Năng lượng Hydrogen (H2) – Nguồn năng lượng của tương lai

Năng lượng Hydrogen – H2

1. Tổng quan về Năng lượng Hydrogen H₂

Hydrogen – H₂ là nguyên tố hóa học phổ biến, cấu thành đến 90% vật chất của vũ trụ và chiếm đến 75% theo trọng lượng, tồn tại chủ yếu dưới dạng hợp chất với các nguyên tố hóa học phổ biến khác như ôxy tạo thành nước (H₂O), với các-bon thành các hợp chất hữu cơ và sự sống trên toàn trái đất. Khí H₂ không màu, không mùi, nhẹ và rất dễ cháy do đó không tồn tại dưới dạng phân tử nguyên chất trong điều kiện bình thường. H₂ rất dễ phản ứng hóa học với các nguyên tố hóa học khác, đặc biệt là ôxy đồng thời sinh ra năng lượng dưới dạng nhiệt năng lớn hoặc điện năng thông qua phản ứng hóa học sau:

2H₂ + O₂  →  2H₂O + Năng lượng

Hydrogen là nguồn năng lượng thứ cấp, tức là nó không sẵn có để khai thác trực tiếp mà phải được tạo ra từ một nguồn sơ cấp ban đầu như là nước hoặc các hợp chất hydrocarbon khác.

Quá trình phản ứng hóa học giữa H₂ và O­₂ trong điều kiện cụ thể sẽ tạo ra nhiệt năng hoặc điện năng. Nhiệt năng lớn được sinh ra trực tiếp từ quá trình này đã được ứng dụng trong công nghệ hàn cắt kim loại hay làm nhiên liệu cho động cơ tên lửa. Điện năng được sinh ra từ phản ứng hóa học này trong điều kiện cụ thể đã được ứng dụng cho phương tiện giao thông chạy bằng điện hoặc được sử dụng trực tiếp cho các hoạt động sản xuất và sinh hoạt thông qua một thiết bị gọi là pin nhiên liệu. Như vậy, với khả năng này, H₂ được coi là một nguồn năng lượng đang và sẽ là giải pháp thay thế cho năng lượng hóa thạch trong tương lai.

1. Đặc tính nào của H2 khiến nó được ưa chuộng vậy?

H2 được biết đến là loại nhiên liệu sử dụng cho các tàu vũ trụ của NASA từ những năm 1970s. H2 có ưu thế cao về mật độ năng lượng (gấp 2,2 khí tự nhiên, 2,75 lần xăng và 3 lần dầu và 1kg H2 có thể sản sinh là 33kWh). Tuy nhiên H2 lại rất nhẹ khiến cho việc lưu trữ gặp khó khăn, dẫn đến các công nghệ về lưu trữ và vận chuyển đang được nghiên cứu rất nhiều. Khi ở nhiệt độ và áp suất thường thì mật độ năng lượng lại không được cao nên khí H2 hay được nén lại, thường tới 70MPa bằng cơ học nhừ dùng pitong hay phi cơ học như nén lạnh nén hấp phụ, là phương pháp trực tiếp nhất để giải quyết vấn đề này. H2 cũng tiềm ẩn nhiều nguy cơ cháy nổ nhưng cũng cần sòng phẳng để nói rằng các loại nhiên liệu xăng, dầu, khí tự nhiên cũng có nguy cơ cháy nổ đó. Một số nghiên cứu cũng chỉ ra rằng H2 nếu được xử lý cẩn trọng và hợp lý thì nó còn an toàn hơn nhiều các loại nhiên liệu hóa thạch đang dùng.

• Người ta sản xuất ra H2 như thế nào?

Có ba cách cơ bản (một số nơi còn phân thành 4 cách) để làm ra H2.

• Thứ nhất là công nghệ rất phổ biến hiện này là “H2 xám” thì họ cùng 85% được tách lọc từ khí tự nhiên (CxHz) bằng nhiệt độ cao 700-1000 độ C và xúc tác kim loại (ngoài ra có thể tách từ dầu, rượu). Nhìn là thấy công nghệ này sẽ bóc H2 và giải phóng CxOy và có hại với môi trường. Người ta tính toán rằng để sản xuất 1kg H2 thì phát thải tới 10kg CO2. Động lực chính của H2 xám là giá thành H2 là rẻ nhất (chỉ 37 nghìn VNĐ/kg và 1kg giúp xe H2 chạy được 100km, khá rẻ so với xăng).
• Thứ hai là “H2 lam”, thì họ nhân đạo với môi trường hơn bằng việc thu gom CO2 lại từ phương pháp sản xuất H2 xám để sử dụng cho các mục đích khác trong công nghiệp. Rõ ràng thêm một đầu việc, chi phí sẽ tăng, nhưng vì môi trường, thì chi phí tăng này nên được ép buộc bằng các quy định hoặc được hỗ trợ kinh tế từ chính sách riêng.
• Cuối cùng là “H2 xanh” là dùng điện từ các nguồn NLTT để điện phân nước H20 lấy H2 (chú ý là NLTT dư thừa thì là tốt nhất). Ngoài ra còn có “H2 vàng” là điện phân nước H20 lấy H2 bằng điện lưới (các nước phát triển hay dùng điện hạt nhân để kiểu như chạy nền, tránh lên xuống tổ máy, và giá thành như vậy có thể coi là rẻ).

Chi phí sản xuất ra H2 là vấn đề trở ngoại nhất để phát triển H2 xanh trong công nghiệp và giao thông. Chi phí này được ước lượng từ 25 nghìn VNĐ/kg tới 250 nghìn VNĐ/kg phụ thuộc vào nhiều yếu tố như giá của các bộ điện phân, hiệu suất, giá điện, quy mô sản xuất, vị trí sản xuất H2. Có một tin vui là năm 2017 giá thành sản xuất H2 đã giảm tới 80% so với 2002 và kỳ vọng sẽ tiếp tục giảm mạnh tới năm 2030 và duy trì giảm đều dặn tới năm 2050. Việc giảm giá liên quan đến nguồn điện dư thừa từ các nguồn NLTT và chi phí sản xuất giảm của các bộ điện phân.

• Có các dạng điện phân nước thế nào?

Có thể thấy rõ nắm bắt được công nghệ điện phân chính là then chốt trong việc sản xuất H2 xanh. Điện phân nước nghe thì ai cũng biết rồi (kiểu tách H20 ra thành H2 và O2 như trên đã nói) nhưng điện phân hiệu năng cao, quy mô lớn lại là câu chuyện hoàn toàn khác. Trong vấn đề điện phân quy mô công nghiệp thì các nhiệt độ vận hành và áp suất lên hiệu suất của hệ thống điện phân là việc rất phức tạp. Để giảm chi phí cho hệ thống sản xuất H2 thì phát triển các loại chất xúc tác giá thành thấp cũng cực quan trọng (các nước có trữ lượng Pt lớn như Nam Phi thì rất có ưu thế cho ngành công nghiệp H2). Ngoài ra cũng giống như quản lý 1 tỷ thì dễ, 1000 tỷ thì lại là chuyện rất khác thì sản xuất H2 quy mô lớn cho cả một nền kinh tế xã hội H2 thì cần các công nghệ thực sự khác biệt. Vấn đề khi khi sản xuất H2 xanh là người ta phải dùng các nguồn điện gió mặt trời đầu ra rất thất thường, trong khi đặc điểm cơ bản của các máy điện phân là không phù hợp với dao động nguồn điện cấp hoặc phải dừng khẩn cấp và khởi động nhanh, tổn thất thấp và hiệu suất cao. Chính vì vậy khi thiết kế và chế tạo các loại điện phân công nghiệp cần đáp ứng được càng nhiều càng tốt khả năng hấp thụ toàn bộ nguồn NLTT dư thừa, dải vận hành rộng, đáp ứng nhanh.

Có ba loại điện phân chính:

• Lâu đời nhất là điện phân nước kiềm (Alkaline water electrolysis – AWE) với nhiệt độ vận hành giữa 293K và 373K tạo H2 với giá thành thấp, hoạt động ổn định nhưng các điện phân dễ bị ăn mòn và thẩm thấu khí và tính linh hoạt kém;
• Loại màng trao đổi proton (Proton exchange membrane – PEM) có nhiệt độ vận hành giữa 333K và 363K, sử dụng gốm và polyme để tách khí, hiệu suất cao, đáp ứng nhanh với dao động của nguồn NLTT, hoạt động ở áp suất cao, mật độ dòng điện lớn và sản xuất H2 khá tinh khiết;
• Cuối cùng Oxit rắn (Solid oxide electrolysers -SOE) có nhiệt độ vận hành khoảng 773K nên có thể hoạt động ở điện áp thấp hơn các loại khác và mật độ dòng điện cao.
• Nguồn nước sử dụng cho điện phân sản xuất H2?

Một thành phần tối quan trọng cho điện phân là nước H20. Các nước đang có chiến lược trở thành một nước xuất khẩu H2 thì đều có nguồn tài nguyên nước dồi dào cả. Khi mà nước sạch dùng cho sinh hoạt còn sắp thiếu ở khắp nơi thì giải bài toán nước dùng cho ngành công nghiệp H2 quả thực khó giải. Lưu ý là không phải nước nào cũng có thể dùng cho điện phân mà cần đạt các tiêu chuẩn cơ bản. Thường thì 9 lít nước mới sản xuất được 1kg H2. Có thể thấy việc đảm bảo nguồn nước trong một thế giới tiêu thụ nhiều nhiên liệu H2 là một vấn đề lớn cần phải tính toán, trong bối cảnh mà nhiều nơi trên thế giới còn thiếu cả nước sinh hoạt do ô nhiễm, biến đổi thời tiết gây hạn hán, dân số gia tăng và sử dụng lãng phí nước. Một chiến lược lưu trữ, phát triển các phương pháp tận dụng hiệu quả nguồn nước, tận dụng chuyển đổi nguồn nước biển thành nước ngọt cần được tính toán, nhất là trong điều kiện của Việt Nam khi mà rất nhiều đơn vị sản xuất điện gió ngoài khơi đang có ý định dùng điện gió để sản xuất H2 như trao đổi ở trên.

• Sau khi sản xuất thì H2 được lưu trữ thế nào?

Có ba phương pháp chính để lưu trữ H2 đó là lưu trữ ở dạng khí, dạng lỏng và dạng rắn phụ thuộc vào dung lượng cần lưu trữ, áp suất và quãng thời gian lưu trữ.

• Với dạng khí thì có lưu trữ với áp suất cao lên đến 700 bars như trong xe điện dùng H2, mục đích để giảm dung tích lưu trữ và kích thước xe. Có thể lưu trữ H2 trong lòng đất với dung lượng lớn, áp suất cao hơn. H2 trong lòng đất thì được đưa vào và rút ra sử dụng rất nhanh, khả năng rò rỉ ít, ít khả năng bị nhiễm tạp khí, chi phí thấp.
• Khi H2 được lưu trữ dạng thể lỏng thường có trọng lượng tới 70kg/m3 và việc làm lạnh (tới -253oC) để hóa lỏng tốn khá nhiều năng lượng. H2 lỏng không được lưu trữ lâu dài do dung lượng sẽ mất dần theo thời gian và hiệu ứng bay hơi.
• Để lưu trữ lâu và có thể vận chuyển quãng đường xa thì H2 được lưu trữ dạng thể rắn qua các cơ chế trao đổi nhiệt giúp H2 được ngậm vào các chất rắn khác, dùng các kim loại như Magiê để ngậm H2 thông qua các phản ứng hóa học, có thể làm tăng mật độ lưu trữ lên rất cao.
• Sử dụng nhiên liệu H2 cho các mục đích gì?

Khi thế giới chuyển sang dùng nhiên liệu H2, thì H2 có thể dùng để sản xuất điện qua pin nhiên liệu (fuel cell). Pin nhiên liệu dùng cơ chế hóa học để cho phản ứng H2+O2 sẽ sản sinh ra nước và việc di chuyển các electron trong mạch khép kín sẽ tạo nên dòng điện. H2 cũng dùng cho giao thông vận tải, mà nguyên lý cũng dựa trên pin nhiên liệu sinh ra điện để chạy các động cơ điện. H2 cũng có thể cung cấp nhiệt và phục vụ các ngành sản xuất công nghiệp. Trong ngắn hạn khi cơ sở hạ tầng cho ngành H2 chưa đủ, H2 có thể biến thành khí tự nhiên CH4 và cấp trực tiếp vào các hệ thống dẫn khí đốt hiện nay và có nhiều nghiên cứu chứng minh tính khả thi về kỹ thuật cho điều này (tuy cần phải giải quyết khá nhiều vấn đề như việc rò rỉ H2 là cao hơn khí tự nhiên). Với khoảng cách xa và trao đổi H2 giữa các nước thì dùng tàu, Nhật Bản nhập khẩu H2 từ Úc bằng cách xây dựng một chuỗi cung ứng H2 (H2 supply chain). Trong việc sử dụng H2, một số thuật ngữ dùng cho ngành công nghiệp gọi chung là Power-to-X như: Power-to-industry: dùng H2 xanh từ NLTT cho các ngành công nghiệp sử dụng H2 như sản xuất Ammonia; Power-to-gas: dùng H2 xanh song song hoặc thay thế cho hệ thống khí ga cho đung nấu sưởi ấm hiện tại; Power-to-power: dùng cho các máy phát điện dùng pin nhiên liệu hỗ trợ lưu trữ năng lượng theo mùa dài hạn, chuyển dịch phụ tải đỉnh ngắn hạn; Power-to-mobility: cho các xe điện sử dụng nhiên liệu H2.

Về cơ bản NLTT là biến động theo thời tiết nên thường việc cân bằng cung cầu trong lưới điện có tỷ trọng NLTT cao là rất khó có thể đáp ứng được nếu thiếu các giải pháp kỹ thuật. Thực tế thì thừa công suất phát diễn ra không chỉ ở Việt Nam mà còn khắp nơi trên thế giới. Dư thừa công suất từ NLTT vào một số thời điểm và thiếu hụt vào một số thời điểm khác là thường xuyên diễn ra. Việc này hậu quả nhãn tiền là hệ số sử dụng các thiết bị trong hệ thống điện thấp và đồng thời với tăng chi phí quy đổi của các dạng năng lượng tái tạo (do cùng một vốn đầu tư, mà lợi nhuận thu về lại ít hơn điện được phát ít). Có thể nghĩ ngay đến các giải pháp tích trữ như dùng acquy (đắt), thủy điện tích năng (xây lâu) và biến công suất điện thành khí (power-to-gas). Rõ ràng, việc chuyển đổi công suất điện thành khí như vậy không chỉ mang tính lưu trữ, mà có giúp giải quyết khá nhiều vấn đề năng lượng tổng thể như cấp tính linh hoạt cho lưới, cung cấp khí H2 cho các trạm nạp hay phi cacbon hóa các ngành công nghiệp nhiều phát thải.

• Tương lai của xe điện sử dụng nhiên liệu H2 có yếu thế so với xe điện thuần?

Các phương tiện giao thông hiện nay cơ bản dùng nhiên liệu xăng dầu gây nên phát thải lớn trong ngành năng lượng. Câu chuyện xe điện được trở nên rất nóng ở Việt Nam khi Vinfast có giới thiệu các mẫu xe dùng điện e34, e35, e36 và tuyên bố ngừng sản xuất xe xăng. Nhưng trong niềm vui xe điện thì chắc chúng ta không nên bỏ quả xe dùng nhiên liệu H2, loại xe mà rất có thể còn được nhắc đến nhiều hơn xe dùng điện trong vòng chục năm tới. Ưu thế vượt trội của xe H2 là nạp nhiên liệu nhanh không có khác gì đổ xăng và mật độ năng lượng cùng hiệu quả kinh tế cao hơn xăng dầu như trên vừa đưa ra. Trở ngại lớn nhất hiện nay trên thế giới, cũng như xe dùng điện, xe dùng H2 thiếu trầm trọng hệ thống trạm nạp H2 chưa được phát triển. Để xây dựng các trạm này, chi phí bỏ ra là không hề nhỏ cho các thiết bị như hệ thống nén, tách xuất, các bình chứa áp suất cao, bộ làm lạnh nước, trao đổi nhiệt, v.v… Ngoài ra khi xây trạm nạp H2, chí phí sẽ phụ thuộc vào nhiều yếu tố như nhiên liệu H2 được sản xuất gần hay xa trạm, cách thức lưu trữ H2, dạng trạm lưu động hay cố định, dạng trạm chỉ sạc H2 hay kết hợp sạc các loại nhiên liệu khác như xăng dầu. Việc nghiên cứu tính kinh tế kỹ thuật của các loại trạm sạc, đảm bảo an toàn, sự chấp nhận và hiểu biết của cộng đồng rất quan trọng cho chiến lược phát triển phương tiện vận chuyển sử dụng H2 và là mục tiêu của vậy xây dựng xã hội H2 ở nhiều nước.

• LỜI KẾT

Có rất nhiều quốc gia đã nhận thấy tiềm năng và vai trò của H2 trong tương lai ngành năng lượng. Nhật Bản là một ví dụ rất rõ ràng. Nhật Bản không phải là quốc gia khởi nguồn và nhìn thấy tương lai của H2, nhưng họ lại thấy được tiềm năng lớn từ các thành quả ban đầu của ngành này ở Mỹ và châu Âu. Qua đó, chính phủ Nhật Bản đã ban hành hàng loạt các luật và hành động để nâng cao công nghệ trong nước, thông qua sự nghiên cứu giữa các công ty, trường đại học, và các viện nghiên cứu. Nhiều nước cũng như Nhật Bản đã thiết lập các chiến lược quốc gia để phát triển chuỗi giá trị H2. Hầu hết các quốc gia này đều có nguồn năng lượng tái tạo dồi dào, nguồn nước sẵn có và khả năng triển khai cơ sở hạ tầng cho H2. Trở ngại chính có thể thấy chi phí sản xuất H2 xanh còn cao và hệ thống phân phối H2 còn chưa phát triển.

Việt Nam nếu có bắt đầu xây dựng lộ trình thì cũng đã là muộn, đến khi công bố lộ trình H2 thì có thể sẽ là quá muộn. Nhưng có còn hơn không, và cần làm những gì để đón đầu công nghệ và chính sách để tận dụng lợi thế bờ biển dài cho năng lượng gió và nguồn nước được cho là rất dồi dào, chắc đợi các nhà khoa học và nhà làm chính sách suy tư và trả lời.