Về cơ bản, ngày nay ở Mỹ không có hydro sạch được sản xuất, nhưng các nhà phát triển đang hối hả xây dựng các dự án cung cấp thép, xi măng và hóa chất có hàm lượng carbon thấp.
Air Liquide đã mở một nhà máy hydro xanh công suất 20 megawatt ở Bécancour, Quebec vào năm 2021; nó là loại lớn nhất trên thế giới - nhưng điều đó sắp thay đổi. (Không khí lỏng)
Bạn không thể tạo ra thứ gì đó từ con số không, và thực tế bất di bất dịch này đặt ra thách thức cho các ngành công nghiệp nặng thiết yếu có kế hoạch khử cacbon phụ thuộc vào hydro được sản xuất sạch.
Ngành công nghiệp thép đang đặt cược vào hydro sạch để thay thế than đá trong quá trình sản xuất nguyên liệu đầu vào quan trọng là sắt. Các nhà cung cấp phân bón muốn thay thế khí hóa thạch bằng hydro làm nguyên liệu tổng hợp amoniac. Các nhà sản xuất xi măng hy vọng có thể dựa vào hydro như một nguồn nhiệt sạch. Các nhà máy lọc hóa chất đã sử dụng hydro có nguồn gốc từ hóa thạch và cần phải làm sạch nó để đảm bảo hoạt động của chúng tương thích với một hành tinh có thể sống được.
Như chi tiết trong loạt bài The Tough Stuff của Canary Media, cách tốt nhất hiện nay để khử cacbon cho các khối xây dựng của xã hội hiện đại phụ thuộc vào nguồn cung cấp hydro sạch ổn định, dễ dàng tiếp cận đến các trung tâm công nghiệp trên khắp đất nước. Điều này đơn giản là không tồn tại ngày nay ở Mỹ; ở các nước khác, nó chỉ xảy ra ở quy mô nhỏ.
Claire Behar, giám đốc thương mại của một liên doanh tích hợp hydro-xanh có tên Hy Stor, cho biết: “Các dự án đang được triển khai [toàn cầu] - chúng ta đang nói đến công suất 10 megawatt, 20 megawatt”. “Hôm nay chúng ta cần phải động thổ với những dự án quy mô gigawatt này để tiến gần đến việc đạt được các mục tiêu về khí hậu của chúng ta.”
Do đó, sự thành công của dự án khử cacbon trong công nghiệp không chỉ đòi hỏi phải định hướng lại các ngành công nghiệp lớn hiện có xung quanh các quy trình carbon thấp mới, mà còn đồng thời phát minh ra một chuỗi cung ứng hydro sạch hoàn toàn mới có khả năng cung cấp thức ăn cho những con thú khổng lồ này.
Bản thân hydro không khó để tạo ra. Nó đã được sản xuất ở quy mô lớn bằng cách sử dụng quá trình cải tạo khí metan, một quy trình thải ra nhiều cacbon. Người ta đã tổng hợp nó mà không cần nhiên liệu hóa thạch trong hơn một thế kỷ như một sản phẩm phụ của quá trình clo-kiềm, được sử dụng để tạo ra khí clo. Hydro cũng có thể được sản xuất trực tiếp hơn thông qua quá trình điện phân, bao gồm việc cho dòng điện chạy qua nước.
Tuy nhiên, để hydro có màu xanh, điện được khai thác cho một trong hai quá trình cuối cùng đó cần phải được kiểm chứng là không có carbon. Hydro xanh tiêu chuẩn vàng sẽ cắm thẳng năng lượng tái tạo ngoài lưới điện vào máy điện phân. Nếu một nhà sản xuất chạy máy điện phân từ lưới điện và mua tín dụng cho năng lượng tái tạo tương đương với mức tiêu thụ, thì quá trình đó thực sự có thể thải ra nhiều carbon hơn so với sản xuất bẩn dựa trên khí mê-tan; thực tế phản trực giác này làm dấy lên cuộc tranh luận về việc liệu các khoản tín dụng thuế liên bang có nên yêu cầu sản xuất năng lượng tái tạo “khớp thời gian” với sản xuất hydro hay không.
Các kỹ thuật khác có thể sạch mà không “xanh”. Điện phân bằng năng lượng hạt nhân không thể tái tạo được nhưng không chứa carbon. Việc cải cách khí mê-tan giúp thu hồi lượng khí thải một cách hiệu quả mãi mãi về mặt kỹ thuật có thể không có carbon, mặc dù điều này vẫn chưa được chứng minh cả về mặt thực tế và tài chính.
Ngay cả khi ngành này áp dụng tiêu chuẩn cao nhất về hydro xanh thì vẫn còn rất nhiều trở ngại cần vượt qua. Bản thân thiết bị điện phân hydro quan trọng vẫn đang hoàn thiện; nó cần phải cải thiện về hiệu quả, quy mô sản xuất và chi phí, giống như các tấm pin mặt trời và pin cần thiết cách đây một thập kỷ. Và không ai có nhiều kinh nghiệm lắp đặt các máy điện phân vào các địa điểm sản xuất hydro quy mô lớn - tương đương với việc biến một đống tấm pin mặt trời thành một nhà máy điện hoạt động.
Do đó, để sản xuất thép xanh, xi măng và hóa chất, Mỹ cần tìm ra cách sản xuất hydro không chứa carbon ở quy mô siêu lớn, sau xử lý. Một số nhóm đang cạnh tranh vị trí trong thị trường mới nổi nhưng chưa tồn tại này. Kế hoạch của họ sẽ đưa sản lượng hydro xanh của Hoa Kỳ từ con số 0 lên mức nào đó trong năm tới.
Các nhà cung cấp khí công nghiệp truyền thống — Air Liquide, Air Products, Linde, Messer — đang tìm kiếm các cơ sở sản xuất hydro xanh để bổ sung cho các hoạt động dựa trên carbon hiện có của họ. Riêng biệt, các nhà đổi mới công nghệ sạch đang áp dụng bài học từ sự bùng nổ năng lượng mặt trời vào phát triển dự án hydro xanh, trong một số trường hợp, kết hợp các máy điện phân và sản xuất điện sạch tại cùng một địa điểm. Các công ty dầu khí truyền thống đang nói về việc tận dụng khả năng kỹ thuật to lớn của họ để sản xuất hydro đồng thời thu giữ khí thải từ các quy trình bẩn dựa trên khí mê-tan.
Quốc hội đã bôi trơn bánh xe bằng cách thông qua các khoản tín dụng thuế sản xuất hydro xanh hấp dẫn nhất từ trước đến nay trong Đạo luật Giảm lạm phát năm 2022. Nếu việc công chúng bất ngờ tranh giành bản in đẹp về các khoản tín dụng thuế đó là bất kỳ dấu hiệu nào, thì rất nhiều tập đoàn có nguồn lực tốt đang rất lo lắng nhảy vào cuộc chiến và thu thập những lợi ích đó. Và đầu tháng này, Tổng thống Biden đã công bố những người giành được 7 tỷ USD cho bảy trung tâm hydro trong khu vực, nhằm khởi động nền kinh tế hydro của Hoa Kỳ bằng cách tạo ra cung và cầu gần nhau.
Nói cách khác, nền kinh tế hydro xanh mơ hồ của Mỹ đang bắt đầu lộ diện. Đây là con đường không chắc chắn từ trạng thái hiện tại đến một tương lai có đủ hydro xanh để làm sạch thép, xi măng, v.v.
Chăm sóc những mầm xanh hydro xanh
Tôi đã dành nhiều tuần để hỏi những nhân vật hàng đầu trong ngành công nghiệp hydro xanh mới nổi, nơi việc sản xuất quy mô thương mại hiện đang diễn ra ở Hoa Kỳ. Mọi người đều đồng thuận rằng nó chưa tồn tại - chưa.
Tuy nhiên, một số cơ sở sản xuất hydro xanh có thể được tìm thấy gần đó, tại một cơ sở thủy điện ở Bécancour, Quebec, thuộc sở hữu của nhà cung cấp khí đốt công nghiệp truyền thống Air Liquide. Nhà máy này ra mắt vào năm 2021 với tư cách là nhà sản xuất hydro xanh lớn nhất thế giới: Nó chứa toàn bộ 20 megawatt máy điện phân màng trao đổi proton do Cummins cung cấp. Có một số cách khác nhau để sản xuất hydro sạch, nhưng loại đó - gọi tắt là PEM - có động lực thương mại nhất hiện nay.
Các nhà sản xuất hydro định lượng năng lực sản xuất bằng lượng điện mà máy điện phân tiêu thụ. Nhà máy Bécancour công suất 20 megawatt sử dụng lượng thủy điện lớn như vậy từ cơ quan tiện ích của Quebec và bơm ra 8 tấn hydro mỗi ngày, công ty hóa lỏng và vận chuyển đến khách hàng ở miền Đông Hoa Kỳ và Canada.
Dave Edwards, người được chính thức chỉ định là “người ủng hộ năng lượng hydro” của Air Liquide cho biết: “Đây có thể là [nhà máy] lớn nhất đang hoạt động hiện nay, nhưng sẽ có rất nhiều nhà máy lớn hơn sắp ra mắt”.
Một nhà máy năng lượng mặt trời 20 megawatt, hoặc một hệ thống pin lưới 20 megawatt, từng có vẻ lớn. Cơ sở này sẽ sớm bị vượt mặt bởi làn sóng các nhà máy hydro ngày càng mạnh mẽ, một số trong đó đã được xây dựng. Nhưng nó cung cấp một số hiểu biết sâu sắc về cách các nhà sản xuất hydro có thể tăng công suất của họ.
Theo Edwards, những câu hỏi quan trọng cần đặt ra khi lập kế hoạch cho một địa điểm sản xuất hydro là “Năng lượng nào có sẵn để sản xuất hydro, ai là người cung cấp và họ cần gì?”
Để đảm bảo tính xanh, Air Liquide đã chọn đặt cơ sở ở trung tâm thủy điện tái tạo nổi tiếng của Quebec. Tiêu chuẩn vàng cho hydro xanh sẽ luôn sản xuất khí vô hình trực tiếp từ nguồn năng lượng chuyên dụng không chứa carbon, nguồn cung cấp lý tưởng 24/7, cho phép cơ sở hoạt động tối đa. Thủy điện có thể đáp ứng tất cả các yêu cầu này, cũng như địa nhiệt và hạt nhân. Các nhà sản xuất trông cậy vào năng lượng gió và năng lượng mặt trời giá rẻ sẽ cần tìm ra cách tận dụng tối đa nguồn cung cấp rẻ tiền nhưng không liên tục đó.
Đối với những người bao tiêu, việc sản xuất tại Quebec đã cho phép Air Liquide tiếp thị hydro xanh cho khách hàng ở Bờ Đông. Công ty trước đây đã sản xuất ở phía tây cho thị trường hydro ban đầu ở California, nơi đã tung ra các khoản trợ cấp hào phóng cho nhiên liệu. Nhưng nhu cầu cuối cùng đã xuất hiện ở phương Đông, và tốt nhất là nội địa hóa việc phân phối hydro trong phạm vi 500 đến 1.000 dặm quanh khách hàng, theo Edwards.
Nói rõ hơn, ngày nay không ai ở Bắc Mỹ mua hydro xanh để sản xuất thép hoặc xi măng. Các công ty khởi nghiệp và những người hoạt động trong các ngành đó vẫn phải tìm ra cách sản xuất thép xanh trên quy mô lớn, đảm bảo người mua và sau đó chuẩn bị những kỹ thuật đó cho đầu tư hàng loạt. Hiện tại, nhu cầu tối thiểu về hydro sạch đến từ những khách hàng thực sự có thể sử dụng nó.
Edwards lưu ý: “Chúng tôi coi giao thông vận tải là một trong những phương tiện đầu tiên áp dụng phân tử carbon thấp mới này.
Điều đó có nghĩa là xe sedan Toyota Mirai, xe tải hạng nặng và trong trường hợp công ty khởi nghiệp sử dụng hydro xanh Plug Power, một đội xe nâng chạy bằng pin nhiên liệu để sử dụng bên trong nhà kho và trung tâm phân phối. Các phương tiện giao thông cần hydro ở dạng lỏng để duy trì hoạt động của pin nhiên liệu. Mặc dù còn hạn chế nhưng thị trường hydro lỏng này cung cấp chỗ đứng cho các công ty hydro xanh phát triển công suất máy điện phân của họ.
Lái xe nâng đến ngày trả lương hydro xanh
Hiện nay, một nhận thức phổ biến là hydro xanh không thể cạnh tranh về mặt chi phí so với hydro bẩn, được tạo ra bằng cách “cải tạo” khí mê-tan. Bộ Năng lượng muốn giảm chi phí hydro được sản xuất bằng năng lượng tái tạo từ khoảng 5 USD/kg hiện nay xuống còn 1 USD/kg vào năm 2031 bằng cách cải tiến máy điện phân và tăng cường năng lượng sạch rẻ hơn. Các biện pháp khuyến khích của liên bang lên tới 3 USD cho mỗi kg hydro sạch có trong IRA được thiết kế để thu hẹp khoảng cách chi phí trong khi quá trình sản xuất hydro xanh hoàn thiện.
Việc giảm chi phí đó là rất quan trọng đối với việc áp dụng rộng rãi và lâu dài loại hydro không chứa carbon. Nhưng thực tế là ngay cả bây giờ các nhà sản xuất xanh cũng không phải cạnh tranh với loại hydro hóa thạch giá rẻ đáng sợ 1 USD/kg. Nếu họ bán hydro lỏng cho xe cộ, họ chỉ cần đánh bại động cơ diesel hoặc thị trường hydro lỏng đặc biệt, nơi giá cả đã tăng cao trong một thời gian dài.
Thị trường hydro lỏng truyền thống bị chi phối bởi một số công ty khí công nghiệp. Sản xuất tăng trưởng vào những năm 1950 để cung cấp nhiên liệu tên lửa cho NASA; sau đó tên lửa đạn đạo xuyên lục địa và một số mục đích sử dụng công nghiệp thích hợp đã giúp các cơ sở này tiếp tục hoạt động. Hầu như không có ai ngoài những công ty đương nhiệm này có khả năng tiếp cận với thiết bị có khả năng hóa lỏng hydro, bao gồm việc làm lạnh chất này gần đến mức không tuyệt đối, điểm mà tại đó chuyển động phân tử dừng lại.
Do đó, khách hàng không thể đơn giản mua hydro lỏng trên thị trường mở; họ phải ký thỏa thuận trực tiếp với một trong số ít công ty đương nhiệm, vốn có đòn bẩy đáng kể. Những thỏa thuận này thường giữ chân khách hàng trong thời gian dài. Theo báo cáo thu nhập tháng 8 từ Plug Power, các nhà sản xuất truyền thống ở Mỹ đã tính phí lên tới 10 USD/kg cho hydro lỏng trong năm nay.
Mark Hutchinson, Giám đốc điều hành của công ty hydro xanh Fortescue Energy của Úc, cho biết: “Thực sự không có giá, không có thị trường, không có chỉ số. Nói cách khác, trách nhiệm của các doanh nhân kinh doanh hydro là biến sản phẩm đặc biệt này thành một mặt hàng sẵn có.
Công ty giao dịch đại chúng Plug Power đã gặp phải vấn đề này khi ký một thỏa thuận mang tính bước ngoặt vào năm 2017 để cung cấp cho các kho của Amazon xe nâng chạy bằng hydro, hứa hẹn có nhiều thời gian hoạt động hơn và hiệu suất tốt hơn so với các mẫu xe chạy bằng pin hiện có. Ngay sau đó, các giám đốc điều hành của Plug Power xác định rằng việc tự sản xuất hydro lỏng sẽ tiết kiệm tiền cho công ty và khách hàng.
Ba năm trước, Plug Power đã mua lại một nhà máy hydro hiện có ở Charleston, Tennessee, hiện sản xuất 10 tấn mỗi ngày bằng cách sử dụng quy trình clo-kiềm đã được thiết lập tốt. Khí hydro thoát ra qua đường ống từ một nhà máy hóa chất lân cận như một sản phẩm phụ của quá trình tạo ra khí clo và Plug hóa lỏng nó. Plug cũng mua lại một công ty điện phân PEM tên là Giner ELX, trao cho công ty này quyền sở hữu trí tuệ để tự tạo ra hydro xanh.
Từ đó, Plug “bắt đầu xây dựng các nhà máy hoàn chỉnh,” Brenor Brophy, phó chủ tịch phát triển dự án tại Plug Power cho biết. Đầu tiên là nhà máy điện phân PEM công suất 40 megawatt ở Georgia, dự kiến đi vào hoạt động vào cuối năm nay, sẽ tăng gấp đôi công suất của nhà máy dẫn đầu thế giới hiện nay, nhà máy Air Liquide ở Quebec. Plug đang xây dựng một cơ sở clo-kiềm ở Louisiana và các cơ sở điện phân PEM ở New York và Texas sẽ mang lại quy mô hoàn toàn mới: 120 MW ở Texas và 200 MW ở New York. Ban lãnh đạo công ty nói với các cổ đông rằng họ sẽ sản xuất 500 tấn hydro lỏng xanh mỗi ngày vào năm 2025, gần gấp đôi thị trường sản phẩm hóa lỏng hiện tại ở Mỹ.
“Không ai thực sự xây dựng nhà máy ngoại trừ Plug,” Brophy nói. “Bây giờ chúng tôi đã biết rất rõ chi phí để xây dựng một nhà máy hydro xanh là bao nhiêu”.
Đây không chỉ là hiện tượng của Mỹ: Tại hội nghị chuyên đề công ty vào tháng 10, các nhà lãnh đạo của Plug đã thông báo rằng họ sẽ cung cấp cho Fortescue máy điện phân 550 megawatt để phát triển Đảo Gibson ở Úc và các công ty có kế hoạch đầu tư vào sản xuất hydro của nhau. các trang web ở Mỹ và các nơi khác.
Về phần mình, Air Liquide chưa công bố bất kỳ kế hoạch cụ thể nào để xây dựng các nhà máy hydro xanh của Hoa Kỳ. Nhưng Edwards, người ủng hộ hydro xanh của công ty, đã mô tả một loạt kế hoạch và phát triển đang diễn ra, trong đó nhiều công ty giữ lại các thông báo trong khi Bộ Năng lượng vẫn đang cân nhắc về các khoản tài trợ cho trung tâm hydro được nhiều người mong đợi. Air Liquide tham gia vào sáu trong số bảy trung tâm mà DOE đã chọn vào ngày 13 tháng 10 để nhận tổng cộng 7 tỷ USD.
Sự giãn nở khí
Các tập đoàn như Air Liquide và Plug Power hy vọng sẽ mở rộng quy mô hydro xanh bằng cách bán nó ở dạng lỏng để thúc đẩy các phương tiện sạch. Lợi ích của cách tiếp cận đó là ngày nay khách hàng đang mua hydro sạch cho các phương tiện giao thông - thành công không phụ thuộc vào việc một thị trường không tồn tại đi vào hoạt động.
Nhưng những người sử dụng công nghiệp lớn, vẫn còn mang tính lý thuyết - các nhà sản xuất thép, xi măng, hóa chất có hàm lượng carbon thấp - cần khí hydro để khử cacbon trong các quy trình của họ. Một nhóm doanh nhân khác đang đặt cược rằng nếu họ bắt tay vào xây dựng cơ sở sản xuất khí hydro xanh ngay bây giờ, các khách hàng công nghiệp sẽ mua nó.
Jacob Susman, một nhà phát triển gió lâu năm, người đã thành lập công ty hydro Ambient Fuels vào năm 2021, cho biết: Phát triển sản xuất hydro có thể giống như phát triển các dự án năng lượng tái tạo cạnh tranh. để có được quyền sử dụng đất và nộp hồ sơ xin giấy phép và đấu nối lưới điện. Sau khi các thành phần chính được đảm bảo an toàn, bạn có thể thu hút khách hàng và đó là lúc bạn chi số tiền lớn để xây dựng trang web.
Ambient chưa hoàn thành bất kỳ dự án sản xuất hydro nào, nhưng vào tháng 5, nó đã huy động được 250 triệu đô la từ nhà tài trợ công nghệ khí hậu Tạo vốn để hỗ trợ việc xây dựng. Ông nói thêm, các dự án sớm nhất của Susman có thể bắt đầu sản xuất vào năm 2026 và lĩnh vực này sẽ đạt “vận tốc thoát hiểm” vào năm 2028.
Hy Stor, một công ty đang phát triển cơ sở sản xuất và lưu trữ hydro xanh tích hợp, đang nỗ lực cung cấp khí hydro xanh vào năm 2026 cho các khách hàng công nghiệp sẽ mở cửa hàng tại khu phức hợp rộng 70.000 mẫu Anh của công ty ở ven biển Mississippi. Bây giờ nó chỉ cần di chuyển nhanh nhất có thể để sản xuất đủ hydro kịp thời.
“Chúng tôi thực sự đang đi từ con số 0 đến 180 dặm một giờ,” CCO Claire Behar của Hy Stor cho biết. “Chúng ta sẽ đạt đến quy mô gigawatt. Chúng tôi sẽ là lớn nhất.”
Behar từ chối nêu rõ chính xác khách hàng công nghiệp là ai hoặc công ty sẽ lắp đặt máy điện phân của ai để sản xuất hydro. Nhưng cô ấy đã nói rằng công ty sẽ khởi công vào đầu năm tới việc lắp đặt năng lượng tái tạo sẽ cung cấp năng lượng cho quá trình điện phân và các vòm muối sẽ lưu trữ khí hydro ở độ sâu hàng nghìn feet dưới mặt đất.
Tốc độ quyết định sự lựa chọn thiết kế của Hy Stor. Chỉ cần chờ cấp phép để kết nối một nhà máy điện tái tạo lớn với lưới điện có thể bị trễ thời hạn vào năm 2026, vì vậy Hy Stor đang xây dựng một tổ hợp phát điện gió, mặt trời và địa nhiệt không nối lưới tại địa điểm sẽ bơm điện trực tiếp vào máy điện phân của cơ sở. Với tốc độ quay vòng chặt chẽ, Hy Stor sẽ tập trung vào các máy điện phân kiềm trưởng thành cũng như máy điện phân PEM cho hydro không chứa carbon. Công ty có kế hoạch chứa khí trong 10 mái vòm muối dưới lòng đất được xây dựng có mục đích và bán cho khách hàng xây dựng cơ sở vật chất trong khu công nghiệp mới để sản xuất những thứ như thép xanh và phân bón.
Hy Stor không hề đơn độc trong việc nhanh chóng nâng cao năng lực sản xuất hydro xanh của Mỹ. Các nhà sản xuất thép xanh tương lai không cần phải đầu tư vào một chuỗi cung ứng mới xuất hiện một cách kỳ diệu. Thay vào đó, họ cần nhóm nhà phát triển hydro mới để đảm bảo đất đai và máy điện phân, cung cấp năng lượng sạch - và bắt đầu xây dựng càng sớm càng tốt.
