TS Nguyễn Văn Như, Trương Như Tùng, TS Đinh Văn Thịnh, TS Nguyễn Việt Anh
Viện Năng lượng và Khí hậu, Trung tâm Nghiên cứu Khoa học và Kỹ thuật Juelich, CHLB Đức Email: nguyen3vannhu@yahoo.com
Tóm tắt
Biến đổi khí hậu và sự cạn kiệt nhiên liệu hóa thạch là những nguyên nhân chính dẫn đến sự ra đời của chiến lược chuyển đổi năng lượng mới - Chiến lược Hydro 一 như các nước Đức, EU, Mỹ, Nhật, Hàn quốc, Trung Quốc, Úc, Anh, Đan Mạch đã xây dựng và bắt đầu triển khai. Là một nhiên liệu đốt rất sạch (chỉ tạo ra hơi nước), hydro sẽ đóng một vai trò quan trọng trong quá trình chuyển đổi năng lượng sang một xã hội không phát thải c〇2. Bài báo giới thiệu những tiến bộ gần đây về công nghệ ứng dụng hydro thân thiện với môi trường trong giao thông vận tải, trong công nghiệp và sản xuất điện trên thế giới. Tiến bộ trong nghiên cứu và phát triển pin nhiên liệu là công nghệ cốt lõi được chú trọng đề cập. Bài báo cũng trình bày những thách thức, rào cản về công nghệ và an toàn hydro cần vượt qua. Trên cơ sở những tiến bộ và những thách thức cũng như rào cản về chấp nhận xã hội một số gợi ý kiến nghị nhằm thúc đẩy công nghệ Hydro và hệ thống năng lượng thông minh thân thiện với môi trường vì lợi ich lâu dài của người dân được đề xuất.
Từ khóa: ứng dụng Hydro, pin nhiên liệu, giao thông vận tải, thép, xi măng, sản xuất điện, an toàn hydro,
1 Giới thiệu tổng quát
Hydro được xem là nguyên tố then chốt trong việc chuyển đổi năng lượng hiện nay trên thế giới. Hydro có thể được sử dụng trực tiếp ở dạng tinh khiết hoặc là cơ sở để tổng hợp nhiên liệu hydro dạng lỏng hoặc khí như metan tổng hợp hoặc diesel tổng hợp cũng như cho các chất mang năng lượng khác như amoniac. Cho đến nay, hầu hết hydro hiện đang được sử dụng trong lĩnh vực công nghiệp chủ yếu trong các nhà máy lọc dầu và sản xuất amoniac và ở một mức độ nhỏ hơn để sản xuất metanol và các hóa chất khác cũng như sản xuất thép [1].
Trong lĩnh vực dân dụng, hydro được sử dụng trong các ứng dụng dựa trên pin nhiên liệu gọi là hệ thống kết hợp sưởi và điện (CHP). Công nghệ màng điện phân proton (PEMFC) và pin nhiênjiệu oxit rắn (SOFC) thường được sử dụng nhất. Cả hai pin nhiên liệu trong CHP đều có thể được điều khiển bằng nhiệt hoặc điện và có thể được triển khai dưới dạng CHP nhỏ hoặc vi mô do kích thước nhỏ gọn của chúng. Nhiên liệu cho PEMFC là hydro nguyên chất trực tiếp, nhiên liệu cho SOFC có thể sử dung hydro hoặc khí tự nhiên hoặc khí sinh học hoặc hỗn hợp của chúng, nơi quá trình chuyển hóa thành hydro diễn ra bên trong thiết bị. Nếu nhiệt tạo ra có nhiệt độ đủ lớn, hệ thống này cũng có thể cung cấp khả năng làm mát thông qua quá trình hấp phụ.
Trong lĩnh vực giao thông vận tải hydro đặc biệt quan trọng trong việc giảm thiểu phát thải khí c〇2 và cung cấp lượng năng lượng lớn. Các phương tiện sử dụng pin nhiên liệu (FCEV) như xe buýt, xe chở khách đường dài và xe lửa cũng như các phương tiện tàu thủy nhất định là những ứng dụng lớn của hydro trong tương lai.
Hydro có thể được sử dụng để sản xuất điện vì nó có thể được chuyển đổi thành điện năng bằng quá trình đốt cháy hoặc pin nhiên liệu. Quá trình đốt cháy hydro trực tiếp có thể diễn ra trong động cơ đốt trong (ví dụ trong hầu hết các loại ô tô và tua bin chẳng hạn). Sản xuất điện dựa trên pin nhiên liệu chủ yếu được triển khai dưới dạng hệ thống cung cấp điện liên tục vào hệ thống lưới điện. Chức năng chính của chúng là cung cấp nguồn điện dự phòng cho các quá trình quan trọng như cơ sở hạ tầng thông tin liên lạc của bệnh viện và tương tự trong trường hợp mất điện và ở các vị trí xa. Ưu điểm của chúng là độ bền đáng tin cậy và thân thiện với môi trường.
Bài báo này trình bày một số tiến bộ mới nhất trong công nghệ ứng dụng hydro thân thiện với môi trường cho các ngành giao thông vận tải, công nghiệp và sản xuất điện. Bài báo cũng trình bày những thách thức rào cản về mặt công nghệ, an toàn hydro và chấp nhận xã hội. Trên cơ sở nhưng tiến bộ và thách thức bài báo cũng đề xuất 1 số gợi ý trong công nghệ hydro tại Việt nam.
2 Ứng dụng hydro và nhiên liệu dựa trên hydro cho giao thông vận tải
Quá trình giảm thiểu khí thải CO2 trong giao thông vận tải là một trong những thách thức lớn nhất trong ứng phó với biến đổi khí hậu trên toàn cầu. Vận tải toàn cầu chịu trách nhiệm khoảng 23 % lượng khí thải toàn cầu từ quá trình đốt cháy hydrocarbon của năng lương hóa thạch với các phương tiện giao thông đường bộ, hàng hải, hàng không. Giảm thiểu khí thải trong lĩnh vực này đặc biệt khó khăn vì một trong những yêu cầu quan trọng đối với nguồn năng lượng là tính di động và hydro carbon là một trong những chất có mật độ năng lượng cao nhất hiện có. Mặt khác, gánh nặng sức khỏe cộng đồng do các chất ô nhiễm như các khí NOx, SOx thải ra từ các phương tiện giao thông rất lớn nên cần phải có các nguồn năng lượng sạch hơn [2].
Để giải quyết vấn đề này, các nỗ lực đã tập trung vào pin điện (battery) và pin nhiên liệu (fuel cell) chạy bằng hydro cùng với các cải tiến về hiệu suất (phát triển và tối ưu xe hybrid) và chuyển đổi nhiên liệu, ví dụ như sử dụng nhiên liệu sinh học hoặc khí tự nhiên thay vì xăng.
Hình 1 dưới đây so sánh phát thải khí nhà kính từ các phương tiện vận tải sử dụng pin nhiên liệu và phương tiện vận tải truyền thống sử dụng động cơ đốt trong. Có thể thấy rằng đối với các phương tiện vận tải sử dụng pin nhiên liệu, lượng phát thải khí nhà kính thấp hơn, khoảng 225 g c〇2/km nếu là hydro được sản xuất bằng reforming khí tự nhiên và có thể giảm xuống 125 g c〇2/km nếu là hydro được sản xuất bằng điện phân sử dụng điện gió. Trong khi đó, với các phương tiện sử dụng động cơ đốt trong truyền thống, mỗi km hành trình sẽ phát thải lượng CO2 cao hơn, ở mức gần 250 g c〇2/km.
Hình Phát thải khí nhà kính từ hoạt động giao thông gia đoạn 2020-2030 [Nguồn Vện Fraunhofer, Đức Hệ thống Năng lượng Mặt trời ISE)
2.1 Pin nhiên liệu cho giao thông vận tải
Mặc dù thời gian gần đây, pin điện đã là công nghệ thống trị nhờ những ưu điểm của chúng trong việc đáp ứng chi phí sản xuất trên một chiếc xe và sự sẵn có của cơ sở hạ tầng hỗ trợ, pin nhiên liệu có thể mang lại những lợi thế thay thế trong dài hạn. Ưu điểm rõ ràng nhất của pin nhiên liệu là mật độ năng lượng cao phù hợp cho việc vận chuyển quy mô lớn, vận chuyển khoảng cách xa và thời gian nạp nhiên liệu ngắn. Lợi thế lớn hơn của việc chuyển sang hệ thống giao thông sử dụng nhiên liệu hydro là một “nguồn lưu trữ điện“ từ nguồn năng lượng tái tạo cung cấp điện không ổn định (dao động theo thời gian) dưới dạng hóa chất ổn định. Theo các chuyên gia, hydro là chất mang năng lượng duy nhất có tiềm năng thay thế nhiên liệu hóa thạch trong giao thông đường bộ trong dài hạn.
Một pin nhiên liệu có cấu tạo đơn giản bao gồm ba lớp nằm cạnh nhau. Lớp thứ nhất là điện cực nhiên liệu (cực dương), lớp thứ hai là chất điện phân dẫn ion và lớp thứ ba là điện cực oxy (cực âm) được biểu diễn trong hình 12.
Hình 221. Sơ đồ cấu tạo pin nhiên liệu [3]
Về phương diện hóa học tế bào pin nhiên liệu là phản ứng ngược lại của quá trình điện phân. Pin nhiên liệu hoạt động trên nguyên tắc: nhiên liệu và không khí (oxy) được ngăn cách vật lý bởi chất điện phân cách điện. Các nửa phản ứng diễn ra ở các điện cực ở hai bên của chất điện phân, sự vận chuyển ion xảy ra qua chất điện phân. Các điện tử được giải phóng đi từ cực dương qua mạch điện bên ngoài về cực âm và tạo ra năng lượng điện có thể sử dụng.
Phương trình (16) biểu diễn phản ứng hóa học tổng thể xảy ra trong pin nhiên liệu sử dụng hydro:
2 H2 + O2 → 2 H2O
Vì một tế bào pin riêng lẻ chỉ tạo được một điện thế rất thấp cho nên tùy theo điện thế cần dùng mà nhiều pin được ghép lại với nhau, tức là chồng lên nhau theo số lượng cần thiết. Người ta thường gọi sự chồng ghép lên nhau như vậy của các tế bào pin là stack.
Hai loại pin nhiên liệu đươc ứng dụng phổ biến nhất cho giao thông vận tải là pin nhiên liệu màng trao đổi proton (PEMFC) và pin nhiên liệu oxid rắn (SOFC).
Pin nhiên liệu PEMFC với chất điện phân là màng polymer phải được bão hòa với nước để proton được solvat hóa di chuyển được trong chất điện phân nhưng không cho các điện tử đi qua. Sự kết hợp của nước và axit sulfonic là rất cần thiết cho phép các proton đi vào màng dễ dàng. PEMFC là loại được thương mại hóa nhiều nhất hiện nay do nhiệt độ hoạt động thấp (50-100°C), thời gian khởi động ngắn và dễ sử dụng chất oxy hóa (không khí trong khí quyển). Những đặc điểm này làm cho PEMFC trở nên lý tưởng cho các giải pháp vận chuyển di động. Nhược điểm của PEMFC là yêu cầu cần xúc tác Pt trong vật liệu điện cực và dễ bị hỏng khi tiếp xúc với CO.
Pin nhiên liệu SOFC với chất điện phân oxit rắn thường là zirconia được ổn định bởi yttria (YSZ). Các vật liệu này thường có độ dẫn ion thích hợp trong khoảng 650-1000 °C. SOFC có các đặc tính cực kỳ hấp dẫn đối với việc sử dụng trong giao thông vận tải đó là không yêu cầu kim loại nhóm bạch kim đắt và hiếm trong vật liệu điện cực. Đặc biệt SOFC có khả năng sử dụng nhiên liệu không chỉ hydro mà cả hydrocarbon với hiệu suất cao, chịu được tạp chất trong nhiên liệu. Ngay cả khi sử dụng nhiên liệu hydro carbon, các SOFC hiện đại nhất có hiệu suất hệ thống là 50% và có thể đạt đến mục tiêu từ 65% trở lên. Điều này cao hơn hiệu suất PEMFC (thường là khoảng 36-4540%) khi dùng hydro [2].
Một thí dụ điển hình về việc sử dụng nhiên liệu khác ngoài hydro trong SOFC là 2016 Nissan trình làng chiếc xe chạy bằng pin nhiên liệu oxit rắn đầu tiên trên thế giới bằng nhiên liệu Bio-Ethanol với quãng đường dài 600 km [4].
Với hệ thống ethanol sinh học, lượng khí thải c〇2 được trung hòa từ quá trình quang hợp, tạo thành nhiên liệu sinh học cho phép nó có một chu trình trung hòa carbon với lượng c〇2 tổng thể gần như không tăng.
Trong lĩnh vực giao thông vận tải, các phương tiện chạy bằng pin nhiên liệu (Fuel cell electric vehicle: FCEV) có lợi thế quyết định so với các lựa chọn xe chạy bằng pin điện (Battery electric vehicle: BEV) là phù hợp cho việc vận chuyển quy mô lớn, vận chuyển khoảng cách lớn, mật độ công suất cao, thời gian tiếp nhiên liệu ngắn và có khối lượng nhỏ hơn.
Mục đích của pin nhiên liệu cho giao thông vận tải là cung cấp lực đẩy cho phương tiện một cách trực tiếp hoặc gián tiếp. Các lĩnh vực ứng dụng sau đây đang được phát triển:(1)xe nâng hàng, xe máy hạng nhẹ (LDV), (2) xe buýt và xe tải, (3) xe lửa và xe điện, (4) phà, tàu chở hàng và thuyền loại nhỏ ,(5) máy bay hạng nhẹ có người lái, (6) máy bay không người lái (UAV), (7) tầu ngầm không người lái dưới đáy biển (UUV).
Sơ đồ hệ thống truyền lực trong FCEV được mô phỏng trong hình 23.
Hình 332. Sơ đồ hệ thống truyền lực trong chiếc ô tô chạy bằng pin nhiên liệu (nguồn từ thông tin công khai)
Hiệu suất năng lượng của FCEV được biểu diễn trong hình 43.
Hình 34. Hiệu suất năng lượng của FCEV
SOFC có thể là một công nghệ khả thi với những tiến bộ trong hiệu suất dự kiến trong vài năm tới. Từ phía cực dương cần cải tiến xúc tác cũng như khả năng chịu cacbon và lưu huỳnh. Về phía cực âm, thiết kế vật liệu tính toán dường như trở nên quan trọng hơn khi vật liệu trở nên phức tạp hơn với sự gia tăng số lượng các phần tử và các cấu trúc khác nhau nên cần thay đổi kích thước nano của bề mặt điện cực. Trong chất điện phân, dùngung vật liệu mới trong chất điện phân thích hợp ở nhiệt độ thấp hơn sẽ cho phép tăng cường khả năng sử dụng SOFC trong giao thông vận tải [2].
Những tiến bộ gần đây nhất trong pin nhiên liệu ammoniac trực tiếp dựa trên nguyên tắc của pin nhiên liệu SOFC được Jeerh và cộng sự trình bày [5]. Các tác giả- đã so sánh ưu và nhược điểm của các pin nhiên liệu amoniac trực tiếp khác nhau (hình 54) dựa trên các nguyên tắc vận hành và đã chứng minh mức độ gần gũi của loại công nghệ này trong việc tích hợp với các ứng dụng trong tương lai trong đó có lĩnh vực giao thông vận tải. Hiện nay, một số thách thức như lựa chọn vật liệu, chuyển đổi NOx, mật độ công suất nhỏ và độ bền vẫn phải được khắc phục.
Hình 45. Sơ đồ minh họa về pin nhiên liệu SOFC sử dụng ammoniac trực tiếp [50][5]
Một ứng dụng quan trọng của pin nhiên liệu, đặc biệt là SOFC trong thiết bị nguồn phụ điện APU.
Một trong những thử nghiệm quy mô đầy đủ sớm nhất được hoàn thành vào năm 2010 là thiết bị nguồn phụ (APU) trên một chiếc xe tải nơi APU cung cấp điện cho các dịch vụ trên xe khi dừng qua đêm. Một hệ thống tương tự đã được hãng AVL (Áo) phát triển và lắp đặt trên một chiếc xe tải Volvo với kết quả tương đương [6].
Các hệ thống lớn hơn cũng đã được xây dựng. Thyssen Krupp và Sunfire đang phát triển SOFC 50 kW chạy bằng dầu. Việc chế tạo máy trình diễn thiết bị 50 kW bắt đầu vào cuối năm 2015 tại nhà máy đóng tàu thyssenkrupp Marine Systems ở Kiel. Vào năm 2016, giai đoạn thử nghiệm có thể chứng minh hiệu suất điện tổng thể của hệ thống là 55% và sử dụng nhiên liệu là 73% [7].
Ngoài ứng dụng hydro trong FCEV, một hướng nghiên cứu ứng dụng hydro trong động cơ đốt trong cũng đang được triển khai. KEYOU một công ty của Đức đang nghiên cứu phát triển động cơ đốt trong dùng hydro với phương pháp công nghệ phù hợp bao gồm van phun nhiên liệu dạng khí hiệu quả, tuần hoàn khí thải mà không có thay đổi lớn đối với động cơ đốt trong cơ bản. So với các nhiên liệu thông thường, hydro có hàm lượng năng lượng cao nhất. Trong quá trình đốt cháy do KEYOU phát triển, hydro cháy với oxy trong không khí quyển để tạo thành nước mà không có khí thải CO2 [8].
2.2 Giao thông đường bộ
Tổng lượng phát thải CO2 của các kiểu xe ô tô khác nhau được thể hiện trong Hình 56. Trong đócác kiểu xe ô tô sử dụng động cơ đốt có lượng khí thải CO2 nhiều hơn so với xe ô tô chạy bằng pin nhiên liệu FC (Toyota) [9]
Hình 56. So sánh phát thải khí CO2 từ các kiểu xe ô tô khác nhau [10]
Pin nhiên liệụ PEMFC đã đạt đến trạng thái sẵn sàng về công nghệ khi một số công ty ô tô lớn đang cho thuê thương mại và bán xe điện dùng pin nhiên liệu (FCEV) bao gồm Toyota, Honda và Hyundai có thể chạy được quãng đường tối đa từ 500 đến 600 km cho 1 lần nạp nhiên liệu. Các FCEV này khẳng định tốc độ xe và phạm vi lái và độ bền vượt trội so với động cơ đốt trong thông thường (ICE) và trong hầu hết các trường hợp đều tốt hơn xe điện chạy pin (BEV).
Những thách thức còn lại và những cải tiến lớn đối với PEMFC cần được giải quyết là hiệu suất, ở độ bền và chi phí ở_ mật độ dòng điện cao. Những vấn đề này dự kiến sẽ được giải quyết trong thập kỷ tới, trong thời gian đó cơ sở hạ tầng hydro cần được triển khai rộng rãi [11].
Chi phí của pin nhiên liệu ô tô đã giảm 70% kể từ năm 2008 nhờ tiến bộ công nghệ và doanh số bán xe điện chạy bằng pin nhiên liệu (FCEV) ngày càng tăng. Nhờ những nỗ lực của Hàn Quốc, Mỹ, Trung Quốc và Nhật Bản, số lượng FCEV trên đường đã tăng hơn sáu lần từ 7 000 vào năm 2017 lên hơn 43 000 vào giữa năm 2021. Trong năm 2017, thực tế tất cả các FCEV đều là xe du lịch. Ngày nay, 1/5 là xe buýt và xe tải cho thấy sự chuyển dịch sang phân khúc đường dài, nơi hydro có thể cạnh tranh tốt hơn với xe điện. Tuy nhiên, tổng số FCEV vẫn thấp hơn nhiều so với con số ước tính khoảng 11 triệu xe điện BEV trên đường hiện nay.
So với xe BEV thì phương tiện giao thông hạng nặng (150-400 kW) FCEV có lợi thế hơn hẳn bởi khả năng mở rộng của pin nhiên liệu về cả công suất và năng lượng bằng cách tăng kích thước và tăng số ngăn xếp pin nhiên liệu (stack) hoặc bình chứa hydro với trọng lượng bổ sung nhỏ hơn nhiều so với pin lithium-ion. Việc triển khai thương mại các phương tiện giao thông hạng nặng như xe tải đòi hỏi ít đầu tư cơ sở hạ tầng hơn vì cần ít trạm tiếp nhiên liệu hơn do các tuyến đường dành riêng đã qui định sẵn. Tuy nhiên, các chu kỳ truyền động và điều kiện hoạt động khác nhau của các phương tiện hạng
nặng cũng như tuổi thọ dài hơn đáng kể của chúng đòi hỏi cần cải thiện đáng kể về độ bền và tập trung nhiều hơn vào hiệu suất nhiên liệu so với xe hạng nhẹ [12].
Theo dữ liệu thu thập của Samsun và cộng sự, có 34.804 xe chạy pin nhiên liệu (FCEV) thuộc tất cả các loại đã hoạt động trên toàn thế giới tính đến cuối năm 2020. Tổng số này bao gồm ô tô chở khách (đến 9 chỗ ngồi), xe buýt, xe thương mại hạng nhẹ đến 3,5 tấn, xe tải hạng trung và xe tải hạng nặng [13].
Hơn 40 000 FCEV đã có mặt trên toàn cầu vào cuối tháng 6 năm 2021. Nguồn cung tăng trung bình 70% hàng năm từ năm 2017 đến năm 2020, riêng năm 2020, tăng trưởng chỉ còn 40% do đại dịch Covid-19 [1]. Việc triển khai FCEV toàn cầu tập trung phần lớn vào các loại xe chở khách hạng nhẹ (PLDV), chiếm 74% trong số các FCEV đã đăng ký vào năm 2020. Ba mẫu PLDV pin nhiên liệu thương mại đang được bán trên thị trường (Hyundai NEX〇，Honda Clarity và Toyota Mirai thế hệ thứ hai). Xe buýt mặc dù đã được triển khai sớm hơn và cung cấp số lượng lớn hơn các mẫu pin nhiên liệu (12 theo công cụ Kiểm kê Công nghệ Không phát thải của Calstarts) hiện chỉ chiếm 16 trong tổng số lượng hàng dự trữ của FCEV. Gần 95% xe FCEV ở Trung Quốc là xe tải chạy pin nhiên liệu với hơn 3100 chiếc đi vào hoạt động vào năm 2020.
Trong đó các phương tiện nhiều nhất ở Hàn Quốc, tiếp theo là Mỹ, Trung Quốc và Nhật Bản. Năm nay, Hàn Quốc lần đầu tiên dẫn đầu thay thế Mỹ. Sự phân bố trên lục địa ,cho thấy 65 % xe ở châu Á, tiếp theo là 27% ở Bắc Mỹ và 8% ở châu Âu. Cơ cấu phương tiện chủ yếu là xe du lịch (74,5%), tiếp theo là xe buýt (16,2%) và xe tải hạng trung (9,1%). Xe nâng FC đang trong giai đoạn thương mại đặc biệt là ở Mỹ với 25.000 chiếc [13].
Daimler Truck AG và Tập đoàn Volvo đã công bố một trung tâm liên doanh để phát triển sản xuất và thương mại hóa hệ thống pin nhiên liệu cho vận tải đường dài. Cùng với IVECO OMV và Shell, cả hai công ty cũng đã ký thỏa thuận H2Accelerate để hợp tác triển khai xe tải hydro quy mô lớn ở Châu Âu. Để biết tổng quan đầy đủ về các mục tiêu hỗ trợ phát triển xe điện, hãy tham khảo IEA Global EV Outlook 2021.
Hãng Ceres Power và Weichai Power 2020 cùng cộng tác phát triển hệ thống xe Bus cho Trung quốc dùng kỹ thuật pin nhiên liệu SOFC và nhiên liệu khí nén thiên nhiên (compressed natural gas). Dự tính 2022 sẽ ra đời. Quan trọng là thỏa thuận với Weichai Power bao gồm một liên doanh tiềm năng để thiết lập một nhà máy sản xuất ở Trung Quốc, làm nổi bật tiềm năng của SOFC cho các ứng dụng giao thông vận tải để đi vào sản xuất [14][15].
Cơ sở hạ, tầng trạm tiếp nhiên liệu hydro (HRS) trên toàn thế giới hiện nay đang phát triển chậm hơn so với tốc độ phát triển FCEV. Số lượng trạm tiếp nhiên liệu hydro (HRS) tăng trung bình hàng năm là gần 20% trong giai đoạn 2017-2020. Tỷ lệ số FCEV trên số、HRS đang tăng lên, đặc biệt ở các quốc gia có doanh số FCEV cao nhất. Năm 2020, tỷ lệ này đạt gần như năm 200:1 ở Hàn Quốc và 150:1 ở Hoa Kỳ so với chỉ 30:1 ở Nhật Bản. Vào cuối năm 2020, 540 HRS đã đi vào,hoạt động bao gồm cả các cơ sở lắp đặt công cộng và tư nhân. Một phân tích dựa trên lục địa cho thấy hầu hết HRS tập trung ở châu Á với tổng số 278, tiếp theo là châu Âu với 190 và 68 ở Bắc Mỹ. Quốc gia có số lượng trạm cao nhất là Nhật Bản (137). Đức (90) và Trung Quốc (85) lần lượt có vị trí thứ hai và thứ ba trong bảng xếp hạng này [13]. Áp suất tiếp nhiên liệu của trạm thay đổi tùy theo thị trường xe được phục vụ. Ở hầu hết các quốc gia, phần lớn các trạm phân phối hydro ở 700 bar để phục vụ cho ô tô chạy bằng pin nhiên liệu. Tại Trung Quốc, hầu hết các trạm phân phối phục vụ các đoàn xe buýt và xe tải có áp suất 350 bar [1].
2.3 Giao thông đường sắt
Công nghệ hydro và pin nhiên liệu đã được chứng minh trong các ứng dụng đường sắt. Vào năm 2018, dịch vụ thương mại đầu tiên của tàu chở khách chạy bằng pin nhiên liệu hydro (do Alstom phát triển) đã bắt đầu tuyến đường dài 100 km ở Đức. Hai đoàn tàu Alstom ở Đức đã chạy được 180 000 km và nhiều quốc gia khác đã bắt đầu thử nghiệm và sử dụng các đoàn tàu chạy pin nhiên liệu.
Trong trường hợp việc điện khí hóa trực tiếp các đường dây điện cho hệ thống đường săt gặp khó khăn hoặc quá tốn kém, việc triển khai các ứng dụng đường sắt pin nhiên liệu có thể giúp giảm khí thải CO2 trong lĩnh vực này.
Vào năm 2020, một đoàn tàu chạy bằng hydro đã được đưa vào phục vụ hành khách thường xuyên ở Áo và các cuộc thử nghiệm đã bắt đầu ở Vương quốc Anh và Hà Lan. Tại châu Âu, Pháp, Ý và Vương quốc Anh đều đã đặt hàng các đoàn tàu chạy pin nhiên liệu hydro trong khi đội tàu lớn nhất 27 đoàn tàu hydro dự kiến sẽ bắt đầu hoạt động thường xuyên lâu dài tại Đức vào năm 2022 [1].
Các quốc gia như Trung Quốc, Hàn Quốc, Nhật Bản, Canada và Hoa Kỳ cũng đang bày tỏ sự quan tâm đến các đoàn tàu chạy bằng pin nhiên liệu hydro. Ngoài các đoàn tàu chở khách, tuyến xe điện chạy bằng hydro và đầu máy chuyển mạch đang trong các giai đoạn phát triển và triển khai khác nhau.
2.4 Giao thông đường thủy
Ngành hàng hải ngày nay phát thải khoảng 2,5% lượng khí thải carbon toàn cầu tương đương với 940 triệu tấn mỗi năm [16].
Hoạt động thương mại của phà pin nhiên liệu dự kiến sẽ bắt đầu vào năm 2021 tại Hoa Kỳ và Na Uy. Hầu hết các tàu chạy bằng nhiên liệu hydro hiện đang được trình diễn hoặc có kế hoạch triển khai trong vài năm tới là tàu chở khách và tàu kéo thường có công suất pin nhiên liệu từ 600 kW đến 3 MW. Hơn nữa, một mối quan hệ đối tác gần đây của EU nhằm mục đích xây dựng một chiếc phà hydro với 23 MW năng lượng pin nhiên liệu [1].
Thông tin thêm về các ứng dụng của pin nhiên liệu trong lĩnh vực hàng hải có thể được tìm thấy trong tham khảo van Biert và cộng sự [17]
Bên cạnh ứng dụng pin nhiên liệu hydro cho các phương tiện nhỏ, pin nhiên liệu sử dụng amoniac trực tiếp cũng có một số ứng dụng [5]
Mặc dù FC amoniac có lợi thế về hiệu suất, việc phát triển và triển khai trên quy mô lớn sẽ mất nhiều thời gian hơn so với việc sử dụng amoniac trong động cơ đốt trong ICE [18].
Ngoài ra xu hướng nghiên cứu ứng dụng NH3 là nhiên liệu cho động cơ đốt trong cỡ lớn chạy trên biển đang thu hút sự chú ý đặc biệt. Amoniac xanh (được sản xuất từ năng lượng tái tạo) có thể được sử dụng trong động cơ đốt trong để loại bỏ khí thải c〇2 của tàu thủy [19]
Phản ứng tổng thể của quá trình đốt cháy amoniac là [20]:
4 NH3 + 3 O2 → 2 N2 + 6 H2O
Hiệu suất của quá trình đốt amoniac nguyên chất còn thấp nhưng việc trộn amoniac với các nhiên liệu khác (ví dụ: hydro) có thể giúp khắc phục những đặc tính bất lợi khó cháy và cải thiện hiệu suất [18] [21][22]. Động cơ đốt nhiên liệu kép (amoniac-hydro) sẽ là con đường hứa hẹn nhất để amoniac thâm nhập vào lĩnh vực hàng hải.
Amoniac là chất mang năng lượng không chứa carbon nhưng khí thải đốt cháy có thể gây hại cho môi trường nếu chúng vẫn chưa được xử lý. Khí thải NOx có thể được loại bỏ thông qua các quá trình xử lý khí thải thông thường. Phát thải N2O từ quá trình đốt amoniac là một mối quan tâm lớn. Các quy định nghiêm ngặt về phát thải N2O cần được thiết lập để đảm bảo rằng các động cơ amoniac tương thích với mục tiêu dài hạn là khử cacbon trong vận tải biển. Do đó,,N2〇 có thể được tích hợp trong các chính sách định giá carbon hoặc hạn chế thông qua các tiêu chuẩn phát thải. Do đặc điểm rủi ro của NO2, việc sử dụng nó có thể không áp dụng được trong tất cả các phân đoạn của lĩnh vực hàng hải, ví dụ như tàu chở khách.
Các bên liên quan lớn trong ngành đã công bố kế hoạch sản xuất 100 động cơ hàng hải chạy bằng nhiên liệu amoniac sớm nhất là vào năm 2023 và cung cấp các gói trang bị thêm amoniac cho các tàu hiện có từ năm 2025. Methanol cũng đã được chứng minh là nhiên liệu cho lĩnh vực hàng hải và tương đối lâu dài hơn so với hydro và amoniac. Với khả năng tương thích với các động cơ hàng hải hiện có, methanol có thể là giải pháp ngắn hạn để giảm lượng khí thải vận chuyển nhưng cuối cùng amoniac cung cấp tiềm năng khử cacbon lớn hơn.
2.5 Giao thông hàng không
Những chiếc máy bay bay bằng nhiên liệu phản lực tiêu chuẩn (dầu hỏa) thải ra 3,15 kg CO24fên mỗi kg nhiên liệu. Điều này tương đương với khoảng 360 tấn carbon cho một chuyến đi kéo dài 10 giờ bằng máy bay Boeing 747 và toàn bộ lĩnh vực này th^ải ra khoảng 3% lượng khí thải carbon toàn cầu hoặc khoảng 0,75 triệu tấn moi năm [16]. Hội đồng Quốc tế về Giao thông Vận tải Sạch (the International Council on Clean Transportation: ICCT) đã phát triển một bản kiểm kê hàng không toàn cầu từ dưới lên để hiểu rõ hơn về lượng khí thải c〇2 từ thương mại hàng không.Theo đó, vận chuyển hành khách đã gây ra khoảng 85% lượng khí thải c〇2 trong thương mại hàng không. Năm 2019, con số này lên tới 785 triệu tấn (Mt) c〇2. Từ năm 2013 đến năm 2019, lượng khí thải c〇2 liên quan đến vận tải hành khách tăng 33% [16].
Trong tương lai, nhiều cấu hình điện hơn sẽ xuất hiện cho máy bay. Các bộ phận phụ trợ của máy bay thông thường được biết đến là nguyên nhân tạo ra ô nhiễm không khí và gây ồn ào. Bằng cách sử dụng pin nhiên liệu làm nguồn APU hoạt động trên phương tiện hàng không, ô nhiễm không khí và tiếng ồn được giảm bớt [23].
Không giống như khối nguồn phụ (APU) hiện có bộ năng lượng pin nhiên liệu oxit rắn có thể hoạt động trong suốt chuyến bay để tiết kiệm tối đa nhiên liệu.
Lợi ích mong đợi của việc ứng dụng hệ thống pin nhiên liệu là (a) lượng khí thải thấp - giảm đáng kể NOx trên mặt đất và trong chuyến bay (b) hiệu suất cao (c) tiết kiệm nhiên liệu - giảm tới 75% nhiên liệu trên mặt đất và giảm 30% nhiên liệu trong chuyến bay và (d) giảm tiếng ồn - tiềm năng tuyệt vời để giảm tiếng ồn đáng kể trên mặt đất.
Mối quan tâm đến việc sử dụng hydro cho hàng không cũng ngày càng tăng. Tập đoàn công nghiệp ATAG nhận thấy vai trò của pin nhiên liệu hydro cho các chuyến bay lên đến 1600 km và đốt cháy hydro cho các chuyến bay ngắn và có khả năng cho các chuyến bay đường trung bình. Giả sử công nghệ được phát triển thành công, pin nhiên liệu hydro có thể được sử dụng trong 75% chuyến bay thương mại nhưng chỉ chiếm 30% trong nhiên liệu hàng không. Về mặt kỹ thuật, quá trình đốt cháy hydro có thể được sử dụng cho các chuyến bay dài hơn, có khả năng bao gồm gần 95% chuyến bay và 55% lượt tiêu thụ nhiên liệu nhưng sẽ cần thiết bị để giảm thiểu phát thải NOx. Nhiên liệu hàng không giảm bền vững bao gồm nhiên liệu dựa trên hydro và nhiên liệu sinh học sẽ cần thiết để giảmkhử- cacbon trong thời gian ít nhất các chuyến bay đường dài mặc dù có thể cần đến các phương tiện để giảm thiểu tác động của khí hậu không CO2 [1].
Cho dù được sử dụng với pin nhiên liệu hay được đốt trực tiếp bằng hydro sẽ yêu cầu các thiết kế hệ thống máy bay mới. Airbus đang khám phá các khái niệm máy bay hydro khác nhau, tập trung vào sức chứa lên đến 200 hành khách và tầm bay 3.700 km với mục tiêu có một máy bay thương mại vào năm 2035. Các công ty nhỏ hơn đang nghiên cứu các giải pháp máy bay hydro bao gồm ZeroAvia nhắm mục tiêu chào bán thương mại đầu tiên của một máy bay hydro với tầm bay 900 km vào năm 2024 và Universal Hydrogen nhằm mục đích phát triển các giải pháp lưu trữ hydro và bộ chuyển đổi cho máy bay thương mại.
Boeing gần đây đã hợp tác với Tổ chức Nghiên cứu Khoa học và Công nghiệp Khối thịnh vượng chung Australia (CSIRO) để công bố lộ trình sử dụng hydro trong ngành hàng không nhằm xem xét các cơ hội sử dụng hydro trong máy bay và các ứng dụng sân bay (xe buýt cung cấp thiết bị hỗ trợ mặt đất như xe taxi và xe tải chở hang. Các thách thức kỹ thuật còn lại bao gồm các bể chứa đông lạnh trọng lượng nhẹ (với lượng sôi tối thiểu) và phát triển cơ sở hạ tầng cung cấp hydro (có thể là các đường ống dẫn hóa lỏng gần hoặc tại chỗ) và tiếp nhiên liệu lỏng có lưu lượng lớn [1].
2.6 Ứng dụng cho tàu ngầm
Pin nhiên liệu hoạt động được cần phải có oxy. Tuy vậy lượng oxy cần thiết nặng gấp 8 lần hydro. Nếu chứa oxy trong tầu ngầm thì tầu có trọng tải quá lớn không điều chỉnh được độ nổi (lúc chìm lúc nổi). Mới đây viện kỹ thuật quân sự Na-Uy FFI đã thử nghiệm thành công dùng H2O2 là nguồn cung cấp oxy cho tàu ngầm tự lái khi dùng pin nhiên liệu [24]
H2O2 được đánh giá cao nhất về độ độc lập của độ sâu. Nguyên nhân là do H2O2 là một chất lỏng và do đó có thể được đựng trong các túi nhựa dẻo chịu được áp suất bởi nước biển xung quanh. Bên trong tầu ngầm có thiết bị phản ứng để tạo oxy từ H2O2 theo phương trình (3)
H2O2(l) → H2O(l) + 0.5 O2 (g)
Đây là một tiến bộ quan trọng, một giải pháp lưu trữ oxy nhẹ mà không phụ thuộc vào độ sâu vì H2O2 nằm phía ngoài vỏ tầu. Việc cung cấp oxy nguyên chất làm cho pin nhiên liệu tăng hiệu quả. Pin nhiên liệu cần thiết kế nhỏ gọn hơn cho phù hợp tốc độ dòng oxy nhỏ hơn so với không khí. Vì thông thường dùng không khí, lượng oxy chỉ chiếm 20%. Cả 2 yếu tố (Pin nhiên liệu nhỏ hơn và tốc độ dòng oxy nhỏ hơn) đều góp phần vào mật độ tổng năng lượng cao hơn.
Kết luận: Pin nhiên liệu và hydro có tiềm năng lớn để thúc đẩy tương lai của ngành giao thông vận tải. Các khu vực bao gồm Hoa Kỳ, Trung Quốc, Châu Âu và Nhật Bản và một số nước khác đang nhận ra xu hướng này và tập trung nỗ lực chính sách vào việc phát triển chuỗi cung ứng công nghệ pin nhiên liệu và cơ sở hạ tầng trên nhiều mặt. Do các đặc điểm như tái nạp nhiên liệu nhanh tương tự như xe dùng động cơ đốt trong (ICEV), mật độ năng lượng cao (tức là trọng lượng thấp hơn BEV), FCEV là một giải pháp hấp dẫn cho các loại xe tải hạng nặng và xe thương mại. Ước tính rằng tổng chi phí sở hữu (total cost of ownership (TCO)) của các FCEV sẽ giảm gần 50% trong 10 năm tới do một số yếu tố như giá hệ thống pin nhiên liệu giảm, giá sản xuất hydro từ năng lượng tái tạo giảm cũng như sự phát triển của cơ sở hạ tầng hydro. Cuối cùng, FCEV chứng minh mức phát thải nhà kính thấp nhất so với BEV và ICEV, đồng thời cho thấy tiềm năng cao nhất để cải thiện bầu khí quyển do tăng cường sử dụng năng lượng tái tạo trong sản xuất hydro.
3 Những tiến bộ về ứng dụng hydro trong công nghiệp
3.1 Công nghệ sản xuất thép “xanh” ở Châu Âu
Tại Châu Âu, mỗi năm có khoảng 170 triệu tấn thép thô được sản xuất [25]. Mỗi tấn thép sản xuất sẽ phát thải ra môi trường khoảng 1,85 tấn [26], công nghiệp sản xuất thép đã đóng góp 4% tổng lượng lượng phát thải c〇2 ở Châu Âu và chiếm 22% trong phát thải công nghiệp [27].
Thép chủ yếu được sản xuất thông qua hai con đường là sử dụng Lò cao - Lò thổi oxy (BF-BOF) và sử dụng Lò hồ quang điện (EAF), trong đó phương pháp BF-BOF chiếm 60% trong công nghệ sản xuất thép ở Châu Âu. Trong số các giải pháp nhằm giảm phát thải c〇2 trong công nghiệp sản xuất thép, công nghệ CCS được áp dụng để thu giữ carbon tại một số điểm nguồn trong quá trình sản xuất như lò cao, lò luyện cốc vàhiệu quả giảm phát thải cao nhất chỉ đạt khoảng 80% [26]. So với việc sử dụng CCS thì công nghệ khử trực tiếp sử dụng hydro xanh và kết hợp với lò hồ quang điện có hiệu quả giảm phát thải CO2 cao hơn. Ứng dụng hydro trong công nghiệp sản xuất thép được tiếp cận theo hướng làm chất khử thay cho carbon. Khi hydro được sử dụng làm chất khử, sản phẩm khí của quá trình khử oxit sắt thành sắt là hơi nước thay vì khí CO2 khi sử dụng than làm chất khử. Điều này đã góp phần giảm phát thải CO2 trong quá trình sản xuất thép. Hydro có thể được ứng dụng trong công nghiệp sản xuất thép theo hai cách như sau:
- Sử dụng hydro làm chất khử phụ trong BF-BOF hay còn gọi là H2-BF;
- Sử dụng hydro làm chất khử duy nhất trong quá trình khử trực tiếp, gọi là H2-DRI.
3.1.1 H2-BF 一 giảm phát thải CO2 trong công nghiệp sản xuất thép
Quá trình sản xuất thép theo con đường BF-BOF được thể hiện trong hình 76.
Hình 743. Sản xuất thép theo con đường BF-BOF [27]
Phát thải CO2 trong quá trình sản xuất thép theo con đường BF-BOF đến từ lò cao BF và lò luyện cốc. Lò luyện cốc có vai trò sản xuất than cốc cung cấp nhiệt và đóng vai trò chất khử trong lò cao. Sử dụng hydro làm nhiên liệu và chất khử góp phần giảm phát thải CO2. Phản ứng khử oxit sắt thành sắt khi sử dụng tác nhân khử là hydro và than được thể hiện trong các phản ứng sau đây.
| Fe2O3 | + | 3H2 | → | 2Fe | + | 3H2O | (100kJ) | (4) |
| Fe2O3 | + | 3CO | → | 2Fe | + | 3CO2 | (-23,5 kJ) | (5) |
Phản ứng khử với tác nhân khử CO là phản ứng tỏa nhiệt trong khi đó phản ứng với tác nhân khử H2 là phản ứng thu nhiệt. Bên cạnh việc phát thải ra H2O thay vì CO2, sử dụng hydro trong quá trình sản xuất thép tồn tại nhược điểm là nhu cầu tiêu thụ năng lượng cao hơn. Vì một số lý do kỹ thuật, hydro không thể thay thế hoàn toàn than do đó công nghệ H2-BF thường được xem là bước chuyển tiếp hướng đến công nghệ H2-DRI.
Tại châu Âu, có một số nhà máy dự kiến sử dụng công nghệ H2-BF trong quá trình sản thép [27]. Có những dự kiến sử dụng hydro được sản xuất từ quá trình điện phân nước sử dụng điện năng lượng tái tạo, cũng có một số công ty khác cho rằng sẽ sử dụng hydro xám trong khi chờ đợi hydro xanh thật sự sẵn sàng về giá cả và số lượng. Tùy thuộc vào nguồn gốc hydro sử dụng mà hiệu quả giảm phát thải CO2 sẽ khác nhau. Khi sử dụng hydro xanh, hiệu quả giảm phát thải CO2 cao nhất, đạt 21% [27] (tức phát thải khoảng 1,063 tấn CO2 trên mỗi tấn kim loại nóng được sản xuất), trong khi hiệu quả giảm phát thải CO2 khi sử dụng hydro xám giảm 10 lần, tức đạt 2,1%. Trong trường hợp sử dụng kết hợp công nghệ CCS, tức sản xuất hydro lam thì hiệu quảqủa giảm phát thải CO2 có thể đạt tương tự như sử dụng hydro xanh.
Như vậy điều kiện tối ưu nhất để giảm phát thải CO2 bằng công nghệ H2-BF là sử dụng hydro xanh sản xuất từ quá trình điện phân sử dụng điện năng lượng tái tạo. Tuy nhiên như đã đề cập ở trên, hydro không thể thay thế toàn bộ than nên thép được sản xuất trong trường hợp này vẫn chưa thể gọi là thép “xanh”.
3.1.2 DR-EAF 一 giảm phát thải CO2 trong công nghiệp sản xuất thép
Đối với công nghệ DR-EAF, hydro được sử dụng làm chất khử khử quặng sắt ở trạng thái rắn (được gọi là khử trực tiếp DIR), tạo ra sắt xốp. Sắt xốp sau đó được đưa vào Lò hồ quang điện, sử dụng các điện cực tạo ra dòng điện nung chảy chảy sắt xốp và sản xuất thép. Quá trình sản xuất thép này vẫn cần một lượng nhất định carbon, nguồn carbon này có thể đến từ bột than, khí methan sinh học hoặc các nguồn carbon sinh học khác. Chính vì lý do này, nếu quá trình sử dụng toàn bộ hydro xanh và điện năng lượng tái tạo thì vẫn phát thải khoảng 53 kg CO2 trên mỗi tấn thép được sản xuất [28].
Hình 78 dưới đây thể hiện quá trình sản xuất thép theo con đường DR-EAF sử dụng lò trục hoặc lò phản ứng tầng sôi với hydro xanh là chất khử duy nhất.
Hình 78. Quy trình sản xuất thép theo con đường DR-EAF [28]
Công nghệ khử trực tiếp sắt không phải là một công nghệ mới, đã được thương mại hóa từ cuối những năm 1960, tuy nhiên không phải sử dụng hydro tinh khiết. Tại châu Âu, có một số dự án DIR đang ở các giai đoạn khác nhau, từ giai đoạn lập kế hoạch đến vận hành pilot. Phần lớn sẽ sử dụng công nghệ DIR kết hợp với con đường EAF, số còn lại sử dụng kết hợp DIR-BF-BOF. Do chưa sẵn sàng về số lượng và giá cả hydro xanh mà việc sử dụng hydro xanh vào các dự án vẫn còn rất hạn chế [28].
Tùy thuộc vào tác nhân khử được sử dụng và phương án kết hợp DIR mà hiệu quả giảm phát thải c〇2 sẽ khác nhau, trong đó [28]:
- DRI-EAF sử dụng khí tự nhiên sẽ phát thải 0,95 tấn CO2 trên mỗi tấn thép;
- DIR-EAF sử dụng hydro từ điện phân nước bằng điện lưới thì phát thải 0,175 tấn CO2 trên mỗi tấn thép;
- DIR-EAF sử dụng hydro xanh cho hiệu quả giảm phát thải rất cao, lên đến 95%. Với công suất DIR dự kiến ở châu Âu là 20,45 triệu tấn/năm thì cần thiết sử dụng 66 TWh năng lượng điện mỗi năm, ’chiếm khoảng 28% công suất năng lượng tái tạo ở Đức năm 2019.
Như vậy có thể thấy rằng công nghệ DIR-EAF sử dụng hydro xanh góp phần giảm phát thải CO2 rất hiệu quả. Tuy nhiên, với tỷ lệ năng lượng tái tạo vẫn còn hạn chế như hiện tại, sản xuất thép sử dụng DIR bằng hydro xanh khó chiếm lĩnh 100% sản lượng thép của châu Âu vào năm 2050.
3.2 Ứng dụng hydro trong công nghiệp sản xuất xi măng
Sản lượng sản xuất xi măng trên thế giới tăng dần qua các năm, từ 3,27 tỉ tấn năm 2010 đến 4,1 tỉ tấn năm 2020 trong đó sản lượng xi măng ở các quốc gia châu Âu là 0,2 tỉ tấn [29]. Sản xuất xi măng là một trong những điểm nguồn phát thải lượng lớn CO2 trong công nghiệp, chiếm 7%, sau công nghiệp sản xuất thép. Trung bình 1 tấn xi măng được sản xuất sẽ gây phát thải khoảng 0,9 tấn CO2 [30]. Như vậy, trong năm 2020, công nghiệp sản xuất xi măng trên toàn thế giới đã đóng góp khoảng 3,7 tỉ tấn phát thải CO2, trong đó 0,18 tỉ tấn CO2 phát thải đến từ châu Âu. Bên cạnh đó, công nghiệp sản xuất xi măng có lượng phát thải CO2 tính trên mỗi đơn vị doanh thu cao nhất, lên đến 6,9 kg/USD doanh thu, cao gấp 5 lần so với công nghiệp sản xuất thép [30].
Phát thải CO2 trong công nghiệp sản xuất xi măng đến từ hầu hết các công đoạn, quy trình sản xuất xi măng được trình bày trong Hình 98 dưới đây thể hiện rõ điều này. Trong đó phát thải chủ yếu đến từ quá trình đốt nhiên liệu để cung cấp năng lượng và phần lớn đến từ quá trình nung đá vôi xảy ra theo phản ứng bên dưới. Tỉ lệ phát thải CO2 giữa hai quá trình này là 40:60.
| CaCO3 | → | CaO | + | CO2 | (6) |
Hình 98. Quy trình sản xuất xi măng [30]
Theo dự báo của Mckinsey, đến năm 2050, ngành công nghiệp sản xuất xi măng có thể giảm 75% lượng khí thải so với năm 2017. Trong đó, chỉ một phần nhỏ sẽ đến từ những tiến bộ trong vận hành như sử dụng tiết kiệm năng lượng, thay thế clinker, phần lớn lượng phát thải có thể giảm thông qua các tiến bộ về công nghệ như công nghệ thu giữ, sử dụng và lưu trữ carbon [31].
Hình 910. Phương pháp giảm phát thải CO2 trong công nghiệp sản xuất xi măng [31]
Một số phương pháp giảm phát thải CO2 trong công nghiệp sản xuất xi măng như:
- Chuyển đổi sử dụng lò nung xi măng từ lò ướt sang lò khô. Sản xuất clinker trong lò khô hiện đại giảm tiêu thụ năng lượng 85% so với lò ướt, thay thế tất cả các lò ướt bằng các lò khô có công nghệ tiên tiến hiện đại [32], có thể cải thiện 10% phát thải vào năm 2050;
- Thay thế clinker: Clinker là thành phần cơ bản của xi măng, theo Lộ trình của IEA và CSI, hàm lượng clinker trung bình hiện tại là 0,65 cần được giảm xuống 0,6 để có thể đáp ứng mục tiêu nhiệt độ trung bình toàn cầu tăng ở mức 2oC theo thỏa thuận Paris. Các nguyên liệu thay thế clinker như xỉ lò cao, tro bay hoặc đá vôi cho hiệu quả giảm phát thải CO2 khoảng 10% là thay thế clinker;
- Áp dụng công nghệ CCS: áp dụng các công nghệ tiên tiến đóng vai trò chính trong giảm phát thải CO2 đối với công nghiệp sản xuất xi măng [34].
Bên cạnh đó, người ta ước tính rằng 10% lượng khí thải CO2 trong công nghiệp sản xuất xi măng đến từ vận chuyển và năng lượng điện cần thiết để vận hành máy móc thiết bị. Một nhà máy xi măng tiêu chuẩn công suất 3.000 tấn mỗi ngày sẽ tiêu thụ từ 20 đến 25 MW điện [33]. Thay thế nhiên liệu truyền thống sử dụng trong sản xuất xi măng bằng hydro xanh hoặc điện năng lượng tái tạo góp phần cải thiện 15% phát thải đến năm 2050.
3.3 Ứng dụng hydro trong sản xuất điện
Theo cơ quan năng lượng quốc tế (International Energy Agency IEA), ngành điện là nguồn phát thải c〇2 lớn thứ ba trên thế giới. Khoảng 64,5% điện năng sản xuất thông qua việc đốt nhiên liệu hóa thạch. Phát thải c〇2 trong sản xuất điện đến từ quá trình đốt than hoặc khí tự nhiên để vận hành các nồi hơi (cung cấp hơi cho các tua bin hơi) hay các tua bin khí. Bên cạnh phát thải c〇2, quá trình sản xuất điện còn phát thải các khí acid như SOx, NOx gâygậy tác động xấu đến chất lượng không khí và ảnh hưởng đến đời sống con người.
Hydro có thể góp phần giảm phát thải c〇2 trong lĩnh vực năng lượng bằng cách (1)hoạt động như một hệ thống lưu trữ năng lượng với máy điện phân và pin nhiên liệu; (2) thay thế trực tiếp nhiên liệu hóa thạch quá trình sản xuất điện. Hydro và nhiên liệu có nguồn gốc từ nó như NH3 có thể thay thế trực tiếp khí tự nhiên trong các nhà máy nhiệt điện khí hay sử dụng NH3 thay thế cho than trong các nhà máy nhiệt điện than. Việc sử dụng hydro thay cho nhiên liệu hóa thạch không chỉ góp phần giảm phát thải CO2 mà còn loại bỏ hoàn toàn các tạp chất khác trong khói thải của nhà máy điện như SOx, hydrocarbon dễ bay hơi, thủy ngân ...Tuy nhiên, cần lưu ý đến vấn đề về NOx trong khí thải khi sử dụng NH3 để thay thế nhiên liệu hóa thạch. Trong trường hợp này, cần thiết phải các các sửa đổi đối với thiết bị để hạn chế tạo ra NOx trong quá trình đốt cũng như cần loại bỏ nó ra khỏi sản phẩm cháy thông qua quá trình xử lý bằng xúc tác.
Các hãng cung cấp tua bin hàng đầu thế giới như Siemens hay GE cũng có các động thái trong việc sử dụng tua bin hydro với lộ trình hướng tới chạy tua bin 100% hydro như tua bin 9F.05 của hãng GE đã được sử dụng thành công kết hợp vận hành hỗn hợp nguyên liệu khí tự nhiên và hydro tại EnergyAustralia. Hiện nay, có một số dự án ứng dụng hydro trong sản xuất điện đang được xây dựng, có thể kể đến như Ballard Power Systems và đối tác là Hydrogen de France đang xây dựng nhà máy điện hydro công suất đa Megawatt CEOG tại Guiana, Pháp [35]. Hay Nhà cung cấp điện eRex xây dựng nhà máy điện thương mại chạy bằng hydro đầu tiên đặt tại Yamanashi, Nhật Bản với công suất 360 kW dự kiến đi vào hoạt động vào tháng 3 năm 2022 [36].
4 Những thách thức đối với hydro xanh
Biến đổi khí hậu hiện đang là vấn đề toàn cầu, là thách thức đối với các chính phủ và các ngành công nghiệp. Nhằm đáp ứng các cam kết chống biến đổi khí hậu, các khu vực/chính phủ đã thúc đẩy việc cắt giảm phát thải khí gây hiệu ứng nhà kính (CO2) lên các ngành công nghiệp. Trong các nỗ lực chống biến đổi khí hậu đó, hydro xanh trở thành một nguồn năng lượng quan trọng trên thế giới và là một yếu tố đóng vai trò trung tâm cùng với thu giữ CO2 (carbon capture) trong các kịch bản duy trì nhiệt độ trái đất tăng không quá 2oC đến 2050.
Mặc dù đóng vai trò quan trọng trong nền kinh tế khử carbon, việc sản xuất, sử dụng và thương mại hóa hydro xanh đối mặt với các thách thức lớn về chi phí, cơ sở hạ tầng; về an toàn công nghệ và thách thức về chấp nhận xã hội công nghệ hydro xanh.
4.1 Thách thức về chi phí và cơ sở hạ tầng
Chi phí sản xuất hydro xanh có thể được định lượng bằng chi phí bình quân hóa LCOH, bao gồm các thành phần như chi phí điện, chi phí đầu tư và các chi phí vận hành cố định. Trong đó, chi phí điện chiếm tỉ trọng cao nhất, chiếm khoảng 50 一 55% [38]. Giá điện năng lượng tái tạo sẽ khác nhau tùy vào từng khu vực địa lý và phụ thuộc vào tiềm năng năng lượng tái tạo của khu vực đó. Như vậy, các quốc gia có tiềm năng về năng lượng tái tạo sẽ có lợi thế về mặt chi phí trong sản xuất hydro xanh, chẳng hạn như Úc, Trung Quốc, Chile, Đức, Maroc và Anh. Hình 110 dưới đây thể hiện giá hydro xanh LCOH được ước tính trong điều kiện công nghệ và hệ thống điện năng lượng tái tạo năm 2020 tại Mỹ, châu Âu và Úc đối với quy mô công suất 10 MW cho phương pháp điện phân màng proton, điện phân kiềm sử dụng điện gió và điện mặt trời.
Hình 110. Giá hydro xanh LCOH tại Mỹ, châu Âu và Úc trong điều kiện công nghệ và hệ thống điện năng lượng
tái tạo năm 2020 [37]
Có thể thấy rằng LCOH thấp nhất tại Mỹ, dao động trong khoảng 7,78 - 9,13 $/kg, trong khi đó tại châu Âu và Úc lần lượt là 11,05 一 11,61 $/kg và 10,06 一 12,66 $/kg. Các phương phương pháp sản xuất hydro truyền thống từ nguyên liệu hóa thạch (gọi là hydro xám) thì giá hydro LCOH khoảng 1-2 $/kg [39] và dự báo mức giá này sẽ không thay đổi ít nhất là đến năm 2030. Đối với các phương pháp sản xuất truyền thống, giá hydro sẽ phụ thuộc vào giá nguyên liệu theo từng khu vực và thời điểm, ví dụ như phương pháp SMR, giá hydro sẽ dao động phụ thuộc vào giá khí tự nhiên, ước tính tiêu tốn khoảng 5 tấn khí tự nhiên cho 1 tấn sản phẩm hydro. Như vậy, giá hydro xanh đang cao hơn ít nhất là gấp 4 lần so với hydro xám. Như đã đề cập ở trên, chi phí điện chiếm phần lớn chi phí sản xuất hydro xanh, do đó chi phí sản xuất hydro xanh có thể giảm đáng kể nếu nguồn năng lượng điện tái tạo thật sự sẵn sàng về giá cả và số lượng. Một nghiên cứu đã sử dụng phương pháp Monte Carlo dự đoán giá hydro xanh và cho rằng giá hydro xanh LCOH sẽ giảm trong mười năm tới. Vào năm 2030, giá hydro được sản xuất bằng phương pháp SMR là thấp nhất, tiếp đến là SMR kết hợp với thu hồi, lưu trữ carbon và phương pháp khí hóa than. Giá hydro sản xuất bằng các phương pháp này có giá dưới 3 $/kg. Trong khi đó, giá hydro sản xuất bằng phương pháp điện phân dao động trong khoảng 4-8 $/kg tùy vào các khu vực khác nhau.
Ở thời điểm hiện tại, quy mô điện phân sản xuất hydro xanh còn rất nhỏ, công suất lớn nhất hiện đang là 10 MW của nhà máy điện phân đặt tại Fukoshima, tương đương với sản lượng 900 tấn hydro mỗi năm. Trong khi đó, hydro sản xuất bằng phương pháp truyền thống như reforming hơi nước khí tự nhiên đã hình thành trong thời gian dài, công nghệ trưởng thành và quy mô công suất lớn, lấy ví dụ như xưởng sản xuất hydro của Nhà máy lọc dầu Nghi Sơn 一 Việt Nam có công suất khoảng 145 nghìn tấn mỗi năm. Để hydro có thể trở thành yếu tố trung tâm trong nền kinh tế khử carbon, quy mô sản xuất hydro xanh phải tăng mạnh trong vòng 30 năm tới. Bên cạnh tăng cường phát triển năng lượng tái tạo, tăng quy mô điện phân và cải tiến công nghệ điện phân cũng có tác động đáng kể đến chi phí hydro. Xét về mặt quy mô nhà máy điện phân, tăng quy mô nhà máy từ 1 MW lên 20 MW có thể giảm chi phí hơn một phần ba [40]. Về mặt công nghệ, tăng số lượng ngăn xếp cùng với quy trình tự động trong các cơ sở sản xuất quy mô gigawat có thể giảm chi phí sản xuất hydro [40]. Trước năm 2030, xuất hiện một số dự án quy mô lớn có thể kể đến như nhà máy điện phân tại Saudi Aramco với công suất 4 GW (tương đương 238 nghìn tấn/năm) [41] hay dự án AREH dự kiên phát triển ở miền Tây nước Úc với công suất 23 GW (tương đương 1.752 nghìn tấn/năm) [42]. Động lực chính để có thể đáp ứng cho sự tăng trưởng của hydro xanh là giảm chi phí và tăng hiệu quả điện phân. Bên cạnh các chính sách hỗ trợ của các chính phủ, để giá hydro xanh LCOH có thể giảm xuống 2 $/kg thì giá điện năng lượng tái tạo phải đạt mức 0,03 $/kWh.
Bên cạnh vấn đề chi phí, mở rộng quy mô thị trường hydro cũng gặp phải rào cản về cơ sở hạ tầng, đặc biệt là cơ sở hạ tầng liên quan đến vận chuyển, lưu trữ và phân phối hydro. Để có thể đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của hydro xanh, đòi hỏi đầu tư và xây dựng mạng lưới truyền tải, phân phối và lưu trữ điện năng cũng như hệ thống điện phân, hệ thống đường ống hydro và hệ thống tiếp nhiên liệu hydro. Theo Cơ quan năng lượng quốc tế, năm 2030, sản xuất hydro xanh đạt 88 triệu tấn mỗi năm, có thể tiêu tốn 2,4 nghìn tỉ đô và 1.238 GW điện năng lượng tái tạo.
Một yếu tố khác cũng góp phần thúc đẩy sự phát triển hydro xanh đó là việc đánh thuế carbon. Bloomberg NEF nhận định, mức thuế carbon cần được áp dụng đối với một số ngành như: ngành thép -50 USD/tấn CO2, ngành xi măng - 78 USD/tấn CO2； hóa chất - 78 USD/tấn CO2 [43]. Việc đánh thuế carbon sẽ giúp hydro xanh cạnh tranh được với các nhiên liệu đầu vào của các ngành công nghiệp.
4.2 Thách thức về an toàn công nghệ hydro
Bảng 1 dưới đây trình bày các thông số an toàn cơ bản của hydro so với các chất đốt khác như Methanol, Methan, Propan và xăng.
Bảng 1.Các thông số an toàn cơ bản của hydro so với các chất đốt [44]
| Thông số an toàn | Đơn vị | HydroH2 | Methano lCH3OH | Metha nCH4 | Propa nC3H8 | Xăng C7H16 |
| Giới hạn nổ dưới *) | Vol. % | 4,0 | 6,0 | 4,4 | 1,7 | 1,1 |
| Giới hạn nổ trên *) | Vol. % | 77,0 | 50 (ở 100°C) | 17,0 | 10,8 | 6,7 |
| Thành phần của chất cháy trong hỗn hợp hợp thức *) | Mol.- % | 29,5 | (12,2) | 9,5 | 4,0 | (1,9) |
| Năng lượng đánh lửa tối thiểu *) | mJ | 0,017 | 0,14 | 0,29 | 0,24 | 0,24 |
| Nhiệt độ tự cháy *) theo tiêu chuẩn DIN 51794 | °C | 560 | 440 | 595 | 470 | 220 |
| Vận tốc cháy tối đa (dạng dòng tầng) | cm/s | 360 (ở 40 Vol. %) | 43 | 37 | 47 | 30 |
| Nhiệt độ ngọn lửa | °C | 2050 | 1870 | 1950 | 1925 | 2030 |
| Nhiệt trị riêng | MJ/kg | 120 | 19,95 | 50 | 46,2 | 42 - 44 |
Trị số lấy từ kho dữ liệu CHEMSAFE, DECHEMA e.V.
Như thấy trong Bbảng 18, so với các nhiên liệu khác, hydro dễ cháy trong một phạm vị nồng độ rất rộng (giới hạn 4% đến 77 vol%). Khi bị đốt cháy trong không khí, hydro phát ra ngọn lửa khó nhìn thấy dưới ánh sáng ban ngày, vì ngọn lửa có bức xạ nhiệt thấp và thành phần tia cực tím cao. Khi hình thành một hỗn hợp hydro/oxy 2:1 và khi nhiệt độ đến khoảng 600°C, phản ứng cháy dây truyền có thể bắt đầu dẫn đến sự lan truyền bùng nổ của hỗn hợp khí (gọi là khí nổ) do thể tích hơi nước tạo ra tăng cao hơn nhiều so với hỗn hợp hydro/oxy ban đầu. Tương tự, hydro có thể dẫn đến phản ứng tỏa nhiệt bùng nổ trong hỗn hợp khí có chứa hydro và khí chlor hoặc fluor với sản phẩm hydro clorid hoặc hydro florid.
Việc xử lý hydro tổng quát an toàn, tuy nhiên đòi hỏi sự cẩn thận và đặc biệt là tuân thủ những quy định an toàn, tối thiểu những điểm sau:
- Tiêu chuẩn an toàn cho sản xuất, lưu trữ, phân phối và sử dụng hydro: vì hydro cũng như các chất khí đốt khác như khí tự nhiên, khí hóa lỏng .. nên tất cả tiêu chuẩn,, codes cho khí đốt, cũng được áp dụng (ISO, IEC, ATEX v.v..), thêm vào đó là những tiêu chuẩn đặc biệt riêng tại các quốc gia và riêng cho hydro, thí dụ một số tiêu chuẩn sau [45]:
| ISO/TC 197 Hydrogen Technologies(20 nước công nhận) | Tổng quát về hệ thống và thiết bị cho sản xuất, lưu trữ, chuyên chở và đo đạc hệ thống hydro | IEC/TC 105 | Tổng quát về sử dụng hydro cho Fuel Cell (lãnh vực giao thông) |
| ISO 15916 (2015) | Các hướng dẫn quốc tế về việc xử lý và lưu trữ an toàn hydro ở thể khí và lỏng | IEC 62282-2- 100 đến IEC 62282-9- 102 ED1) | Các tiêu chuẩn cho Fuel Cell gồm nhiều lãnh vực về an toàn và mô trường |
| ISO 11114-4 | Bình chứa trụ vận chuyển hydro | ASME Article KD-10 | Bình chứa áp hydro |
| ISO 19880 (2019) | Yêu cầu về an toàn và hiệu suất đối với các trạm hydro nén cho ô tô | SAE J2579 | Hệ thống đốt khí hydro |
| ISO/WD TR 15916 | Yêu cầu cơ bản cho an toàn hệ thống hydro | CSA CHMC1 | Phương pháp thử nghiệm khí hydro |
| CSA HPIT1 | Hệ thống hydro dùng cho xe tải |
Các quy định và tiêu chuẩn tại nước ta cho các chất khí đốt vì thế cũng được sử dụng, ngoài ra cần bắt đầu thành lập các tiêu chuẩn cho hydro thích hợp với đặc thù Việt nam (khí hậu nóng, không khí biển ăn mòn ...)
- Để tránh phản ứng khí nổ, khi làm việc với hydro, nên lấy mẫu hỗn hợp khí oxy/hydro thường xuyên, hoặc chỉ nên thêm oxy vào hydro tại thời điểm bắt lửa;
- Do nhẹ hơn không khí khoảng 14 lần, khí hydro bốc hơi nhanh chóng trong không gian mở. Một tính chất khác của hydro là khả năng khuếch tán cực cao. Do là một khí rất nhẹ và là phân tử rất nhỏ, hydro có thể khuếch tán vào một môi trường khác, đi qua nhiều vật liệu xốp hoặc thậm chí kim loại. Dẫn đến có thể làm cho vật liệu trở nên giòn. Độ khuếch tán cao của hydro vì thế đòi hỏi phải sử dụng các vật liệu đặc biệt đối với các bình chứa - thí dụ thép hoặc lớp phủ austenit có các lớp phủ cản khuếch tán. Các vật liệu composite hiện đại có thể bảo vệ chống lại sự khuếch tán hydro với vật liệu phủ mặt thích hợp [46];
- Hóa lỏng hiện nay đóng một phần quan trọng trong việc lưu trữ để vận chuyển hydro. Bình chứa áp lực được sử dụng phổ biến nhất phải có biên độ an toàn cao và được lắp van giảm áp. Phải tránh các nguồn bắt lửa. Do nhẹ hơn không khí nên hydro được lưu trữ ngoài trời. Nếu phải lưu trữ trong không gian kín, cần lắp đặt một hệ thống thông gió tốt với các thiết bị cảnh báo rò rỉ hydro cần thiết [46];
- Hydro khi được trộn vào khí đốt tự nhiên như là một khí đốt hỗ trợ, thì các đặc tính an toàn (giới hạn cháy nổ, nồng độ oxy giới hạn, áp suất nổ tối đa, chỉ số tăng áp theo thời gian và trị số khe tối thiểu để cản lửa cháy ngược) của hỗn hợp khí không bị ảnh hưởng đáng kể khi lượng bổ sung hydro đến nồng độ 10% thể tích [47];
- Cuối cùng, để đạt các yêu cầu về an toàn và được cấp phép xây lắp và vận hành một nhà máy sản xuất, lưu trữ, phân phối hay vận chuyển hydro, cần thực hiện các bước phân tích và xác định các biện pháp an toàn qua các phương pháp ứng dụng hiện nay như HAZOP, LOPA.. Hiện nay đã có các hãng chuyên ngành an toàn cung cấp các khảo sát an toàn qua các phương pháp trên, và dùng các phương trình phần mềm (ví dụ: HyRAM [45]);
- Cùng với công nghệ hydro, ngành an toàn hydro phát triển nhanh, hàng năm có các hội nghị chuyên đề trên thế giới về an toàn công nghệ hydro (ví dụ: International Conference on Hydrogen Safety (Hysafe), Center for Hydrogen Safety Conference ở Mỹ, Âu châu (AIChE), vừa qua có International Conference on Hydrogen Safety and Security ICHSS 2020 tại Tokyo...) để liên tục cập nhật những thành tựu mới nhất về an toàn công nghệ hydro. Kinh nghiệm từ các sự cố ngành công nghiệp hydro cũng cần được nghiên cứu để rút kinh nghiệm, t.d. qua kho dữ liệu của Mỹ (US Center for hydrogen [48]; EPSC - European Process Safety Centre [49]; International Association for Hydrogen Safety, HySafe...).
4.3 Thách thức về chấp nhận xã hội công nghệ hydro
Hydro xanh là một loại năng lượng sachsach tương lai, ảnh hưởng sâu rộng đến xã hội khi được sử dụng rộng rãi, thí dụ qua các phương tiện chuyên chở (xe bus, xe tải, xe hơi, xe máy...). Qua các cuộc thảo luận rộng rãi ở Đức về NLTT từ turbine gió cho thấy, sự chấp nhận hydro xanh rộng rãi và vững chắc của xã hội rất cần thiết để đưa một dạng năng lượng mới vào đời sống người dân [96]. Đối với hydro cũng tương tự như vậy.
Dữ liệu mới nhất từ cuộc khảo sát sự hiểu biết của dân Đức về hydro năm 2021 [51], đặc biệt về lãnh vực giao thông [52], cho thấy rằng đại đa số người Đức đều có nghe đến hydro xanh, nhưng chỉ 1/4 biết ít nhiều chi tiết về sử dụng trong xe hơi qua dạng fuel cell (FCBV), nhưng không rõ về hydro có thể sử dụng trong nhiều lĩnh vực kỹ nghệ khác như hóa học, luyện thép, xi măng, chế tạo thủy tinh... Tuy nhiên phần lớn người Đức đều sẵn sàng ủng hộ hydro xanh như là dạng năng lượng sạch mới khi biết là nó giúp giảm khí thải carbon CO2 để giảm nhiệt độ bầu khí quyển, bảo vệ không khí trong sạch cũng như sức khỏe tại các đô thị đông dân. Việc khảo sát cũng cho thấy người Đức ủng hộ đầu tư của chính phủ vào công nghệ hydro, thấy lợi điểm công nghệ này có thể tạo việc làm mới, đẩy kinh tế tăng trưởng, và sử dụng an toàn như các nhiên liệu hóa thạch khác. Khảo sát ở Nhật về ý kiến sử dụng hydro thay thế xăng trong xe hơi cho thấy tỷ lệ đánh giá mối nguy hiểm của hydro và xăng trong xe ngang nhau (40%) [45].
Người Việt chúng ta có kinh nghiệm sử dụng khí đốt đã lâu qua sinh hoạt hàng ngày như đốt lò nấu ăn. Nếu hydro được trộn vào khí đốt như một năng lượng hỗ trợ, khả năng lớn là người dân sẵn sàng chấp nhận sử dụng. Muốn đạt tới sự chấp nhận rộng rãi của xã hội trong tương lai, cần phổ biến rộng rãi các thông tin về hydro xanh như là một năng lượng sạch qua một kế hoạch mang tính lâu dài, bài bản, có hệ thống và phải bắt đầu ngay càng sớm càng tốt. Kế hoạch này kết hợp nhiều tác động tổng hợp trên nhiều mặt [50]:
- Hệ thống chính trị: Phổ biến các chính sách về mục tiêu và giá cả hỗ trợ phát triển hydro xanh sản xuất từ NLTT (gió, mặt trời, sinh khối ..) nhằm thay thế dần nhiên liệu hóa thạch (ví dụ bằng giá FIT);,
- Cộng đồng: Tổ chức thông tin rộng rãi về lợi ích hydro trong việc giảm lượng khí thải CO2, bảo vệ môi trường, giảm nhiệt độ để bảo vệ bầu khí quyển .trên các mạng truyền thông, qua các buổi nói truyện, tổ chứa giới thiệu và tham quan các nhà máy thí điểm hydro xanh, trưng cầu ý kiến qua mạng v.v... Mục tiêu là tạo sự tin cậy lâu dài của cộng đồng đối với hydro;
- Khoa học kỹ thuật: Cập nhật và phát triển công nghệ hydro tại các viện nghiên cứu, đại học và giới thiệu các thành tựu trong nước và thế giới;
- Kinh tế: Sản xuất và xây dựng hệ thống phân phối hydro, sử dụng cho kỹ nghệ trong nước, lợi điểm và rủi ro trong việc đầu tư sản xuất hydro xanh, giá cả và tính cạnh tranh với các dạng nhiên liệu khác như khí đốt, xăng, điện từ than... trên thị trường.
Người dân Việt Nam chưa biết về hydro xanh, đến nay hầu như chỉ sử dụng các loại nhiên liệuliêu hóa thạch như dầu, khí, than đá. Có một số bài báo về hydro xanh nhưng chỉ xuất hiện trên các tạp chí chuyên ngành hay các trang KHKT của một số báo chí. Vì vậy, việc có thể bắt đầu ngay là phổ biến thông tin rộng rãi trên các mạng truyền thông về hydro xanh sản xuất từ NLTT trong các nước Á châu lân cận (ASEAN, TQ, Hàn quốc, Nhật, Úc) và trên thế giới (điểm 2. trên). Trong chương trình giáo dục, cần bổ xung theo chiều sâu môn học các phương pháp điều chế hydro t.d. qua điện phân (Trung học phổ thông) hay công nghệ hydro (Đại học/ Cao đẳng), từng bước tiến tới thành lập các phân khoa giảng dậy môn công nghệ hydro như các nước dẫn đầu đang thực hiện (điểm 3 trên). Một khi các chính sách phát triển hydro được thiết lập và ban hành, cần thiết tổ chức thông tin, các buổi thảo luận để tăng ý thức cộng động về dạng năng lượng mới này.
Các tác động trên lâu dài sẽ giúp hình thành một ý thức cộng đồng tại nước ta, do dùng nhiên liệu hóa thạch truyền thống đã lâu, từ thái độ bảo thủ, e dè, chờ đợi trở thành thái độ ủng hộ, tích cực tham gia sử dụng hydro trong việc hàng ngày (xe hơi, bus, khí đốt ..) qua đó giúp thúc đẩy thị trường hydro phát triển nhanh, theo xu hướng chung của các nước đang đi đầu về công nghệ hydro xanh như Âu châu, Bắc Mỹ và Á châu (TQ, Hàn quốc, Nhật, Úc).
5 Một số gợi ý cho công nghệ Hydro ở Việt nam
Xu thế ứng dụng và phát triển công nghệ H2 trên toàn thế giới đang diễn ra rất mạnh mẽ. Các nước đi đầu về H2 như Đức, Mỹ, Pháp, Úc, Hàn Quốc, Nhật Bản và Trung Quốc và ngay cả các nước ASEAN đang có nhiều chính sách mở để phát triển công nghệ H2, tiến tới làm chủ một phần trong chuỗi giá trị H2 toàn cầu. Trong bối cảnh Viêt nam là nước có nguồn nguyên liệu tái tạo dồi dào như gió, ánh nắng mặt trời, nguồn sinh khối ở vùng nhiệt đới nhưng hiện tại lại rất thiếu điện và thiếu nhiên liệu thì việc phát triển công nghệ hydro hết sức cần thiết. Trên cơ sở những tiến bộ và những thách thức về công nghệ cũng như rào cản về chấp nhận xã hội mà bài báo đã tổng kết, các tác giả mạnh dạn đóng góp một số gợi ý kiến nghị nhằm thúc đẩy công nghệ Hydro và hệ thống năng lượng thân thiện với môi trường vì lợi ich lâu dài của người dân như sau:
- Trong chiến lược năng lượng tương lai gần, Việt nam cần nghiên cứu và đưa công nghệ tiên tiến vào việc sản xuất hydro và khí tổng hợp (H2 + CO) như “khí hóa than+hơi nước”, “khí hóa” sinh khối, để sản xuất nhiệt, điện với mục đích thay thế cho việc “đốt đơn thuần” bởi các nhà máy nhiệt điện thông thường với hiệu suất thấp và sản sinh khí thải CO2 ảnh hưởng xấu đến môi trường.
- Tìm hiểu phương pháp sản xuất hydro mới nổi tốn ít tốn năng lượng là nhiệt phân methan (khí tự nhiên) để tiến tới áp dụng vào Việt nam.
- Về mặt ứng dụng nên áp dụng những công nghệ tiên tiến sử dụng hydro trong công nghiệp ví dụ dùng hydro thể khử quặng sắt trực tiếp trong công nghệ sản xuất thép thay thế dần công nghệ dùng than hiện nay vừa có hiệu suất thấp vừa ô nhiễm môi trường.
- Trong công nghệ sản xuất hydro xanh cần có lộ trình gồm các bước sau:
- Tiến hành thành lập một “Tổ hợp hydro xanh” (Hydro Allianz) gồm các hãng lớn chuyên ngành trong nước và tương lai sẽ sử dụng hydro xanh (Năng lượng tái tạo (NLTT), thép, xi măng, xe hơi, đại học kỹ thuật, dầu khí ...) để tạo nguồn lực tổng hợp quốc gia.
- Hợp tác với hãng chuyên ngành nước ngoài xây dựng một/hai nhà máy thí điểm sản xuất hydro xanh dùng điện từ NLTT (tài nguyên gió, và ánh sáng mặt trời có sẵn lượng lớn ở Việt nam). Các nhà máy thí điểm với công suât nhỏ khoảng 4-10 MW dùng công nghệ điện phân nước PEM và Alkalin với mục đích thu thập kinh nghiệm vận hành và đào tạo đội ngũ nhân sự lành nghề cho tương lai.
- Nghiên cứu và giảng dạy công nghệ hydro: Lập/hỗ trợ thành lập các phân khoa giảng dạy, nghiên cứu công nghệ hydro tại các trường đại học (ĐH Dầu khí, ĐH Bách khoa) để nghiên cứu/thích ứng công nghệ hydro trong điều kiện VN, trao đổi kiến thức và nghiên cứu sinh với các viện nghiên cứu thế giới.
- Phổ biến tin tức trên mạng rộng rãi về hydro xanh trong cộng đồng để tạo sự hiểu biết và ủng hộ và sử dụng dạng năng lượng mới.
- Việt Nam đặc biệt cần tận dụng các nguồn lực người Việt, gốc Việt tại nước ngoài để kết nối, đánh giá xu thể công nghệ và tiến tới hợp tác chuyển giao công nghệ để Việt Nam có cơ hội làm chủ công nghệ hydro xanh trong tương lai gần.
