Hydrogen xanh: Tiềm năng, thách thức, và triển vọng

Hydrogen xanh (H2-xanh) là nhiên liệu sạch lý tưởng, là giải pháp đầy tiềm năng để đạt được Net Zero. Nhưng, việc phát triển H2-xanh hiện đang gặp những thách thức lớn về công nghệ, mà hệ quả là hiệu suất quá thấp và giá thành quá cao, tạo rào cản lớn với cả nhà đầu tư lẫn người tiêu dùng.

Hydrogen xanh: Nhiên liệu sạch lý tưởng

Cho đến nay, phần rất lớn (khoảng 99%) sản lượng H2 toàn cầu là được chiết tách từ gas, than đá hay các vật liệu hữu cơ khác. Đáng tiếc là, cách chiết tách H2 như vậy phát sinh rất nhiều khí độc CO2. Nếu khí độc này xả thẳng ra môi trường, thì H2 thành phẩm được gọi là ‘Hydrogen xám’ (Grey Hydrogen), thậm chí là ‘đen’ (Black Hydrogen) nếu vật liệu nguồn là than đá với lượng CO2 xả ra rất lớn. Còn, nếu khí độc CO2 phát sinh khi chiết tách được thu gom và cất giữ, chưa làm hại môi trường ngay, thì H2 thành phẩm được xem là ‘sạch’ hơn, và được gọi là ‘Hydrogen xanh nhạt’ (Blue Hydrogen).

Hydrogen cũng có thể được chiết tách từ nước bằng phương pháp điện phân. Một dòng điện đủ mạnh đi qua nước có thể tách phân tử H2O thành H2 và O (rồi các nguyên tử O tự ghép lại thành O2). Cả hai khí H2 và O2 thành phẩm được thu giữ và dùng vào mục đích hữu ích. Cách chiết tách H2 này hoàn toàn không phát sinh khí độc CO2. Và, nếu điện sử dụng để điện phân lại là điện sạch (mặt-trời, gió …), thì toàn bộ quá trình chiết tách H2 này là sạch, và H2 thành phẩm được gọi là ‘Hydrogen xanh’ (Green Hydrogen) - một nhiên liệu sạch lý tưởng - sạch trọn đời từ khi sinh (điện phân) đến khi chết (đốt cháy). Một nhiên liệu sạch trong mơ!

Tuyệt vời vậy, mà sao H2-xanh chưa được đầu tư phát triển xứng tầm, để đến nỗi sản lượng của nó hiện vẫn chỉ khoảng 1% tổng sản lượng H2 toàn cầu ? Câu trả lời nằm ở các thách thức công nghệ, liên quan trực tiếp tới quá trình sản xuất và phân phố loại nhiên liệu này.

Hydrogen xanh: Những thách thức

Thách thức căng nhất là giá H2-xanh hiện quá cao. Có ba yếu tố chính cấu thành giá cao này. Thứ nhất, thiết bị điện phân (electrolyzer) cồng kềnh, giá mắc, mà tuổi thọ lại ngắn.

Thiết bị lâu đời và phổ dụng nhất, có tên là Alkaline Electrolyzer (AEL), dùng dung dịch kiềm (KOH hay NaOH) làm chất điện phân, có giá mềm nhất (~500 – 800 USD/kW), nhưng hiệu suất chuyển đổi thấp (60 – 65%) và ngốn nhiều điện nhất (52 – 55 kWh/kg H2).

Loại thiết bị cao cấp hơn, có tên là Proton Exchange Membrane Electrolyzer (PEMEL), dùng màng trao đổi proton (polymer) thay cho dung dịch kiềm, nhờ đó có hiệu suất cao hơn (65 – 70 %) và ngốn ít điện hơn (50 – 52 kWh/kg H2), nhưng lại đắt hơn AEL chừng hai lần và hoạt động kém ổn định hơn (màng dễ hỏng hay phải thay, cả màng và phụ gia đều đắt).

Ngoài ra, có một loại thiết bị mới, gọi là Solid Oxide Electrolyzer (oxit rắn), có thể cho hiệu suất tới 80 % hoặc hơn, nhưng rất đắt (> 2000 USD/kW) và hiện chưa được thương mại hóa.

Hiện tại, ngay cả với công nghệ phổ dụng, để có được một hệ thiết bị cho ra 20 kg H2/giờ phải đầu tư ban đầu khoảng một triệu USD. Đây quả là một thách thức lớn với những ai muốn đầu tư vào H2-xanh.

Yếu tố tiếp theo, có lẽ là chính, làm cho H2-xanh đắt là giá của điện sạch dùng để điện phân hiện còn quá cao. Để điện phân được 1 kg H2-xanh tinh khiết 99,99 % cần có 9 lit nước tinh khiết và hơn 50 kWh điện sạch. Nếu giá điện là 0,04 USD/kWh thì riêng tiền điện đã là hơn 2 USD/kg H2, gấp đôi giá gas rồi.

Yếu tố cuối cùng cấu thành giá cao của H2-xanh là khâu bảo quản và vận chuyển rất phức tạp và đắt đỏ. Khí H2 rất nhẹ, dễ bay hơi, dễ cháy (hơn cả xăng), nó lại còn có thể làm cho kim loại bị giòn, dễ nứt vỡ (ở áp suất cao nó có thể thẩm thấu qua cả một tấm thép), nên việc bảo quản và vận chuyển rất phức tạp và đắt đỏ.

Thông thường, để lưu giữ và vận chuyển H2 người ta phải nén nó đến áp suất rất cao (350 – 700 bar) hoặc hóa lỏng nó ở nhiệt độ cực thấp (-253°C) hoặc chuyển sang các hợp chất (ammonia, methanol). Cách nào cũng tốn kém. Hiện tại, tùy địa chỉ, giá H2-xanh đến tay khách hàng là khoảng 3-6 USD/kg, quá đắt so với nhiên liệu truyền thống (như gas hay dầu). Đây là rào cản chính đối với người tiêu dùng.

Thách thức thứ hai là hiệu suất tổng thể của toàn bộ quá trình, sản xuất và phân phối H2-xanh, hiện là quá thấp. Hiệu suất chuyển đổi ở thiết bị điện phân H2 (như đã kể ở trên) chỉ 60-70 %. Hiệu suất của quá trình nén/hóa lỏng, vận chuyển và chuyển đổi lại để tái sử dụng (chẳng hạn qua thiết bị fuel cell) cũng chỉ 50 – 60 %. Thành thử, hiệu suất tổng thể chỉ khoảng 30%, nghĩa là thất thoát quá lớn! Tăng hiệu suất đang là như cầu thiết yếu.

Một thách thức nữa là, hiện tại chưa ở đâu có được hệ thống hạ tầng cần thiết, đồng bộ, và an toàn để lưu giữ, vận chuyển và sử dụng H2. Do các tính chất hóa-lý của H2, như đã viết ở trên, bình chứa hay ống dẫn loại khí này cần được làm từ các vật liệu chuyên biệt. Việc nén ép hay hóa lỏng cũng cần có các thiết bị phức tạp và đắt tiền. Nếu muốn dùng H2 để chạy xe thì còn cần có fuel cell và hệ thống trạm nạp H2 (nén) hay đổi bình H2, giống như trạm nạp hoặc đổi pin. Còn muốn xuất khẩu thì phải có cảng chuyên dụng. Tất cả đều là những khoản đầu tư lớn mang tầm quốc gia.

Hydrogen xanh: Triển vọng

Dưới áp lực phải đáp ứng các mục tiêu của thỏa thuận Paris (Paris Agreement) về chống biến đổi khí hậu toàn cầu, nhiều dự án sản xuất H2-xanh quy mô lớn đã và đang được thực hiện như Neom Green Hydrogen Project (Saudi Arabia), Western Green Energy (Australia), Green Energy Oman (Oman), Fukushima Hydrogen Energy Research Field (Nhật), hay Ulsan Green Hydrogen Town (Hàn Quốc). Đây đều là các dự án lớn, đồng thời phát triển năng lượng tái tạo và H2-xanh, trong đó có dự án đã bước vào giai đoạn đầu tư.

Theo ước tính của IEA, nếu tất cả các dự án đã công bố đều tiến triển đúng như kế hoạch thì đến năm 2030 sản lượng Hydrogen ít phát thải (low-emissions hydrogen, bao gồm cả ‘green’ và ‘blue’) sẽ là khoảng 35 triệu tấn/năm. Với tiến bộ nhanh chóng của khoa học công nghệ, kỳ vọng là H2-xanh sẽ sớm trở thành đầu tàu trong cuộc cách mạng Net Zero. Mấu chốt nằm ở việc hoàn thiện công nghệ điện phân nước, phát triển điện sạch giá rẻ, và kiện toàn hạ tầng cơ sở.

Nơi nào nên đầu tư phát triển H2-xanh? Đầu tư phát triển sản phẩm công nghệ không thể theo phong trào, càng không thể tùy hứng, mà phải căn cứ vào thực lực, như cầu thị trường, khả năng cạnh tranh, mà kết cục là hiệu quả kinh tế. Yếu điểm chính, hạn chế khả năng cạnh tranh của H2-xanh, là giá quá cao.

Trong cấu thành giá của H2-xanh, thì giá của điện sạch góp phần quan trọng nhất. Chất lượng (độ tinh khiết) của H2 thành phẩm càng cao, lượng điện tiêu tụ càng nhiều. Thành thử, để sản phẩm có thể cạnh tranh về giá, trước hết, chỉ nên đầu tư phát triển H2-xanh ở những nơi có điện sạch giá rẻ. Saudi Arabia là một ví dụ điển hình, ở đây giá điện tái tạo đang được kỳ vọng là sẽ sớm giảm xuống chỉ còn 0.01 USD/kWh, khi đó giá H2-xanh chỉ còn ngang hoặc thậm chí thấp hơn giá gas.

Gần đây, có tin đồn thất thiệt rằng một công ty nước ngoài đang đầu tư một nhà máy sản xuất H2-xanh, trị giá 8000 tỷ, ở Biên Hòa. Nói ‘thất thiệt’ vì công ty đó đã phải lên tiếng cải chính.

Chúng tôi cho rằng, hiện tại nước ta chưa phải là địa chỉ thích hợp để đầu tư phát triển H2-xanh. Lý do chính là ở ta điện sạch chưa đủ phát triển và giá còn quá cao. Ngoài ra, ta hoàn toàn chưa có hạ tầng cơ sở và, không kém quan trọng, thực ra, ta cũng chưa có khách hàng tiềm năng sẵn sàng xuống tiền dùng H2-xanh. Thế, ai là những khách hàng như vậy?

Hydrogen xanh: Lựa chọn

Để trả lời câu hỏi trên, cần phải nói rõ rằng, H2-xanh chỉ là một trong ba phương thức lưu giữ điện sạch: Thủy điện tích năng (Pump-storage Hydroelectricity), Pin (Battery), và H2-xanh.

Ở phương thức thứ nhất, người ta dùng điện dư thừa bơm nước lên hồ chứa trên cao hay thượng nguồn sông, rồi khi cần thì xả nước xuống, làm quay tua-bin, sinh điện trở lại (thủy điện). Phương thức này cho hiệu quả cao nhất, giá thành rẻ nhất, nhưng cần địa hình phù hợp (hồ, sông), đầu tư ban đầu rất lớn, và nhất là, không thể mang điện dư thừa đến nơi mong muốn.

Pin và H2-xanh không chỉ lưu giữ mà còn đóng vai trò quan trong trong phân phối điện, chúng tạo thành cặp phương thức cạnh tranh. H2 phù hợp cho lưu giữ quy mô lớn trong thời gian dài để dùng ở những nơi cần nhiều năng lượng, phát thải nhiều CO2, nhưng khó tiếp cận nguồn điện sạch, như các nhà máy luyện quặng, luyện thép ở vùng hẻo lánh, hay tàu biển trọng tải lớn. Trước yêu cầu buộc phải giảm thải CO2, các cơ sở này không có lựa chọn nào khác, đành chấp nhận H2-xanh cho dù giá cao.

Ngược lại, pin rất phổ cập và đa dạng, phục vụ hiệu quả cho tất cả các thiết bị điện tử và phù hợp để lưu giữ, điều tiết mạng lưới điện một cách linh hoạt. Pin cũng phù hợp hơn cho xe máy điện và ô-tô điện (electric vehicle - EV). Để minh họa, dưới đây chúng tôi so sánh các tính năng cơ bản của hai dòng EV: dùng pin (battery EV – BEV) và dùng H2-xanh (Hydrogen EV – HEV), với chú ý rằng để dùng H2 chạy EV, cần chuyển H2 ngược lại thành điện thông qua thiết bị Fuel cell.

Mặc dù hiện tại, H2-xanh còn đắt, thiếu cạnh tranh, sản lượng và ứng dụng còn rất hạn chế, nhưng do đây là nhiện liệu cực sạch và rất giầu nhiệt nên nó vẫn đang được xem là chìa khóa tương lại để đạt được mục tiêu Net Zero.

Bài đăng KH&PT số 1363 (số 39/2025)

Khoahocphattrien