Bấy lâu nay, các nhà máy sản xuất điện từ than đá, thường gắn liền với vấn đề gây ô nhiễm môi trường, lượng khí thải carbon đáng kể. Tuy nhiên, một phương pháp mới sản xuất điện từ than đá đang thách thức nhận thức lâu đời đó, bằng cách loại bỏ hoàn toàn quá trình đốt than.

Bước đột phá này đến từ nhóm nghiên cứu tại Đại học Thâm Quyến, những người phát triển cái mà họ mô tả là pin nhiên liệu than đá trực tiếp không phát thải carbon (ZC-DCFC). Các nhà nghiên cứu Trung Quốc đã phát triển loại pin nhiên liệu mới dựa trên than đá, sản xuất điện thông qua quá trình điện hóa, thay vì đốt cháy.

Thay vì đốt than, hệ thống này chuyển đổi năng lượng hóa học của nó trực tiếp thành điện năng, tránh phát thải carbon dioxide thường gây tác động đến môi trường. Khái niệm này định hình lại than đá như một nguồn năng lượng điện hóa, thay vì chỉ là nhiên liệu để đốt, từ đó mở ra hướng đi mới cho việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch sạch hơn.

Than đá trong hệ thống này sẽ trải qua quy trình chuẩn bị nhiều bước trước khi dùng để sản xuất điện. Đầu tiên, than được nghiền thành bột mịn, sau đó sấy khô, tinh chế, xử lý bề mặt để tối ưu hóa khả năng phản ứng. Than đã qua xử lý, sau đó đưa vào ngăn cực dương của pin nhiên liệu, trong khi oxy được cung cấp cho phía cực âm của pin nhiên liệu.

Bên trong pin, các hạt than được oxy hóa trực tiếp thông qua màng oxit, tạo ra phản ứng điện hóa, sinh ra điện năng ngay tại chỗ. Tại đầu ra của cực dương, khí carbon dioxide tạo ra từ phản ứng được thu giữ trực tiếp tại chỗ, sau đó chuyển hóa bằng chất xúc tác thành nguyên liệu hữu ích như khí tổng hợp hoặc được ổn định thành hợp chất như natri bicacbonat. Carbon xử lý theo vòng khép kín này, tạo nên quy trình được mô tả là vận hành êm ái, sạch sẽ.

Trong khi đó, nhà máy điện than truyền thống dựa vào quá trình đốt than để tạo ra nhiệt. Nhiệt này dùng để tạo ra hơi nước, vận hành turbine phát điện, thông qua quy trình nhiều giai đoạn. Phương pháp này về cơ bản hạn chế về hiệu suất bởi các giới hạn nhiệt động lực học, đặc biệt là giới hạn hiệu suất Carnot liên quan đến động cơ nhiệt và giới hạn lượng năng lượng của nhiên liệu có thể chuyển đổi thành điện năng.

Quy trình sản xuất điện từ than đá truyền thống bị hạn chế bởi hiệu suất Carnot, làm giảm hiệu suất nhiệt xuống khoảng 40%, theo các nhà nghiên cứu. Ngược lại, pin nhiên liệu than đá trực tiếp không phát thải carbon (ZC-DCFC) tránh được các tổn thất năng lượng liên quan đến quá trình đốt than và hệ thống động cơ dựa trên nhiệt, cho phép đạt hiệu suất lý thuyết cao hơn đáng kể.

Từ năm 2018, nhóm nghiên cứu phát triển dần dần công nghệ này thông qua các lần cải tiến, giải quyết các thách thức dai dẳng trong khoa học vật liệu, độ bền của pin, xử lý nhiên liệu, khả năng duy trì nguồn cấp than liên tục. Các phiên bản trước của pin nhiên liệu carbon trực tiếp gặp khó khăn với mật độ công suất thấp và tuổi thọ hoạt động ngắn, những vấn đề mà thiết kế mới nhất khắc phục thông qua cải tiến kỹ thuật từng bước.

Theo nhóm nghiên cứu, phiên bản pin nhiên liệu mới nhất cải thiện khả năng mở rộng cụm pin, độ ổn định lâu dài, hiệu suất chuyển đổi carbon và khả năng tích hợp hệ thống tổng thể. Khái niệm này cũng có thể áp dụng cho các vỉa than sâu cách mặt đất hơn 2 km. Thay vì khai thác và vận chuyển than lên bề mặt, tốn kém và phức tạp, hệ thống này có thể chuyển đổi than thành điện năng ngay tại chỗ, chỉ truyền tải điện năng lên trên.

Trong nhiều thập kỷ, than đá được nhìn nhận qua “góc độ nhiệt”: đốt cháy để tạo ra nhiệt, vận hành turbine, chấp nhận tổn thất năng lượng và phát thải carbon. Bằng cách định hình lại việc sử dụng than đá như một quá trình hóa học thay vì nhiệt điện, câu chuyện về nhiên liệu “bẩn” đang được viết lại một cách cơ bản.

Sự chuyển đổi trong sử dụng than đá, từ đốt cháy sang điện hóa, đại diện cho một trong những bước ngoặt quan trọng nhất trong lịch sử năng lượng. Việc coi than đá như “nhiên liệu rắn” trong hệ thống giống như pin, cho phép các quốc gia tận dụng các nguồn nhiên liệu hóa thạch hiện có, trong khi vẫn thực hiện các mục tiêu trung hòa carbon.

Khi công nghệ này được mở rộng quy mô, nó cung cấp một mô hình cho các nền kinh tế dựa nhiều vào than đá để hiện đại hóa hệ thống năng lượng mà không từ bỏ an ninh năng lượng. Đây là một bước trung gian quan trọng cho quá trình chuyển đổi năng lượng bền vững, đảm bảo nguồn tài nguyên hiện có đóng góp vào một tương lai hiệu quả cao, phát thải thấp.