Các nhà khoa học tại Viện Khoa học và Công nghệ Skolkovo (Skoltech – Nga) đã sáng chế ra một phương pháp hiệu quả để thu lấy hydro từ các mỏ khí tự nhiên với hiệu suất đạt 45% đồng thời giữ lại khí thải carbon dưới lòng đất, mở ra tiềm năng cách mạng hóa việc sản xuất năng lượng sạch.
Quy trình này bao gồm việc bơm hơi nước và chất xúc tác vào giếng khí, sau đó bổ sung oxy để kích hoạt phản ứng cháy. Phản ứng xúc tác này tạo ra hỗn hợp gồm hydro và carbon monoxide, từ đó hydro có thể được tách ra một cách hiệu quả.
Phát hiện mang tính đột phá này được công bố trên tạp chí Fuel và được hỗ trợ bởi Quỹ Khoa học Nga (RSF), đánh dấu một bước tiến đầy hứa hẹn hướng tới sản xuất hydro quy mô lớn ngay tại nguồn.
Hiện nay, khoảng 80% năng lượng toàn cầu đến từ nhiên liệu hóa thạch như dầu mỏ và khí tự nhiên, vốn phát thải khí CO₂ khi bị đốt cháy, góp phần gây biến đổi khí hậu và suy thoái môi trường. Dù khí tự nhiên thường được xem là loại nhiên liệu hóa thạch “sạch hơn” do phát thải ít chất ô nhiễm độc hại hơn dầu mỏ, nó vẫn tạo ra một lượng lớn khí CO₂.
Ngược lại, nhiên liệu hydro chỉ thải ra hơi nước trong quá trình sử dụng, khiến nó trở thành một lựa chọn sạch hơn. Tuy nhiên, những thách thức trong việc sản xuất hydro đã cản trở việc ứng dụng rộng rãi. Phương pháp mới của Skoltech có thể giúp vượt qua những rào cản này và đẩy nhanh quá trình chuyển đổi sang các nguồn năng lượng sạch hơn.
Cách tiếp cận mới về sản xuất hydro ngay tại mỏ
Lần đầu tiên, nhóm nghiên cứu từ Skoltech ở Moscow đã đề xuất khai thác hydro trực tiếp từ các tầng chứa của mỏ khí tự nhiên – nơi giàu hydrocarbon có chứa một lượng lớn hydro ở cấp độ phân tử. Điều này có nghĩa là hydrocarbon, sau khi chuyển hóa, có thể cung cấp một lượng lớn nhiên liệu “xanh”.
Nhóm nghiên cứu đã đề xuất một quy trình nhiều bước hiệu quả để sản xuất hydro từ các mỏ khí. Như đã trình bày sơ lược ở trên, hơi nước được bơm vào giếng cùng với một chất xúc tác – giúp tách hydro khỏi các thành phần khí tự nhiên. Sau đó, không khí hoặc oxy tinh khiết được bơm vào để đốt cháy khí ngay trong tầng chứa. Dưới tác động của hơi nước và chất xúc tác, khí tự nhiên cháy và chuyển hóa thành hỗn hợp carbon monoxide và hydro.
Khí CO₂ hình thành từ carbon monoxide sẽ được giữ lại trong tầng chứa và không phát tán ra khí quyển, do đó không gây hiệu ứng nhà kính. Ở bước cuối, hydro được rút lên từ giếng thông qua một màng lọc đặc biệt, giúp ngăn các sản phẩm cháy khác, để lại CO và CO₂ bị giữ vĩnh viễn dưới lòng đất.
Thử nghiệm trong phòng thí nghiệm và mô phỏng phản ứng
Các nhà nghiên cứu đã thử nghiệm quy trình này trong các lò phản ứng mô phỏng môi trường của một tầng chứa khí thật. Họ đặt đá nghiền vào lò phản ứng, sau đó bơm methane – thành phần chính của khí tự nhiên – cùng với hơi nước, chất xúc tác và sau cùng là oxy. Áp suất trong lò phản ứng được duy trì ở mức tương đương với mỏ khí – cao hơn 80 lần so với áp suất khí quyển.
Trong quá trình thí nghiệm, nhóm nghiên cứu đã phân tích thành phần khí để đánh giá hiệu quả chuyển hóa methane thành hydro. Kết quả cho thấy phần lớn hydro – chiếm 45% tổng thể tích khí – được tạo ra ở nhiệt độ 800°C với lượng hơi nước lớn được bơm vào. Để phản ứng đạt hiệu quả tối đa, tỷ lệ hơi nước phải gấp bốn lần khí tự nhiên. Mức nhiệt 800°C được chọn vì đây là mức nhiệt dễ đạt được trong quá trình cháy khí tự nhiên và không cần phải duy trì bằng các biện pháp nhân tạo.
Sản lượng hydro cũng phụ thuộc vào thành phần của đá. Ví dụ, trong các thí nghiệm với alumina xốp (nhôm oxit xốp), sản lượng hydro đạt tới 55%. Hiệu suất cao hơn này được giải thích bởi đặc tính trơ của alumina – không phản ứng với các thành phần khác trong hỗn hợp khí. Trong khi đó, đá tự nhiên chứa các khoáng chất hoạt tính hơn, có thể phản ứng và ảnh hưởng đến hiệu suất sinh hydro.
“Tất cả các giai đoạn trong quy trình đều dựa trên các công nghệ đã được thiết lập trước đây, nhưng chưa từng được ứng dụng vào sản xuất hydro ngay tại các tầng chứa khí. Chúng tôi đã chứng minh rằng phương pháp của mình có thể chuyển đổi hydrocarbon thành nhiên liệu xanh tại chỗ, với hiệu suất lên tới 45%. Trong tương lai, chúng tôi dự định sẽ thử nghiệm phương pháp này tại các mỏ khí thực tế,” Tiến sĩ Elena Mukhina, nhà khoa học cao cấp tại Skoltech Petroleum và là trưởng dự án do RSF tài trợ, chia sẻ.
Các nhà nghiên cứu tại Skoltech đã phát triển một phương pháp sản xuất hydro trực tiếp tại các mỏ khí tự nhiên với hiệu suất lên tới 45%, bằng cách bơm hơi nước, chất xúc tác và oxy để kích hoạt phản ứng cháy dưới lòng đất. Ảnh: SciTechDaily
Nhóm nghiên cứu đang theo dõi thí nghiệm trong lò phản ứng tại phòng thí nghiệm. Ảnh: Elena Mukhina
