Nhóm nghiên cứu do Xie Heping, thành viên Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc và nhà khoa học thuộc Đại học Thâm Quyến, dẫn đầu đã lần đầu tiên phát triển thành công hệ thống được gọi là pin nhiên liệu than trực tiếp không phát thải carbon (ZC-DCFC).
Thay vì đốt than để tạo nhiệt như các nhà máy điện truyền thống, công nghệ mới đưa than trực tiếp vào một hệ thống điện hóa tương tự pin nhiên liệu. Trong quy trình này, than trước tiên được nghiền mịn, sấy khô, tinh chế và xử lý bề mặt trước khi đưa vào khoang cực dương của pin. Oxy được đưa vào cực âm.
Bên trong hệ thống, bột than siêu mịn trải qua phản ứng oxy hóa điện hóa thông qua màng oxit, từ đó tạo ra điện trực tiếp mà không cần qua công đoạn đun nước tạo hơi, quay turbine hay các hệ thống cơ khí truyền thống.
Trong các nhà máy nhiệt điện than hiện nay, than phải được đốt để tạo nhiệt, nhiệt làm sôi nước thành hơi nước, sau đó hơi nước quay turbine phát điện. Chuỗi chuyển đổi năng lượng nhiều tầng này bị giới hạn bởi chu trình Carnot, khiến hiệu suất điện than truyền thống thường chỉ quanh mức 40%.
Ngược lại, công nghệ pin nhiên liệu than trực tiếp loại bỏ khâu đốt cháy và tổn thất nhiệt, mở ra khả năng đạt hiệu suất cao hơn đáng kể về mặt lý thuyết.
Điểm đáng chú ý hơn là lượng khí CO2 tạo ra trong quá trình phản ứng không bị xả thẳng ra môi trường.
Theo nhóm nghiên cứu, khí carbon dioxide tinh khiết sinh ra tại đầu ra của cực dương sẽ được thu giữ ngay trong hệ thống. Sau đó, khí này tiếp tục chuyển hóa thành các nguyên liệu hóa học có giá trị như khí tổng hợp hoặc khoáng hóa thành hợp chất như natri bicarbonate.
Toàn bộ quá trình được mô tả là diễn ra gần như không tiếng ồn, sạch hơn nhiều so với mô hình nhiệt điện truyền thống.
Nhắc đến điện than, phần lớn thế giới thường nghĩ ngay đến khói bụi, lượng phát thải carbon khổng lồ. Tuy nhiên, các nhà khoa học Trung Quốc đã thay đổi định kiến đó.
Kể từ năm 2018, nhóm của Xie đã từng bước giải quyết hàng loạt rào cản kỹ thuật như vật liệu pin, độ bền hệ thống, xử lý nhiên liệu và khả năng nạp than liên tục.
Các thế hệ pin carbon trực tiếp trước đây thường gặp vấn đề về công suất thấp và tuổi thọ vận hành ngắn. Phiên bản mới được cho là đã cải thiện đáng kể khả năng mở rộng quy mô, độ ổn định dài hạn và hiệu suất chuyển đổi carbon.
Một ứng dụng đầy tham vọng khác của công nghệ này là khai thác các vỉa than siêu sâu.
Theo Xie, hệ thống có thể được triển khai trực tiếp tại các mỏ than nằm sâu tới 2 km dưới lòng đất. Thay vì khai thác than lên mặt đất với chi phí cực lớn, công nghệ mới có thể chuyển đổi than thành điện ngay tại chỗ, sau đó chỉ cần truyền tải điện lên bề mặt.
Ý tưởng này đặc biệt hấp dẫn trong bối cảnh các mỏ than nông của Trung Quốc đang dần cạn kiệt.
Dự án hiện cũng nằm trong chương trình nghiên cứu trọng điểm quốc gia về thăm dò lòng đất sâu và khai thác tài nguyên khoáng sản mà Trung Quốc khởi động từ năm 2025.
Dù vậy, giới chuyên gia cho rằng còn quá sớm để công nghệ này thay thế các nhà máy điện than hiện hữu.
Theo kỹ sư Wei Zhijiang của tập đoàn thép HBIS Group, đến cuối năm 2025, điện than vẫn chiếm khoảng 45% công suất lắp đặt điện của Trung Quốc, nhưng lại cung cấp gần 60% tổng sản lượng điện quốc gia.
Đáng chú ý, khoảng một nửa số nhà máy điện than của Trung Quốc mới hoạt động được khoảng 15 năm, vẫn còn khá mới theo vòng đời công nghiệp.
Wei cho rằng việc thương mại hóa rộng rãi pin nhiên liệu than trực tiếp sẽ cần rất nhiều thời gian và chỉ có thể đạt tính cạnh tranh về chi phí sau năm 2045.
