Hydro xanh được các nhà nghiên cứu năng lượng quan tâm nhờ có rất nhiều lợi thế trong việc giúp thay thế cho các nguồn năng năng lượng hóa thạch gây hiệu ứng nhà kính, làm biến đổi khí hậu, gây tác động xấu đến môi trường và hiện thực hóa cam kết của Hội nghị biến đổi khí hậu COP26, đảm bảo phát thải ròng bằng không (net-zero emission) vào năm 2050. Tuy nhiên, giải pháp hydro xanh cũng có những ưu nhược điểm và chúng ta cần có các bước cần thiết để đảm bảo Việt Nam không chậm chân trong công nghệ này.
Nguyên tố hóa học phổ biến nhất trong vũ trụ
Là nguyên tố hóa học đứng đầu trong bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học Mendeleev, Hydrogen với ký hiệu H, số nguyên tử là 1, có 1 electron quay quanh hạt nhân (hình 1). Trong tiếng Pháp hydrogène lấy từ hydros tiếng Hy Lạp có nghĩa là nước và gène có nghĩa là sinh ra. Hydrogen sinh ra nước, khi kết hợp với oxy. Năm 1671 Robert Boyle đã phát hiện và mô tả hydro khi cho sắt tác động với axit loãng. Năm 1766 Henry Cavendish lần đầu tiên phát hiện hydro như một chất khí riêng biệt. Năm 1783 Antoine Lavoisier đặt tên cho nguyên tố hydro và chứng tỏ nước được tạo ra từ hydro và oxy.Trước đây nó còn được gọi là khinh khí; hiện nay từ này ít được sử dụng. Sở dĩ được gọi là “khinh khí” là do hydro là nguyên tố nhẹ nhất và tồn tại ở thể khí, với khối lượng nguyên tử 1,00794.
Hydro là nguyên tố phổ biến nhất trong vũ trụ, chiếm 75% các vật chất thông thường theo khối lượng và trên 90% theo số lượng nguyên tử. Trong vũ trụ hydro được tìm thấy chủ yếu ở dạng nguyên tử và plasma với các tính chất khác với hydro phân tử. Ở dạng plasma. electron và proton của hydro không liên kết cùng nhau tạo thành các chất dẫn điện và phát xạ rất cao. Các đám mây phân tử của hydro liên quan đến sự hình thành ngôi sao. Hydeo đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp năng lượng ngôi sao thông qua phản ứng proton-proton và phản ừng nhiệt hạch.
Trên trái đất hydro có rất ít trong khí quyển (1 ppm theo thể tich), tuy nhiên hydro là nguyên tố phổ biến thứ ba trên bề mặt trái đất, chủ yếu ở dạng hợp chất hóa học như nước và hydrocarbon. Các nguồn khác bao gồm phần lớn các chất hữu cơ, nhiên liệu hóa thạch và khí tự nhiên metan. Hydro là nguồn năng lượng sach và có thể sử dụng thay thế nhiên liệu hóa thạch vì sản phẩm cháy của hydro chỉ là nước. Phản ứng nhiệt hạch giải phóng năng lượng khổng lồ thông qua việc kết hợp hai nguyên tử hydro thành một nguyên tử heli. Cho đến gần đây việc sản xuất ra hydro bị hạn chế bởi giá thành cao.
Hydro xanh là gì?
Tùy theo phương pháp sản xuất hydro có thể được phân loại theo 3 nhóm (hinh 2):
- Grey hydrogen (hydro xám), là hydro được sản xuất ra từ nguồn nhiên liệu hóa thạch như khí tự nhiên, than…, khi sản xuất grey hydrogen sẽ phát thải CO2 ra môi trường.
- Blue hydrogen (hydro lam) được sản xuất từ khí tự nhiên và khí CO2 được lưu trữ trong lòng đất.
- Green hydrogen (hydro xanh) được sản xuất từ các nguồn năng lượng xanh như năng lượng mặt trời, năng lượng gió nên không phát thải khí nhà kính.
Khi cháy sản phẩm phụ duy nhất của hydro là nước, đó là lý do tại sao hydro là nguồn năng lượng không cacbon của tương lai. Hydro là một chất mang năng lượng sau đó có thể giải phóng một cách có kiểm soát, có thể vận chuyển dễ dàng. Tiềm năng của nó trong việc chống lại biến đổi khí hậu nằm ở chỗ nó hoàn toàn có thể thay thế cho nhiên liệu hóa thạch trong các quá trình công nghệ phức tạp như sản xuất điện, nguồn động lực trong các tuabin, trong công nghiệp luyện kim, hóa chất, trong đời sống như sấy sưởi, chế biến thực phẩm… Nhược điểm cơ bản của hydro là dễ cháy nổ nên khi sử dụng cần có giải pháp an toàn cao.
Sản xuất Hydro bằng điện phân
Hình 3 là sơ đồ bình điện phân sản xuất hydro. Dòng điện một chiều từ các nguồn tái tạo như pin mặt trời, tuabin gió phá vỡ phân tử nước và hình thành hydro ở cực âm và giải phóng oxy ở cực dương, Nước phải chứa muối và chất khoáng để dẫn điện. Trên hình 4 hiện nay để sản xuất 1,1 tấn hydro cần tiêu thụ điện năng 39,4 MWh với giá điện của Mỹ là 1497 USD. Do sự phát triển mạnh mẽ của năng lượng tái tạo đặc hiệt các nước có tiềm năng lớn như Trung Quốc, Mỹ, Úc, các nước châu Phi và Ả rập cùng với sự hoàn thiện về công nghệ điện phân và lưu trữ nên hydro xanh có triển vọng phát triển to lớn, thay thế cho các nguồn năng lượng hóa thạch.
Hydro xanh – Nguồn năng lượng tương lai
Nhiên liệu hydro xanh vốn được tạo ra từ năng lượng tái tạo hoặc năng lượng hạt nhân tuy vẫn còn ở giai đoạn sơ khai nhưng tiềm năng phát triển rất lớn. Nhiều quốc gia đã công bố chiến lược hydro xanh với vốn đầu tư rất lớn. Ngày nay, việc sản xuất hydro xanh từ các loại năng lượng tái tạo đã mang tính cạnh tranh, đặc biệt là khi giá năng lượng mặt trời đã giảm mạnh trong những năm gần đây. Chi phí vận hành máy điện phân cho mỗi MW điện đã giảm mạnh, từ 1,5 triệu euro vào năm 2016 hiện còn 700.000 euro và tới đây sẽ nhanh chóng giảm xuống còn 300.000 euro.
Sức ép biến đổi khí hậu khiến nhu cầu cần loại bỏ sử dụng năng lượng hóa thạch thúc đẩy chiến lược hydrogen xanh tăng mạnh. Các chính phủ, các tập đoàn năng lượng khổng lồ, các hãng xe thúc đẩy sử dụng nhiên liệu sạch hydrogen đóng vai trò then chốt, giúp giảm khí thải nhà kính đủ để ngăn ngừa các hậu quả của biến đổi khí hậu. Triển vọng đó đã châm ngòi một cuộc chạy đua trên toàn cầu, để giành thị phần trong thị trường có giá trị lên tới 700 tỉ USD vào năm 2050 theo dự báo của Bloomberg. Liên minh châu Âu (EU) đang đặt mục tiêu đầu tư 470 tỉ euro vào hạ tầng hydrogen. Trung Quốc, Nhật Bản và Hàn Quốc có thể sẽ sử dụng hydrogen để đạt các cam kết gần đây của họ về mục tiêu cắt giảm khí thải nhà kính. Dự án sản xuất hydro từ các nguồn năng lượng tái tạo toàn cầu có tổng công suất 60 GW. Công ty Green Hydrogen International (GHI) của Hoa Kỳ vừa công bố một dự án sản xuất hydro xanh 60 GW tại một khu vực dân cư thưa thớt ở Nam Texas, được cung cấp năng lượng bằng gió và mặt trời, có hầm chứa muối riêng. Dự án này dự kiến sẽ sản xuất nhiên liệu tên lửa sạch cho SpaceX của tỷ phú Elon Musk. Dự án nằm ở quận Duval,sẽ sản xuất hơn 2,5 triệu tấn hydro xanh mỗi năm, sau khi hoàn thành tương đương với khoảng 3,5% sản lượng hydro xám toàn cầu hiện nay.
Việt Nam và Hydro xanh
Tuy chưa có chiến lược quốc gia về sản xuất nhiên liệu hydro xanh nhưng trước sứ ép mạnh mẽ của quốc tế nhiều tổ chức và địa phương của Việt Nam đã và đang tiếp xúc với các tập đoàn năng lượng quốc tế để thực hiện các dự án năng lượng hydro xanh. Tập đoàn The Green Solutions đầu tư dự án Nhà máy điện phân sản xuất khí hydrogen xanh kết hợp điều khiển công suất hệ thống điện tại ở xã Đông Hải, huyện Duyên Hải, tỉnh Trà Vinh. Nhà máy sản xuất bằng phương pháp điện phân để tạo thành khí hydro và khí oxy thân thiện với thiên nhiên, nhằm cung cấp cho ngành công nghiệp, nông nghiệp, vận tải, y tế trong nước và xuất khẩu. Dự án dự kiến có công suất 200 MW, diện tích đất khoảng 40 – 200 ha, với tổng vốn dự kiến đầu tư khoảng 12.000 tỷ đồng, sử dụng 600 -1500 lao động. Khi dự án đi vào vận hành sẽ đóng góp vào việc phát triển ngành năng lượng xanh của Việt Nam nói chung và tỉnh Trà Vinh nói riêng, đẩy mạnh quảng bá đến nhà đầu tư nước ngoài năng lực cũng như khả năng phát triển một ngành công nghiệp, năng lượng xanh của Việt Nam.
– Dự án Nhà máy sản xuất hydro xanh Bến Tre dự kiến sẽ khởi công vào cuối tháng 6/2022 và bắt đầu chạy thử vào quý I/2024. Nhà máy sản xuất hydro xanh Bến Tre (hình 5) do Công ty TGS Green Hydrogen (thành viên Tập đoàn The Green Solutions) làm chủ đầu tư, được xây dựng tại xã Bảo Thuận, huyện Ba Tri. Dự án dự kiến sẽ khởi công vào cuối tháng 6/2022 và bắt đầu chạy thử vào quý I/2024. Nhà máy sử dụng công nghệ sản xuất hydro của Đức. Nhà máy sản xuất hydro xanh Bến Tre được xây dựng gần biển để tránh ảnh hưởng đến sinh hoạt cũng như đời sống của người dân. Diện tích dự kiến là 22,7 ha, trên đất công; tổng vốn đầu tư 19.500 tỷ đồng. Khi đi vào vận hành, dự án sẽ đóng góp vào việc phát triển ngành năng lượng xanh của Việt Nam nói chung và tỉnh Bến Tre nói riêng; đóng góp vào ngân sách của tỉnh khoảng 2.000 tỷ đồng/năm; giải quyết việc làm cho từ 500-1.000 lao động tại địa phương. Về sản phẩm, giai đoạn 1, Nhà máy sản xuất 24.000 tấn hydro/năm; 150.000 tấn ammonia/năm; 195.000 tấn khí oxy/năm. Ở giai đoạn 2, Nhà máy sản xuất 60.000 tấn hydro/năm; 375.000 tấn ammonia/năm; 490.000 tấn khí oxy/năm.
Để không chậm chân trong lĩnh vực này Việt Nam cần nhanh chóng bổ sung vào Quy hoạch điện VIII chiến lược phát triển nhiên liệu hydro xanh.
Lê Văn Doanh – Phạm Văn Bình ĐHBK Hà Nội (Theo TC AS&CS số in tháng 3-4/2023)