Giảm phát thải carbon trong ngành công nghiệpGiảm phát thải carbon trong ngành công nghiệp :: Vấn đề phát triển bền vững

Các nhà nghiên cứu tại Kỹ thuật Stanford đã thiết kế và trình diễn một loại lò phản ứng nhiệt hóa học mới có khả năng tạo ra lượng nhiệt lớn cần thiết cho nhiều quy trình công nghiệp với lượng khí thải carbon ít hơn. Thiết kế điện khí hóa, được công bố trong Joulecũng được cho là nhỏ hơn, rẻ hơn và hiệu quả hơn so với công nghệ nhiên liệu hóa thạch hiện có.

Jonathan Fan, phó giáo sư kỹ thuật điện tại Stanford và là tác giả chính của bài báo cho biết: “Chúng tôi có cơ sở hạ tầng lò phản ứng điện hóa và có thể mở rộng cho các quy trình nhiệt hóa học có đặc tính truyền nhiệt và làm nóng lý tưởng”. “Về cơ bản, chúng tôi đang đẩy hiệu suất lò phản ứng đến giới hạn vật lý của nó và chúng tôi đang sử dụng điện xanh để cung cấp năng lượng cho nó”.

Cách từ tính để làm nóng

Hầu hết các lò phản ứng nhiệt hóa học tiêu chuẩn hoạt động bằng cách đốt nhiên liệu hóa thạch để làm nóng chất lỏng, sau đó chảy vào các đường ống trong lò phản ứng — giống như một lò hơi gửi nước nóng đến các bộ tản nhiệt bằng gang trong một ngôi nhà cũ, nhưng có khả năng cách nhiệt tốt hơn và ở nhiệt độ cao hơn nhiều. Điều này đòi hỏi một lượng lớn cơ sở hạ tầng và có nhiều khả năng mất nhiệt trong quá trình này.

Lò phản ứng điện hóa sử dụng cảm ứng từ để tạo ra nhiệt — cùng loại quy trình được sử dụng trong bếp cảm ứng. Thay vì phải vận chuyển nhiệt qua các đường ống, gia nhiệt cảm ứng tạo ra nhiệt bên trong lò phản ứng, bằng cách tận dụng các tương tác giữa dòng điện và từ trường. Ví dụ, nếu bạn muốn làm nóng một thanh thép bằng cảm ứng, bạn có thể quấn một sợi dây xung quanh nó và chạy một dòng điện xoay chiều qua cuộn dây. Những dòng điện này tạo ra một từ trường dao động, đến lượt nó, tạo ra dòng điện trong thép. Và vì thép không phải là chất dẫn điện hoàn hảo, nên một phần dòng điện đó chuyển thành nhiệt. Phương pháp này làm nóng hiệu quả toàn bộ khối thép cùng một lúc, thay vì tạo ra nhiệt từ bên ngoài vào trong.

Hình ảnh này mô tả lò phản ứng siêu vật liệu được gia nhiệt cảm ứng với chất xúc tác lấp đầy vách ngăn bọt gốm. Nó tạo ra carbon monoxide và nước từ phản ứng dịch chuyển khí nước ngược. Tín dụng hình ảnh: Dolly Mantle.

Việc điều chỉnh hệ thống sưởi ấm cảm ứng cho ngành công nghiệp hóa chất không dễ dàng như việc chỉ tăng nhiệt độ. Các lò phản ứng công nghiệp cần tạo ra và phân phối nhiệt đều trong không gian ba chiều và hiệu quả hơn nhiều so với bếp thông thường. Các nhà nghiên cứu xác định rằng họ có thể tối đa hóa hiệu quả của mình bằng cách sử dụng dòng điện tần số cao đặc biệt, luân phiên rất nhanh, kết hợp với vật liệu lò phản ứng là chất dẫn điện đặc biệt kém.

Các nhà nghiên cứu đã sử dụng thiết bị điện tử mới, hiệu suất cao do Juan Rivas-Davila, phó giáo sư kỹ thuật điện và là đồng tác giả của bài báo, phát triển để tạo ra dòng điện mà họ cần. Sau đó, họ sử dụng những dòng điện đó để làm nóng cảm ứng một mạng lưới ba chiều được làm bằng vật liệu gốm dẫn điện kém trong lõi lò phản ứng của họ. Fan cho biết cấu trúc mạng lưới cũng quan trọng như chính vật liệu đó, vì các lỗ rỗng của mạng lưới làm giảm độ dẫn điện một cách nhân tạo hơn nữa. Và những lỗ rỗng đó có thể được lấp đầy bằng chất xúc tác — các vật liệu cần được làm nóng để bắt đầu các phản ứng hóa học. Điều này giúp truyền nhiệt hiệu quả hơn nữa và có nghĩa là lò phản ứng điện khí hóa có thể nhỏ hơn nhiều so với các lò phản ứng nhiên liệu hóa thạch truyền thống.

“Bạn đang làm nóng một cấu trúc diện tích bề mặt lớn nằm ngay cạnh chất xúc tác, do đó nhiệt bạn tạo ra sẽ đến chất xúc tác rất nhanh để thúc đẩy các phản ứng hóa học”, Fan cho biết. “Thêm vào đó, nó đơn giản hóa mọi thứ. Bạn không truyền nhiệt từ nơi khác và mất nhiệt trên đường đi, bạn không có bất kỳ đường ống nào đi vào và ra khỏi lò phản ứng — bạn có thể cách nhiệt hoàn toàn. Điều này lý tưởng về mặt quản lý năng lượng và chi phí”.

Nắm bắt các ứng dụng công nghiệp

Các nhà nghiên cứu đã sử dụng lò phản ứng để cung cấp năng lượng cho phản ứng hóa học, được gọi là phản ứng dịch chuyển khí nước ngược, sử dụng chất xúc tác bền vững mới do Matthew Kanan, giáo sư hóa học tại Khoa Nhân văn và Khoa học và là đồng tác giả của bài báo phát triển. Phản ứng này, đòi hỏi nhiệt độ cao, có thể biến carbon dioxide thu được thành khí có giá trị có thể được sử dụng để tạo ra nhiên liệu bền vững. Trong bản trình diễn chứng minh khái niệm, lò phản ứng có hiệu suất trên 85%, cho thấy nó đã chuyển đổi hầu hết năng lượng điện thành nhiệt có thể sử dụng. Lò phản ứng cũng chứng minh các điều kiện lý tưởng để tạo điều kiện cho phản ứng hóa học — carbon dioxide được chuyển đổi thành khí có thể sử dụng ở tốc độ dự đoán về mặt lý thuyết, điều này thường không xảy ra với các thiết kế lò phản ứng mới.

“Khi chúng tôi làm cho các lò phản ứng này lớn hơn nữa hoặc vận hành chúng ở nhiệt độ cao hơn nữa, chúng sẽ trở nên hiệu quả hơn”, Fan cho biết. “Đó là câu chuyện về điện khí hóa — chúng tôi không chỉ cố gắng thay thế những gì chúng tôi có, chúng tôi đang tạo ra hiệu suất thậm chí còn tốt hơn”.

Fan, Rivas-Davila, Kanan và các đồng nghiệp của họ hiện đang làm việc để mở rộng quy mô công nghệ lò phản ứng mới của họ và mở rộng các ứng dụng tiềm năng của nó. Họ đang áp dụng những ý tưởng tương tự để thiết kế lò phản ứng để thu giữ carbon dioxide và sản xuất xi măng, và họ đang làm việc với các đối tác công nghiệp trong ngành dầu khí để hiểu những gì các công ty đó cần để áp dụng công nghệ này. Họ cũng đang tiến hành phân tích kinh tế để hiểu các giải pháp bền vững trên toàn hệ thống sẽ như thế nào và làm thế nào để chúng có thể trở nên hợp túi tiền hơn.

“Điện khí hóa mang đến cho chúng ta cơ hội tái tạo cơ sở hạ tầng, phá vỡ các nút thắt hiện có và thu hẹp cũng như đơn giản hóa các loại lò phản ứng này, bên cạnh việc khử cacbon cho chúng”, Fan cho biết. “Khử cacbon trong công nghiệp sẽ đòi hỏi những cách tiếp cận mới ở cấp độ hệ thống và tôi nghĩ chúng ta chỉ mới bắt đầu”.

Nguồn hình ảnh: iStock.com/tommy