Sử dụng hydro làm nhiên liệu đã không còn là một ý tưởng mới trong thời đại ngày nay. Tuy nhiên, trong bối cảnh “chuyển dịch năng lượng” và hướng đến một nền kinh tế không carbon, hydro lại chuyển mình thành đề tài nóng bỏng và trở thành mục tiêu theo đuổi trong chiến lược phát triển năng lượng của nhiều quốc gia và khu vực.
Hydro “xám” và hydro “xanh”: Bài toán muôn thuở giữa chi phí và môi sinh
Hydro (H2) là nguyên tố phổ biến thứ 3 trên Trái đất, nhưng không có sẵn để khai thác trực tiếp mà phải được tạo ra từ các nguồn sơ cấp ban đầu như nước hoặc các hợp chất hydrocacbon. Hydro còn là một nguồn năng lượng sạch và có thể sử dụng để thay thế nhiên liệu hóa thạch. Tùy vào phương pháp sản xuất, hydro có thể được phân loại thành 3 nhóm như sau: grey hydrogen (hydro “xám”), blue hydrogen (hydro “lam”) và green hydrogen (hydro “xanh”).
Hiện nay, gần như có đến 70/80 tấn hydro sản xuất mỗi năm nhờ vào quá trình nhiệt hóa các loại hợp chất hydrocacbon như metan (steam methane reforming – SMR)(1) từ nguồn khí thiên nhiên hoặc sau khi khí hóa nhiên liệu than ở quy mô công nghiệp. Hydro tạo ra từ phương pháp này được gọi là grey hydrogen, hay hydro “xám” vì quá trình nhiệt hóa hydrocacbon kèm theo phát thải CO2 với tỉ lệ 10kg/1kg hydro được tạo ra. Mặc dù đây là phương pháp sản xuất H2 chi phí thấp (chỉ từ 1-1,8USD/kg (2)) và có tính cạnh tranh cao, tuy nhiên, nguồn nhiên liệu hóa thạch đang dần cạn kiệt và việc cắt giảm phát thải khí nhà kính đang là vấn đề quan trọng hơn.
Để giảm phát thải môi trường, blue hydrogen (hydro “lam”) được xem là một giải pháp thay thế cho grey hydrogen. Blue hydrogen được sản xuất bằng phương pháp nhiệt hóa hydrocacbon kết hợp với công nghệ thu gom và lưu trữ CO2 (Carbon Capture and Storage). Tuy nhiên, việc bổ sung hệ thống thu gom và lưu trữ CO2 sẽ làm tăng chi phí sản xuất H2 khoảng 1,5 lần, lên 1,4-2,4 USD/kg(2).
Green hydrogen, hay hydro “xanh”, là sản phẩm thu được từ quá trình điện phân nước bằng năng lượng tái tạo thân thiện với môi trường. Dòng điện được dùng để tách nước thành khí H2 và O2 bằng phản ứng: 2H2O + Điện năng = 2H2 + O2. Đây là phản ứng hoàn toàn không phát thải CO2. Sản xuất hydro bằng phương pháp điện phân nước có chi phí khá cao so với hai phương pháp còn lại (2,5-6,8 USD/kg) (2), tuy nhiên chi phí này đang có xu hướng giảm nhờ vào sự phát triển công nghệ điện phân và giảm giá thành điện gió, điện mặt trời.
Sự khác nhau giữa grey hydrogen – blue hydrogen – green hydrogen và xu hướng sản xuất hydro trong tương lai
(Nguồn: Internet)
Chiến lược tích hợp hệ thống năng lượng phá vỡ thế “ốc đảo năng lượng” hiện nay
Với sự phát triển mạnh mẽ của năng lượng tái tạo, việc sản xuất hydro “xanh” và tái sử dụng chúng trong các pin nhiên liệu (Fuel Cell) hoặc đốt cháy để chạy các tua-bin khí tạo ra điện năng được xem như là một phương pháp tích trữ năng lượng lâu dài và hiệu quả. Hiện nay, Mitsubishi và Siemens là hai nhà sản xuất đang dẫn đầu trong việc cải tiến và phát triển công nghệ tua-bin chạy 100% bằng khí hydro. Mô hình kết hợp các nhà máy điện tái tạo, cơ sở sản xuất hydro bằng phương pháp điện phân, nhà máy điện sử dụng pin nhiên liệu hoặc tua-bin khí chạy bằng hydro như trên là một ví dụ điển hình về tích hợp hệ thống năng lượng hiện nay.
Tích hợp hệ thống năng lượng tạo nên sự kết nối giữa các nhà máy năng lượng, cơ sở hạ tầng năng lượng và các cơ sở tiêu thụ khác nhau, từ đó giúp các hệ thống kể trên hoạt động hiệu quả hơn và tiết kiệm được chi phí. Để có thể hình dung rõ hơn về hệ thống năng lượng tích hợp, chúng ta hãy tìm hiểu về cơ sở sản xuất hydro từ năng lượng tái tạo FH2R (Fukushima Hydrogen Energy Research Field) lớn nhất thế giới vừa được khánh thành ở Nhật Bản mới đây.
Tích hợp hệ thống năng lượng Điện – Khí được áp dụng ở cơ sở sản xuất hydro lớn nhất thế giới FH2R
(Nguồn: Toshiba)
FH2R sử dụng 20MW điện mặt trời và điện lưới để điện phân nước và sản xuất đến 1200 Nm3 hydro trong một giờ (3). Hydro sản xuất ở FH2R được vận chuyển và cung cấp cho: (1) máy phát điện hydro (chạy bằng pin nhiên liệu); (2) các trạm tiếp nhiên liệu hydro cho các loại phương tiện giao thông, vận tải chạy bằng pin nhiên liệu; và (3) các nhà máy sản xuất phân bón, methanol… trong các khu công nghiệp. Hệ thống tích hợp năng lượng Điện – Khí không chỉ giúp FH2R tối đa hóa việc sử dụng năng lượng tái tạo, mà còn thiết lập được công nghệ sản xuất hydro “xanh” với chi phí thấp.
Có thể thấy, tích hợp hệ thống năng lượng là chiến lược đầy triển vọng cho quá trình chuyển dịch năng lượng xanh và phá vỡ các rào cản “ốc đảo” của mô hình năng lượng hiện nay.
Hydro – “đầu mối” quan trọng trong nền kinh tế không carbon
Chiến lược tích hợp hệ thống năng lượng là một trong những giải pháp cho một nền kinh tế không carbon. Khi thế giới vẫn còn phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch, việc khử carbon trong các lĩnh vực công nghiệp, năng lượng, sưởi ấm, khí đốt và vận tải chủ yếu được thúc đẩy một cách độc lập. Để đạt được mục tiêu phát thải CO2 bằng không vào năm 2050, các lĩnh vực trên cần phải được kết hợp với nhau. Khi đó, năng lượng tái tạo từ ngành điện được sử dụng để khử carbon cho các ngành khác thông qua một “đầu mối” là khí hydro “xanh”.
Hydro “xanh” là mắc xích quan trọng cho một nền kinh tế không cácbon
(Nguồn: Siemens)
Hydro “xanh” có thể được sử dụng rộng rãi ở nhiều lĩnh vực trong cuộc sống, từ vận tải, hàng hải, hàng không vũ trụ đến công nghiệp hóa chất, hóa dầu, sản xuất điện năng, sưởi ấm v.v.
Với khả năng tạo ra nhiệt lượng cao gấp 2 lần so với metan khi cháy (nhiệt lượng hydro 120MJ/kg, nhiệt lượng metan 56MJ/kg), hydro đã được sử dụng để làm nhiên liệu đốt trực tiếp trong các động cơ đốt trong và tua-bin khí từ thế kỷ XIX. Ngoài ra, hydro còn được dùng trong các pin nhiên liệu để tạo ra điện năng nhờ vào phản ứng điện hóa với oxy. Vì trong phân tử hydro không chứa bất kỳ nguyên tố hóa học nào khác (như cácbon, lưu huỳnh, nitơ), nên khi cháy (trong các động cơ và tua-bin) hoặc kết hợp với oxy (pin nhiên liệu), chúng chỉ tạo ra nước tinh khiết (H20) và không có chất thải nào gây hại đến môi trường. Với những ưu điểm kể trên, hydro hiện nay được sử dụng làm nhiên liệu tương tự như nhiên liệu hóa thạch trong động cơ của các loại phương tiện giao thông như ô tô, xe buýt, xe tải v.v nhằm giảm phát thải khí nhà kính vào môi trường. Nhật Bản là một trong những nước dẫn đầu thế giới về sản xuất và chế tạo phương tiện chạy khí hydro.
Mục tiêu sản xuất ô tô điện FCEV của một số nước trong giai đoạn 2020-2030
(Nguồn: IEA)
Một số hãng xe sản xuất ô tô chạy khí hydro: Toyota, Hyundai, Honda, Mercedes-Benz
(Nguồn: Internet)
Cuộc đua “chiến lược hydro quốc gia”
Trong cuộc đua hướng đến trung hòa khí hậu vào năm 2050, ngày 8/7 mới đây, Liên minh Châu Âu (EU) đã công bố chiến lược tích hợp hệ thống năng lượng và chiến lược phát triển hydro “xanh” với mục đích khử carbon cho các ngành công nghiệp gây ô nhiễm nhất như ngành công nghiệp thép và vận tải ở Châu Âu. Chiến lược hướng đến mục tiêu: đến năm 2024 hỗ trợ lắp đặt ít nhất 6GW cơ sở điện phân hydro “xanh” ở Châu Âu với mức sản xuất lên đến 1 triệu tấn mỗi năm và sau đó tăng lên 40GW điện phân với mức 10 triệu tấn hydro từ năm 2025 đến năm 2030(4).
Frans Timmermans – Phó chủ tịch Ủy ban Châu Âu cho biết: “Đây là chìa khóa cho một nền kinh tế Châu Âu mạnh mẽ, cạnh tranh và không carbon”. Ông tin rằng các chiến lược sẽ trở thành trụ cột đầu tư chính và có tính quyết định cho Thỏa thuận xanh Châu Âu (European Green Deal), đồng thời giúp Châu Âu phục hồi nền kinh tế sau những thiệt hại do đại dịch Covid-19 gây ra.
Phát biểu tại buổi họp báo, Frans Timmermans tin rằng chiến lược phát triển hydro có tính quyết định đến
Thỏa thuận xanh Châu Âu
(Nguồn: Internet)
Vào đầu tháng 6/2020, Đức công bố “Chiến lược hydro quốc gia” với tham vọng trở thành nhà cung cấp và sản xuất hydro số một trên thế giới. Là một trong những quốc gia đi đầu về cam kết giảm phát thải khí nhà kính và sử dụng năng lượng sạch, Đức mạnh tay chi 10 tỷ euro vào việc phát triển năng lượng hydro để đạt mức 10GW đến năm 2040(5). Các quốc gia khác như Úc, Hà Lan, Mỹ, Nhật Bản, Hàn Quốc, Pháp, Anh… cũng đều đã có những chiến lược quốc gia và kế hoạch phát triển nguồn năng lượng hydro của mình.
“Hydro” là từ khóa quan trọng trong bối cảnh chuyển dịch năng lượng và hướng tới mục tiêu bảo vệ môi trường. Hiện nay Việt Nam đang phát triển rất mạnh về năng lượng tái tạo và có tiềm năng rất lớn để đầu tư vào hydro. Đã đến lúc Việt Nam cần xây dựng một chiến lược phát triển hydro để cùng các nước tiến tới một nền kinh tế không carbon, bền vững hơn.
Hoahocngaynay.com/Hoahoc.info
Nguồn: PECC2
Nguồn tham khảo:
(1) White paper “Power – to –X: The crucial business on the way to a carbon-free world”. 2020. Siemens Energy.
(2) A wake-up call on green hydrogen: the amount of wind and solar needed is immense. March 19, 2020. Rechargenews.
https://www.rechargenews.com/transition/a-wake-up-call-on-green-hydrogen-the-amount-of-wind-and-solar-needed-is-immense/2-1-776481
(3) The world´s largest-class hydrogen production, Fukushima Hydrogen Energy Research Field (FH2R) now is completed at Namie town in Fukushima. March 7, 2020. Toshiba Energy Systems & Solutions Corporation.
https://www.toshiba-energy.com/en/info/info2020_0307.htm
(4) EU unveils hydrogen and energy system integration strategies. July 8, 2020. Power Engineering International.
(5) Tomorrow today? The reality of developing a global H2 economy. July 2020. Energy Council.
