Năng lượng hóa học là tiềm năng của một chất hóa học trải qua quá trình biến đổi thông qua phản ứng hóa học hay phản ứng hạt nhân để hình thành nên các chất hóa học khác mà quá trình biến đổi này có thể hấp thụ hoặc sản sinh ra năng lượng.
Xét từ khái niệm trên, đặc biệt là các quá trình hóa học sản sinh ra năng lượng lớn đã được con người nghiên cứu, ứng dụng rộng rãi và có được thành tựu phát triển của ngành năng lượng như ngày nay, cụ thể:
- Quá trình phản ứng ôxy hóa khử các kim loại như Đồng (Cu), Chì (Pb), Kẽm (Zn), Niken (Ni), Cadimi (Cd), Lithium (Li)... đều tạo ra dòng điện. Điện năng được tạo ra từ quá trình này đã được ứng dụng trong việc sản xuất ắc quy và các loại pin điện hóa.
- Các phản ứng hạt nhân dây chuyền của các nguyên tố phóng xạ như Urani-235 hoặc Plutoni-239 trong điều kiện cụ thể sẽ sinh ra nhiệt năng. Nhiệt năng được sinh ra từ quá trình này được chuyển hóa thành cơ năng và điện năng cung cấp cho con người, thực tế là các nhà máy điện hạt nhân trên thế giới đều hoạt động dựa trên nguyên lý này.
Hydrogen là nguồn năng lượng thứ cấp, tức là nó không sẵn có để khai thác trực tiếp mà phải được tạo ra từ một nguồn sơ cấp ban đầu như là nước hoặc các hợp chất hydrocarbon khác.
Có 02 phương pháp cơ bản để sản xuất ra H2 quy mô lớn gồm:
a) Phương pháp nhiệt hóa các loại nhiên liệu hydrocarbon như metan, dầu, nhiên liệu sinh học, sinh khối khí hóa, than khí hóa và khí tự nhiên. Trên thế giới hiện nay, khoảng 90% H2 được sản xuất bằng công nghệ này. Phương pháp này đã được ứng dụng, phát triển thành ba loại công nghệ gồm:
- Công nghệ nhiệt hóa khí thiên nhiên bằng hơi nước (Natural gas steam reforming) nhằm tách được H2 từ khí thiên nhiên có thành phần chủ yếu là khí metan CH4 (CH4 + 2H2O → CO2 + 4H2), quá trình này cần nhiệt năng và chất xúc tác phù hợp. Đây là phương pháp công nghiệp phổ biến hiện nay để sản xuất hydrogen. Tuy nhiên phương pháp này vẫn tạo ra CO2 và không được áp dụng để tạo một nguồn năng lượng mà chỉ để cung cấp nguyên liệu cho các ngành hóa chất, phân bón, tinh lọc dầu mỏ,...
- Công nghệ khí hóa hydrocarbon nặng (Gasification heavy hydrocarbon) bao gồm dầu mỏ và than đá, quá trình này được thực hiện ở nhiệt độ khoảng 1.400 oC trong điều kiện thiếu ôxy để tạo ra H2 và khí CO, khí CO tiếp tục phản ứng với hơi nước và chất xúc tác để chuyển hóa thành CO2 và khí H2. Đây là phương pháp khá phổ biến vì tận dụng được lợi thế của hạ tầng và thiết bị sẵn có của ngành hóa dầu. Tuy nhiên, công nghệ này vẫn tạo ra khí CO2 gây hiệu ứng nhà kính và không bền vững do nguồn nhiên liệu sẽ cạn kiệt.
- Công nghệ khí hóa và nhiệt phân sinh khối (Biomass gasification and pyrolysis) để sản xuất hydrogen bằng cách chuyển sinh khối thành dạng khí qua quá trình khí hóa ở nhiệt độ cao tạo ra hơi nước. Hơi nước được ngưng tụ trong các dầu nhiệt phân và được hóa nhiệt để sinh ra H2. Quá trình này thường tạo ra sản lượng H2 khoảng từ 12-17% trọng lượng hydrogen của sinh khối. Nguyên liệu cho phương pháp này có thể gồm các loại mảnh gỗ bào vụn, sinh khối thực vật, rác thải nông nghiệp và đô thị... Phương pháp sản xuất H2 này vẫn cần cung cấp năng lượng lớn, tuy nhiên vẫn được đánh giá là nguồn năng lượng tái tạo và bền vững.
b) Phương pháp điện phân nước (Electrolysis) bằng cách dùng dòng điện để tách nước thành khí H2 và O2. Quá trình gồm hai phản ứng xảy ra ở hai điện cực và H2 được sinh ra ở điện cực âm và O2 được sinh ra ở điện cực dương (2H2O + Điện năng → 2H2 + O2). Hiện nay có 3 công nghệ điện phân phổ biến gồm:
- Công nghệ điện phân thông thường được tiến hành với chất điện phân là nước hay dung dịch kiềm. Hai phần điện cực âm và điện cực dương được tách riêng bởi màng ngăn ion để tránh hòa lẫn hai khí sinh ra.
- Công nghệ điện phân nước ở nhiệt độ cao khoảng 800-1.000OC làm cho quá trình điện phân diễn ra với hiệu suất cao hơn, nhiệt năng cung cấp chủ yếu được sử dụng từ nguồn năng lượng mặt trời hoặc nhiệt thừa từ các quá trình năng lượng công nghiệp phù hợp khác.
- Công nghệ điện phân nước bằng điện năng từ các nguồn năng lượng tái tạo như điện mặt trời, điện gió, thủy điện tích hợp. Hệ thống, công nghệ này được đánh giá là sạch và bền vững và là xu hướng phát triển của tương lai.
Ngoài ra, trong tự nhiên một số loại tảo và vi khuẩn có thể sản sinh ra H2 như là một sản phẩm phụ của quá trình trao đổi chất của chúng. Tuy nhiên để làm chủ được các quá trình này và phát triển thành quy mô công nghiệp sản xuất H2 vẫn còn đang được các nhà khóa học tiếp tục nghiên cứu.
3. Nhu cầu sử dụng H2
Hydro được sử dụng chủ yếu trong ngành công nghiệp và năng lượng:
- Trong công nghiệp, H2 được sử dụng như là nguyên liệu cho ngành công nghiệp hóa chất như chế tạo ammonia, methanol, lọc dầu, sản xuất phân bón, công nghiệp luyện kim, mỹ phẩm, chất bán dẫn...
- Trong năng lượng, H2 là một nguồn nhiên liệu tiềm năng với nhiều ưu điểm thuận lợi về môi trường và kinh tế. Khi dùng làm nhiên liệu, H2 có thể được đốt trực tiếp trong các động cơ đốt trong, tương tự như trong các loại phương tiện giao thông chạy bằng xăng dầu phổ biến hiện nay. H2 cũng có thể thay thế khí thiên nhiên để cung cấp năng lượng cho các nhu cầu dân dụng hàng ngày như đun nấu, sưởi ấm, chiếu sáng... Đặc biệt, H2 đã được dùng làm nhiên liệu cho tên lửa trong ngành công nghiệp vũ trụ và quốc phòng. H2 còn có thể được sử dụng làm nguồn năng lượng cung cấp cho hệ thống pin nhiên liệu, nhờ quá trình điện hóa để tạo ra điện năng.
4. Ưu điểm của năng lượng H2
- Năng lượng H2 được coi là một dạng năng lượng hóa học có nhiều ưu điểm vì sản phẩm của quá trình này chỉ là nước tinh khiết và năng lượng mà không có chất thải nào gây hại đến môi trường, không phát thải khí CO2 gây biến đổi khí hậu toàn cầu, là nguồn năng lượng gần như vô tận hay có thể tái sinh được.
- Năng lượng H2 góp phần đảm bảo vấn đề về an ninh năng lượng, có thể được sản xuất từ nhiều nguồn sẵn có khác nhau, đặc biệt là từ các nguồn năng lượng tái tạo như gió, mặt trời mà không phụ thuộc vào các nguồn nhập khẩu từ nước ngoài. Với vai trò “tích trữ” năng lượng, H2 giúp cho việc phân phối, sử dụng năng lượng được thuận tiện và có thể lưu trữ được lâu dài, đặc biệt H2 được sản xuất từ năng lượng tái tạo được coi là vật liệu vận chuyển năng lượng tái tạo đến các khu vực không có lợi thế hoặc lưu trữ sử dụng trong những khoảng thời gian ban đêm, không có gió...
- Năng lượng H2 có thể giải quyết được nhiều vấn đề khác nhau như không phát thải các-bon trong một số ngành khó giảm như giao thông, hóa chất, luyện kim, giúp cải thiện chất lượng môi trường không khí và sức khỏe cộng đồng.
- Năng lượng H2 có thể được sản xuất, lưu trữ, vận chuyển trong hạ tầng vận chuyển khí thiên nhiên (LNG) hiện nay, có thể được sử dụng dưới dạng chuyển đổi thành điện năng hoặc khí đốt như CH4 cho các nhu cầu như sinh hoạt, công nghiệp, chăn nuôi hay làm nhiên liệu cho các phương tiện giao thông.
- Về vấn đề an toàn, với tỉ trọng thấp và khả năng khuếch tán nhanh cho phép H2 thoát nhanh vào khí quyển nếu như có sự rò rỉ xảy ra. Đặc biệt với tính chất không độc và không ăn mòn, nếu H2 bị thoát ra, chúng sẽ bay hơi gần như hoàn toàn và không để lại nguy hại nào.
- Thiết bị sử dụng nhiên liệu H2 là Pin nhiên liệu có đặc điểm chạy êm, không gây ra tiếng động, chấn động như động cơ đốt trong. Pin nhiên liệu có hiệu suất sử dụng cao hơn nhiều so với động cơ đốt trong và tiết kiệm năng lượng hơn. Theo đánh giá, pin nhiên liệu sẽ là nguồn năng lượng đầy triển vọng, giữ vai trò chủ đạo của nền kinh tế hydrogen trong tương lai.
5. Thách thức trong việc phát triển năng lượng H2
Bên cạnh các ưu điểm của năng lượng H2 nêu trên, với đặc tính và yêu cầu của các quá trình sản xuất, lưu trữ, vận chuyển, phân phối và sử dụng năng lượng H2 vẫn còn một số thách thức làm cho dạng năng lượng này mới chỉ được phát triển ở các quốc gia phát triển, các thách thức gồm:
- Với đặc tính nhẹ, dễ bay hơi, do đó H2 phải được lưu trữ trong các bình khí nén áp suất cao hoặc dưới dạng khí hóa lỏng hoặc hấp phụ trong các loại vật liệu có khả năng hấp phụ. Hiện nay các công nghệ và thiết bị thực hiện việc lưu trữ H2 vẫn còn hạn chế chế công suất và chỉ đáp ứng được quy mô nhỏ.
- Mặc dù nguồn nguyên liệu để sản xuất H2 gần như vô tận, quá trình sản xuất H2 từ quá trình điện phân lại có chi phí khá cao, hiện nay năng lượng H2 mới chỉ được áp dụng ở quy mô nhỏ tại các quốc gia phát triển và hiện các nhà khoa học vẫn đang tiếp tục nghiên cứu để giảm giá thành của công nghệ này.
- Hiện nay, việc sản xuất H2 bằng điện phân nước vẫn sử dụng nguồn điện chủ yếu sản xuất từ nhiên liệu hóa thạch (than đá, dầu, khí đốt), do đó về bản chất là năng lượng tái tạo và không gây hại đến môi trường vẫn chưa được giải quyết triệt để, đặc biệt là điện từ năng lượng tái tạo (gió, mặt trời) vẫn có giá thành khá cao so với nguồn điện từ nhiên liệu hóa thạch. Theo dự báo, đến năm 2030 thì giá thành sản xuất năng lượng tái tạo sẽ tiếp tục giảm khoảng 30%, khi đó hệ thống sản xuất H2 từ năng lượng tái tạo sẽ có cơ hội phát triển bùng nổ.
- Ở điều kiện tự nhiên, H2 tồn tại rất ngắn, dễ bay hơi và dễ cháy nổ. Do đó, việc vận chuyển, lưu trữ và phân phối đến người sử dụng cuối cùng gặp nhiều khó khăn về ngăn rò rỉ và đảm bảo an toàn. Hiện nay H2 chủ yếu được vận chuyển thông qua các đường ống hoặc trên các phương tiện giao thông đường thủy, đường bộ ở trạng thái hóa lỏng hoặc nén trong các bình chịu áp.
II. PHÁT TRIỂN VÀ SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG H2 TRÊN THẾ GIỚI VÀ VIỆT NAM
1. Xu thế chung
Với các ưu điểm và tiềm năng phát triển của năng lượng H2 đang thu hút được sự quan tâm mạnh mẽ của các Chính phủ và doanh nghiệp như một năng lượng thế hệ mới. Hội nghị Bộ trưởng Năng lượng Hydrogen lần thứ 2 tại Tokyo ngày tháng 9/2019 vừa qua đã cho thấy sự tiến bộ của các công nghệ liên quan đến hydrogen tại nhiều nước trên thế giới, đặc biệt là các nước phát triển. Việc Hội nghị thu hút lãnh đạo cấp cao và chuyên gia hàng đầu về năng lượng từ trên 30 quốc gia cho thấy mối quan tâm toàn cầu trong chia sẻ thông tin về các chính sách nhằm tăng cường sử dụng Hydrogen trên toàn cầu. Sự quan tâm đến nguồn năng lượng này không chỉ nhằm vào các mục tiêu về an ninh năng lượng, mà còn là sự quan tâm của các nước, các doanh nghiệp đến các mục tiêu về giảm phát thải khí nhà kính, chuyển đổi năng lượng bền vững.
Qua các thông tin từ các diễn đàn năng lượng thời gian qua, có thể thấy sự cam kết của chính phủ nhiều nước trong các chính sách thúc đẩy sử dụng năng lượng H2, sự tiên phong của giới nhà khoa học, các doanh nghiệp trong nghiên cứu, triển khai các dự án phát triển các thiết bị sản xuất H2 công nghiệp, các hệ thống lưu trữ, vận chuyển, phân phối và sử dụng năng lượng H2.
Hiện nay, khoảng 90% lượng H2 đều được sản xuất chủ yếu từ dầu mỏ và khí thiên nhiên, việc này đồng nghĩa với việc vẫn sẽ phát thải khí CO2 gây hiệu ứng nhà kính nhà kính và không phải là xu hướng được khuyến khích phát triển. Do vậy, việc ứng dụng công nghệ sử dụng năng lượng tái tạo để điện phân nước sản xuất H2 là mô hình đã được nghiên cứu, áp dụng thử nghiệm thành công ở nhiều quốc gia. Giải pháp này đang tiếp tục được Chính phủ các nước khuyến khích, các nhà khoa học và các doanh nghiệp quan tâm phát triển, hoàn thiện và nâng cao quy mô, công suất và giảm giá thành.
Sự phát triển của hạ tầng lưu trữ, vận chuyển, phân phối hiện nay còn rất hạn chế, điều này đã gây cản trở cho việc ứng dụng rộng rãi năng lượng H2 ở nhiều quốc gia. Giá của H2 cho người tiêu dùng phụ thuộc rất nhiều vào số lượng trạm tiếp nhiên liệu, mức độ thường xuyên sử dụng và lượng H2 được cung cấp mỗi ngày. Giải quyết vấn đề này đòi hỏi phải có một kế hoạch tổng thể và cơ chế phối hợp giữa các Chính phủ, các ngành công nghiệp và các nhà đầu tư trong nước và quốc tế.
Theo Cơ quan năng lượng quốc tế (IEA) đánh giá, để phát triển năng lượng H2 cần thực hiện đồng thời 4 giải pháp trước mắt gồm: 1) Khuyến khích, khởi tạo các ngành công nghiệp, khu công nghiệp đi tiên phong trong việc chuyển đổi sử dụng năng lượng H2; 2) Chuyển đổi, xây dựng cơ sở hạ tầng cho việc lưu trữ, vận chuyển, phân phối nhiên liệu H2 cạnh tranh hơn; 3) Triển khai các dự án cung cấp, vận chuyển, thương mại quốc tế về H2; và 4) Tăng cường hợp tác quốc tế, chia sẻ kiến thức, kinh nghiệm, thực tiễn tốt nhất để phổ biến, tiêu chuẩn hóa và thúc đẩy thương mại hóa.
Trong tầm nhìn dài hạn, IEA cũng đưa ra 6 khuyến cáo gồm: 1) Xác định mục tiêu dài hạn đối với năng lượng H2 trong chiến lược phát triển năng lượng quốc gia, bao gồm cả mục tiêu về sản xuất và mục tiêu về sử dụng trong các lĩnh vực, ngành sử dụng năng lượng; 2) Khuyến khích nghiên cứu, phát triển, sản xuất và thương mại hóa nhiên liệu H2 có nguồn gốc từ năng lượng tái tạo, sạch và các-bon thấp; 3) Có chính sách, cơ chế chia sẻ, giảm thiểu rủi ro cho các dự án đầu tư, sản xuất, phát triển liên quan đến năng lượng H2 cho các nhà đầu tư; 4) Hỗ trợ nghiên cứu và phát triển (R&D) nhằm giảm chi phí năng lượng H2 từ công nghệ sản xuất, lưu trữ, vận chuyển, phân phối và các thiết bị, sản phẩm ứng dụng; 5) Tạo hành lang pháp lý đủ mạnh để quản lý, cơ chế hỗ trợ và thúc đẩy đủ hấp dẫn để thu hút sự quan tâm của các nhà đầu tư; 6) Hợp tác quốc tế, tăng cường trao đổi thông tin về kỹ thuật, công nghệ, tiêu chuẩn nhằm kết nối và tăng cường hỗ các nhà đầu tư phát triển thị trường liên kết.
2. Tuyên bố chung tại Hội nghị Bộ trưởng Năng lượng Hydrogen lần thứ 2 tại Tokyo (Tuyến bố Tokyo)
Trên cơ sở tất cả các bên tham dự Hội nghị đều nhận thức rằng tầm quan trọng của năng lượng H2 từ cách thức mở rộng quy mô, xây dựng lộ trình, chiến lược dài hạn và xác định các chính sách và chương trình hành động để thay đổi. Tuyên bố Tokyo đã đưa ra 4 nội dung sau:
i) Hợp tác về công nghệ để hài hòa và thống nhất về các quy định, tiêu chuẩn chung giữa các quốc gia và các nền kinh tế.
ii) Thúc đẩy việc chia sẻ thông tin, cùng hợp tác nghiên cứu nhằm phát triển hạ tầng chuỗi cung ứng H2 an toàn và hiệu quả.
iii) Nghiên cứu và đánh giá tiềm năng ứng dụng H2 trong các ngành, lĩnh vực, bao gồm cả việc giảm CO2 và các chất ô nhiễm khác.
iv) Truyền thông, giáo dục và phổ biến về năng lượng H2 cho cộng đồng.
Sử dụng năng lượng H2 tại một số nền kinh tế
Việc ứng dụng năng lượng H2 được các quốc gia phát triển chủ yếu trong lĩnh vực giao thông, cụ thể trong một báo cáo năm 2017 của IEA đã thống kê:
- Đối với các loại xe điện cá nhân dùng pin nhiên liệu (H2): Trên toàn cầu đã bán được trên 2 triệu xe điện cá nhân sử dụng pin nhiên liệu các loại trong năm 2016 và đã tăng trưởng 60% so với năm 2015. Nhật Bản có kế hoạch sản xuất 3.000 xe điện pin nhiên liệu vào năm 2017, 40.000 xe vào năm 2020, 200.000 xe vào năm 2025 và 800.000 xe vào năm 2040. Tại California, riêng trong tháng 4/2017 đã có trên 1.600 xe điện pin nhiên liệu được đăng ký, tăng 1.300 xe so với tháng trước đó. Ở Đan Mạch mới chỉ có 75 và Anh Quốc mới có 49 xe điện pin nhiên liệu chạy trên đường.
- Đối với các loại xe điện công cộng dùng pin nhiên liệu (chủ yếu là xe bus): Tại Châu Âu, năm 2016, sau 6 năm thử nghiệm đã có 56 xe bus được vận hành và tại California cũng có 12 chiếc từ năm 2013. Tại Quảng Đông, Trung Quốc, hai thành phố Phật Sơn và Vân Phù tại tỉnh đã có kế hoạch đặt hàng sản xuất 300 xe bus dùng pin nhiên liệu với khoản đầu tư là 17 triệu USD. Hàn Quốc đặt mục tiêu thay thế khoảng 26.000 xe Bus chạy CNG hiện nay bằng xe Bus dùng pin nhiên liệu. Đến năm 2017, EU đã có 139 xe bus và Vương quốc Anh có 42 xe bus chạy bằng pin nhiên liệu.
- Đối với các thiết bị, phương tiện vận tải hạng nặng: Đến tháng 10/2016, Hoa Kỳ đã bán được 11.600 thiết bị nâng sử dụng pin nhiên liệu, các thiết bị nâng này rất phổ biến trong các doanh nghiệp bán lẻ như Walmart hay như tại Pháp nhà bán lẻ Carrefour cũng sở hữu 150 thiết bị nâng sử dụng pin nhiên liệu. Đối với các phương tiện vận tải hạng nặng cũng đã được triển khai tại Na Uy (4 chiếc), Thụy Sĩ (1 chiếc) và Hà Lan.
- Các phương tiện giao thông khác: Năm 2002, tầu điện vận chuyển hành khách sử dụng pin nhiên được phát triển đầu tiên tại Quebec, Canada. Đến nay đã có một số các hợp đồng, thỏa thuận hợp tác nghiên cứu và thử nghiệm các hệ thống tàu điện sử dụng pin nhiên liệu tại Châu Âu, Đức và Trung Quốc. Năm 2006, tầu thủy chạy bằng pin nhiên liệu cũng được thử nghiệm đầu tiên tại Nhật Bản, tiếp theo đó đã có một số dự án phát triển, trình diễn các phương tiện tầu thủy sử dụng năng lượng H2 tại Pháp, Na Uy, Thụy Sĩ, Ý... Bản thân IEA cũng đặt ra một nhiệm vụ thúc đẩy phát triển năng lượng H2 trong hàng hải để nghiên cứu và trình diễn. Các loại máy bay và thiết bị không người lái cũng đã được một số quốc gia như Pháp, Đức, Hoa Kỳ và Trung Quốc nghiên cứu ứng dụng đối với loại năng lượng này.
Ngoài ra, ứng dụng năng lượng H2 còn được phát triển cho nhu cầu về nhiệt năng (sưởi ấm), như là Nhật Bản đặt ra mục tiêu kết nối 1,4 triệu hệ thống năng lượng đồng phát vào năm 2020, và đạt khoảng 5,3 triệu năm 2030 tại các cơ sở công nghiệp và thương mại và hướng tới thay thế dần hệ thống đường ống dẫn khí thiên nhiên bằng ống dẫn khí H2 trong tương lai. Các quốc gia khác như Vương quốc Anh, Úc đều đã có những nghiên cứu và kế hoạch thay thế nguồn nhiên liệu sưởi ấm từ khí thiên nhiên sang H2.
Như vậy, mặc dù năng lượng H2 chưa được sử dụng rộng rãi vì giá khá cao và chưa phù hợp trong điều kiện thiếu cơ sở hạ tầng để hỗ trợ, tuy nhiên, các nhà nghiên cứu vẫn nhận định đây là nguồn năng lượng vô tận, có thể tái sinh được và là nguồn năng lượng giữ vai trò chủ đạo thay thế nhiên liệu hóa thạch, không gây ô nhiễm môi trường và là nguồn năng lượng của tương lai./.
Th.S Nguyễn Quang Huy, Vụ Tiết kiệm năng lượng và Phát triển bền vững
