Sản xuất hydro bằng phương pháp hạt nhân là gì?

Sản xuất hydro bằng năng lượng hạt nhân được xem là phương pháp ưu tiên để sản xuất hydro quy mô lớn, nhưng dường như tiến độ khá chậm. Vậy, sản xuất hydro bằng năng lượng hạt nhân là gì?

Sản xuất hydro bằng năng lượng hạt nhân, tức là sử dụng lò phản ứng hạt nhân kết hợp với quy trình sản xuất hydro tiên tiến, để sản xuất hydro với số lượng lớn. Sản xuất hydro từ năng lượng hạt nhân có ưu điểm là không phát thải khí nhà kính, sử dụng nước làm nguyên liệu, hiệu suất cao và quy mô lớn, do đó đây là giải pháp quan trọng cho việc cung cấp hydro quy mô lớn trong tương lai. Theo ước tính của IAEA, một lò phản ứng nhỏ 250MW có thể sản xuất 50 tấn hydro mỗi ngày bằng phản ứng hạt nhân ở nhiệt độ cao.

Nguyên lý sản xuất hydro bằng năng lượng hạt nhân là sử dụng nhiệt lượng sinh ra từ lò phản ứng hạt nhân làm nguồn năng lượng để sản xuất hydro, và thực hiện sản xuất hydro hiệu quả và quy mô lớn bằng cách lựa chọn công nghệ phù hợp. Từ đó giảm thiểu hoặc thậm chí loại bỏ phát thải khí nhà kính. Sơ đồ quá trình sản xuất hydro từ năng lượng hạt nhân được thể hiện trong hình vẽ.

Có nhiều cách để chuyển đổi năng lượng hạt nhân thành năng lượng hydro, bao gồm sử dụng nước làm nguyên liệu thô thông qua điện phân, chu trình nhiệt hóa, sản xuất hydro bằng điện phân hơi nước ở nhiệt độ cao, sản xuất hydro bằng cách cracking hydro sunfua làm nguyên liệu thô, sản xuất hydro bằng cách nhiệt phân khí tự nhiên, than đá, sinh khối làm nguyên liệu thô, v.v. Khi sử dụng nước làm nguyên liệu thô, toàn bộ quá trình sản xuất hydro không tạo ra CO₂, về cơ bản có thể loại bỏ phát thải khí nhà kính; sản xuất hydro từ các nguồn khác chỉ làm giảm lượng khí thải carbon. Ngoài ra, việc sử dụng nước điện phân hạt nhân chỉ là sự kết hợp đơn giản giữa phát điện hạt nhân và điện phân truyền thống, vẫn thuộc lĩnh vực phát điện hạt nhân và thường không được coi là công nghệ sản xuất hydro hạt nhân thực sự. Do đó, chu trình nhiệt hóa với nước làm nguyên liệu thô, sử dụng toàn bộ hoặc một phần nhiệt hạt nhân và điện phân hơi nước ở nhiệt độ cao được coi là đại diện cho hướng đi tương lai của công nghệ sản xuất hydro hạt nhân.

Hiện nay, có hai phương pháp chính để sản xuất hydro trong năng lượng hạt nhân: sản xuất hydro bằng điện phân nước và sản xuất hydro bằng phương pháp nhiệt hóa. Các lò phản ứng hạt nhân cung cấp năng lượng điện và năng lượng nhiệt cho hai phương pháp sản xuất hydro nêu trên.

Điện phân nước để sản xuất hydro là quá trình sử dụng năng lượng hạt nhân để tạo ra điện, sau đó thông qua thiết bị điện phân nước để phân tách nước thành hydro. Sản xuất hydro bằng điện phân nước là một phương pháp sản xuất hydro tương đối trực tiếp, nhưng hiệu suất sản xuất hydro của phương pháp này (55% ~ 60%) thấp, ngay cả khi áp dụng công nghệ điện phân nước SPE tiên tiến nhất ở Hoa Kỳ, hiệu suất điện phân cũng tăng lên 90%. Nhưng vì hầu hết các nhà máy điện hạt nhân hiện nay chỉ chuyển đổi nhiệt năng thành điện năng với hiệu suất khoảng 35%, nên hiệu suất tổng thể cuối cùng của việc sản xuất hydro từ điện phân nước trong năng lượng hạt nhân chỉ là 30%.

Sản xuất hydro bằng phương pháp nhiệt hóa học dựa trên chu trình nhiệt hóa học, kết hợp lò phản ứng hạt nhân với thiết bị sản xuất hydro bằng chu trình nhiệt hóa học, sử dụng nhiệt độ cao do lò phản ứng hạt nhân cung cấp làm nguồn nhiệt, để nước xúc tác quá trình phân hủy nhiệt ở nhiệt độ từ 800℃ đến 1000℃, tạo ra hydro và oxy. So với sản xuất hydro bằng phương pháp điện phân nước, hiệu suất sản xuất hydro bằng phương pháp nhiệt hóa học cao hơn, tổng hiệu suất dự kiến ​​đạt hơn 50%, chi phí thấp hơn.