Là nguyên nhiên liệu cho nhiều ngành công nghiệp, hydro trở thành mục tiêu theo đuổi trong chiến lược phát triển năng lượng của nhiều quốc gia. Đặc biệt, hydro xanh còn được kỳ vọng sẽ là chìa khóa cho một nền kinh tế không carbon. Nó đồng thời là một giải pháp lưu trữ năng lượng hiệu quả, giúp thúc đẩy sự phát triển của các nguồn năng lượng tái tạo như điện gió, điện mặt trời…

Trữ lượng lớn, ứng dụng đa dạng

Hydro (hydrogen – H2) là nguyên tố hóa học phổ biến, tạo nên khoảng 75% tổng khối lượng vũ trụ và hơn 90% tổng số nguyên tử. Hiện nay, hydro được sử dụng phổ biến trong ngành công nghiệp hóa chất như chế tạo ammonia, methanol, sản xuất phân bón, công nghiệp luyện kim, lọc dầu, chất bán dẫn, mỹ phẩm… Trong lĩnh vực năng lượng, hydro có thể đốt trực tiếp trong các động cơ đốt trong, thay thế khí thiên nhiên để cung cấp năng lượng phục vụ nhu cầu dân dụng hằng ngày, làm nhiên liệu cho tên lửa trong ngành công nghiệp vũ trụ, quốc phòng. Hydro còn là nguồn năng lượng cung cấp cho hệ thống pin nhiên liệu, tạo ra điện năng nhờ quá trình điện hóa. Pin nhiên liệu hydro có triển vọng sẽ trở thành nguồn nhiên liệu tiềm năng cho các phương tiện giao thông đường bộ, hàng hải, đường sắt, hàng không…; sẽ giữ vai trò chủ đạo của nền kinh tế hydrogen trong tương lai.

Hydro là nguồn năng lượng thứ cấp, được tạo ra từ một nguồn sơ cấp ban đầu như nước hoặc các hợp chất hydrocarbon khác nên có trữ lượng rất lớn. Có nhiều phương pháp để sản xuất hydro. Chẳng hạn, phương pháp nhiệt hóa các loại nhiên liệu hydrocarbon (như metan, dầu…), sử dụng công nghệ nhiệt hóa khí thiên nhiên bằng hơi nước, khí hóa hydrocarbon nặng gồm dầu mỏ và than đá ở nhiệt độ cao trong điều kiện thiếu oxy… Tuy nhiên, phương pháp này gây ra phát thải khí nhà kính CO2; hydro được tạo ra bằng phương pháp này được gọi là hydro xám (grey hydrogen). Hydro được sản xuất bằng phương pháp nhiệt hóa hydrocacbon, kết hợp công nghệ thu gom và lưu trữ CO2 được gọi là hydro lam (blue hydrogen). Hydro còn được sản xuất bằng phương pháp điện phân nước (dùng điện để tách nước thành khí H2 và O2), sử dụng điện năng từ các nguồn năng lượng tái tạo như điện mặt trời, điện gió… Phương pháp này không gây phát thải khí CO2, được đánh giá là công nghệ sạch, bền vững, xu hướng của tương lai. Hydro được sản xuất bằng phương pháp này được gọi là hydro xanh (green hydrogen).

hydro-xanhẢnh: theworldofhydrogen.com

Giải pháp lưu trữ năng lượng lâu dài, hiệu quả

Do điện năng được sử dụng trong quá trình sản xuất hydro (bằng phương pháp điện phân nước), sau đó lại được tạo ra nhờ quá trình điện hóa (trong các pin nhiên liệu) hoặc tạo ra từ các tua-bin khí chạy bằng hydro nên hydro chính là một phương pháp lưu trữ năng lượng lâu dài và hiệu quả. Có thể coi hydro được sản xuất từ năng lượng tái tạo như một dạng năng lượng lưu trữ, để sử dụng trong những khoảng thời gian ban đêm, không có gió; vận chuyển đến các khu vực không có lợi thế hay cung cấp cho các phương tiện giao thông… Chính vì thế, sự phát triển của hydro xanh đồng thời sẽ giúp thúc đẩy sự phát triển của năng lượng tái tạo và xu hướng chuyển dịch năng lượng, hướng tới nền kinh tế không carbon.

Việc kết hợp các nhà máy năng lượng tái tạo (nhà máy điện mặt trời, điện gió…) với cơ sở sản xuất hydro xanh bằng phương pháp điện phân và nhà máy điện sử dụng pin nhiên liệu hoặc tua-bin khí chạy bằng hydro để tạo thành hệ thống năng lượng tích hợp Điện – Khí cũng là một giải pháp giúp tận dụng những ưu thế của cả năng lượng tái tạo và hydro trong vai trò là hệ thống lưu trữ năng lượng.

Xu hướng phát triển công nghệ hydro trên thế giới

Hydro được nhiều quốc gia trên thế giới quan tâm trong vai trò là một nguồn năng lượng sạch thay thế nhiên liệu hóa thạch. Hydro còn được chú trọng như một chiến lược lưu trữ năng lượng để tận dụng triệt để những lợi ích của năng lượng tái tạo, đáp ứng nhu cầu chuyển dịch năng lượng và giải quyết các vấn đề môi trường trong khi vẫn đảm bảo an ninh năng lượng quốc gia.

Năm 2020, Ủy ban châu Âu (EC) đã công bố “Chiến lược hydro mới”, kéo dài từ năm 2020 đến 2050, mục tiêu loại bỏ dần khí thải phát nhà kính trong tất cả lĩnh vực trên toàn Liên minh châu Âu, đồng thời phát triển hơn nữa hydro tái sử dụng. Hiện EU có hơn 70 dự án nghiên cứu và phát triển hydro đang được tiến hành bởi các chính phủ, các trường đại học và doanh nghiệp. Trong khối EU, Đức đang hướng tới trở thành nhà sản xuất và cung cấp hydro hàng đầu thế giới. Tháng 6/2020, với “Chiến lược hydro quốc gia”, Nội các Đức đã đồng ý chi 9 tỷ EUR (10,2 tỷ USD) nhằm hiện thực hóa mục tiêu này. Trong khi đó, chính phủ Pháp hướng đến sử dụng 10% hydro xanh trong công nghiệp vào năm 2022 và tăng lên tỷ lệ 20-40% vào năm 2027. Romania cũng đưa ra một tín hiệu mạnh mẽ về sự ủng hộ đối với hydro xanh bằng cách thành lập Trung tâm ROHYDROHUB chuyên hoạt động nghiên cứu trong lĩnh vực hydro.

Ở châu Á, Nhật Bản là quốc gia tiên phong nghiên cứu, phát triển công nghệ và hướng đến nền kinh tế hydro. Từ năm 1992, Nhật Bản đã thiết lập Mạng lưới năng lượng sạch quốc tế sử dụng hydro – một chương trình tập trung nghiên cứu, phát triển những công nghệ hydro trong 10 năm. Từ đó đến nay, Nhật Bản đã đưa ra nhiều kế hoạch, lộ trình chiến lược quốc gia về hydro và pin nhiên liệu. Hàn Quốc cũng nhắm đến mục tiêu đứng hàng đầu thế giới về thị phần xe ô tô chạy bằng hydro và pin nhiên liệu hydro. Chính phủ nước này đã thống nhất áp dụng “Chế độ bắt buộc phát điện bằng Hydro” (HPS) cho tới năm 2022 nhằm phổ biến một cách hệ thống pin nhiên liệu hydro với trọng tâm mở rộng nền kinh tế hydro.

Công nghệ hydro hiện nay đang gặp một số thách thức như hạ tầng lưu trữ còn hạn chế về công suất, chi phí sản xuất hydro từ quá trình điện phân còn cao, việc vận chuyển có nhiều khó khăn… Tuy nhiên, với sự đầu tư nghiên cứu, phát triển của nhiều Chính phủ, doanh nghiệp, khi những thách thức này được giải quyết, hydro sẽ là nguồn năng lượng đầy triển vọng, thúc đẩy năng lượng tái tạo và cùng với năng lượng tái tạo trở thành những nguồn năng lượng của tương lai.