Khí đốt tự nhiên là nguồn năng lượng sạch, không mùi và không độc hại, cung cấp nhiệt lượng cho nấu ăn và sưởi ấm, đồng thời cung cấp nhiên liệu cho các nhà máy điện, phục vụ tiêu dùng và sản xuất công nghiệp.

Khí tự nhiên cũng cung cấp nhiên liệu cho nhiều quy trình công nghiệp sản xuất vật liệu và hàng hóa, từ thủy tinh đến quần áo, khí tự nhiên cũng là một thành phần quan trọng trong các sản phẩm như sơn và nhựa.

Ưu thế hàng đầu của khí đốt tự nhiên là có dự trữ dồi dào. Theo Cơ quan Năng lượng Quốc tế, nếu mức tiêu thụ khí đốt tự nhiên vẫn duy trì mức hiện nay, nguồn tài nguyên này đủ để nhân loại sử dụng hơn hai thế kỷ.

Tương tự như những nguồn tài nguyên khác, khí đốt tự nhiên cũng có nhược điểm, đó là những thách thức trong vận chuyển và lưu trữ. Các phương pháp hiện nay yêu cầu làm lạnh khí tự nhiên đến nhiệt độ cực thấp (-162°C) nhằm hóa lỏng khí tự nhiên (LNG). LNG là phương thức vận chuyển khí tự nhiên được sử dụng rộng rãi nhưng việc vận chuyển bằng đường ống là không khả thi và không phù hợp để lưu trữ lâu dài.

Hóa lỏng khí tự nhiên thành LNG nhằm vận chuyển khí tự nhiên trên những khoảng cách lớn an toàn và tiết kiệm chi phí. LNG thường được lưu trữ và vận chuyển trong các bồn chứa được bơm trên tàu dưới dạng chất lỏng đông lạnh, ở nhiệt độ -163°C (-261°F) nhằm tăng tỷ trọng.

Mặc dù các bồn chứa được cách nhiệt nhưng vẫn có một lượng nhỏ sự nóng lên xảy ra, khiến LNG bốc hơi khi đạt đến điểm sôi. Sự bay hơi tự nhiên này, được gọi là hiện tượng sôi, không thể tránh khỏi và khí sinh ra từ quá trình sôi (BOG) phải được loại bỏ để duy trì áp suất của bình chứa.

Hơi LNG rất dễ cháy và có thể nhanh chóng kết hợp với không khí để tạo thành hỗn hợp nhạy nổ.

Nhu cầu về những giải pháp thay thế vững chắc

Các nhà khoa học trên toàn thế giới đang tích cực nghiên cứu những giải pháp thay thế an toàn hơn để lưu trữ khí đốt tự nhiên. Công nghệ khí đốt tự nhiên hóa rắn (SNG), hoặc hydrat khí tự nhiên, có thể chính là đáp án giải quyết vấn đề này.

Trong những hydrat này, các loại khí như mêtan bị mắc kẹt bên trong các lồng do những phân tử nước hình thành. Các chất phụ gia và điều kiện nhiệt độ áp suất xác định tạo ra vật liệu rắn, ổn định, phù hợp để lưu trữ lâu dài và có thể được vận chuyển mà không gây nguy hiểm như đối với chất lỏng dễ cháy dưới áp suất cao.

Tuy nhiên, những khí hydrat này hiện chỉ giới hạn ở quy mô nhỏ trong những thí nghiệm trong phòng thí nghiệm. Để đạt được mục tiêu mở rộng trong thương mại, GS Praveen Linga thuộc Khoa Kỹ thuật Hóa học và Phân tử Sinh học tại Trường Cao đẳng Thiết kế và Kỹ thuật, Đại học Quốc gia Singapore đang nghiên cứu cải tiến công nghệ SNG để có thể sử dụng trong công nghiệp.

GS Linga cho biết: “Chúng ta cần xác định những chiến lược giúp tăng khả năng lưu trữ khí mê-tan, thúc đẩy quá trình chuyển đổi khí tự nhiên thành dạng rắn và giảm bớt những điều kiện cần thiết để đảm bảo sự ổn định lâu dài. Một mảnh ghép còn thiếu của câu đố biến khí tự nhiên trở thành vật liệu hóa rắn kỳ diệu, thích hợp cho mở rộng quy mô ứng dụng là các chất xúc tiến (chất thêm vào chất xúc tác thể rắn), loại hóa chất làm giảm lượng năng lượng cần thiết để thu giữ khí tự nhiên và sau đó được lưu trữ dưới dạng hydrat."

GS Linga, chuyên gia trong lĩnh vực SNG với hơn 150 bài báo nghiên cứu đã xuất bản và 100 cuộc nói chuyện trong các hội thảo về tính khả thị viếc hydrat khí để đáp ứng nhu cầu cấp thiết về năng lượng sạch và an toàn.

GS Linga dẫn đầu nhóm nghiên cứu bao gồm TS Ye Zhang, TS Gaurav Bhattacharjee, ông Huanzhi Xu và các công tác viên từ Đại học Công nghệ Đại Liên và Viện Công nghệ Ấn Độ Madras đã trình bày một phát minh đột phá về lưu trữ khí mê-tan hydrat, được giới thiệu trong một báo cáo khoa học trên tạp chí Khoa học Năng lượng & Môi trường. GS Linga nhấn mạnh: “Công nghệ SNG cho thấy một khả năng thích hợp để lưu trữ khí tự nhiên an toàn và lâu dài trong điều kiện áp suất và nhiệt độ vừa phải.

Không có khí tự nhiên hoàn hảo, chỉ có sự kết hợp hoàn hảo

Giáo sư Linga quan tâm đến nhu cầu phát triển công nghệ không chỉ được ngành công nghiệp áp dụng mà còn thân thiện với môi trường, loại bỏ sử dụng các chất xúc tiến độc hại, thường được sử dụng trong công nghệ SNG. Một điển hình là chất xúc tác tetrahydrofuran (THF), dễ bay hơi, ăn mòn và thậm chí gây ung thư. Để hiện thực hóa và mở rộng quy mô ứng dụng SNG, nhóm nghiên cứu của GS Linga đã phát minh ra giải pháp thay thế sạch và bền vững hơn.

GS Linga cho biết: “Chúng tôi đã phát hiện ra một ứng viên đầy triển vọng, dioxane. Sử dụng dioxane kết hợp với một chất kích thích axit amin không độc hại khác, chúng tôi có thể nhanh chóng tạo thành hỗn hợp metan hydrat, từ khí metan và dioxane ở nhiệt độ phòng."

Trong khí hydrat mới, khả năng lưu trữ khí metan trung bình đạt được là 135,13 v/v (thể tích khí ở STP/thể tích hydrat) vưới STP là nhiệt độ và áp suất tiêu chuẩn, vượt xa giới hạn đã thiết lập là 115 v/v đối với loại hydrat metan. "Kết quả này hứa hẹn một sản phẩm SNG đậm đặc năng lượng hơn, có tiềm năng thương mại hóa cao hơn," GS Linga cho biết thêm.

 Ba cấu trúc hydrat của khí đột tự nhiên, tương ứng với 3 loại chất xúc tiến hóa học. Ảnh Khoa học Năng lượng & Môi trường.

 Cấu trúc phân tử và các đặc tính hóa lý quan trọng của ba phân tử khách hydrat hữu cơ (tức là dioxane, DIOX và THF), chất xúc tiến hóa học cho công nghệ SNG; Ảnh. Khoa học Năng lượng & Môi trường.

Đưa SNG lên tầm cao mới trên thế giới

Cơ quan Thị trường Năng lượng (EMA), Ủy ban theo luật định thuộc Bộ Thương mại và Công nghiệp Singapore đã thành lập bộ phận nghiên cứu và phát triển về khí đốt tự nhiên, năng lượng mặt trời, các giải pháp thay thế carbon thấp và lưới điện khu vực, được xác định là những trụ cột chính trong quá trình chuyển đổi năng lượng quốc gia, sang các nguồn năng lượng sạch, đáng tin cậy và dồi dào.

Năm 2021, khí đốt tự nhiên cung cấp tới 94,9% sản lượng điện của Singapore, một báo cáo thống kê gần đây cho thấy, khí đốt tự nhiên sẽ vẫn là thành phần quan trọng trong cơ cấu năng lượng của quốc gia cho đến khi những nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời và hydro có thể đảm nhận phần lớn tải trọng điện năng trong lưới điện.

GS Linga coi khí đốt tự nhiên là "nhiên liệu cầu nối" quan trọng cho quá trình chuyển đổi năng lượng toàn cầu bền vững, ôn nhấn mạnh tiềm năng sử dụng khí đốt tự nhiên để lưu trữ năng lượng dự phòng cố định, lâu dài cho Singapore và nguyên liệu cho những ngành công nghiệp khác,

"Nghiên cứu của chúng tôi không dừng lại ở đây. Trong tương lai, chúng tôi sẽ cố gắng đạt được khả năng lưu trữ khí cao hơn nữa trong SNG, thu thập thêm nhiều dữ liệu khoa học để hỗ trợ phát triển các công nghệ SNG, sử dụng dioxane quy mô lớn." Ông tin tưởng rằng, những tiến bộ đạt được trong tiến trình phát triển công nghệ SNG có thể được áp dụng để phát triển công nghệ lưu trữ khí hydro trên cơ sở hydrat khí trong tương lai.