Vật lộn thúc đẩy nhiên liệu hydrogen xanh

Các hồ chứa hydrogen tại Trung Quốc

Nhiên liệu hydrogen vốn đã nổi lên như một giải pháp quan trọng để lưu trữ điện, giải quyết các vấn đề dễ bị gián đoạn của năng lượng gió và mặt trời. Bên cạnh đó, nhiên liệu hydrogen còn đóng một vai trò quan trọng trong các động lực điện khí hóa phương tiện giao thông.

Hydrogen xanh có khả năng giúp giảm lượng khí thải carbon, đặc biệt là trong các lĩnh vực khó khử carbon như sản xuất nặng và các ngành sử dụng nhiều năng lượng như thép hoặc hóa chất.

Năng lượng được biểu thị bằng đơn vị kilowatt giờ (kWh) hoặc megawatt giờ (MWh.) Ở mức kWh thấp, pin là giải pháp thuận tiện và giá cả phải chăng để điện hóa phương tiện giao thông. Ở mức năng lượng vài trăm kWh, pin nhiên liệu và hydrogen nén bắt đầu bộc lộ lợi thế về phạm vi hoạt động.

Ở mức năng lượng MWh, pin gặp vấn đề do trọng lượng của pin và mất nhiều thời gian để sạc lại. Phân khúc này có thể sẽ bị thống trị bởi pin nhiên liệu hydrogen ở cấu hình hybrid với bộ pin có kích thước khiêm tốn làm bộ đệm năng lượng.

Tuy nhiên, việc lưu trữ MWh hydro nén hoặc lỏng trên phương tiện hoặc tàu thuyền cũng đặt ra những thách thức về kích thước vật lý, trọng lượng và các vấn đề về an toàn. Do đó, chất mang hydro lỏng có thể là lựa chọn thay thế hấp dẫn cho lượng lớn hydro nén hoặc lỏng trên phương tiện hoặc tàu thuyền.

Trở lại năm 2020, đã có những nhấn mạnh về rủi ro khi coi hydrogen như một “loại thuốc chữa bách bệnh” tức thời, bởi lẽ quá trình điện phân kém hiệu quả hiện nay và quá trình chuyển đổi hydrogen thành nhiên liệu tổng hợp tiêu tốn quá nhiều năng lượng. Sản xuất hydro dẫn đến thất thoát 45-60% năng lượng trong quy trình chuỗi cung ứng. Việc chuyển đổi điện thành hydrogen dẫn đến tổn thất năng lượng 25% và năng lượng trong hydrogen kém hiệu quả hơn khoảng 60% so với khí tự nhiên hóa lỏng do mật độ năng lượng thấp hơn.

Trên thực tế, cả Đức và Liên minh Châu Âu đều nhận ra rằng chiến lược hydrogen của họ sẽ cần tới mức nhập khẩu đáng kể. Năm 2022, EU đã tăng gấp đôi mục tiêu sản xuất hydrogen tái tạo cho đến năm 2030 từ 5 triệu tấn lên 10 triệu tấn và cũng có kế hoạch nhập khẩu thêm 10 triệu tấn nữa vào năm 2030. Nhập khẩu lượng này cần gần 500 terawatt giờ điện tái tạo, tương đương 14% sản lượng điện tái tạo - tương đương toàn bộ mức tiêu thụ điện của EU.

Năm 2021, nhu cầu hydrogen toàn cầu mới chỉ ở mức 94 triệu tấn, chiếm khoảng 2,5% mức tiêu thụ năng lượng của thế giới. Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IEA) từng dự đoán, vào năm 2030 nhu cầu này mới sẽ chỉ tăng lên 115 triệu tấn, với chưa đến 2 triệu tấn từ các ứng dụng mới. Tuy nhiên, đến năm 2050, thị trường hydrogen toàn cầu có thể tăng vọt, đạt khoảng 600-650 triệu tấn, nhằm đáp ứng hơn 20% nhu cầu năng lượng toàn cầu.

Đến năm 2030, cả nhu cầu và sản xuất hydrogen đều có mức tăng trưởng vừa phải, có khả năng bù đắp mức tiêu thụ 14 tỷ mét khối khí đốt tự nhiên hàng năm, 20 triệu tấn than và 360.000 thùng dầu mỗi ngày. Khoảng 12 triệu tấn hydrogen có thể được xuất khẩu mỗi năm.

Bên cạnh đó, để đạt được sản lượng hydrogen xanh dự kiến là 30 triệu tấn từ con số dưới 1 triệu tấn hiện nay, cần phải đầu tư 170 tỷ USD vào các máy điện phân và các dự án thu hồi, sử dụng và lưu trữ carbon (CCUS).

Hầu hết hydro ngày nay được tạo ra bằng khí tự nhiên chuyển hóa hơi nước, mặc dù các nguồn hydro khác đang trở nên phổ biến bao gồm điện phân nước, phân hủy amoniac và cải cách metanol. Việc lựa chọn nguyên liệu thô và quá trình chuyển đổi thành hydro ảnh hưởng mạnh mẽ đến hiệu quả kinh tế liên quan cũng như cường độ carbon.

Kim Nguyễn