA được thành lập từ cuộc khủng hoảng dầu mỏ đầu tiên trong những năm 1970, như là một tổ chức liên chính phủ hoạt động nhằm bảo đảm nguồn cung cấp năng lượng, phát triển kinh tế và bền vững môi trường thông qua những nỗ lực hợp tác. Hơn hai mươi năm qua, IEA đã hỗ trợ các hoạt động tập trung vào phát triển các công nghệ năng lượng tiên tiến. Nhằm thúc đẩy việc thực hiện các nghiên cứu này, một số hiệp định thi hành (The Implementing Agreements) của IEA đã hướng đến nghiên cứu các phát minh mới trong công nghệ hydrogen và phát triển nó trong mọi mặt của nền kinh tế. Các hiệp định thi hành này nhằm vào các lĩnh vực chính như: công nghệ, an ninh năng lượng, môi trường, kinh tế, thị trường, triển khai…

2. Hiệp hội quốc tế vì một nền kinh tế hydrogen - International Partnership for a Hydrogen Economy (IPHE)

Tháng 11 năm 2003, bộ trưởng năng lượng của 16 nước, đại diện cho 85% tổng sản lượng quốc nội (GDP) của toàn cầu đã họp lại thành lập nên IPHE, một nỗ lực quốc tế quan trọng nhằm tối đa hóa các cộng tác liên kết giữa các nước và xúc tiến chia sẻ các kết quả, kinh nghiệm nghiên cứu trong công nghệ hydrogen.

3. Ủy ban kỹ thuật về công nghệ hydrogen của tổ chức tiêu chuẩn quốc tế - International Organization for Standardization (ISO) Technical Committee on Hydrogen Technologies

Ủy ban kỹ thuật về công nghệ hydrogen của ISO, tập trung vào việc chuẩn hóa hệ thống và các thiết bị sản xuất, lưu trữ, vận chuyển, đo lường và sử dụng hydrogen. 15 nước tham gia đã cùng thảo luận, làm việc để hướng đến phát triển những quy định thống nhất và các tiêu chuẩn cho hydrogen. ISO cũng phát hành những báo cáo kỹ thuật về vấn đề an toàn liên quan đến sử dụng hydrogen với mục tiêu cải tiến các phương pháp an toàn và góp phần vào việc ứng dụng thành công hydrogen như nguồn năng lượng cung cấp cho các hộ gia đình, văn phòng để sưởi ấm, phát điện và trong giao thông vận tải.

4. Châu Âu

Các chính phủ và các ngành công nghiệp khắp châu Âu đã tích cực chú tâm đến việc phát triển công nghệ hydrogen và pin nhiên liệu từ năm 1988, khi gần 8 triệu Euro tương đương lúc bấy giờ được cung ứng để hỗ trợ cho các nghiên cứu này trong giai đoạn 4 năm. Mới đây, chủ tịch ủy ban châu Âu, Romano Prodi đã công bố một chiến lược 2 tỉ Euro được dự thảo nhằm đưa công nghệ hydrogen, gồm cả pin nhiên liệu phổ biến rộng rãi hơn với quy mô thương mại lớn, cũng như cam kết rằng đến 2050, nguồn cung cấp hydrogen cho châu Âu sẽ dựa trên các nguồn tái tạo được. Tháng 11 năm 2003, ủy ban châu Âu đã tung ra “Sáng Kiến cho Phát Triển của Châu Âu” (the European Initiative for Growth), một sáng kiến trị giá 2,8 tỉ Euro billion, trong đó dự đoán một chương trình 10 năm cho các nghiên cứu liên quan đến hydrogen, sản xuất và ứng dụng. Nó cũng bao gồm cả “Cương Lĩnh về Công Nghệ Hydrogen và Pin Nhiên Liệu của Châu Âu” (the European Hydrogen and Fuel Cell Technology Platform).

Hiện tại, liên minh châu Âu đã có hơn 70 dự án nghiên cứu và phát triển đang tiến hành bởi chính phủ, các trường đại học và giới công nghiệp. Đặc biệt, khối EU đã cam kết hỗ trợ cho dự án Giao Thông Đô Thị Sạch của châu Âu (the Clean Urban Transport for Europe - CUTE)25. Là một trong những dự án lớn nhất trên thế giới về công nghệ hydrogen và pin nhiên liệu, CUTE sẽ giới thiệu một đoàn gồm 27 xe buýt chạy bằng hydrogen phục vụ tại chín thành phố châu Âu. Dự án này cũng đòi hỏi phát triển cơ sở hạ tầng và mạng lưới phân phối hỗ trợ cho đoàn xe. Thủ đô Madrid của Tây Ban Nha là nơi chiếc xe buýt đầu tiên của dự án CUTE đã đi vào hoạt động từ tháng 6 năm 2003. Trong năm đầu tiên, nó đã chạy hơn 6000 dặm và chuyên chở hơn 30000 hành khách.

Song song với dự án CUTE, ECTOS (Ecological City TranspOrt System) - hệ thống giao thông đô thị sinh thái, là một dự án khác của khối EU, thử nghiệm ba chiếc xe buýt Citaro dùng pin nhiên liệu ở Reykjavik, thủ đô Iceland. Iceland (Ai-xơ-len) đã đặt ra mục tiêu trở thành đất nước có nền kinh tế hydrogen đầu tiên trên thế giới. Với lợi thế có nguồn địa nhiệt và thủy điện phong phú, đến năm 2005, Iceland đã có kế hoạch bắt đầu vận hành những đội xe buýt nhỏ chạy bằng pin nhiên liệu hydrogen dùng hydrogen sản xuất bởi điện phân nước từ các nguồn tái tạo được này.

5. Bắc Mỹ

Hoa Kỳ đã bắt đầu nghiên cứu, phát triển hydrogen từ những năm cuối thập kỉ 1950 khi hydrogen lỏng lần đầu tiên được NASA sử dụng làm nhiên liệu cho các phi thuyền không gian. Suốt cuộc khủng hoảng dầu mỏ thập kỉ 1970, cơ quan Năng Lượng của Hoa Kỳ, (Department of Energy - DOE) đã được thành lập, tập trung chú ý vào nghiên cứu tìm kiếm các nguồn năng lượng thay thế, trong đó có công nghệ hydrogen và sau đó, chương trình Hydrogen của DOE đã được hình thành phục vụ cho nghiên cứu và phát triển công nghệ này. Năm 1990, quốc hội Hoa Kỳ đã thông qua đạo luật nghiên cứu, phát triển hydrogen Spark M.Matsunaga, trong đó quy định đưa vào hiện thực một kế hoạch nghiên cứu và phát triển hydrogen trong nước Hoa Kỳ. Năm 2002, DOE cũng đã công bố chương trình Freedom CAR (Cooperative Automotive Research), nhằm làm giảm sự phụ thuộc của nước Hoa Kỳ vào nguồn dầu mỏ nhập khẩu bằng các công nghệ tiên tiến tạo ra các loại xe cộ chạt bằng pin nhiên liệu hydrogen (fuel cell vehicles - FCVs). Bên cạnh đó, để đảm bảo cơ sở hạ tầng cần thiết cho phép FCVs thành công trên thị trường, chính phủ Hoa Kỳ đã tuyên bố một nỗ lực phát triển nhiên liệu hydrogen năm 2003. Trong vòng hơn 5 năm tới, những chương trình này sẽ hỗ trợ 1,7 tỉ đô la cho việc phát triển các phương tiện giao thông, xe cộ chạy bằng hydrogen và pin nhiên liệu hay kết hợp xăng và điện (xe hybrid).

Canada cũng đã tiến hành chương trình phát triển nghiên cứu hydrogen cấp quốc gia (the Canadian National Hydrogen R&D Program - CNHP) qua trung tâm công nghệ năng lượng CANMET. Mục tiêu của nó là phát triển và đánh giá hệ thống hydrogen cho các ứng dụng tĩnh và vận tải, đặc biệt là các ứng dụng ngoài mạng lưới điện quốc gia (off-grid) cho các vùng xa xôi hẻo lánh của Canada. Tháng tư năm 2004, chính phủ Canada đã tuyên bố tài trợ cho thương hiệu Xa Lộ Hydrogen Canada (the Canadian Hydrogen Highway™) được xây dựng giữa Vancouver và Whistler, British Columbia. Thêm vào đó, 5 triệu đô la sẽ được tài trợ cho ba dự án khác, bao gồm dự án xe pin nhiên liệu Vancouver (the Vancouver Fuel Cell Vehicle Project), dự án phát triển van áp suất cao cho hydrogen (the Hydrogen High-Pressure Valve Development Project) và dự án xe tải phân phối hàng chạy bằng nhiên liệu hydrogen (the Hydrogen-Powered Delivery Van Project).

6. Nam Mỹ – Brazil

Cùng với ngành công nghiệp và các trường đại học, bộ khoáng sản và năng lượng đang lãnh đạo một chương trình nhằm phát triển lộ trình quốc gia cho bước chuyển tiếp sang nền kinh tế hydrogen ở Brazil. Ở khu vực trung tâm São Paulo, chính quyền Brazil đang khuyến khích việc phát triển và sử dụng các xe buýt chạy bằng pin nhiên liệu. Chính phủ Brazil hy vọng rằng dự án này sẽ cung cấp những kinh nghiệm giá trị và làm tăng nhu cầu xe buýt chạy bằng pin nhiên liệu cũng như dọn đường cho công nghệ hydrogen có thể được thương mại hóa trên khắp đất nước Brazil. Hiện tại, Brazil cũng sử dụng khí thiên nhiên và ethanol làm nhiên liệu cho các phương tiện giao thông công cộng ở một số thành phố lớn khác như Rio de Janeiro.

7. Châu Á – Thái Bình Dương

Khối hợp tác kinh tế châu Á –Thái Bình Dương (APEC) có 21 thành viên gồm cả Úc, Hoa Kỳ, Philippines, Malaysia và Nhật Bản, hiện nay đang chú trọng hydrogen như là một giải pháp tiềm năng về lâu dài cho nhu cầu năng lượng ngày càng tăng. Các thành viên APEC đại diện cho hơn một phần ba của dân số toàn cầu (2,6 tỉ người) với GDP xấp xỉ 60% của thế giới và chiếm 47% thị phần thương mại quốc tế. Mới đây, tài liệu khung tạm thời về hydrogen và pin nhiên liệu đã được phát triển, xác định cơ hội cho APEC hoạt động cùng với IEA và IPHE hướng đến việc phát triển một chương trình hỗ trợ cho các vấn đề về chính sách và luật pháp, cũng như cùng hợp tác để thống nhất các quy định, tiêu chuẩn.

Nhật Bản đã nghiên cứu công nghệ pin nhiên liệu hydrogen từ những năm đầu thập kỉ 1980, và là quốc gia dẫn đầu trong nghiên cứu và phát triển công nghệ này. Năm 1992, Nhật Bản đã thiết lập nên Mạng Lưới Năng Lượng Sạch Quốc Tế Sử Dụng Hydrogen (the International Clean Energy Network Using Hydrogen Conversion (WE-NET in Japanese), một chương trình 10 năm được thiết kế tập trung nghiên cứu và phát triển những công nghệ hydrogen cơ bản. Ngày nay, chương trình WE-NET này đã được thay thế bằng Dự Án Hydrogen Mới (New Hydrogen Project – NHP) của bộ kinh tế-thương tại và công nghiệp Nhật Bản. Mục tiêu của họ là tạo điều kiện cho việc thương mại hóa pin nhiên liệu hydrogen được thuận tiện.

Chuẩn bị cho Thế Vận Hội Olympic 2008 tại Bắc Kinh, ban Thư Kí Năng Lượng Hoa Kỳ, bộ trưởng bộ Khoa Học - Công Nghệ Trung Quốc và phó thị trưởng thành phố Bắc Kinh đã thiết lập nghị định thư Olympic Xanh (the Green Olympic Protocol), một hiệp ước tập trung vào việc sử dụng các công nghệ năng lượng sạch, bao gồm các xe buýt chạy bằng hydrogen ở Bắc Kinh trong suốt thời gian diễn ra Thế Vận Hội 2008. Một hội thảo đã được tổ chức vào tháng 5 năm 2004 với sự tham gia của các tổ chức công nghiệp, trường đại học và đại diện của chính phủ về vai trò của hydrogen trong nền kinh tế Trung Quốc.

Mới đây, Hàn Quốc cũng đã bắt đầu phác thảo các kế hoạch chính sách năng lượng chiến lược với mục tiêu không còn phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch và đạt đến nền kinh tế hydrogenvào năm 2040. Chính phủ Hàn Quốc đã tuyên bố sẽ chi khoảng 100 tỉ won (99,2 triệu đô la Hoa Kỳ) trong năm 2005 này cho các dự án nghiên cứu và phát triển công nghệ hydrogen và pin nhiên liệu.

Còn ở Úc, một phân ban chuyên về hydrogen cũng đã được lập ra trong Viện Năng Lượng Úc như là một trung tâm hợp tác nghiên cứu về tiềm năng hydrogen của quốc gia này. Sustainable Transport Energy Project là một dự án vận hành ba chiếc xe buýt Citaro dùng pin nhiên liệu ở thành phố Perth, miền Tây Úc.

Ấn Độ cũng hỗ trợ một chương trình nghiên cứu và phát triển hydrogen. Chương trình Năng Lượng Hydrogen của Ấn Độ tập trung vào việc sản xuất, lưu trữ và ứng dụng hydrogen. Chương trình đã tiến hành ứng dụng các thiết bị khí hóa để chuyển đổi sinh khối gỗ thành hydrogen nhằm cung cấp nhiên liệu cho các máy phát điện ở các thôn làng xa xôi hẻo lánh, và ứng dụng hydrogen kết hợp với khí thiên nhiên làm nhiên liệu cho các phương tiện giao thông.

8. Việt Nam và những nghiên cứu đầu tiên

Những nghiên cứu về pin nhiên liệu ở Việt Nam tuy còn rất non trẻ song cũng đã có được một số thành tựu ban đầu.

Cuối năm 2004, TS Nguyễn Mạnh Tuấn cùng các nhà khoa học tại Phân viện Vật lý TP.HCM đã công bố những kết quả nghiên cứu đầu tiên của mình. Loại pin nhiên liệu mà Phân Viện Vật Lý nghiên cứu là pin sử dụng cồn methanol. TS Nguyễn Mạnh Tuấn cho biết ông cùng cộng sự đã hướng đến nhiều hơn việc nghiên cứu pin nhiên liệu sử dụng cồn methanol bởi những ưu điểm của loại pin này như nhiệt độ làm việc thấp, an toàn trong tồn trữ và vận chuyển, thời gian pin hoạt động bền lâu. Quá trình nghiên cứu đã cho ra loại pin nhiên liệu có hiệu suất chuyển hóa điện năng 50%, với 250 ml cồn có thể cấp 600W/giờ điện.

Trong khi đó, mới đây, vào đầu tháng 6/2005, TS Nguyễn Chánh Khê tại Trung tâm Nghiên cứu và Phát triển - Khu công nghệ cao TP.HCM cũng đã công bố nghiên cứu thành công pin nhiên liệu. Loại pin nhiên liệu mà trung tâm nghiên cứu cũng sử dụng cồn làm nhiên liệu. Tuy nhiên, theo ông, thành quả quan trọng là chế tạo được màng trao đổi proton ứng dụng từ vật liệu than nano “lỏng” và nghiên cứu này đã được đăng ký sở hữu trí tuệ thế giới. Ông còn cho biết thêm rằng trong quá trình nghiên cứu ứng dụng than nano “lỏng” vào thành phần của pin, trung tâm cũng đã khám phá hiệu quả xử lý nhiệt của than có khả năng gia tăng tính dẫn điện từ 103 đến 104 lần. Phát hiện này hứa hẹn những phương pháp mới chế tạo than dẫn điện.


Tài liệu tham khảo

1. Các link tài liệu trên trang blog Hydrogen and Fuel Cell
http://hydrogen-fuelcell.blogspot.com/2005/06/hydrogen-mc-lc.html
2. The National Hydrogen Association (U.S.A)
http://www.hydrogenassociation.com/
3. HyNet – The European Thematic Network on Hydrogen
http://www.hynet.info/
4. Hydrogen, Fuel Cells & Infrastructure Technologies Program, U.S Department of Energy, Energy Efficiency and Renewable Energy
http://www.eere.energy.gov/hydrogenandfuelcells/
5. How The Hydrogen Economy Works
http://auto.howstuffworks.com/hydrogen-economy.htm
6. A Basic Overview of Fuel Cell Technology
http://americanhistory.si.edu/fuelcells/basics.htm
7. Powering the Future: Fuel Cells Promise Clean, Reliable Power
http://www.ctcase.org/bulletin/fuelcells.html
8. Types of fuel cells
http://www.fctec.com/fctec_types.asp
9. Common Types of Fuel Cells
http://www.moea.state.mn.us/p2/fuelcells-types.cfm
10. Hydrogen and Fuel Cell – Renewable Energy Policy Project
http://www.crest.org/hydrogen/index.html
11. Hydrogen Economy
http://www.hydrogenassociation.com/H2-Economy-Fact-Sheet.pdf
12. Cơn sốt chế tạo pin nhiên liệu
http://www.vnn.vn/khoahoc/xuhuong/2005/06/452131/
13. Pin nhiên liệu: Những nghiên cứu đầu tiên ở VN
http://www.vnn.vn/khoahoc/trongnuoc/2005/06/452101/
14. Biến nước thải sinh hoạt thành điện năng sạch
http://www.vnn.vn/khoahoc/xuhuong/2004/02/52761/
15. http://www.sciencedaily.com/releases/2005/04/050422165917.htm
16. Than nano "lỏng" made in Viet Nam
http://nguoivienxu.vietnamnet.vn/doisongnvx/hdvktrongnuoc/2005/07/471671/

17. Global Effort: http://www.hydrogenassociation.com/Global-Effort-Fact-Sheet.pdf

Đọc thêm - Các liên kết hữu dụng

1. E-book: The Hydrogen Economy: Opportunities, Costs, Barriers, and R&D Needs (2004), The National Academies Press
http://www.nap.edu/books/0309091632/html/
2. Hydropole – Swiss Hydrogen Association
http://www.hydropole.ch/Hydropole/HYDROPOLE.htm
3. Bellona Report, "Hydrogen - Status and possibilities" (2002)
http://www.bellona.no/en/energy/hydrogen/report_6-2002/index.html
4. Fuel Cell Today
http://www.fuelcelltoday.com/
5. The Hydrogen Economy
http://www.physicstoday.org/vol-57/iss-12/p39.html
6. Fuel cells
http://library.thinkquest.org/04apr/00215/energy/fuel_cells/fuel_cells.htm#Fuel_cells
7. Energy Unbound
http://www.rps.psu.edu/hydrogen/unbound.html
8. The Hydrogen Economy – Energy and Economic Black Hole
http://www.culturechange.org/alt_energy.htm
9. Hyrogen and Fuel Cell Investors
http://www.h2fc.com/
10. Micro Fuel Cells – Super Cells
http://www.solve.csiro.au/1104/article6.htm
11. International Energy Agency: http://www.iea.org/
12. International Partnership for a Hydrogen Economy: http://www.iphe.net/
13. Clean Urban Transport: http://europa.eu.int/comm/energy_transport/en/cut_en.html