Hạ chi phí sản xuất hydro xanh để loại bỏ nhiên liệu hóa thạch

Khi nền kinh tế toàn cầu dần từ bỏ nhiên liệu hóa thạch, hydro xanh có thể sẽ đóng vai trò đặc biệt quan trọng đối với một thế giới phát thải ròng bằng 0 vào năm 2025.

Hydro xanh mang đến giải pháp khử carbon cho các ngành công nghiệp vốn khó giảm phát thải như ngành sản xuất thép, sản xuất phân bón và vận tải hạng nặng. Gần đây, các quốc gia có lượng phát thải lớn đã tuyên bố quá trình chuyển đổi sang hydro xanh có thể diễn ra ở quy mô lớn hơn và sớm hơn so với dự kiến.

Thủ tướng Ấn Độ Narendra Modi đã công bố “sứ mệnh hydro xanh” trị giá 2,3 tỷ USD, hứa hẹn đưa lĩnh vực hydro xanh của nước này tăng trưởng 400% vào năm 2050. Ngành thép và ngành vận tải hạng nặng của Ấn Độ được cho là sẽ tiêu thụ khoảng một nửa sản lượng hydro xanh này.

Theo kế hoạch mới nhất của Chính phủ Trung Quốc, quốc gia này sản xuất 100.000-200.000 tấn hydro mỗi năm bằng nguồn năng lượng tái tạo và sẽ sở hữu 50.000 phương tiện chạy bằng nhiên liệu hydro vào năm 2025.

Chính quyền Tổng thống Joe Biden đã công bố khoản đầu tư 750 triệu USD cho lĩnh vực hydro xanh. Dự kiến, lĩnh vực mới này sẽ tạo ra thêm 700.000 việc làm và tạo ra lợi nhuận trị giá 140 tỷ USD.

Năng lượng tái tạo trong mạng lưới điện quốc gia của New Zealand đang chiếm tỷ trọng cao hơn nhiều so với lưới điện của Australia – quốc gia vẫn đang phụ thuộc vào than đá. Tuy nhiên, cả hai quốc gia này đang đầu tư vào hydro xanh như một loại nhiên liệu tương lai.

Chính phủ Australia đã phân bổ 2 AUD (1,35 tỷ USD) trong Ngân sách liên bang 2023-2024 để đẩy nhanh đẩy nhanh các dự án hydro xanh quy mô lớn. Tại New Zealand, dự án Southern Green Hydrogen (SGH) đã bước sang giai đoạn phát triển và các quyết định đầu tư cuối cùng dự kiến sẽ được đưa ra vào cuối năm nay.

Chuyển đổi hydro xanh

Hydro xanh được sản xuất bằng cách sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo để tách nước thành hydro và oxy, thông qua quá trình điện phân hoặc quang phân. Công nghệ vốn trước kia được ứng dụng đang được cải thiện hơn trong giai đoạn này.

Hiện tại, 98% tổng lượng hydro trên thế giới đang được sản xuất bằng nhiên liệu hóa thạch (còn gọi là “hydro xám” vì quá trình sản xuất này không thu giữ được lượng khí thải nhà kính mà quá trình này sinh ra). Để đáp ứng các mục tiêu đề ra trong Hiệp định Paris về biến đổi khí hậu, quá trình sản xuất hydro cần phải đảm bảo khử carbon. Do đó, năng lực sản xuất hydro xanh hiện nay cần phải tăng gấp 75 lần từ nay cho đến năm 2030.

Một tin tích cực đó là chi phí của hydro xanh dự kiến sẽ giảm xuống còn 2-3 USD/kg đến năm 2030 nhờ phương pháp sản xuất được cải thiện và quy mô nền kinh tế hydro xanh được mở rộng. Chi phí năng lượng tái tạo giảm, nhu cầu năng lượng ngày càng tăng và tình trạng khẩn cấp về biến đổi khí hậu hiện nay là những yếu tố mang lại động lực lớn “chưa từng có” cho lĩnh vực sản xuất hydro sạch.

“Hydro xám” (hay “hydro xanh lam”) có vai trò nhất định trong các ngành công nghiệp hiện nay, nhưng sẽ đóng vai trò là loại nhiên liệu chuyển tiếp. Cuối cùng, loại hydro này sẽ được thay thế bằng hydro xanh, loại nhiên liệu sau này sẽ đáp ứng những nhu cầu mới đang phát triển nhanh chóng, chẳng hạn như ngành sản xuất “thép xanh”.

Quá trình ứng dụng nhiên liệu hydro đang diễn ra thuận lợi. Nhà sản xuất máy bay Airbus đang tham gia vào quá trình phát triển máy bay điện, trong đó sử dụng kết hợp giữa quá trình đốt cháy hydro để tạo ra năng lượng cho máy bay cất cánh và năng lượng từ pin nhiên liệu hydro để cung cấp năng lượng giữa chuyến bay.

Trong khi hầu hết các loại xe điện sẽ tiếp tục chạy bằng pin, một số nhà sản xuất xe ô tô đã thành công trong việc sản xuất thương mại các loại xe ô tô chạy bằng nhiên liệu hydro.

Chi phí sản xuất cao là yếu tố chính đằng sau việc chuyển đổi hydro xanh vốn đang diễn ra chậm chạp. Tuy nhiên, mức chi phí 2 USD/kg được coi là điểm mấu chốt tiềm năng để giúp hydro xanh có thể cạnh tranh với các nguồn nhiên liệu khác. Khi đạt được mức này (dự kiến vào năm 2030 ), hydro xanh sẽ dần thay thế nhiên liệu hóa thạch trong hầu hết các lĩnh vực.

Chi phí cho các máy điện phân đã giảm gần một nửa trong vòng 5 năm qua. Xu hướng này sẽ tiếp diễn. Sự phát triển gần đây của các chất điện phân oxit rắn có thể mang lại hiệu suất 100% ở dải nhiệt độ cao, điều này hứa hẹn mức độ phát triển xa hơn nữa.

Tiềm năng cho các nước đang phát triển

Những thách thức trước mắt đối với hydro xanh là năng lượng này cần phải được chấp nhận trên toàn cầu và cơ sở hạ tầng liên quan phải được nhanh chóng mở rộng.

Quan hệ đối tác hydro quốc tế trong tương lai dự kiến sẽ đem lại lợi ích cho cả các quốc gia đang phát triển và đã phát triển. Một ví dụ là châu Phi, nơi có vị trí thuận lợi để phát triển các dự án hydro xanh nhờ tiềm năng năng lượng tái tạo lớn của châu lục này. Châu Phi cũng có trữ lượng bạch kim dồi dào, thành phần cần thiết cho quá trình xúc tác để tách nước.

Tiềm năng to lớn của Bắc Phi trong sản xuất hydro xanh là mức độ hấp thu năng lượng Mặt Trời và nguồn gió lớn của khu vực này. Ngân hàng Thế giới (WB) ước tính tài nguyên gió của riêng Algeria đã ngang bằng với cả châu Âu.

Theo phân tích của BloombergNEF, các quốc gia thế giới dự kiến mở rộng việc lắp đặt các máy điện phân, có công suất từ 2 GW hiện nay lên đến 242 GW vào năm 2030. Các nhà sản xuất lớn, trong đó có công ty EvolOH (Mỹ), đang có kế hoạch sản xuất các máy điện phân với tổng công suất lên tới 3,75 GW mỗi năm. Trong khi đó, siêu nhà máy của công ty Plug Power (Mỹ) sẽ sử dụng nguồn năng lượng thủy điện từ thác Niagara cho quá trình sản xuất của mình.

Rào cản đối với quá trình chuyển đổi

Cuộc cách mạng mới về năng lượng hydro xanh đang đối mặt với một số rào cản quan trọng mà thế giới cần phải giải quyết. Đầu tiên là nước được sử dụng trong các thiết bị điện phân phải là nước sạch, không bị ô nhiễm. Tuy nhiên, tình trạng thiếu nước ngọt và nước sạch ngày càng tăng đang là một vấn đề toàn cầu.

Để giải quyết thách thức này, một nghiên cứu do các trường đại học của Australia và Trung Quốc phối hợp thực hiện, đã chứng minh rằng các máy điện phân thương mại có thể sử dụng nước biển cho quá trình phân tách nước thành hydro và oxy. Cách thức này sử dụng chất xúc tác có chi phí thấp nhưng mang lại hiệu suất gần như 100%. Công nghệ này cần được cải tiến thêm, nhưng đây dường như sẽ là một giải pháp khả thi.

Vấn đề thứ hai là hydro - nếu rò rỉ ra ngoài khí quyển - sẽ trở thành một loại khí gián tiếp gây hiệu ra ứng nhà kính. Theo một số báo cáo trước đây, hydro là một loại khí nhà kính mạnh hơn khoảng 11 lần so với CO2, nếu tính trong khoảng thời gian 100 năm (hoặc mạnh hơn 33 lần so với CO2 trong 20 năm). Điều này là do hydro phản ứng với các loại khí nhà kính khác (gốc OH) trong khí quyển làm tăng mạnh hiệu ứng nhà kính. Việc xác định mức độ gây ra hiệu ứng nhà kính gián tiếp của hydro phụ thuộc vào mức độ rò rỉ loại khí này. Điều này cần các chuyên gia khẩn trương vào cuộc để có những đánh giá chi tiết hơn.

Vấn đề còn lại là hiện tượng rò rỉ đường ống, ước tính có nguy cơ xảy ra từ 2,9-5,6%. Để tiến hành một cuộc thử nghiệm quan trọng về đường ống, Tập đoàn Hóa chất và dầu khí Sinopec của Trung Quốc đang có kế hoạch xây dựng đường ống hydro xanh đầu tiên từ Nội Mông đến Bắc Kinh nhằm kiểm tra nguy cơ rò rỉ hydro trong điều kiện thực tế.

Song song với những nghiên cứu trên, phương pháp chuyển đổi hydro xanh thành amoniac xanh thông qua quy trình Haber-Bosch là chìa khóa để sử dụng amoniac xanh như một loại nhiên liệu có thể dễ dàng vận chuyển hơn. Đến năm 2100, khi con người trong tương lai tìm hiểu lại về quá trình hydro trở thành một nguồn nhiên liệu mới, họ sẽ liên tưởng đến cuộc cách mạng về than và hơi nước trong các thế kỷ trước - vốn dẫn tới khủng hoảng về khí hậu - và cuộc cách mạng hydro đã giúp giải quyết vấn đề này./.