Theo giới khoa học, H2 có lịch sử phát triển hai thế kỷ và cuối cùng nguyên tố này cũng có cơ hội thành công vì đặc tính thân thiện với môi trường.

hydro thoi ky phuc hung da den

Theo đánh giá của Ngân hàng đầu tư Goldman Sachs, mặc dù H2 đã trải qua nhiều giai đoạn phát triển trong suốt 50 năm qua, nhưng chưa có giai đoạn nào dẫn đến tăng trưởng đầu tư bền vững và được áp dụng rộng rãi hơn trong các hệ thống năng lượng.

Tuy nhiên, sự quan tâm đặc biệt đối với vấn đề giảm phát thải carbon và mở rộng quy mô, đẩy mạnh phát triển công nghệ carbon thấp như lĩnh vực năng lượng tái tạo đang dấy lên làn sóng quan tâm mới đến sự mở rộng chuỗi cung ứng H2.

Nguyên tố này có một số đặc tính “quý giá”, trở nên độc nhất trong thời đại biến đổi khí hậu. Thứ nhất là khả năng được lưu trữ và sử dụng như một nhiên liệu sạch, không phát thải trực tiếp khí nhà kính hoặc chất gây ô nhiễm không khí. Thứ hai là một loạt các ứng dụng thân thiện với môi trường, cho phép hydro có thể sử dụng trong sản xuất, mang lại sự linh hoạt trong chuỗi cung ứng.

H2 được sử dụng ở đâu?

Theo đánh giá của Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IEA), kể từ năm 1975, nhu cầu về H2 đã tăng hơn 3 lần, từ 18 triệu tấn lên hơn 70 triệu tấn mỗi năm, trong đó khoảng 50% (38 triệu tấn) được sử dụng trong công nghiệp lọc dầu, 32 triệu tấn trong công nghiệp hóa chất và sản xuất amoniac, 4 triệu tấn được sử dụng trong các ngành công nghiệp khác như sản xuất methanol và thép.

Ngoài ra, H2 có thể được ứng dụng để khử carbon trong một số lĩnh vực khó thực hiện như vận tải đường dài, công nghiệp hóa chất và sản xuất gang thép.

Các công nghệ H2 hiện nay cho phép sản xuất, lưu trữ, vận tải và sử dụng năng lượng H2 bằng những cách khác nhau. Nhiều loại năng lượng có thể được sử dụng để sản xuất H2, bao gồm: năng lượng tái tạo, năng lượng hạt nhân, khí thiên nhiên, than đá và dầu mỏ. H2 có thể được vận chuyển dưới dạng khí bằng hệ thống đường ống hoặc hóa lỏng để vận chuyển, tương tự như nhiên liệu LNG.

Ngoài ra, H2 có thể được chuyển đổi thành điện năng và khí metan để cung cấp năng lượng cho các hộ gia đình và nhiên liệu vận tải.

H2 có thể sử dụng trong các loại xe ô tô chạy bằng pin nhiên liệu H2 (FCEV) hoặc chuyển đổi thành nhiên liệu khí metan tổng hợp, methanol và amoniac để áp dụng phù hợp với từng loại hình vận tải.

Ngày nay, H2 nén được sử dụng cho vận tải đường bộ và đường sắt với tỷ trọng lớn thuộc về hoạt động vận tải hành khách. Các quốc gia phát triển gồm Nhật Bản, Mỹ, EU và Hàn Quốc đang dẫn đầu thế giới về số lượng phương tiện FCEV, đồng thời một số quốc gia khác, nhất là Trung Quốc cũng đặt mục tiêu ứng dụng rộng rãi H2 trong lĩnh vực vận tải.

Theo IEA, khả năng cạnh tranh của các phương tiện FCEV phụ thuộc vào chi phí pin nhiên liệu và trạm nạp H2, trong khi đối với xe tải, ưu tiên hàng đầu là giảm chi phí vận chuyển H2. Số lượng FCEV trên toàn cầu đã tăng gấp đôi lên 25.210 chiếc vào cuối năm 2019. Tính đến cuối năm 2019, thế giới ghi nhận 470 trạm nạp H2, tăng 20% so với năm 2018.

Ngành đường sắt đã dẫn đầu quá trình chuyển đổi năng lượng ở châu Âu khi chỉ chiếm 0,1% tổng lượng khí thải gây hiệu ứng nhà kính. Các đoàn tàu chạy bằng H2 sẽ giúp giảm khí thải và mức độ ồn hơn nữa.

Những chuyến tàu thương mại đầu tiên được công ty Alstom (Đức) giới thiệu vào năm 2016 và đi vào hoạt động tại Đức vào năm 2018. Theo Alstom, các đoàn tàu chạy bằng H2 vẫn đang trong giai đoạn phát triển ban đầu và chi phí ban đầu cao hơn 25% so với các đội tàu diesel.

Trong lĩnh vực sưởi ấm và công nghiệp, H2 có thể được bổ sung vào các đường ống dẫn khí đốt hiện có với tiềm năng sử dụng lớn nhất trong các tòa nhà thương mại và chung cư, đặc biệt là ở các thành phố đông dân cư, trong khi triển vọng dài hạn có thể sử dụng trực tiếp H2 trong ngành luyện kim hoặc pin nhiên liệu. IEA lưu ý, việc bổ sung tới 20% H2 vào mạng lưới phân phối khí đòi hỏi cần phải bổ sung hoặc xây dựng mới cơ sở hạ tầng H2 hoặc thiết bị của người dùng đầu cuối.

Việc bơm H2 vào đường ống dẫn khí thiên nhiên đã được triển khai trong một số dự án vận tải khí đốt như: dự án GRHYD tại Pháp, đã bắt đầu trộn 6% H2 vào mạng lưới khí thiên nhiên vào năm 2018, tăng lên 20% vào năm 2019. Một dự án trộn H2 vào các đường ống dẫn khí của công ty khí đốt Snam (Italia) cũng chứng minh khả năng trộn H2 trong đường ống khí thiên nhiên lên đến 10%.

Trong các nhà máy lọc dầu, sản xuất amoniac, methanol và thép, H2 được ứng dụng làm nhiên liệu đầu vào và nhiên liệu để sản xuất các sản phẩm thân thiện với môi trường.

Một trong những ứng dụng công nghiệp quan trọng của hydro sạch gần đây là sản xuất thép không phát thải carbon. Hiện đã có một số dự án được triển khai để phát triển quy trình này và tiến tới thương mại hóa.

Trong sản xuất điện, H2 là một trong những lựa chọn hàng đầu cho lưu trữ năng lượng tái tạo. H2 và amoniac cũng có thể được sử dụng trong tuabin khí để tăng tính linh hoạt của hệ thống sản xuất điện. Amoniac cũng có thể được sử dụng trong các nhà máy điện than để giảm lượng khí thải.

Nền kinh tế hydro tiêu tốn chi phí bao nhiêu?

Theo tính toán của IEA, chi phí cơ bản trong sản xuất hydro hóa thạch chiếm từ 45-75% chi phí của nhiên liệu này. Năm 2018, giá H2 được sản xuất từ khí thiên nhiên ghi nhận mức giá thấp nhất: tại Trung Đông là xấp xỉ 1 USD/kg; tại Mỹ là 1 USD/kg; tại Nga là 1,1 USD/kg, tại châu Âu là 1,7 USD/kg, tại Trung Quốc là 1,8 USD/kg.

Trong trường hợp ứng dụng công nghệ thu gom và lưu trữ CO2 (CCS), chi phí sản xuất H2 sẽ tăng khoảng 50%. Do đó, giá H2 tại Mỹ sẽ tăng lên 1,5 USD/kg; tại Trung Đông tăng lên xấp xỉ 1,5 USD/kg; tại Nga tăng lên 1,6 USD/kg, tại EU tăng lên 2,3 USD/kg và tại Trung Quốc tăng lên 2,4 USD/kg.

Theo các nghiên cứu, việc sử dụng công nghệ CCS trong sản xuất hydro có thể làm giảm lượng khí thải tới 90%. Hiện tại đã có 20 cơ sở sản xuất công nghiệp ứng dụng công nghệ này (chủ yếu tại Mỹ, Canada và Na Uy) với tổng công suất thu gom CO2 đạt hơn 35 triệu tấn/năm.

Cũng theo đánh giá của IEA, chi phí sản xuất hydro tái tạo sẽ tốn ít nhất 4,5 USD/kg, với chi phí chính dành cho sản xuất điện. Máy điện phân nước để sản xuất hydro tái tạo hiện nay có 3 công nghệ là điện phân kiềm, điện phân với màng trao đổi proton và tế bào điện phân oxít rắn. Công nghệ hoàn thiện nhất và được ứng dụng rộng rãi ngày nay là điện phân kiềm bởi chi phí vốn tương đối thấp và hiệu suất tương đối cao, từ 55-70%.

Các chuyên gia năng lượng cho rằng, hydro tái tạo có khả năng trở thành nguồn năng lượng chính phát thải carbon thấp trong tương lai gần và trung hạn khi chi phí sản xuất giảm đáng kể. IEA lưu ý, chi phí sản xuất điện tái tạo, nhất là điện mặt trời và điện gió đang giảm, khiến sản xuất hydro bằng phương pháp điện phân nước đang ngày càng được quan tâm.

Theo một nghiên cứu của Wood Mackenzie, chi phí sản xuất hydro tái tạo sẽ giảm 64% vào năm 2040. Do đó, nếu tính đến các dự án về hydro tái tạo được công bố trong 10 tháng qua, khối lượng hydro tái tạo đầu ra sẽ đủ lớn và ổn định để mở rộng quy mô thị trường.

Ước tính đến năm 2040, chi phí sản xuất trung bình hydro tái tạo sẽ bằng chi phí sản xuất hydro hóa thạch. Ở một số quốc gia dẫn đầu về H2 như Đức, điều này có thể xảy ra vào năm 2030. Đồng thời, giá nhiên liệu hóa thạch tăng cũng sẽ góp phần tăng khả năng cạnh tranh của hydro tái tạo.

Wood Mackenzie dự báo, chi phí sản xuất hydro hóa thạch sẽ tăng 82% vào năm 2040, chủ yếu do giá khí đốt tăng. Tại KSA và Mỹ, hydro hóa thạch sẽ duy trì chi phí rẻ nhất đến năm 2040. Trong khi đó, chi phí sản xuất hydro có ứng dụng công nghệ CCS cũng sẽ tăng 59% đến năm 2040 do chi phí công nghệ CCS ngày càng tốn kém hơn.

Quyết định nằm trong tay các chính trị gia

Wood Mackenzie nhận định, mặc dù thị trường hydro tái tạo non trẻ đang phải đối mặt với nhiều thách thức phía trước, hãng bày tỏ tin tưởng một số hình thức kinh tế hydrocarbon thấp sẽ sớm xuất hiện.

Với mức độ chính sách rõ ràng, hỗ trợ doanh nghiệp và xã hội phát triển mạnh mẽ trong năm 2020, hydro tái tạo sẽ mở rộng quy mô thành công và tiết kiệm chi phí đáng kể.

Các nhà phân tích của IEA nhận định, công nghệ H2 tiếp tục phát triển trong năm 2019 cho thấy, lĩnh vực này nhận được nhiều sự quan tâm của giới chính trị. Năm 2019 cũng ghi nhận kỷ lục về tổng công suất điện phân đi vào vận hành và đây là tiền đề quan trọng trong những năm tới.

Năm 2020, sản lượng H2 phát thải carbon thấp dự kiến đạt khoảng 460.000 tấn, tới năm 2023 sẽ tăng lên 1,45 triệu tấn và đến năm 2030 sẽ tăng lên 7,92 triệu tấn. Trong mùa hè vừa qua, EU đã công bố mục tiêu trung hòa carbon vào năm 2050 và tăng cường sử dụng các loại khí không phát thải carbon.

Hiện EU là thị trường tiêu thụ dầu thô lớn nhất của Nga và mang lại nguồn thu ngân sách chính cho Nga. Điều này có nghĩa là Nga sẽ phải tìm kiếm những con đường mới để tiếp cận đối tác truyền thống của mình.

Tập đoàn dầu khí Gazprom đang cố gắng xây dựng thị trường thích hợp cho mình trong sản xuất H2 bằng việc tham gia các cuộc thảo luận công khai do Ủy ban châu Âu tổ chức về lấy ý kiến xung quanh dự thảo chiến lược hydro.

Theo ông Konstantin Romanov, trưởng phòng, ban 623 Gazprom, các đề xuất sử dụng phương pháp nhiệt phân metan để sản xuất H2 cũng nằm trong chiến lược H2 mà EU vừa công bố. H2 được sản xuất từ khí thiên nhiên có cả lợi ích kinh tế và môi trường. Nó có thể được sản xuất mà không phát thải CO2.

Ông Konstantin Romanov cho biết, hiện nay có hơn 8 triệu tấn hydro được sản xuất từ khí thiên nhiên ở châu Âu mỗi năm và hơn 30 tỷ m3 khí được sử dụng cho việc này. Trong khi EU mới có kế hoạch sản xuất 1 triệu tấn hydro bằng phương pháp điện phân nước.

Gazprom đang tổ chức các cuộc thảo luận với các đối tác châu Âu, đàm phán triển khai các dự án H2 thí điểm tại EU, bao gồm sự cho phép sử dụng hệ thống và cơ chế tài trợ của Ủy ban châu Âu để phát triển nhiệt phân. Gazprom tin rằng, khí thiên nhiên sẽ tiếp tục là nguồn cung cấp H2 quan trọng cho EU trong thời gian tới.