Từ khóa “nền kinh tế hydro”, “hydro xanh” đang ngày một “chiếm sóng” trên các kênh thông tin về năng lượng. Hydro được công nhận là chìa khóa để mở ra một nền kinh tế nói không với các – bon. Trong tầm nhìn dài hạn hướng đến mục tiêu trung hòa khí hậu, việc điện phân để sản xuất “hydro xanh” từ các nguồn năng lượng tái tạo là một lựa chọn đầy hứa hẹn. Tuy nhiên, phương pháp này đang vấp phải rào cản lớn về chi phí, đòi hỏi những khoản đầu tư khổng lồ.
Các công nghệ sản xuất “hydro xanh” hiện nay
“Hydro xanh” là hydro được sản xuất nhờ vào quá trình điện phân nước bằng năng lượng tái tạo, không gây phát thải khí CO2 vào môi trường. Điện phân là quá trình sử dụng điện để tách nước thành khí hydro và khí oxy trong một thiết bị được gọi là máy điện phân. Cũng giống như pin nhiên liệu, máy điện phân gồm có hai cực Anốt (cực dương) và Catốt (cực âm) được nhúng trong chất điện phân. Tùy vào loại chất điện phân được sử dụng, máy điện phân được chia thành 3 loại: máy điện phân có màng ngăn polyme (PEM Electrolyzer), máy điện phân kiềm (Alkaline Electrolyzer) và máy điện phân oxit rắn (Solid Oxide Electrolyzer).
Màng ngăn polyme trong máy điện phân PEM là một màng dẻo mỏng, có tác dụng ngăn không cho khí oxy (O2) đi qua nhưng dẫn được các ion hydro mang điện tích dương H+. Quá trình sản xuất khí hydro (H2) trong máy điện phân PEM diễn ra như sau: (I) Ở cực dương, khí O2 và các ion hydro dương H+ được tạo ra nhờ phản ứng oxy hóa nước: 2H20 = 4e + O2 + 4H+; (II) Các eletron chạy qua mạch ngoài, còn các ion H+ di chuyển qua màng ngăn polyme để đến cực âm; (III) Ở cực âm, các ion H+ kết hợp với các electron từ mạch ngoài (phản ứng khử) và tạo thành khí hydro: 4[H+] + 4e = 2H2.
Hình 1. Nguyên lý hoạt động của máy điện phân có màng ngăn polyme (máy điện phân PEM): Màng ngăn cho phép ion H+ đi từ cực dương sang cực âm
Nguồn: Internet
Khác với máy điện phân PEM, máy điện phân kiềm hoạt động thông qua sự vận chuyển các ion OH- qua chất điện phân từ cực âm đến cực dương để tạo ra H2 và O2. Máy điện phân kiềm sử dụng dung dịch kiềm lỏng của Natri hoặc Kali Hydroxit (NaOH/KOH) làm chất điện phân đã được bán trên thị trường trong nhiều năm nay và được xem là công nghệ phù hợp cho các cơ sở điện phân quy mô lớn.
Hình 2. Nguyên lý hoạt động của máy điện phân kiềm: ion OH- di chuyển qua chất điện phân từ cực âm đến cực dương (Nguồn: Internet)
Hai loại máy điện phân kể trên đang được sử dụng phổ biến hiện nay để sản xuất hydro thương mại, trong khi máy điện phân oxit rắn vẫn đang trong giai đoạn nghiên cứu phát triển với nguyên lý như sau: Nước ở cực âm kết hợp với electron từ mạch ngoài để tạo thành khí H2 và ion oxy tích điện âm (O2-); Chất điện phân được sử dụng trong loại máy này là vật liệu gốm rắn, có tác dụng dẫn các ion O2- ở nhiệt độ cao sang cực dương để tạo thành khí O2 và tạo ra các electron cho mạch ngoài.
Nhiệt độ phải được duy trì đủ cao để màng oxit rắn hoạt động bình thường (khoảng 700 độ C – 800 độ C ), cao hơn rất nhiều so với nhiệt độ hoạt động ở máy điện phân PEM (70 độ C – 90 độ C ) và máy điện phân kiềm (100 độ C -150 độ C ) (1). Do đó, hiệu suất chuyển đổi của công nghệ điện phân oxit rắn có thể lên tới 90%, trong khi hiệu suất của hai công nghệ kia chỉ vào khoảng 65-70% (2). Để giảm được năng lượng điện cần cung cấp để sản xuất hydro từ nước theo cách này, máy điện phân oxit rắn có thể sử dụng hiệu quả các nguồn nhiệt sẵn có ở mức nhiệt độ tương đương 700 độ C – 800 độ C như: năng lượng mặt trời, năng lượng hạt nhân, địa nhiệt…
Hình 3. Nguyên lý hoạt động của máy điện phân oxit rắn: ion O2- được dẫn từ cực âm sang cực dương ở nhiệt độ cao (Nguồn: Internet)
Giá thành sản xuất hydro bằng phương pháp điện phân liệu sẽ giảm?
Ngành công nghiệp sản xuất hydro bằng phương pháp điện phân nước hiện nay vẫn còn ở quy mô nhỏ và có giá thành thiết bị cao. Do đó, hydro được tạo ra từ các máy điện phân chạy bằng năng lượng tái tạo có chi phí từ 2,5-4,6 USD/kg hoặc 19-34 USD/triệu Btu (3) . Tuy nhiên, chi phí này đang có xu hướng giảm nhanh chóng nhờ vào sự phát triển của công nghệ máy điện phân và giảm giá thành năng lượng tái tạo.
Giá bán máy điện phân kiềm ở Bắc Mỹ và Châu Âu giảm 40% từ năm 2014 đến năm 2019 là một ví dụ cho xu hướng này (3). Cũng trong giai đoạn 2014-2019, máy điện phân PEM do các nước phương Tây sản xuất ghi nhận sự giảm giá bán xuống còn 50% (từ 2.8 USD/W xuống 1.4 USD/W)(3).
Hình 4. Giá thành máy điện phân ở Bắc Mỹ và Châu Âu giảm 40% – 50% từ năm 2014 đến năm 2019
(Nguồn: BloombergNEF)
Máy điện phân được sản xuất bởi Trung Quốc được bán với giá thậm chí còn thấp hơn 80% so với các máy điện phân của các nước phương Tây (3), nhờ vào sự kết hợp của nguyên liệu và nhân công giá rẻ, chi phí cho nghiên cứu phát triển và tiếp thị thấp, cũng như sử dụng hiệu quả các cơ sở sản xuất ở quốc gia này. Qua đó có thể thấy rằng, mục tiêu sản xuất hydro sạch với giá cả phải chăng là hoàn toàn có thể đạt được.
Theo Báo cáo về khí gas năm 2020 của Hiệp hội Khí Thế giới (IGU) mới được công bố, chi phí sản xuất các thiết bị điện phân giảm, kết hợp với sự giảm giá thành điện gió, điện mặt trời có thể mang lại chi phí sản xuất hydro sạch cạnh tranh hơn trên thế giới: 1.1-2.7 USD/kg vào năm 2030, và 0.7-1.6 USD/kg vào năm 2050.
HÌnh 5. Dự báo chi phí sản xuất hydro trên thế giới từ năng lượng tái tạo và từ nhiên liệu hóa thạch (than, khí thiên nhiên)
(Nguồn: BloombergNEF)
Mặc dù chi phí sản xuất hydro nhờ vào quá trình nhiệt hóa các hợp chất hydrocacbon như metan (steam methane reforming – SMR) từ các nguồn nhiên liệu hóa thạch kết hợp với hệ thống thu gom và lưu trữ cacbon (CCS) hiện đang thấp hơn chi phí sản xuất hydro từ năng lượng tái tạo, nhưng theo dự báo của BloombergNEF, sản xuất hydro từ nhiên liệu hóa thạch không có tiềm năng giảm nhiều trong 30 năm tới. Hydro tạo ra bằng phương pháp nhiệt hóa SMR kết hợp với hệ thống CCS hiện nay đang có giá bán 1.3-2.9 USD/kg (hydro tạo từ khí thiên nhiên) và 2.5-3.3 USD/kg (hydro tạo từ khí hóa than) (3). Trong khi đó, giá bán này theo dự báo của BloombergNEF chỉ có thể giảm được 10% đến năm 2050.
“Hydro xanh” vẫn chưa có chỗ đứng trong tầm nhìn ngắn và trung hạn
Tuy rằng sản xuất hydro nhờ điện phân nước đang có tiềm năng rất lớn về tính cạnh tranh giá thành, nhưng chi phí sản xuất quá cao ở hiện tại và quy mô công nghiệp còn hạn chế khiến “hydro xanh” vẫn chưa có được chỗ đứng trong 5 đến 10 năm tới vì sản lượng sản xuất còn quá thấp so với nhu cầu thực tế.
Theo số liệu của Liên minh Châu Âu (EU), 300 máy điện phân hiện có ở Châu Âu chỉ cung cấp sản lượng hydro dưới 4% trong tổng lượng khí hydro được tạo ra (4). Hầu hết sản lượng còn lại là “hydro xám” được sản xuất từ nhiên liệu hóa thạch và không có hệ thống thu gom và lưu trữ các-bon. Việc thay thế toàn bộ sản lượng “hydro xám” hiện tại bằng “hydro xanh” sẽ cần tới 3600 TWh năng lượng tái tạo (4). Đây là một con số khổng lồ, khi mà tổng công suất phát điện của EU hiện nay chỉ khoảng 2700 TWh.
Để đạt được mục tiêu giảm phát thải CO2 trong khi sản lượng “hydro xanh” chưa thể đáp ứng được nhu cầu sử dụng, “hydro lam” được xem là giải pháp thay thế tạm thời.
Trong khi chờ đợi sự trang bị hoàn thiện cho “hydro xanh” về cơ sở hạ tầng, công nghệ, quá trình sản xuất “hydro lam” từ nhiên liệu hóa thạch kết hợp với hệ thống thu gom và lưu trữ các-bon mang đến hướng giải quyết nhanh hơn, rẻ hơn để “làm sạch” các ngành công nghiệp.
Mặc dù việc phát triển “hydro xanh” còn nhiều thách thức và đòi hỏi một sự đầu tư “mạnh tay”, nhưng lời kêu gọi những hành động cụ thể đã được nhiều quốc gia lắng nghe và hưởng ứng. Các kế hoạch, chiến lược rõ ràng để phát triển công nghệ điện phân, phát triển ngành năng lượng tái tạo, xây dựng cơ sở hạ tầng đang dần được công bố nhằm hướng tới một nền kinh tế hydro không các-bon và phát triển bền vững.
Hoahocngaynay.com/Hoahoc.info
Nguồn: PECC2
Tham khảo:
1. Office of Energy Effiency & Renewable Energy. Hydrogen Production: Electrolysis. https://www.energy.gov/eere/fuelcells/hydrogen-and-fuel-cell-technologies-office
2. Energy Storage Association. How Hydrogen Energy Storage Works. https://energystorage.org/why-energy-storage/technologies/hydrogen-energy-storage/
3. International Gas Union. August 06, 2020. Global Gas Report 2020. Tim Gosling. August 07, 2020.
4. Hydrogen: Any colour but grey. Natural Gas World Magazine. Volume 5. Issue 15.
