Xu hướng phát triển ứng dụng hydro trên thế giới

Hydro có thể được sản xuất từ nhiều loại hợp chất và nhiều phương pháp khác nhau. Tạo ra hydro bởi chuyển hóa hydrocarbon bằng nhiệt từ nguồn nhiên liệu hóa thạch là phương pháp có từ lâu, các phương pháp điện phân nước sử dụng năng lượng gió/mặt trời đang ở giai đoạn đầu phát triển, và các phương pháp sinh học để sản xuất hydro còn trong phòng thí nghiệm. 

Các phương pháp sản xuất hydro có hiệu suất và yêu cầu năng lượng khác nhau.   Phương pháp chuyển hóa mêtan có yêu cầu năng lượng thấp (từ 44-51  kWh/kgH2) và hiệu suất cao nên được sử dụng phổ biến, yêu cầu cao về năng lượng là công nghệ khí hóa sinh khối (69-76 kWh/kgH2) (Bảng 1). Ngoài hiệu quả, xu hướng giảm phát thải khí trong quá trình sản suất hydro đã khiến công nghệ điện phân nước đang thu hút sự quan tâm đầu tư nghiên cứu ứng dụng. Hiện nay công nghệ sản xuất hydro bằng hóa nhiệt khí thiên nhiên với hơi nước (Natural gas steam reforming) chiếm phần lớn  (48%), hydro được chuyển hóa trong quá trình sản xuất các sản phẩm từ dầu thô hay khí phát sinh trong công nghiệp hóa học là 30%, 18% từ khí hóa than và 3,9% từ điện phân nước (BĐ1). 

Bảng 1: So sánh các phương pháp sản xuất hydro

Nguồn: Raluca-Andreea Felseghi, Elena Carcadea, Maria Simona Raboaca, …; Hydrogen Fuel Cell Technology for the Sustainable Future of Stationary Applications. 

BĐ1: Công nghệ được sử dụng sản xuất hydro

Nguồn: Rohini Singh, Suman Dutta;  A review on H2 production through photocatalytic reactions using TiO2/ TiO2- assisted catalysts.

Theo thống kê của Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IEA), năm 2018, toàn cầu có trên 100 triệu tấn hydro được sản xuất (BĐ2), phần lớn sử dụng tại chỗ trong công nghiệp, chủ yếu trong sản xuất amoniac để làm phân bón, lọc dầu hay sản xuất các hóa chất. Chỉ khoảng 4% hydro sản xuất ra dùng dưới dạng năng lượng sử dụng cuối. Từ năm 1980 đến nay, nhu cầu hydro đã tăng khoảng 300%, dự kiến sẽ tăng mạnh khi các nước đang thúc đẩy sử dụng hydro dưới dạng nhiên liệu cho các phương tiện vận tải, sưởi ấm các tòa nhà hay pin nhiên liệu.

BĐ2: Nhu cầu hydro trên toàn cầu 

Nguồn: International Renewable Energy Agency (IRENA 2019), Hydrogen: A Renewable Energy Perspective; IEA, 2019.

Chi phí sản xuất hydro phụ thuộc nhiều yếu tố như đầu vào, khu vực, công nghệ,…Về tổng thể, các nghiên cứu đã chỉ ra nhiên liệu hóa thạch là nguồn để sản xuất hydro rẻ nhất. Hóa nhiệt khí tự nhiên với hơi nước để sản xuất hydro cộng việc thu hồi và lưu trữ CO₂ có chi phí từ 1,43-2,27 USD/kgH₂, khí hóa than từ 1,16-1,63 USD/kgH₂. Nguồn năng lượng tái tạo đang phát triển mạnh mẽ trên toàn cầu đã tạo cơ hội phát triển công nghiệp hydro xanh, tuy nhiên, nguồn điện từ năng lượng tái tạo còn cao đã kéo theo chi phí sản xuất hydro từ nguồn năng lượng này còn khá cao, từ 5-6 USD/kgH₂ (BĐ3). 

BĐ3: Chi phí sản xuất hydro theo công nghệ

Ghi chú: CCS (Carbon Capture and Storage): thu hồi và lưu trữ carbon

Nguồn: DOE (US Department Of Energy), Hydrogen Strategy Enabling A Low-Carbon Economy, 2020; IEA Roadmap for Hydrogen and Fuel Cell.

Về lâu dài, dự kiến khả năng sẽ giảm ​​giá điện từ năng lượng tái tạo và giảm cả chi phí từ công nghệ điện phân, nên hydro được kỳ vọng sẽ có giá cạnh tranh và khả năng giảm thấp hơn hydro sản xuất từ nhiên liệu hóa thạch. Dự báo đến năm 2050 sản xuất hydro xanh từ năng lượng tái tạo sẽ có chi phí xoay quanh 1 USD/kgH2 (BĐ4), yếu tố quan trọng để có mức giá giảm thấp này được cho là nhờ vào sản lượng điện dư thừa từ điện gió và điện mặt trời. 

BĐ4: Triển vọng giảm chi phí sản xuất hydro 

Nguồn: International Renewable Energy Agency (IRENA 2019), Hydrogen: A Renewable Energy Perspective.

Nhiều dự án đầu tư nghiên cứu sản xuất và ứng dụng hydro được triển khai trên toàn cầu. Trong ba năm qua, sản xuất hydro bằng công nghệ điện phân màng trao đổi proton (PEM- Proton exchange membrane) có nhiều dự án đầu tư, trong khi trước đó công nghệ điện phân kiềm (ALK- Alkaline electrolysers) được quan tâm nhiều hơn. Từ năm 2011 bắt đầu xuất hiện các dự án đầu tư vào công nghệ điện phân oxit rắn (Solid Oxide) có hiệu suất điện cao, sử dụng chất điện phân gốm hoạt động ở nhiệt độ rất cao (700–900°C), công nghệ này đang ở dạng chuyển từ phòng thí nghiệm sang giai đoạn trình diễn (BĐ5). 

Mục tiêu sử dụng hydro như nguồn năng lượng thay thế và sử dụng hydro xanh để giảm phát thải khí nhà kính đã thúc đẩy nhiều quốc gia hướng đến sử dụng công nghệ điện phân và năng lượng tái tạo để sản xuất hydro xanh quy mô lớn. Nhiều dự án được đầu tư, nghiên cứu và triển khai nhằm giảm thấp chi phí để có thể mở rộng thị trường ứng dụng hydro, hầu hết dự án tại các nước phát triển.

BĐ5: Dự án sản xuất hydro bằng công nghệ điện phân trên toàn cầu

Nguồn: International Renewable Energy Agency (IRENA 2019), Hydrogen: A Renewable Energy Perspective; Quarton và Samsatli.