Sinh viên Đà Nẵng chế tạo thiết bị lưu trữ hydrogen an toàn

Phát minh từ sáng tạo khoa học của sinh viên

Xuất phát từ mong muốn tìm ra giải pháp để lưu trữ hydrogen an toàn. Nhóm sinh viên trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật - Đại học Đà Nẵng đã tập trung nghiên cứu, phát triển hệ thống lưu trữ hydrogen đột phá, giúp giảm thiểu đáng kể rủi ro cháy nổ, đồng thời tăng cường khả năng lưu trữ năng lượng, góp phần bảo vệ môi trường trong đô thị.

Được biết, Hydro (hydrogen - H2) là nguyên tố hóa học phổ biến, tạo nên khoảng 75% tổng khối lượng vũ trụ và hơn 90% tổng số nguyên tử. Hiện nay, hydro được sử dụng phổ biến trong ngành công nghiệp hóa chất như chế tạo ammonia, methanol, sản xuất phân bón, công nghiệp luyện kim, lọc dầu, chất bán dẫn, mỹ phẩm…

Trong lĩnh vực năng lượng, hydro có thể đốt trực tiếp trong các động cơ đốt trong, thay thế khí thiên nhiên để cung cấp năng lượng phục vụ nhu cầu dân dụng hằng ngày, làm nhiên liệu cho tên lửa trong ngành công nghiệp vũ trụ, quốc phòng.

Hydro còn là nguồn năng lượng cung cấp cho hệ thống pin nhiên liệu, tạo ra điện năng nhờ quá trình điện hóa, sẽ giữ vai trò chủ đạo của nền kinh tế hydrogen trong tương lai.

Dưới sự hướng dẫn của Tiến sĩ Bùi Văn Hùng, Trưởng bộ môn Cơ khí ô tô thuộc khoa Cơ khí (trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Đà Nẵng), nhóm sinh viên gồm: Võ Dư Định, Lâm Đạo Nhơn, Mai Đức Hưng, Lê Anh Vân, Nguyễn Hưng Tâm (sinh viên chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô) bắt đầu nghiên cứu đề tài “Công nghệ lưu trữ hydrogen rắn trong đô thị thông minh” từ tháng 10/2023.

Tiến sĩ Bùi Văn Hùng, Trưởng bộ môn Cơ khí ô tô, thuộc khoa Cơ khí (trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Đà Nẵng) cho biết, hydrogen là một nguồn năng lượng sạch, có tiềm năng thay thế các nhiên liệu hóa thạch truyền thống. Tuy nhiên, một trong những thách thức lớn đối với việc sử dụng hydrogen là vấn đề lưu trữ an toàn và hiệu quả.

Do đó, nhận thấy tiềm năng của công nghệ lưu trữ hydrogen, nhóm nghiên cứu đã tập trung tìm hiểu các loại vật liệu lưu trữ hydrogen rắn, phân tích tính khả thi trong việc triển khai vào các hệ thống năng lượng của đô thị thông minh; bắt đầu bằng việc tìm hiểu sâu về các loại vật liệu có khả năng lưu trữ hydrogen dưới dạng rắn, đặc biệt là các hợp kim kim loại có khả năng hấp thụ và giải phóng hydrogen một cách hiệu quả.

Cụ thể, thiết bị gồm hai phần chính: bình chứa hydrogen và hệ thống điều khiển thông minh. Bình chứa hoạt động dựa trên phản ứng giữa kim loại magie và hydrogen để tạo hợp chất Magie Hydrua (MgH₂), giúp nạp hydrogen ở nhiệt độ 250 - 350°C dưới áp suất cao và giải phóng khí hydrogen khi áp suất giảm dưới 1 bar.

Hệ thống thông minh sử dụng vi điều khiển và các cảm biến để giám sát và điều chỉnh nhiệt độ, áp suất, đảm bảo an toàn trong quá trình vận hành.

Quá trình nghiên cứu bao gồm nhiều bước quan trọng. Đầu tiên, nhóm thực hiện tổng quan lý thuyết để nắm bắt kiến thức cơ bản về các vật liệu lưu trữ hydrogen và nguyên lý hoạt động của chúng. Các kiến thức này không chỉ giúp xác định hiệu suất của từng vật liệu mà còn phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả lưu trữ như nhiệt độ, áp suất và khả năng tái sử dụng.

Cùng với đó, nhóm đã thiết kế và xây dựng mô hình có cấu tạo gồm 2 phần: Phần cơ khí (bình lưu trữ, bình nhớt gia nhiệt, bơm bánh răng) và phần vi mạch (bo mạch Arduino, chiết áp điều khiển bơm, rơ le đóng ngắt sò, cảm biến khí hydro, cảm biến nhiệt, thanh gia nhiệt).

Hệ thống hoạt động dựa trên nguyên lý sử dụng kim loại Mg để hấp thụ hydro qua hoạt động gia nhiệt được điều khiển bởi hệ thống tạo thành hợp chất MgH₂ theo phản ứng hóa học.

Giải pháp lưu trữ hydrogen an toàn

Sinh viên Võ Dư Định, chủ nhiệm nghiên cứu đề tài chia sẻ, nhóm sử dụng phần mềm mô phỏng để phân tích các yếu tố kỹ thuật liên quan, nhằm đánh giá khả năng ứng dụng công nghệ lưu trữ hydrogen rắn trong các hệ thống năng lượng của đô thị thông minh.

Những mô phỏng này cung cấp cái nhìn sâu sắc về cách thức công nghệ có thể được triển khai và tích hợp vào hệ thống năng lượng hiện tại, từ đó đánh giá tính khả thi và hiệu quả của nó trong thực tế.

Kết quả từ nghiên cứu cho thấy rằng vật liệu lưu trữ hydrogen rắn bằng hợp chất MgH₂ được thử nghiệm có khả năng hoạt động hiệu quả với hiệu suất tối ưu trong việc lưu trữ và giải phóng hydrogen.

Công nghệ này không chỉ đảm bảo cơ bản về mức độ an toàn và ổn định trong môi trường đô thị mà còn mở ra nhiều cơ hội ứng dụng trong các hệ thống quản lý năng lượng và phương tiện giao thông xanh.

Nói về khó khăn lớn nhất, theo Tiến sĩ Bùi Văn Hùng, quá trình thực hiện đề tài, nhóm sinh viên gặp khá nhiều khó khăn, vì đây là công nghệ mới nên các tài liệu chuyên sâu còn thiếu; chi phí cho thiết bị nghiên cứu cao và khó khăn trong việc mô phỏng hệ thống lưu trữ, ứng dụng thực tế.

Ngoài ra, công nghệ liên quan đến hydrogen đòi hỏi kiến thức liên ngành, từ vật liệu đến cơ khí và năng lượng, khiến việc nắm bắt và triển khai trở nên phức tạp. Đặc biệt, vì tính dễ cháy nổ của hydrogen, nên quá trình nghiên cứu và ứng dụng luôn phải đảm bảo an toàn tuyệt đối.

Được biết, khối lượng hydrogen trong sản phẩm của nhóm ước tính khoảng 20g, tương đương khoảng 0.66 kWh. Mức năng lượng này phù hợp cho các thiết bị nhỏ hoặc thí nghiệm, nhưng chưa đủ để vận hành các phương tiện như ôtô hay thiết bị công nghiệp trong thời gian dài.

Để tăng khối lượng hydrogen lưu trữ, Tiến sĩ Bùi Văn Hùng gợi ý nhóm nên tìm các hợp kim hoặc vật liệu có khả năng hấp thụ hydrogen nhiều hơn mà không tăng quá nhiều khối lượng vật liệu.

Tuy nhiên, một số vật liệu có mật độ lưu trữ hydrogen cao đòi hỏi điều kiện và môi trường để quá trình chuyển pha giữa nạp và xả khó xảy ra hơn, dựa trên nghiên cứu này, nhóm sẽ tiến hành thử nghiệm thêm những vật liệu khó chuyển pha trong thời gian tới.

Với đề tài “Công nghệ lưu trữ hydrogen rắn trong đô thị thông minh” nhóm nghiên cứu sinh viên trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Đà Nẵng đã đạt giải Khuyến khích tại cuộc thi sinh viên nghiên cứu khoa học Đại học Đà Nẵng năm 2023 - 2024.

Anh Lê Công Hùng, Phó Bí thư Thành đoàn, Chủ tịch Hội Sinh viên Việt Nam TP Đà Nẵng đánh giá cao ý tưởng sáng tạo của sinh viên trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Đà Nẵng, nghiên cứu khoa học không chỉ giúp sinh viên phát huy khả năng nghiên cứu ngay từ khi còn ngồi trên ghế nhà trường mà còn xây dựng một môi trường đổi mới sáng tạo, tạo ra những sản phẩm hữu ích phục vụ cộng đồng.

Cũng theo anh Lê Công Hùng, phong trào “Tuổi trẻ sáng tạo” được các cơ sở Đoàn triển khai hiệu quả, lan tỏa sâu rộng, phát huy vai trò xung kích, sáng tạo của tuổi trẻ, thúc đẩy sinh viên nghiên cứu khoa học trong lao động sản xuất, góp phần tích cực vào quá trình xây dựng, phát triển thành phố.