Năng lượng Hydro trong xu hướng chuyển dịch năng lượng của thế giới

Một giải pháp công nghệ cho mục tiêu giảm phát thải

Hiện nay, xu hướng dịch chuyển năng lượng đang xảy ra rất rõ ràng, đặc biệt trong ba lĩnh vực vận tải, dân dụng và sản xuất, theo báo cáo mới nhất của Cơ quan Năng lượng Quốc tế IEA tháng 6/2020. Mặc dù tổng nhu cầu năng lượng từ nay đến năm 2050 sẽ không thay đổi đáng kể, nhưng cơ cấu năng lượng sử dụng cuối sẽ bị biến động mạnh. Cụ thể, nhu cầu sử dụng các nguồn nhiên liệu gốc dầu mỏ và than sẽ giảm xuống còn khoảng dưới 20%, trong khi khu nhu cầu điện sẽ tăng gấp hai lần lên tới trên 40% và nhu cầu các nhiên liệu thân thiện hơn như khí tự nhiên LNG, biofuel và hydrogen (H2, NH3, electrofuel) cũng đạt tỷ lệ gần 40%.

Trong bức tranh đó, hydro bắt đầu nổi lên như một giải pháp tiềm năng bởi nó không chỉ đáp ứng được điều kiện “sạch” không tạo ra khí thải carbon, mà còn có trữ lượng dồi dào, dễ dàng chuyển đổi sang các dạng năng lượng khác - kể cả điện.

Theo nhận định của các chuyên gia, giao thông vận tải sẽ là lĩnh vực có tỷ lệ chuyển đổi sang nhiên liệu hydro mạnh nhất. Vào cuối năm 2018, hai đoàn tàu chạy pin nhiên liệu do Alstom sản xuất đã đi vào hoạt động tại Đức. Các cuộc thử nghiệm thành công khiến họ thông báo rằng 14 đoàn tàu khác sẽ được đưa vào phục vụ vào năm 2021. Vương quốc Anh và Hà Lan cũng thể hiện mối quan tâm đến các đoàn tàu hydro, và một tàu điện mặt đất (tram) chạy bằng pin nhiên liệu đã bắt đầu hoạt động ở Phật Sơn, Trung Quốc vào năm 2019, trong khi quốc gia này cũng đang xem xét khả năng xa hơn cho hệ thống đường sắt chạy bằng hydro.

Boeing, một trong hai hãng sản xuất máy bay lớn nhất thế giới đã lập lộ trình công nghệ theo đó trong vòng 30 năm nữa họ sẽ cố gắng thay thế hoàn toàn nhiên liệu máy bay bằng nhiên liệu hydro tổng hợp. Theo Cơ quan Năng lượng Tái tạo Quốc tế IRENA, từ năm 2019 các phương tiện hạng nhẹ chạy bằng pin nhiên liệu (FCEV) có nguồn gốc hydro cũng được dự báo sẽ tăng trưởng nhanh và sẽ đạt mức năng lượng khoảng 4 EJ mỗi năm vào năm 2050, tương đương với 4% lĩnh vực vận tải. Ở châu Âu, một số ngành công nghiệp truyền thống như lọc dầu, thép, sản xuất hóa chất và phân phối khí đốt sưởi ấm cũng đang thử nghiệm thay thế hydro carbon cao bằng hydro carbon thấp hoặc H2 tinh khiết. Các kết quả bước đầu cho thấy cũng có tính khả thi đáng kể và tương thích với cơ sở vật chất hiện có.

IEA nhận xét rằng: “Động lực chính trị cho việc sử dụng hydro tiếp tục hội tụ mạnh vào năm 2019. Đây là nền tảng cho sự tiến bộ của công nghệ và thị trường hydro. Ngày càng có nhiều quốc gia công bố các chiến lược và lộ trình về hydro vào năm 2019”, bao gồm Nhật Bản, Hàn Quốc, Australia, Canada, Đức, Pháp, Hà Lan, và một số sáng kiến chung của EU.

Tiềm năng giảm chi phí thương mại

Mặc dù hầu hết hydro hiện nay đang được sản xuất thông qua quá trình cải tạo (reforming) khí tự nhiên và khí hóa than với mức chi phí khoảng 1-1,5 USD/kg, nhưng công nghệ điện phân nước để tạo hydro ngày càng tỏ ra hứa hẹn và có tiềm năng giảm mạnh chi phí trong tương lai. Hiện chi phí hydro điện phân nước đang ở mức 2,4 - 6,7 USD/kg.

Có ba công nghệ đang được áp dụng cho điện phân tạo hydro, bao gồm điện phân dung môi kiềm (Alkaline), điện phân màng trao đổi proton (PEM) và điện phân oxit rắn (SOEC). Hai loại công nghệ đầu đã được thương mại, trong đó công nghệ điện phân kiềm đã hoàn thiện và đang chiếm lĩnh thị trường do suất đầu tư thấp. Tuy nhiên công nghệ PEM – với lợi thế linh hoạt tương thích được nhiều nguồn điện tái tạo - đang có tốc độ phát triển khá nhanh và có giá thành tiệm cận gấp khoảng 1.6 lần so với công nghệ kiềm*. Điện phân oxit rắn (SOEC) mặc dù có hiệu suất cao nhất, nhưng đang ở giai đoạn R&D và chưa sẵn sàng thương mại hóa.

Theo IRENA, chi phí sản xuất hydro quy dẫn trong toàn bộ vòng đời bằng phương pháp điện phân có thể cạnh tranh với sản xuất hydro bằng phương pháp reforming truyền thống nếu giá điện đầu vào để sản xuất hydro giảm xuống dưới 30 USD/MWh hoặc nếu chi phí đầu tư cho hệ thống điện phân giảm đáng kể.

Hiện nay, chi phí đầu tư cho điện tái tạo từ gió và Mặt trời ở nhiều quốc gia đang giảm, giúp cân bằng được hệ thống điện lưới. Nhờ những cải tiến về kỹ thuật, chi phí cơ sở hạ tầng cho công nghệ PEM và Alkaline cũng trở nên cạnh tranh hơn và được dự báo sẽ giảm mạnh từ 50 – 80%.

Cũng như điện gió và điện Mặt trời, trong những năm gần đây, số lượng dự án và công suất lắp đặt máy điện phân trên thế giới đã mở rộng đáng kể, từ dưới 1 MW năm 2010 lên hơn 25 MW năm 2019. Các dự án cũng đang nâng dần công suất lên mức 5-10 MW hoặc hơn và hàng trăm dự án mới đã tuyên bố sẽ triển khai từ năm 2020.

Thí điểm ở nhà máy đạm Cà Mau

“Rõ ràng, hydro có vai trò tiềm năng trong bức tranh chuyển dịch năng lượng mà một số nơi trên thế giới đã bắt đầu theo đuổi”, ông Lê Đình Chiển, Ban Công nghiệp Khí và Lọc hóa dầu, Tập đoàn Dầu khí Việt Nam (PVN) nhận xét trong Diễn đàn Công nghệ và Năng lượng Việt Nam 2020 do Bộ KH&CN tổ chức ngày 17/9. Đánh giá sơ bộ hiệu quả kinh tế cho trường hợp thay thế một phần khí tự nhiên bằng Hydro tại nhà máy đạm Cà Mau, đại diện của PVN cho rằng đây là “một khảo sát cần thiết cho các nghiên cứu chi tiết sâu hơn liên quan đến việc đón đầu xu hướng công nghệ mới này”.

Họ tính toán phương án thu hồi CO2 từ khói thải và đưa CO2 quay trở lại làm nguyên liệu tổng hợp ure, đồng thời cấp bổ sung khí H2 thay thế khí tự nhiên (khoảng 6%) để đảm bảo cân bằng tỷ lệ CO2-H2 cho sản xuất. Dựa trên các kịch bản giá dầu FO và thuế tariff, các nhà nghiên cứu của PVN kết luận rằng “đối với nhà máy đạm Cà Mau, giá H2 sản xuất ra phải thấp hơn khoảng 2 USD/kg mới có thể có lợi”. Ông Lê Đình Chiển thừa nhận so với chi phí điện phân H2 trung bình trên thế giới hiện nay thì điều này còn đang rất khó khăn.

Tuy nhiên, như đã đề cập, chi phí thế giới đang có xu hướng giảm và các nhà máy đạm của PVN cũng phải đối mặt với khả năng thiếu hụt khí tự nhiên trong tương lai (có thể lên tới 40%). Do vậy ông Lê Đình Chiển cho biết tổng công ty sẽ “cân nhắc phương án đầu tư hệ thống tích hợp với nguồn điện gió dồi dào ở Cà Mau để sản xuất hydro ở quy mô thử nghiệm”.

Tập đoàn này cũng khuyến nghị Chính phủ sớm hoàn thiện cơ chế cho phép mua bán điện trực tiếp từ nguồn năng lượng tái tạo và xem xét xây dựng chương trình nghiên cứu dài hạn về hydro, bao gồm sản xuất, tồn chứa, vận chuyển, phù hợp với định hướng dịch chuyển năng lượng đang diễn ra mạnh mẽ.

Nguồn: Khoa học & Phát triển