Đột phá mới trong sản xuất hydro

Một nhóm các nhà nghiên cứu tại Virginia Tech đã thành công trong việc sản xuất nhiên liệu hydro bằng phương pháp sinh học, có thể làm giảm đáng kể thời gian và chi phí cần thiết để sản xuất nhiên liệu không phát thải. Phương pháp này sử dụng các phế phẩm của cây ngô (thân, lõi, vỏ bắp ngô) để sản xuất hydro.

Phát hiện mới của nhóm nghiên cứu có thể giúp đẩy nhanh tốc độ của việc sử dụng phổ biến các phương tiện chạy bằng hydro theo một cách không tốn kém và có phát thải cacbon cực thấp.

Điều này có nghĩa là chúng tôi đã chứng minh được bước quan trọng nhất hướng đến một nền kinh tế hydro - sản xuất hydro xanh có mức giá phải chăng từ các nguồn sinh khối địa phương, Percival Zhang, giáo sư tại Khoa Kỹ thuật hệ thống sinh học, cho biết.

Nhóm nghiên cứu đã nhận được tài trợ để mở rộng sản xuất lên quy mô trình diễn.

Mặc dù rất khó để dự đoán chi phí vào thời điểm này, công trình nghiên cứu này có một phương pháp tiếp cận mang tính cách mạng, đem lại nhiều lợi thế mới, Lonnie O. Ingram, Giám đốc Trung tâm Hóa chất và Nhiên liệu tái tạo Florida tại Đại học Florida, người không tham gia nghiên cứu, cho biết. Nhóm nghiên cứu đã mở rộng phạm vi suy nghĩ của chúng ta về trao đổi chất và vai trò của nó đối với tương lai của ngành sản xuất năng lượng thay thế. TS. Joe Rollin và Zhang là tác giả chính của nghiên cứu.

Công trình nghiên cứu này được phát triển dựa trên các nghiên cứu trước đó của nhóm nghiên cứu của Zhang sử dụng xylose (đường pentoza đơn giản từ thực vật có dồi dào trong tự nhiên) để sản xuất ra sản lượng hydro mà trước đây chỉ có thể đạt được về lý thuyết.

Phát hiện mới của họ có hai điểm độc đáo. Không giống như các phương pháp sản xuất nhiên liệu hydro khác dựa trên các loại đường được xử lý ở mức độ cao, nhóm nghiên cứu của Virginia Tech sử dụng sinh khối là vỏ bắp ngô và thân cây ngô để sản xuất nhiên liệu. Điều này không chỉ làm giảm chi phí sản xuất nhiên liệu ban đầu, nó còn cho phép sử dụng nguồn nhiên liệu có sẵn của các nhà máy xử lý để sản xuất nhiên liệu cho các doanh nghiệp địa phương.

Rollin sử dụng một giải thuật di truyền và nhiều biểu thức toán học phức tạp để phân tích từng bước quy trình enzyme phân hủy phế phẩm của cây ngô thành hydro và cacbon dioxit. Ông cũng khẳng định rằng hệ thống này có thể sử dụng đồng thời hai loại đường gluco và xylose, làm tỷ lệ giải phóng hydro tăng lên. Thông thường trong các chuyển đổi sinh học, hai loại đường này chỉ có thể được sử dụng tuần tự, không đồng thời, làm cho quy trình tốn thêm thời gian và chi phí.

Một trong những rào cản lớn nhất để sử dụng hydro rộng rãi là chi phí vốn cần thiết để sản xuất nhiên liệu từ khí tự nhiên tại các cơ sở lớn. Việc phân phối hydro đến người sử dụng xe chạy bằng pin nhiên liệu là một thách thức quan trọng khác.

Mô hình của Rollins làm tăng tỷ lệ phản ứng lên ba lần do đó giảm quy mô cần thiết của cơ sở xuống bằng kích thước của một trạm xăng, đưa đến việc giảm các chi phí vốn liên quan. Phương pháp sản xuất hydro chiếm ưu thế hiện nay sử dụng khí tự nhiên, một phương pháp tốn kém trong phân phối và tạo ra phát thải cacbon hóa thạch.

Để sản xuất hydro với chi phí có thể chấp nhận được, các yếu tố như sản lượng sản phẩm, tốc độ phản ứng và phân tách sản phẩm phải được giải quyết. Xét về sản lượng sản phẩm, việc sử dụng quá trình enzyme nhân tạo phi tế bào không chỉ phá vỡ gấp ba lần giới hạn tự nhiên của các vi sinh sản xuất hydro mà còn tránh việc phải điều chỉnh thông lượng đường phức tạp.

Nhóm nghiên cứu cũng tăng tốc độ tạo ra enzym. Tốc độ phản ứng này đủ nhanh để sản xuất hydro trong các trạm tiếp nhiên liệu hydro. Tốc độ phản ứng đạt được ít nhất gấp 10 lần so với các hệ thống sản xuất quang-hydro nhanh nhất.

Các nhà nghiên cứu thực hiện phản ứng này ở các điều kiện khiêm tốn. Điều này có nghĩa là hydro có thể dễ dàng tách ra từ các chất phản ứng có nước và các enzym. Ngoài ra, các phản ứng enzyme như những phản ứng được sử dụng trong hệ thống này tạo ra hydro có độ tinh khiết cao, hoàn toàn thích hợp cho xe chạy bằng pin nhiên liệu hydro.

Các điều kiện phản ứng khiêm tốn cũng cho thấy tính khả thi của các yêu cầu về vốn thấp để xây dựng các trạm sản xuất và cung cấp nhiên liệu hydro.

Chúng tôi tin rằng công nghệ thú vị này có thể đưa đến việc sử dụng rộng rãi xe pin nhiên liệu hydro trên thế giới và thay thế cho nhiên liệu hóa thạch, Rollin nói.

Theo KH&CN Việt Nam