Hydro không tồn tại độc lập trong tự nhiên mà được tạo ra từ các hợp chất. Hydro không phải là nguồn năng lượng, mà nó là chất mang, có thể lưu trữ và cung cấp năng lượng. Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của năng lượng tái tạo, việc sản xuất hydro xanh từ nguồn năng lượng sạch này là một giải pháp giúp tích trữ năng lượng lâu dài và hiệu quả. Hydro sẽ được tái sử dụng trong các pin nhiên liệu hoặc đốt cháy để chạy các turbine khí, tạo ra điện năng hay ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác như vận tải, công nghiệp, dân dụng và thương mại

Về nền kinh tế hydro

Công trình nghiên cứu vào năm 1968 của Lawaceck, một kỹ sư người Đức, về việc vận chuyển hydro qua đường ống, được xem là khởi sự cho kinh tế hydro. Cụm từ "nền kinh tế hydro" (the hydrogen economy) xuất hiện đầu tiên vào năm 1969 tại Phòng thí nghiệm kỹ thuật của General Motors (General Motors Technical Laboratory). Năm 1972, J.O.Bockris,  giáo sư hóa học của Đại học Texas A&M (Texas A&M University) đề cập đến nền kinh tế hydro trong bài báo “A hydrogen economy” trên tạp chí Science với các ý nghĩa: (1) Các nền kinh tế phát triển sẽ được thúc đẩy nhờ việc tách hydro từ nước, sử dụng năng lượng nguyên tử và năng lượng mặt trời; (2) Triển vọng về ​​nguồn cung cấp hydro trong tương lai từ năng lượng gió; (3) Đưa ra dấu hiệu đầu tiên cho thấy, vận chuyển năng lượng hydro qua đường ống có thể rẻ hơn truyền điện qua dây; (4) Nền kinh tế hydro đã từng được đề cập.

Nền kinh tế hydro ngày nay đề cập đến tầm nhìn sử dụng hydro như một nguồn năng lượng sạch thay thế nhiên liệu hóa thạch truyền thống để đáp ứng nhu cầu năng lượng các quốc gia. Điều này được thúc đẩy bởi những tiến bộ trong công nghệ sản xuất/lưu trữ/vận chuyển hydro, những thay đổi trong chính sách năng lượng và trong các tiêu chuẩn khí thải toàn cầu. Việc khai thác tiềm năng của hydro còn được xây dựng như một chiến lược lưu trữ năng lượng quan trọng, để tận dụng triệt để những lợi ích của năng lượng tái tạo bền vững, ít tác động tiêu cực đến môi trường, là một bù đắp cho nhu cầu năng lượng ngày càng tăng và nguồn năng lượng hóa thạch ngày một cạn kiệt và gây ô nhiễm.

Sự tăng cường hỗ trợ phát triển nền kinh tế hydro của chính phủ các nước là động lực kích thích phát triển một ngành công nghiệp mới-công nghiệp hydro, mang lại nhiều việc làm và giúp tăng trưởng kinh tế. Tuy nhiên, việc lưu trữ và vận chuyển, phân phối hydro đòi hỏi về đầu tư cũng như an toàn về cháy nổ, có thể làm hạn chế các ứng dụng của hydro trong thực tế. Do đó, việc nghiên cứu phát triển, lựa chọn công nghệ và xem xét mối tương quan giữa chiến lược phát triển và hạ tầng năng lượng để thúc đẩy nền kinh tế hydro là bài toán cần cân nhắc cẩn trọng.

Để phát triển năng lượng hydro, Cơ quan Năng lượng quốc tế (IEA) đã đưa ra các giải pháp khuyến nghị sau: (1) Thiết lập vai trò của hydro trong các chiến lược năng lượng dài hạn; (2) Kích thích nhu cầu thương mại về hydro sạch; (3) Giải quyết rủi ro đầu tư của những người tiên phong; (4) Hỗ trợ R&D; (5) Loại bỏ các rào cản quy định không cần thiết và hài hòa các tiêu chuẩn; (6) Kết nối quốc tế và theo dõi tiến trình; (7) Tận dụng các cơ hội để tăng thêm động lực trong ngắn hạn, ví dụ tận dụng tối đa các cơ sở hạ tầng hiện có như các cảng công nghiệp hay cơ sở hạ tầng khí đốt để sản xuất, cung cấp hydro sạch; hỗ trợ đội tàu/xe vận tải để các phương tiện chạy pin nhiên liệu hydro  trở nên cạnh tranh hơn; thiết lập các tuyến vận chuyển để khởi động thương mại hydro quốc tế.

Xã hội với năng lượng dựa trên hydro

Nguồn: newenergytreasure.com, Hydrogen production in the coming hydrogen economy, 2014.

Xu thế phát triển nền kinh tế hydro 

Để giải quyết các vấn đề về môi trường và tăng cường an ninh năng lượng, các quốc gia tiên tiến đang nỗ lực đẩy nhanh nghiên cứu phát triển và ứng dụng công nghệ hydro, hướng đến những công nghệ có khả năng biến hydro trở thành  phương tiện lưu trữ năng lượng ở quy mô lớn, dài hạn để có thể tái sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo. Những công nghệ liên quan đến sản xuất/lưu trữ/vận chuyển và ứng dụng hydro trong nhiều lĩnh vực đang phát triển nhanh chóng và thâm nhập thị trường trên toàn cầu, khiến hydro được xem là nền tảng để phát triển nền kinh tế sạch, không khí thải và trở thành mục tiêu trong chiến lược năng lượng của nhiều nước.

Việc xây dựng quá trình chuyển đổi để sử dụng nguồn năng lượng hydro được quản lý chặt chẽ và hiệu quả về chi phí là vấn đề phức tạp, thêm vào đó, chi phí sản xuất hydro từ các nguồn năng lượng tái tạo hiện còn đắt đỏ, là những rào cản. Những rào cản này được các nhà nghiên cứu, chính phủ, doanh nghiệp ở nhiều nước đang nỗ lực vượt qua và nền kinh tế hydro đã manh nha hình thành ở các nước phát triển, được dự báo sẽ là xu thế tương lai trên thế giới.

Các tổ chức quốc tế, cũng như nhiều nước, đã có những hành động cụ thể hướng đến nền kinh tế hydro như:

Tổ chức Hợp tác quốc tế về hydro và pin nhiên liệu trong nền kinh tế  (IPHE- International Partnership for Hydrogen and Fuel Cells in the Economy) được thành lập tháng 11/2003, hiện có 20 thành viên là các nước phát triển, mục tiêu thúc đẩy các mối liên kết giữa các nước nhằm tạo điều kiện đẩy nhanh ứng dụng hiệu quả công nghệ hydro và pin nhiên liệu trong các lĩnh vực và quá trình chuyển đổi sang các hệ thống năng lượng sạch.

Tổ chức Tiêu chuẩn hóa quốc tế (ISO-International Organization for Standardization), đã chú ý đến việc chuẩn hóa hệ thống và các thiết bị sản xuất/lưu trữ/vận chuyển/đo lường và sử dụng hydro, đồng thời phát hành những báo cáo kỹ thuật về an toàn liên quan đến sử dụng hydro nhằm cải tiến các phương pháp an toàn và góp phần vào việc ứng dụng hydro thành công.

Hội đồng Hydro (Hydrogen Council) là sáng kiến ​​toàn cầu của các doanh nghiệp năng lượng, vận tải và công nghiệp hàng đầu được ra mắt tại Diễn đàn Kinh tế thế giới năm 2017 với 13 thành viên, đến nay đã tăng lên 92 thành viên. Mục tiêu thúc đẩy các doanh nghiệp đầu tư phát triển và thương mại hóa trong lĩnh vực hydro và pin nhiên liệu, khuyến khích các bên liên quan tăng cường ủng hộ thông qua các chính sách và chương trình hỗ trợ thích hợp để phát triển năng lượng hydro.

Liên minh châu Âu (EU) được cho là tiên phong trong công nghiệp hydro từ nhiều năm qua. Ủy ban châu Âu (EC) vừa công bố “Chiến lược hydro mới” năm 2020. Theo đó, hydro không những sẽ đóng vai trò then chốt trong hệ thống năng lượng khu vực EU, mà còn là giải pháp về một nền kinh tế không phát thải khí nhà kính. Chiến lược hydro mới của EU sẽ được thực hiện từ năm 2020 đến năm 2050. Tháng 7 vừa qua, EU đã công bố Chiến lược tích hợp hệ thống năng lượng (EU Strategy for Energy System Integration) và “Chiến lược hydro” (EU Hydrogen Strategy) nhằm mở đường cho một ngành năng lượng kết nối quốc tế hiệu quả hơn, được thúc đẩy bởi mục tiêu kép là xây dựng hành tinh sạch hơn và xây dựng nền kinh tế mạnh hơn. EU đã có hơn 70 dự án nghiên cứu và phát triển hydro đang tiến hành bởi chính phủ, các trường đại học và doanh nghiệp.

Chính phủ nhiều nước phát triển ở khu vực châu Âu như Đức, Pháp, Anh, Hà Lan, hay Mỹ, Úc, Nhật, Hàn Quốc, các nước Ả-rập,… đã có chiến lược quốc gia và kế hoạch phát triển nguồn năng lượng hydro, những nỗ lực nhằm đẩy nhanh sự phát triển và sử dụng công nghệ hydro để giải quyết vấn đề về an ninh năng lượng và môi trường.

Iceland có lợi thế về nguồn địa nhiệt và thủy điện đã đặt ra mục tiêu trở thành đất nước có nền kinh tế hydro đầu tiên trên thế giới. Năm 2005, Iceland đã có kế hoạch bắt đầu vận hành những đội xe buýt nhỏ chạy bằng pin nhiên liệu hydro, sử dụng hydro được sản xuất từ điện phân nước bằng nguồn năng lượng tái tạo.

Đức đã và đang nỗ lực trở thành quốc gia hàng đầu thế giới về phát triển công nghệ năng lượng hydro. Tháng 6/2020, Chính phủ Đức công bố “Chiến lược hydro quốc gia” nhằm hiện thực hóa tham vọng chuyển sang một hệ thống năng lượng dựa trên năng lượng tái tạo và trở thành nhà sản xuất và cung cấp hydro hàng đầu toàn cầu.

Chính phủ Pháp nhắm đến mục tiêu đầy tham vọng là chấm dứt việc sử dụng hydro xám hiện nay trong công nghiệp, hướng đến sử dụng 10% hydro xanh trong công nghiệp vào năm 2022 và từ 20-40% vào năm 2027; Hà Lan đã công bố các khoản trợ cấp mở rộng chương trình carbon thấp bằng cách đẩy mạnh chuyển đổi năng lượng tái tạo, thúc đẩy các dự án hydro xanh; Chính phủ Romania hỗ trợ hoạt động nghiên cứu trong lĩnh vực hydro như một nguồn năng lượng thay thế, thành lập ROHYDROHUB hoạt động nghiên cứu trong lĩnh vực hydro.

Ở châu Á, Nhật đã nghiên cứu công nghệ pin nhiên liệu hydro từ đầu thập kỷ 1980, là nước dẫn đầu nghiên cứu và phát triển trong lĩnh vực này. Là nước tiên phong hướng đến nền kinh tế hydro ở châu Á, Nhật rất kiên trì theo đuổi mục tiên này. Cụ thể, năm 1992, đã thiết lập Mạng lưới năng lượng sạch quốc tế sử dụng hydro (International Clean Energy Network Using Hydrogen Conversion), chương trình tập trung nghiên cứu, phát triển những công nghệ hydro trong 10 năm; Kế hoạch về một “xã hội dựa trên hydro” ở Nhật được giới thiệu đầu tiên vào năm 2014;  Lộ trình chiến lược về hydro và pin nhiên liệu được công bố năm 2016; Kế hoạch chiến lược của Chính phủ về công nghệ hydro và pin nhiên liệu được ban hành năm 2017.

Tại Hàn Quốc, "Lộ trình thúc đẩy nền kinh tế hydro" được Tổng thống Moon Jae-in công bố năm 2019, với mục tiêu đưa Hàn Quốc đứng hàng đầu thế giới về thị phần xe ô tô chạy bằng hydro và pin nhiên liệu hydro, và nhấn mạnh nền kinh tế hydro là một động lực tăng trưởng mới. Chính phủ cũng dự kiến ngân sách 42 tỉ won trong năm 2019 để thúc đẩy nền kinh tế hydro, và năm 2020 sẽ tăng lên 100 tỉ won, ngoài ra, còn có kế hoạch đầu tư 60 tỉ won để phát triển công nghệ liên quan đến sản xuất và lưu trữ hydro. Hàn Quốc sẽ chính thức xúc tiến thiết lập "thành phố thí điểm về hydro".

Ấn Độ, với chương trình năng lượng hydro, tập trung hỗ trợ nghiên cứu và phát triển hydro vào việc sản xuất, lưu trữ và ứng dụng hydro; chương trình, ứng dụng hydro kết hợp với khí thiên nhiên làm nhiên liệu cho các phương tiện giao thông; ứng dụng các công nghệ khí hóa để chuyển hóa sinh khối gỗ thành hydro nhằm cung cấp nhiên liệu cho các máy phát điện ở những vùng hẻo lánh.

…

Sáng kiến H2@Scale ở Mỹ

Mỹ đã ứng dụng hydro vào đầu những năm 1960, khi Cơ quan Hàng không và Vũ trụ Mỹ (NASA) sử dụng hydro lỏng làm nhiên liệu cho phi thuyền không gian, và cũng là một trong những nước sớm áp dụng các giải pháp năng lượng sạch trên thế giới. Tháng 5/2001, Tổng thống Bush đã đề xuất kế hoạch phát triển năng lượng hydro, tháng 2/2002 có một báo cáo về triển vọng dài hạn nước Mỹ chuyển sang kinh tế hydro vào năm 2030, năm 2003 đã đưa ra Sáng kiến nhiên liệu hydrogen Hydrogen Fuel Initiative) nhằm thúc đẩy thương mại hóa xe sử dụng pin nhiên liệu hydro.

Điểm nhấn trong chiến lược hướng đến năng lượng hydro của Mỹ là Sáng kiến H2@Scale đưa ra vào năm 2016 bởi Văn phòng Năng lượng tái tạo và Tiết kiệm năng lượng (Energy Efficency and Renewable Energy Office) và Văn phòng Công nghệ pin nhiên liệu và Hydro (Hydrogen and Fuel Cell Technologies Office), cả hai thuộc Bộ Năng lượng Mỹ (DOE - U.S. Department of Energy). Sáng kiến này được xem là động lực đẩy mạnh sự quan tâm nghiên cứu, sản xuất và ứng dụng hydro ở Mỹ và đang có tác động lan tỏa trên toàn cầu.

​​Thuật ngữ H2@Scale để mô tả quá trình sản xuất, phân phối, lưu trữ và sử dụng hydro ở quy mô lớn. Sáng kiến H2@Scale xác định rõ tiềm năng của hydro trong vai trò an ninh năng lượng, cũng như khả năng phục hồi và tạo sự cạnh tranh của các ngành công nghiệp, các lợi ích về môi trường và kinh tế cho quốc gia. H2@Scale triển khai các hoạt động để tập hợp các phòng thí nghiệm quốc gia, chuyên gia trong ngành và các doanh nghiệp nhằm đẩy nhanh quá trình nghiên cứu, phát triển và trình diễn công nghệ sản xuất/lưu trữ/phân phối, cơ sở hạ tầng và các ứng dụng hydro. Gần đây, H2@Scale cũng bao gồm các hoạt động xác định các thị trường của hydro.

Chìa khóa của H2@Scale là đa dạng hóa và tăng cường sử dụng hydro trên nhiều lĩnh vực giúp mở rộng quy mô sử dụng và thị trường hydro để giảm chi phí cho người dùng cuối. Về nguyên tắc, điều này không khó vì hydro đã được sử dụng từ lâu, là nguyên liệu hóa chất thương mại được sử dụng trong quá trình tổng hợp nhiều sản phẩm trong công nghiệp hóa chất như amoniac, nhựa và dược phẩm…Thời gian gần đây, hydro đã được chứng minh có thể làm nhiên liệu, chất mang năng lượng, phương tiện lưu trữ năng lượng và đã thâm nhập vào thị trường dân dụng, trong giao thông vận tải ở nhiều nước  phát triển.  

Để phát triển sáng kiến H2@Scale, DOE đã tài trợ hơn 100 triệu USD cho khoảng 50 dự án trong năm 2019, công bố chi 64 triệu USD trong năm 2020 cho 18 dự án. Sáng kiến H2@Scale sẽ được tiếp tục ​​kéo dài nhiều năm sau nữa để có thể nhận thức đầy đủ các lợi ích của hydro trên tổng thể nền kinh tế quốc gia.

Mô tả H2@Scale

Nguồn: Phòng Thí nghiệm Nghiên cứu năng lượng tái tạo quốc gia Mỹ (NREL- National Renewable Energy Laboratory).

Phương Lan (CESTI)