Nền kinh tế hydrogen

Nhu cầu hydrogen đã tăng hơn 5 lần kể từ năm 1975 đến năm 2022 (từ khoảng 18 triệu tấn/năm lên khoảng 95 triệu tấn/năm) và vẫn tiếp tục tăng - gần như được cung cấp hoàn toàn từ nguồn nhiên liệu hóa thạch. Khoảng 6% sản lượng khí thiên nhiên và 2% sản lượng than toàn cầu dành cho sản xuất hydrogen. Kết quả là, việc sản xuất hydrogen đã tạo ra lượng khí thải CO2 ngày càng tăng (năm 2022 khoảng 1,2 tỷ tấn). Hầu hết lượng hydrogen này (khoảng 97%) được sử dụng trong các ngành sản xuất công nghiệp như lọc - hóa dầu (làm sạch các sản phẩm dầu khí); sản xuất ammonia, phân đạm; thép, methanol. Đây chính là nguyên nhân của nhu cầu phải sản xuất “hydrogen xanh” thay thế dần “hydrogen xám” - được sản xuất từ nhiên liệu khoáng kèm phát thải CO2. Theo số liệu của IEA, hiện nay tỷ lệ lượng CO2 phát thải/lượng hydrogen được sản xuất là 12-13 kg CO2/kg H2. Theo kịch bản net zero phát thải (NZE2050) thì đến năm 2030 tỷ lệ đó phải đạt 6-7 kg CO2/kg H2. Điều đó có nghĩa là các ngành sản xuất công nghiệp nêu trên phải thay thế dần hydrogen xám bằng hydrogen xanh - một mục tiêu không dễ đạt được.

Ứng dụng công nghệ để sản xuất hydrogen xanh

Để giảm phát thải CO2 từ các ngành sản xuất công nghiệp cần áp dụng nhiều giải pháp, nhưng chủ yếu là thay đổi công nghệ sản xuất hydrogen và/hoặc thu giữ CO2. Nhiều công nghệ sản xuất hydrogen ít phát thải hoặc không phát thải đã được đề xuất và triển khai, tuy nhiên còn ở mức độ sơ khai, quy mô nhỏ, mức độ hoàn thiện thấp, do đó giá thành sản phẩm cao.

Trước hết đó là các công nghệ đi từ nguyên liệu hóa thạch nhưng phải giảm phát thải CO2. Có 2 phương thức giảm phát thải CO2: sử dụng nguyên liệu hóa thạch nhưng quy trình sản xuất phải ít/ không phát thải CO2 và/hoặc bổ sung hệ thống thu hồi CO2 (để sử dụng vào các mục đích khác nhau hoặc lưu giữ, gọi là CCS - thu giữ và cất giấu carbon, hoặc CCUS - thu giữ, sử dụng và cất giấu carbon) và sử dụng nguyên liệu sinh khối.

Nhiệt phân khí methane (thay thế phương pháp truyền thống là reforming hơi nước với methane) là quy trình sản xuất hydrogen không phát thải CO2 mà chỉ tạo ra hydrogen và carbon rắn là sản phẩm có ích hoặc chôn giấu, không gây tác hại môi trường: CH4 → C + 2H2. Cũng có thể cho methane phản ứng với CO2, gọi là reforming khô, để tạo ra carbon monoxide và hydrogen: CH4 + CO2 → 2CO + 2H2. Hay thực hiện quá trình bi-reforming (reforming kép), kết hợp reforming hơi và reforming khô: 3CH4 + 2H2O + CO2 → 4CO + 8H2. Hai quá trình reforming khô và reforming kép không những không tạo ra CO2 mà còn sử dụng CO2 như một nguyên liệu đầu vào. CO được tạo ra là một nguyên liệu quý, được sử dụng trong nhiều quy trình tổng hợp hóa học.

Thứ hai là các công nghệ sản xuất hydrogen sử dụng nguyên liệu tái tạo (nước và sinh khối). Về phương pháp xử lý có 2 loại hình: xử lý sinh học và xử lý nhiệt-hóa.

Các phương pháp nhiệt - hóa cũng đang được các nhà khoa học hết sức quan tâm và có nhiều triển vọng được phát triển nhanh chóng và bền vững trong nền kinh tế hydrogen. Mặc dù các quá trình nhiệt-hóa sản xuất hydrogen hiện đang ở giai đoạn pilot và trình diễn, giá thành sản phẩm còn cao, nhưng đều đang được hoàn thiện về công nghệ và quy trình phản ứng. Một đặc điểm quan trọng của các phương pháp sản xuất hydrogen từ sinh khối là có thể kiểm soát được sự hình thành CO2, cho nên có thể thu hồi (bằng CCUS) dưới dạng CO2 tái tạo để sử dụng trong các mục đích khác nhau hoặc tạm thời cất giấu.

Phương pháp sản xuất hydrogen sạch kinh điển là điện phân nước. Đây là một trong những phương pháp có khả năng sản xuất hydrogen tốt nhất vì sử dụng H2O tái tạo và chỉ tạo ra sản phẩm phụ là oxygen tinh khiết. Ngoài ra, trong quá trình điện phân còn sử dụng nguồn điện một chiều từ các nguồn năng lượng bền vững như năng lượng mặt trời, gió và sinh khối. Tuy nhiên, hiện tại chỉ có khoảng 4-5% hydrogen được sản xuất bằng cách điện phân nước, chủ yếu do giá điện còn cao. Hiện nay có 3 công nghệ điện phân nước đang được sử dụng ở mức độ pilot hoặc tiền thương mại là điện phân nước kiềm (AWE), điện phân màng polymer (PEM), điện phân oxide rắn (SOE), trong đó điện phân AWE có tuổi đời lâu nhất, 2 phương pháp còn lại chỉ mới xuất hiện từ giữa thế kỷ XX.

Như vậy, ý tưởng “Nền kinh tế hydrogen” đang được hiện thực hóa để góp phần đáp ứng yêu cầu cứu hành tinh khỏi thảm họa môi trường do phát thải CO2 ngày càng tăng. Để tiếp tục tồn tại và phát triển, nhân loại sẽ phải dựa vào các nguồn năng lượng tái tạo chủ yếu là mặt trời, gió, nước, sinh khối… và trong hệ năng lượng đó hydrogen có thể được coi là nhân tố trung tâm, một thành tố chủ lực của “Nền kinh tế methanol” trong tương lai.