Khơi dậy tiềm lực hydro xanh cho một nền kinh tế không carbon

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) 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) 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.

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), 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.

Hydro xanh có thể được ứng 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 carbon, 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.

Cùng xu hướng 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. 

Vấn đề cho đến nay là việc tách nước rất tốn kém và không hiệu quả, khiến hydro khó có thể cạnh tranh với hydro tách từ than nâu hay giá thành của xăng dầu. Hiện tại, nhu cầu toàn cầu về hydro là 73 triệu tấn. Khoảng 50% được tiêu thụ trong tinh chế, 40% trong sản xuất phân bón.

Chi phí sản xuất hydro phụ thuộc nhiều vào giá khí đốt và các nguồn năng lượng tái tạo. Vào tháng 10/2020, hydro xám tại Vịnh Mexico có giá 1,25 USD/kg, tại California - 2 USD/kg, tại Hà Lan - 1,7 USD/kg, tại Nhật Bản - 2,7 USD/kg. Chi phí cho hydro xanh cao hơn khoảng 0,2 USD/kg.

Chi phí hydro được sản xuất bằng điện phân, dựa trên giá điện giao ngay tại Vịnh Mexico là 2,8 USD/kg, ở California là hơn 4 USD/kg, ở Hà Lan - 4,3 USD/kg, ở Nhật Bản - 5,3 USD/kg.

Để hydro xanh trở thành nhiên liệu cạnh tranh, chi phí sản xuất phải giảm hơn một nửa - ít nhất là xuống còn 2 USD/kg. LCOE giảm 10 USD/MW vào năm 2030 có thể giảm chi phí hydro 0,4-0,5 USD/kg; giảm đơn vị CAPEX mỗi máy điện phân 250 USD/kW làm giảm giá hydro 0,3-0,4 USD/kg; tăng hiệu quả của máy điện phân từ 40% hiện tại lên 50% có thể dẫn đến giảm chi phí hydro 0,2-0,3 USD/kg.