CỔNG THÔNG TIN ĐIỆN TỬ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ ĐỒNG NAI

 

Tại sao chúng ta cần nhiên liệu hàng không bền vững (SAF)?

Nhiên liệu hóa thạch có thể được thay thế bằng pin hoặc hyđrô trong xe hơi và xe tải nhưng máy bay thì phức tạp hơn. Với hơn 25.000 máy bay thương mại đang hoạt động hiện nay và tuổi thọ khoảng 25 năm, các hãng hàng không đang tìm kiếm các loại nhiên liệu trung hòa carbon để giảm lượng khí thải của chúng. Đó là một bước chuyển tiếp nhưng là một bước quan trọng cho đến khi công nghệ hàng không sạch sẵn sàng và toàn bộ đội bay toàn cầu có thể được chuyển đổi sang một thứ nhiên liệu khác.

Nhiên liệu trung hòa carbon là những chất thay thế cho nhiên liệu dầu hỏa Jet-A ngày nay; chúng được trộn lẫn với nhiên liệu thông thường và được đốt cháy trong động cơ phản lực như bình thường, tạo ra lượng khí thải carbon bình thường. Sự khác biệt là thay vì kéo lượng carbon đó thẳng ra khỏi mặt đất, nhiên liệu trung hòa carbon lấy CO2 từ nơi khác; nó vẫn sẽ kết thúc trong bầu khí quyển nhưng ít nhất nó cũng thực hiện một số công việc hữu ích trước khi đến đó và mỗi lít nhiên liệu thay thế được đốt cháy là một lít nhiên liệu thông thường không phải đốt đi.

SAF hiện được sản xuất như thế nào?

Có rất nhiều cách để tạo ra nhiên liệu trung hòa carbon và không phải tất cả những cách đó đều được chấp nhận vì nhiều lý do khác nhau. Ví dụ, nhiên liệu sinh học được trồng từ cây ngô được trồng đặc biệt tạo ra khí thải, từ phân bón và thiết bị nông nghiệp và chúng chiếm diện tích đất có thể dùng cho sản xuất lương thực. Việc chặt phá rừng và sử dụng gỗ làm sinh khối cũng không còn nữa vì những lý do hiển nhiên nhưng thực tế là có những quy tắc được đưa ra xung quanh vấn đề này cho thấy rằng ngay cả trong cuộc chơi bền vững, vẫn có những nhà vận hành thiếu trung thực.

Các nhà máy sản xuất nhiên liệu phản lực từ chất thải bãi rác mọc lên ở nơi này nơi kia, lấy rác đô thị hoặc dầu ăn cũ và sử dụng chúng làm nguyên liệu để tạo ra khí tổng hợp, có thể được tinh chế thành nhiên liệu tổng hợp. Nhưng quá trình nhiệt phân thường đòi hỏi rất nhiều năng lượng - năng lượng bẩn hoặc năng lượng sạch có thể được sử dụng ở nơi khác và nguyên liệu thô rất ngẫu nhiên đến mức nhiên liệu tạo thành đôi khi cần thêm một bước làm sạch, tốn nhiều năng lượng trước khi chúng sẵn sàng để đi giải cứu hành tinh trong chiếc Dreamliner.

Một cách khác là thu carbon trực tiếp từ các nguồn khí thải khác và chuyển đổi thành nhiên liệu. Điều này có thể được thực hiện bằng cách sử dụng điện xanh để cung cấp năng lượng cho một máy điện phân, sau đó trộn hyđrô thu được với carbon monoxide để tạo ra khí tổng hợp, sau đó có thể được tinh chế thành nhiên liệu nhưng sẽ có sự tổn thất năng lượng đều xảy ra ở mỗi bước này.

Điều này đưa chúng ta đến với thiết kế mới đơn giản hơn nhiều của ETH Zurich, vốn đã được xây dựng và thử nghiệm tại Viện Năng lượng IMDEA ở Tây Ban Nha.

Lò phản ứng thí điểm 50 kW, được lắp đặt ở Tây Ban Nha, sử dụng nhiệt từ tháp năng lượng mặt trời tập trung để điều khiển chu trình ôxy hóa khử nhiệt hóa (Ảnh: ETH Zurich)

Tháp nhiên liệu trung hòa carbon tất cả trong một của ETH Zurich

Nhà máy thí điểm này hoạt động dựa trên việc hội tụ năng lượng nhiệt mặt trời. 169 tấm phản xạ quay theo hướng mặt trời, mỗi tấm có diện tích bề mặt 3 m2, chuyển hướng ánh sáng mặt trời vào một lỗ 16 cm trong lò phản ứng mặt trời ở trên cùng của tháp trung tâm cao 15m. Lò phản ứng này nhận được năng lượng trung bình khoảng 2.500 mặt trời – tương đương khoảng 50 kW nhiệt điện mặt trời.

Nhiệt này được sử dụng để điều khiển chu trình ôxy hóa khử nhiệt hóa 2 bước. Nước và carbon dioxide tinh khiết được đưa vào phản ứng ôxy hóa khử dựa trên ceria, phản ứng chuyển đổi chúng đồng thời thành hyđrô và carbon monoxide hoặc khí tổng hợp. Vì tất cả đều được thực hiện trong một buồng duy nhất nên có thể điều chỉnh tỷ lệ nước và CO2 để kiểm soát trực tiếp thành phần chính xác của khí tổng hợp.

Khí tổng hợp này được cung cấp cho thiết bị Gas-to-Liquid (GtL) ở dưới cùng của tháp, tạo ra một pha lỏng chứa 16% dầu hỏa và 40% dầu diesel, cũng như một pha sáp với 7% dầu hỏa và 40% dầu diesel, chứng minh rằng lò phản ứng năng lượng mặt trời bằng gốm dựa trên ceria chắc chắn tạo ra khí tổng hợp đủ tinh khiết để chuyển đổi thành nhiên liệu tổng hợp.

Sơ đồ lò phản ứng năng lượng mặt trời để tách nước và carbon dioxide thông qua chu trình ôxy hóa khử nhiệt hóa dựa trên ceria (Ảnh: ETH Zurich)

Lò phản ứng tạo ra bao nhiêu nhiên liệu?

Đây thực sự là một câu hỏi lớn và tác giả e rằng bài báo nghiên cứu không làm cho thông tin này trở nên dễ hiểu. Nhìn chung, các nhà nghiên cứu đã chạy hệ thống trong 9 ngày, chạy 6 đến 8 chu kỳ một ngày, nếu thời tiết cho phép. Mỗi chu kỳ kéo dài trung bình 53 phút và tổng thời gian thí nghiệm là 55 giờ. Một số chu kỳ đã phải dừng lại do quá nóng, khi nhiệt độ trong lò phản ứng tăng quá mức mục tiêu 1.450 °C đến nhiệt độ tới hạn là 1.500 °C.

Tổng cộng, nhà máy thí điểm thử nghiệm đã sản xuất khoảng 5.191 lít khí tổng hợp trong 9 ngày đó, nhưng các nhà nghiên cứu không chỉ ra chính xác lượng dầu hỏa và dầu diesel này đã trở thành bao nhiêu sau khi xử lý khí tổng hợp, vì vậy không thể đưa ra giá trị con số đơn giản cho sản lượng mỗi ngày của nhà máy thí điểm này. Ngay cả khi có thể, nó có thể không mở rộng theo kiểu tuyến tính.

Nhưng để cho chúng ta hiểu về quy mô của vấn đề ở đây, một chiếc Boeing 787 Dreamliner có dung tích nhiên liệu lên đến 126.372 lít, có thể cho phép nó bay tới 14.140 km, gần bằng khoảng cách từ New York đến Thành phố Hồ Chí Minh. Và có hàng chục nghìn máy bay thương mại bay nhiều lượt bay mỗi ngày.

Nhưng những thứ này không nhất thiết phải thay thế tất cả các loại nhiên liệu hàng không thông thường mà nhiên liệu tổng hợp có thể được pha trộn với nhiên liệu thông thường với bất kỳ số lượng nào có sẵn và mỗi chút đều giúp giảm lượng khí thải tổng thể.

Từ đây sẽ đi đến đâu?

Nhóm nghiên cứu cho biết hiệu suất tổng thể của hệ thống (được đo bằng hàm lượng năng lượng của khí tổng hợp theo tỷ lệ phần trăm của tổng năng lượng mặt trời đầu vào) chỉ đạt khoảng 4% trong quá trình triển khai này nhưng họ thấy các con đường để đạt được điều đó hơn 20% bằng cách thu hồi và tái chế nhiều nhiệt hơn và làm thay đổi cấu trúc của cấu trúc ceria.

“Chúng tôi là người đầu tiên chứng minh toàn bộ chuỗi quy trình nhiệt hóa từ nước và CO2 đến dầu hỏa trong một hệ thống tháp năng lượng mặt trời tích hợp đầy đủ. Nhà máy nhiên liệu tháp năng lượng mặt trời này đã được vận hành với thiết lập phù hợp với việc triển khai công nghiệp, đặt ra một cột mốc công nghệ hướng tới việc sản xuất nhiên liệu hàng không bền vững”, Giáo sư Aldo Steinfeld của ETH, đồng tác giả nghiên cứu cho biết.

“Nhà máy nhiên liệu tháp năng lượng mặt trời được mô tả ở đây đại diện cho một hướng đi khả thi để thực hiện quy mô toàn cầu việc sản xuất nhiên liệu năng lượng mặt trời”, nghiên cứu viết.

LH (New Atlas)