Biến đổi khí hậu cùng cuộc khủng hoảng năng lượng do xung đột Nga và Ukraine đang đặt ra cho thế giới bài toán cấp thiết tìm ra nguồn năng lượng thân thiện với môi trường. Hydro xanh được kỳ vọng sẽ xoay chuyển bài toán năng lượng trong tương lai gần.

Nhiên liệu sạch lý tưởng

Hydro là nguyên tố hóa học phong phú nhất trong vũ trụ. Nó là loại khí có nhiệt cháy cao nhất trong tất cả các nhiên liệu thiên nhiên. Đặc điểm của hydro là trong phân tử không chứa bất kỳ nguyên tố hóa học nào khác như carbon, lưu huỳnh, nitơ... nên sản phẩm cháy của chúng chỉ là nước. Vì vậy, hydro được coi là nhiên liệu sạch lý tưởng.

Tuy nhiên, hydro không tồn tại ở trạng thái tinh khiết mà cần được chiết xuất. Hiện nay, chiếm khoảng 95% lượng hydro được sản xuất trên thế giới là hydro xám, sản xuất bằng nhiên liệu hóa thạch như khí đốt tự nhiên hoặc than đá. Nhưng quá trình này được thực hiện dưới dạng nhiệt hóa hydrocarbon kèm theo phát thải khí CO2.

Do đó, trong bối cảnh thế giới kêu gọi chống lại biến đổi khí hậu và xung đột giữa Nga – Ukraine gây khủng hoảng năng lượng toàn cầu, cán cân cuộc chơi đang nghiêng về phía hydro xanh.

Hydro xanh được sản xuất từ điện sạch từ các nguồn năng lượng tái tạo như Mặt trời, gió, nước. Ngoài ra, một loại hydro xanh khác sẽ dựa vào nguồn điện từ các nhà máy điện hạt nhân.

Trong cả hai trường hợp, hydro xanh được sản xuất bằng máy điện phân thông qua quá trình điện phân sử dụng dòng điện để tách hydro khỏi oxy trong nước. Nguyên tử hydro tạo thành phân tử hydro (H2) và các phân tử oxy.

Phương pháp này sử dụng dòng điện một chiều để tách hydro ra khỏi oxy trong nước. Do đó, nếu có được nguồn điện từ các nguồn năng lượng tái tạo, con người sẽ sản xuất được hydro mà không cần thải CO2 ra bầu khí quyển.

Hydro xanh là chất mang năng lượng, không phải là nguồn năng lượng chính. Nói cách khác, hydro là một chất có thể lưu trữ năng lượng, sau đó có thể được giải phóng một cách có kiểm soát ở nơi khác. Vì vậy, có thể được so sánh với pin lithium lưu trữ điện, thay vì nhiên liệu hóa thạch như khí đốt tự nhiên.

Tiềm năng của hydro trong việc chống lại biến đổi khí hậu nằm ở khả năng thay thế nhiên liệu hóa thạch trong các ứng dụng mà quá trình khử carbon phức tạp hơn như vận tải hàng hải, hàng không hoặc các quy trình công nghiệp nhất định. Nó đồng thời có thể thay thế nhiên liệu hóa thạch trong các phương tiện vận chuyển đường dài như xe tải, xe lửa, thậm chí là máy bay.

Hơn nữa, hydro xanh có tiềm năng trở thành hệ thống lưu trữ năng lượng theo mùa trong dài hạn, nghĩa là tích lũy năng lượng trong một thời gian dài, sau đó sử dụng theo nhu cầu. Nó có thể thay thế than trong các ngành công nghiệp cần nhiều nhiệt như sản xuất thép. Ước tính một kg hydro giải phóng năng lượng gấp 3 lần 1 kg khí đốt tự nhiên.

Nguồn năng lượng sạch này có thể giúp đưa thế giới về mức phát thải ròng bằng không. Nhiều quốc gia đã và đang chuyển sang sản xuất và sử dụng hydro xanh. Kế hoạch là một phần của cam kết giảm phát thải khí hậu.

Theo ước tính của Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IEA), hydro xanh sẽ giúp giảm 830 triệu tấn CO2 được thải ra hàng năm trong các quá trình sản xuất sử dụng nhiên liệu hóa thạch. Tương tự, việc thay thế toàn bộ hydro xám trên thế giới sẽ cần 3.000 TWh/năm từ các nguồn năng lượng tái tạo mới, một con số tương đương với nhu cầu điện hiện tại của cả châu Âu.

Hoài nghi về khả năng tiêu thụ

Nhưng để mở rộng quy trình khai thác hydro xanh, chi phí sản xuất sẽ phải giảm xuống. Hiện tại, chi phí sản xuất hydro xanh khá cao, gấp khoảng 2 - 3 lần so với hydro xám. Tuy nhiên, do ưu điểm tương đối vượt trội của hydro xanh, mức giá này đang giảm mạnh cùng với giá năng lượng tái tạo và chi phí sản xuất thấp hơn.

Theo báo cáo của Trường Đại học Quốc gia Australia vào năm 2021, ước tính nước này có thể sản xuất hydro xanh với giá khoảng 3,18 – 3,8 USD/kg và ở mức 2 USD/kg vào cuối thập kỷ này. Với mức giá đó, hydro xanh có khả năng cạnh tranh về chi phí với nhiên liệu hóa thạch.

Tương tự, nhà phân tích thị trường năng lượng Tim Buckley, Viện Kinh tế Năng lượng và Phân tích Tài chính (IEFA), dự đoán giá hydro xanh sẽ giảm 70% trong thập kỷ tới ở các nước có nguồn năng lượng tái tạo giá rẻ.

“Hydro xanh sẽ phổ biến ở những nơi năng lượng tái tạo gần như miễn phí như Ấn Độ hay Australia”, ông Tim bình luận.

Giá giảm sẽ kích thích ngành công nghiệp các quốc gia trên thế giới, đặc biệt ở những quốc gia có điều kiện thuận lợi về năng lượng mặt trời. Từ đó, cuộc chạy đua năng lượng có thể làm thay đổi địa chính trị năng lượng.

Tuy nhiên, hydro xanh cũng có những mặt tiêu cực. Đây là một nguyên tố dễ bay hơi và dễ cháy nên cần có giải pháp để tháo gỡ trở ngại trong việc vận chuyển và bảo quản.

Có một số kỹ thuật như bảo quản ở áp suất cao dưới dạng thể khí, bảo quản ở nhiệt độ rất thấp dưới dạng thể lỏng và bảo quản ở thể rắn trong các vật liệu khác. Khả năng lưu trữ giúp duy trì sản lượng dư thừa từ năng lượng tái tạo.

Một giải pháp đang được các nhà khoa học quan tâm là chuyển hóa hydro thành amoniac, trong đó 3 nguyên tử hydro liên kết với nitơ để tạo ra hợp chất amoniac (NH3). Không giống như hydro, amoniac có thể được bảo quản tương đối dễ dàng với chi phí rẻ dưới áp suất hoặc làm lạnh dưới dạng chất lỏng ở nhiệt độ -33 độ C. Khi được giao đến nơi, người ta sẽ tách hydro từ amoniac.

Ngoài ra, một số tranh cãi cho rằng, sản xuất hydro xanh dẫn đến phát thải khí mêtan, tức là rò rỉ khí mêtan từ quá trình khoan, khai thác và vận chuyển. Khí mêtan không tồn tại trong khí quyển lâu như CO2 nhưng nó tương đối mạnh và ngang với khí nhà kính. Theo IEA, một tấn khí mêtan có thể tương đương với 28 – 36 tấn CO2.

Dù vậy, nghiên cứu và khai thác hydro xanh vẫn còn tương đối mới mẻ trong khi các vấn đề khủng hoảng năng lượng đang trở nên vô cùng cấp bách. Vì vậy, tiềm năng của hydro xanh còn rất nhiều hứa hẹn.