Hydro - Thách thức và cơ hội

Một nguồn năng lượng không tạo ra khí nhà kính, cung cấp điện cho ô tô hoạt động trong phạm vi 700 km chỉ dung lượng của một bình xăng và cung cấp năng lượng cho máy bay bay. Đó là hứa hẹn của hydro, một tiềm năng mà ngày nay khó có thể bỏ qua. Ngày nay, lĩnh vực hydro đang phát triển về cấu trúc và phạm vi toàn cầu, đồng thời tạo ra triển vọng thực sự về nhiều cơ hội trong tương lai.

Nổi tiếng với các ứng dụng công nghiệp, chẳng hạn như sản xuất phân bón hoặc giảm hàm lượng lưu huỳnh trong dầu thô, mối quan tâm ngày nay đối với hydro là tất cả về tiềm năng của nó như một loại nhiên liệu. Rốt cuộc, cùng một lượng nhưng hydro cung cấp năng lượng gấp 2,5 lần so với xăng, nhờ quá trình đốt cháy mà chất thải duy nhất là nước. Tất cả những điều đó chắc chắn làm cho hydro trở thành nguồn năng lượng xanh cuối cùng? Không quá nhanh… Nhiều quy trình sản xuất hydro ngày nay thực sự không phù hợp với chương trình phát triển bền vững.

Tiềm năng của khí hydro

Lời hứa thực sự của nó với tư cách là một nguồn năng lượng nằm ở chỗ hydro có thể được sử dụng theo nhiều cách – đưa vào mạng lưới khí đốt tự nhiên, giải pháp lưu trữ năng lượng tái tạo và trên hết là sử dụng trong pin nhiên liệu có thể cung cấp năng lượng cho xe điện (ô tô, xe nâng, xe buýt, v.v.), các thiết bị điện nhỏ hoặc nguồn cung cấp điện cho vùng sâu vùng xa.

Theo Daniel Hissel, giáo sư tại Đại học Franche-Comté và phó giám đốc liên đoàn nghiên cứu về hydro của Pháp (FRH2), sự phát triển của các dự án dựa trên hydro được thúc đẩy bởi nhiều yếu tố. Từ quan điểm công nghệ, hiệu suất đã tăng lên đáng kể, chi phí giảm và tuổi thọ của các sản phẩm hydro được kéo dài. Mười lăm năm trước, pin nhiên liệu hydro đắt hơn 30 lần so với hiện nay, kém hiệu quả hơn 50 lần đối với một lượng nhiên liệu nhất định và có tuổi thọ ngắn hơn 50 lần.

Đồng thời, tiến bộ công nghệ này đã đi kèm với một mô hình xã hội mới – tình trạng môi trường. Mối quan tâm về các vấn đề xã hội và môi trường đang buộc chúng ta phải loại carbon ra khỏi phương trình di động và hydro là một cách để làm điều đó. Cuối cùng, các chính trị gia đang giải quyết những vấn đề này và nhận ra rằng lĩnh vực này không chỉ cung cấp câu trả lời cho các vấn đề công nghiệp, kinh tế và môi trường mà chúng ta gặp phải, mà còn là cơ hội để quay trở lại sản xuất nhiên liệu địa phương.

Xu hướng toàn cầu

Để nhường chỗ cho hydro trong hỗn hợp năng lượng tương lai, các khoản đầu tư đang được thực hiện bởi các chính phủ quốc gia cũng như các công ty công nghiệp. Vào tháng 9 năm 2020, Pháp đã công bố kế hoạch trị giá 7,2 tỷ euro để trở thành một công ty lớn trong lĩnh vực này vào năm 2030 và còn lâu mới trở thành quốc gia đầu tiên tiết lộ mục tiêu như vậy. Trong những năm gần đây, các quốc gia khác cũng đã đặt cược lớn vào hydro như một nguồn năng lượng, tạo ra các trung tâm năng lực mới.

Một ví dụ là Trung Quốc, quốc gia đã đặt ra các mục tiêu đầy tham vọng trong việc thúc đẩy các phương tiện chạy bằng hydro, với mục tiêu có hơn một triệu chiếc lưu thông trên đường vào năm 2028. Đối với những phương tiện hạng nặng như xe tải, năng lượng pin đơn giản không phải là một lựa chọn khả thi.

Hydrogen là giải pháp. Một công ty hàng đầu khác trong lĩnh vực này của Nhật Bản coi hydro là một cách để tách khỏi ngành công nghiệp hạt nhân. Nhật Bản có số lượng pin nhiên liệu cao nhất thế giới được lắp đặt trong các khu dân cư để đồng sản xuất điện và sưởi ấm.

Châu Âu cũng đang hỗ trợ hydro cho chiến lược khử cacbon của mình. Năm 2020 là năm của hydro ở châu Âu, nhờ các cam kết rõ ràng, thiết thực được đưa ra ở cả cấp quốc gia và EU. Nó gửi một tín hiệu mạnh mẽ đến các công ty công nghiệp và cộng đồng nghiên cứu. Mọi nhóm công nghiệp hiện đang xem xét tiềm năng của nguồn năng lượng này.

Thách thức lớn: khử cacbon hydro

Tiến bộ công nghệ, nhận thức về môi trường… mọi thứ dường như sẵn sàng để hydro chứng tỏ mình là một loại nhiên liệu bền vững, có trách nhiệm. Tuy nhiên, vẫn còn một số vấn đề cần giải quyết trước khi nó có thể phát triển đúng cách, bao gồm các vấn đề về lưu trữ và thậm chí quan trọng hơn là sản xuất. Hydro có thể chiếm 90% tổng khối lượng của vũ trụ, nhưng nó hầu như không tồn tại ở cấp độ phân tử trên Trái đất và phải được chiết xuất từ các thành phần khác, thường là hydrocacbon. Ngày nay, việc sản xuất hydro không xanh cũng không sạch: 95% trong số đó đến từ các nguồn hóa thạch. Tuy nhiên, các chương trình của Pháp và các nước châu Âu khác đang nhắm đến việc sản xuất hydro từ năng lượng tái tạo hoặc các nguồn đã khử cacbon, tạo ra thứ được gọi là “hydro xanh”.

Một trong những giải pháp khả thi là cải thiện quy trình điện phân (trong đó hydro được chiết xuất từ nước) bằng cách sử dụng môi trường nhiệt độ cao, giúp giảm chi phí sản xuất hydro không chứa carbon.

Hỗ trợ sự phát triển của ngành thông qua đào tạo

Một cách khác để khuyến khích phát triển hydro là tạo ra một hệ sinh thái thực sự tập hợp các quốc gia, chính quyền khu vực, các nhà nghiên cứu và các công ty công nghiệp. Ở Pháp có một mạng lưới các doanh nghiệp vừa và nhỏ, các công ty khởi nghiệp và phòng thí nghiệm nghiên cứu phát triển cao, tất cả đều hoạt động trên hydro. Họ là những người cung cấp những sáng kiến và ý tưởng đột phá, trong khi các tập đoàn lớn đang cung cấp các nguồn tài chính và hoạt động. Các mạng tương tự đang được tạo ra ở Đức và các quốc gia khác ở Bắc Âu. Đức, vào tháng 6 năm 2020 đã công bố kế hoạch trị giá 9 tỷ euro để trở thành quốc gia số 1 thế giới về hydro, đang ủng hộ tiềm năng của nước này như một giải pháp thay thế cho năng lượng hạt nhân và như một cách lưu trữ năng lượng tái tạo.

Đào tạo sẽ đóng một vai trò thiết yếu trong tất cả những điều này, ví dụ như ở Pháp, dự kiến sẽ tạo ra hàng chục nghìn việc làm, cả trực tiếp và gián tiếp, vào năm 2030, với ước tính từ 58.000 đến 107.000. Để ngành công nghiệp hydro phát triển, nó sẽ cần những người lao động, kỹ thuật viên và kỹ sư được đào tạo, và yếu tố đào tạo này sẽ cần phải có ở địa phương ở mọi cấp độ (tiến sĩ, thạc sĩ, bằng cấp, dạy nghề). đào tạo, học bán thời gian…).

Theo đánh giá, tỷ lệ hydro trong hỗn hợp năng lượng sẽ tăng lên một cách tự nhiên. Tốc độ gia tăng đó sẽ phụ thuộc vào chi phí cung cấp nó, và đặc biệt là hydro không có carbon. Bằng cách tăng số lượng ứng dụng tiềm năng, giá thành sẽ có xu hướng giảm do sản xuất quy mô công nghiệp lớn. Ở giai đoạn đó, hydro chắc chắn sẽ đóng vai trò của nó trong quá trình chuyển đổi năng lượng.

Hydro là nguyên tố hóa học đơn giản nhất, đứng đầu trong bảng tuần hoàn với số hiệu nguyên tử là 1. Trong điều kiện thông thường, hydro tồn tại ở thể khí, nhẹ, có thể lưu trữ và không tự tạo ra khí thải gây ô nhiễm.

Với những đặc điểm này, hydro là một ứng cử viên hoàn hảo cho nhiên liệu.

Tuy nhiên, hydro không phải là nguồn năng lượng sơ cấp, nghĩa là nó cần một quá trình hóa học để tạo ra.

Có thể cho rằng hydro là nhiên liệu tái tạo, nhưng điều này không phải lúc nào cũng đúng. Hydro chỉ có thể tái tạo nếu quy trình được sử dụng trong quá trình chiết xuất nó cũng có thể tái tạo được. Hãy xem xét những hình thức sản xuất hydro tồn tại.

Làm thế nào để có được khí hydro

1. Biến đổi phân tử

Đây là những kỹ thuật khác nhau, trong đó xảy ra một loạt các phản ứng hóa học để thu được hydro. Kỹ thuật được sử dụng rộng rãi nhất liên quan đến việc tách khí tự nhiên từ mỏ dầu, theo đó hơi nước ở nhiệt độ cao được sử dụng để tách cacbon ra khỏi hydro tạo nên khí tự nhiên. Hai phản ứng liên tiếp tạo ra dihydrogen và carbon dioxide. Đây là phương pháp được sử dụng rộng rãi nhất trong tất cả các phương pháp hiện có.

2. Khí hóa

Quá trình khí hóa bằng hơi nước và oxy tinh khiết được thực hiện bằng than hoặc sinh khối. Lò phản ứng đốt cháy than hoặc sinh khối ở nhiệt độ rất cao. Trong quá trình đốt cháy, các khí được giải phóng tạo ra dihydrogen và carbon monoxide.

3. Điện giải nước

Quá trình này liên quan đến việc phân hủy phân tử nước (H2O) thành oxy (O2) và hydro (H2) bằng một dòng điện trực tiếp được kết nối bằng các điện cực với nước. Khi điện phân được thực hiện với năng lượng tái tạo, đây là phương pháp sản xuất bền vững nhất.

Quy trình tách hydro bằng phương pháp điện phân sử dụng năng lượng sạch

Các loại hydro làm nhiên liệu

Những phương pháp sản xuất hydro được chỉ bằng màu để chỉ mức độ bền vững của quá trình chiết xuất nó. Theo thang màu này, các loại hydro chính là:

Hydro xám là vấn đề của hành tinh

Theo dữ liệu từ Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IEA), khoảng 70 triệu tấn hydro hiện đang được tiêu thụ trên toàn thế giới. Vấn đề là hầu như tất cả lượng hydro này được sản xuất từ than đá hoặc khí tự nhiên, nghĩa là nó được tạo ra bằng các kỹ thuật gây ô nhiễm nhất cho hành tinh, được gọi là hydro xám. Chưa đến 1% sản lượng hydro trên thế giới dựa trên quá trình điện phân nước chạy bằng năng lượng tái tạo: chỉ 0,1% lượng hydro mà chúng ta tiêu thụ là xanh.

Để biết điều này có nghĩa gì, việc sản xuất hydro xám này thải ra 830 triệu tấn carbon dioxide mỗi năm. Đây là lượng CO₂ hàng năm do các nền kinh tế của Indonesia và Vương quốc Anh thải ra cộng lại. Nói cách khác, việc tạo ra lượng hydro này tương đương với sự ô nhiễm do hai quốc gia có tổng dân số hơn 300 triệu người tạo ra.

Với dữ liệu đáng báo động này, điều quan trọng là phải hiểu nguồn gốc của hydro. Hydro xanh có thể là một công cụ vô song để thay thế các mô hình sản xuất góp phần gây ra biến đổi khí hậu và giúp khử cacbon cho mức tiêu thụ năng lượng có khả năng chống lại điện khí hóa cao hơn, chẳng hạn như ngành công nghiệp nặng hoặc vận tải đường dài.

Hydro xanh hay tái tạo là gì và nó hoạt động như thế nào?

Do đó, hydro xanh thu được thông qua việc sử dụng năng lượng tái tạo trong quá trình sản xuất, khiến nó trở thành nhiên liệu sạch, bền vững với chỉ số ô nhiễm bằng không, có thể đóng vai trò then chốt không chỉ với vai trò là vectơ năng lượng mà còn là nguyên liệu thô.

Giá trị to lớn của nó trong cuộc chiến chống biến đổi khí hậu nằm ở khả năng thay thế nhiên liệu hóa thạch trong những lĩnh vực đó và việc sử dụng mà cho đến nay khó khử cacbon hơn, bên cạnh tiềm năng của nó như một hệ thống lưu trữ năng lượng.

Giá trị to lớn của nó trong cuộc chiến chống biến đổi khí hậu nằm ở khả năng thay thế nhiên liệu hóa thạch trong những lĩnh vực đó và việc sử dụng mà cho đến nay khó khử cacbon hơn, bên cạnh tiềm năng của nó như một hệ thống lưu trữ năng lượng.

Làm thế nào để thu được hydro xanh?

Hydro xanh thu được thông qua quá trình điện phân được cung cấp năng lượng tái tạo như gió hoặc mặt trời. Quá trình điện phân liên quan đến việc sử dụng dòng điện để phân hủy phân tử nước thành oxy và hydro bằng các điện cực.

Hydro xanh hoạt động như thế nào?

Khi chúng ta cần biến nó thành năng lượng, hydro được lưu trữ trong các thùng chứa cụ thể sẽ được dẫn vào pin nhiên liệu. Ở đó, nó liên kết lại với oxy từ không khí và thu được điện. Do đó, sản phẩm phụ duy nhất của quy trình là nước, dẫn đến một hệ thống sạch, bền vững, trong đó lượng khí CO₂ thải ra là bằng không để tạo ra năng lượng.

Hydro được sử dụng làm nguyên liệu thô trong công nghiệp hóa chất để sản xuất amoniac và phân bón, trong công nghiệp hóa dầu để tinh chế dầu mỏ và trong luyện kim để thu được thép.

Việc sử dụng hydro trong ba ngành công nghiệp này tạo ra một lượng lớn khí thải carbon dioxide. Ví dụ: sản xuất thép chiếm 6 đến 7% lượng khí thải CO₂ toàn cầu, gấp hai đến ba lần lượng khí thải từ tất cả ngành hàng không toàn cầu. Chúng ta có thể sử dụng hydro xanh làm nguyên liệu thô và sản xuất thép không phát thải, đây sẽ là một bước rất quan trọng hướng tới quá trình khử cacbon khẩn cấp của các ngành công nghiệp này.

Hydro xanh có thể đóng vai trò là một hệ thống lưu trữ năng lượng nhờ khối lượng lớn và tuổi thọ cao tương tự như cách chúng ta sử dụng các nguồn dự trữ dầu mỏ hoặc khí đốt tự nhiên chiến lược hiện nay. Khi làm như vậy, chúng tôi có thể cung cấp dự trữ hydro tái tạo để hỗ trợ lưới điện.

Việc sử dụng hydro xanh làm nhiên liệu sẽ là một trong những chìa khóa giúp khử cacbon trong vận tải, đặc biệt là vận tải đường dài và hàng không.

Các loại nhiên liệu rất rẻ nhưng gây ô nhiễm cao thường được sử dụng trong vận tải hàng hải, vì vậy hydro xanh mang đến một giải pháp thay thế quyết định cho các tàu vận tải đường dài. Trong ngành hàng không, hydro xanh có thể là cơ sở cho nhiên liệu tổng hợp giúp giảm triệt để lượng khí thải. Nó cũng sẽ cần thiết cho các phương tiện khác như đường sắt hoặc vận chuyển hàng hóa nặng bằng đường bộ.

Hydro xanh có khả năng đạt đến nhiệt độ mà các quy trình sạch khác khó đạt được. Đó là lý do tại sao việc sử dụng nó trong điện năng và sưởi ấm trong nhà là một trong những ứng dụng hứa hẹn nhất của hydro xanh.

Lợi ích của việc sử dụng hydro xanh làm nhiên liệu

Hydro xanh sẽ là một trong những yếu tố chính trong quá trình chuyển đổi năng lượng sắp tới mà các nền kinh tế toàn cầu có nghĩa vụ dẫn đầu để đạt được tính trung lập carbon và chống biến đổi khí hậu.

Để đạt được mục tiêu này, điều quan trọng sống còn là phải loại bỏ khí thải trong những mục đích sử dụng hiện khó điện khí hóa, đó là nơi hydro xanh khẳng định tiềm năng của nó do tất cả các lợi ích vốn có của nó:

Đó là năng lượng sạch: Chất thải duy nhất mà nó tạo ra là nước.

Đó là năng lượng tái tạo: Nó sử dụng các nguồn tài nguyên thiên nhiên không bị cạn kiệt.

Có thể lưu trữ được: Hydro xanh có thể được nén và lưu trữ trong các bể đặc biệt trong một thời gian dài.

Có thể vận chuyển: Vì là một nguyên tố rất nhẹ nên các bình chứa hydro nén cho phép xử lý dễ dàng hơn so với pin lithium vì chúng nhẹ hơn, do đó tạo điều kiện thuận lợi cho việc vận chuyển.

Rào cản với hydro xanh

Bất chấp tất cả những ưu điểm này, hydro xanh vẫn chưa phải là một phần trong hỗn hợp năng lượng của chúng ta bởi vì những khó khăn khác nhau mà nghiên cứu, chính sách của chính phủ và đầu tư tư nhân gặp phải thách thức phải vượt qua:

Sản xuất hydro xanh tốn kém hơn hydro xám. Tuy nhiên, việc giảm giá năng lượng tái tạo đã mở ra một cơ hội mới để chi phí của nó ngày càng trở nên cạnh tranh. Điện năng lượng mặt trời rẻ hơn 10 lần so với một thập kỷ trước và năng lượng gió có giá thấp hơn một nửa, khiến điện năng cần thiết cho quá trình điện phân có thể giảm giá.

Việc thực hiện nó đòi hỏi đầu tư đáng kể. Người ta nói rằng sẽ cần 300 tỷ USD trên toàn cầu trong vài năm tới cho cơ sở hạ tầng và nghiên cứu. Tuy nhiên, theo báo cáo của BloombergNEF (BNEF), với đủ chính sách hỗ trợ sự phát triển của nó, nhu cầu về hydro xanh có thể tăng lên 700 triệu tấn vào năm 2050, vì vậy đầu tư vào sự phát triển của nó là một chi phí, nhưng cũng là một cơ hội tài chính lớn.

Hydro xanh dành cho sự chuyển hóa năng lượng, vì sao nó quan trọng

Ngày càng có nhiều sự đồng thuận rằng hydro xanh có thể được sử dụng trong hầu hết mọi lĩnh vực mà ngày nay phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch và rất khó khử cacbon.

Đó là lý do tại sao điều quan trọng là phải thúc đẩy nó để đạt được các cam kết khí hậu của Thỏa thuận Paris và các mục tiêu không phát thải theo yêu cầu của tình trạng khẩn cấp khí hậu.

Các sáng kiến xuyên suốt chuỗi giá trị hydro đã được thúc đẩy ở châu Âu, chẳng hạn như sản xuất các chất điện phân cạnh tranh hơn, xây dựng mạng lưới giao thông và lắp đặt máy phát điện hydro cho vận tải đường bộ.

Theo báo cáo của Cơ quan Năng lượng Tái tạo Quốc tế (IRENA), chi phí lắp đặt hydro có thể giảm từ 40% xuống 80% trong dài hạn. Điều này, cùng với giá năng lượng tái tạo thấp hơn, cho thấy hydro xanh có thể sinh lời từ năm 2030.

Bài tiếp theo:  Pin nhiên liệu sử dụng hydro