Cơn sốt hydro đang sụp đổ – nhưng chúng ta không thể từ bỏ hydro tái tạo
Paul Martin, kỹ sư hóa học và chuyên gia phát triển quy trình, phác thảo năm lĩnh vực không hối tiếc mà hydro tái tạo là cần thiết để đạt được mức phát thải ròng bằng 0
Ruud Morijn, Khói trắng từ ống khói công nghiệp, Adobe Stock
Chuyển thể từ bài viết Hidro xanh phù hợp ở đâu? của Paul Martin, kỹ sư hóa học và chuyên gia phát triển quy trình.
Hydro đang có tiếng chuông cảnh tỉnh. Trong vòng vài ngày, Liên minh châu Âu đã được cảnh báo rằng các mục tiêu về hydro của họ là "không thực tế", kiến trúc sư của chiến lược hydro sạch của Úc thừa nhận rằng rất khó để thấy hydro sưởi ấm nhà cửa, và gã khổng lồ năng lượng Fortescue đã công bố cắt giảm 700 việc làm và thu hẹp tham vọng về hydro tái tạo của mình.
Các báo cáo này nêu bật khoảng cách mới nổi giữa cơn sốt hydro và thực tế khoa học. Cuộc thảo luận về hydro đang dần hoàn thiện và những thời điểm sắp tới như Thỏa thuận công nghiệp sạch của EU mang đến cơ hội cho các nhà hoạch định chính sách thực hiện tầm nhìn có mục tiêu, dựa trên khoa học về vai trò của nó trong quá trình chuyển đổi năng lượng - thay vì từ bỏ hoàn toàn hydro tái tạo.
Vậy, điều gì sẽ xảy ra tiếp theo với hydro? Nếu thế giới muốn đạt được mức phát thải ròng bằng 0 vào năm 2050, thì đã đến lúc phải nghiêm túc triển khai hydro tái tạo - còn được gọi là hydro xanh - cho các lĩnh vực thực sự không hối tiếc.
IEA (2024), Sản xuất hydro phát thải thấp toàn cầu và lộ trình COP28, 2030
Biểu đồ này từ Cơ quan Năng lượng Quốc tế minh họa cho thực tế khắc nghiệt rằng thế giới không đi đúng hướng để khử cacbon trong sản xuất và sử dụng hydro hiện tại, do nguồn cung hydro phát thải thấp khan hiếm. Điều này thậm chí còn không tính đến các ứng dụng thử nghiệm mới mà khoa học cho thấy có thể khử cacbon hiệu quả hơn thông qua điện khí hóa trực tiếp.
Chúng ta đừng quên rằng 99% lượng hydro trên thế giới vẫn được tạo ra từ nhiên liệu hóa thạch mà không có quá trình thu giữ và lưu trữ carbon, và mỗi năm tạo ra nhiều khí thải hơn ngành hàng không toàn cầu.
Do đó, hydro tái tạo gần như không phát thải, được tạo ra từ điện tái tạo, vẫn là một phần thiết yếu của con đường hiệu quả nhất hướng tới quá trình khử cacbon toàn cầu và chúng ta cần áp dụng cách tiếp cận ưu tiên đối với nơi sử dụng hydro.
Trước tiên, chúng ta phải triển khai hydro tái tạo để thay thế hydro hóa thạch gây ô nhiễm hiện tại, sau đó mới đến một số ít các lĩnh vực mục tiêu không có các lựa chọn khử cacbon thay thế như điện khí hóa trực tiếp.
Nguyên nhân là do hydro tái tạo cần một lượng lớn điện tái tạo để sản xuất, khiến nó trở nên cực kỳ kém hiệu quả về mặt năng lượng. Nó rất đắt và nguồn cung toàn cầu khan hiếm.
Cuối cùng, hydro tái tạo là một giải pháp thích hợp có ý nghĩa về mặt khoa học và kinh tế đối với các ứng dụng mà chúng ta cần các đặc tính hóa học đặc biệt của hydro - đây là nơi mà thế giới chủ yếu sử dụng hydro hóa thạch gây phát thải nhiều hiện nay.
Dưới đây là năm lĩnh vực mà chúng ta cần hydro tái tạo để khử cacbon cho 120 triệu tấn hydro hóa thạch đã được sản xuất mỗi năm:
Amoniac làm phân bón
Khoảng một phần ba hydro hóa thạch được sử dụng mỗi năm để tạo ra amoniac hóa học, bằng cách phản ứng hydro với nitơ.
Hầu hết amoniac này được sử dụng để sản xuất phân bón gốc nitơ, chịu trách nhiệm thông qua việc cải thiện năng suất cây trồng để nuôi sống khoảng một nửa số người và động vật làm thực phẩm trên trái đất.
Để đạt được mức phát thải ròng bằng 0, điều cần thiết là phải khử cacbon cho amoniac này bằng hydro tái tạo. Về lâu dài, điều này phải kết hợp với các biện pháp canh tác được cải thiện và giảm tổng thể việc sử dụng phân bón nitơ để giảm bớt lượng khí thải và tác động môi trường phát sinh khi bón phân nitơ vào đất.
Mặc dù trường hợp sử dụng này được ưu tiên cao, chỉ có một số ít dự án tìm cách khử cacbon cho sản xuất phân bón bằng hydro tái tạo vì hiện tại nông dân có rất ít động lực để trả thêm tiền cho phân bón xanh hơn.
Do đó, việc hỗ trợ ngành phân bón xanh phải trở thành ưu tiên hàng đầu của các nhà hoạch định chính sách về hydro. Nếu không có chính sách phù hợp để đưa amoniac tái tạo vào sản xuất phân bón, nó có nguy cơ được triển khai cho các mục đích sử dụng cuối kém hiệu quả, có khả năng gây nguy hiểm và ít được ưu tiên mà hiện đang được trợ cấp, chẳng hạn như nhiên liệu trong các nhà máy điện.
Lọc dầu
Khoảng một phần ba lượng hydro hóa thạch của thế giới được sản xuất và sử dụng mỗi năm trong quá trình lọc dầu.
Hydro được sử dụng trong các nhà máy lọc dầu để loại bỏ các loài lưu huỳnh và nitơ độc hại khỏi các phần dầu cắt ra sau đó sẽ được đốt trong một quy trình được gọi là "xử lý hydro". Nó cũng được sử dụng trong "máy bẻ gãy hydro", xử lý hydro nguyên liệu dầu mỏ và phá vỡ các phân tử lớn thành các phân tử nhỏ hơn, với hydro đảm bảo tính ổn định trong sản phẩm cuối cùng.
Trong tương lai không có carbon, nhu cầu hydro trong quá trình lọc dầu sẽ giảm đáng kể. Chúng ta vẫn sẽ lọc một số dầu mỏ khi thế giới ngừng đốt nhiên liệu hóa thạch để tạo ra một số hóa chất và vật liệu nhất định, nhưng chỉ bằng 15-25% mức hiện tại.
Cuối cùng, vì một số quy trình lọc dầu quan trọng cũng tạo ra hydro dưới dạng
một sản phẩm phụ, lọc dầu có khả năng trở nên gần như tự duy trì với sản xuất và sử dụng hydro. Do đó, đây không phải là mục đích sử dụng ưu tiên cao nhất đối với hydro tái tạo hiện nay và cần tập trung vào việc loại bỏ việc đốt nhiên liệu hóa thạch trong lĩnh vực này.
Methanol
Hydro hóa thạch hiện được sử dụng để tạo ra metanol hóa học, gần như chỉ được tạo ra từ khí tổng hợp (hỗn hợp carbon monoxide và hydro) được sản xuất từ khí tự nhiên hoặc từ than khí hóa.
Methanol hiện đang được sử dụng để tạo ra nhiều hóa chất và vật liệu quan trọng khác, chẳng hạn như formaldehyde, axit formic, axit axetic và một số polyme quan trọng, được sử dụng trong các sản phẩm hàng ngày từ sơn đến phụ tùng ô tô. Nó cũng được sử dụng làm dung môi và chất chống đông.
Trong tương lai không có carbon, metanol tái tạo có thể được tạo ra bằng cách sử dụng sinh khối hoặc carbon dioxide sinh học. Cả hai quy trình sản xuất này đều cần hydro tái tạo. Methanol sinh học này có thể rẻ hơn nhiều so với e-methanol được tạo ra từ hydro và carbon dioxide và là trường hợp sử dụng ưu tiên cao đối với hydro tái tạo.
Sử dụng trực tiếp hóa chất
Hydro hóa thạch hiện đang được sử dụng trong nhiều phản ứng hóa học khác và như một chất phản ứng để ngăn chặn những phản ứng khác xảy ra.
Hydro được sử dụng để bảo vệ kim loại khỏi quá trình oxy hóa bên trong lò nung, để hydro hóa dầu thực vật và động vật, làm chất làm mát trong tua bin và một số thiết bị điện, và trong nhiều phản ứng như tạo ra axit halo, hydroformyl hóa và nhiều phản ứng khác.
Mỗi ứng dụng riêng lẻ này đều tiêu thụ một tỷ lệ nhỏ sản lượng hydro trên thế giới, nhưng cộng lại sẽ lên tới hàng triệu tấn hydro mỗi năm. Tất cả đều cần hydro để có các đặc tính hóa học của nó, khiến việc khử cacbon bằng hydro tái tạo trở thành ưu tiên hàng đầu.
Sắt để sản xuất thép
Một ứng dụng không hối tiếc trong tương lai đối với hydro tái tạo là sản xuất sắt làm nguyên liệu thô để sản xuất thép.
Việc khử trực tiếp sắt (DRI) từ quặng thành kim loại giúp loại bỏ nhu cầu về lò cao truyền thống chạy bằng than cốc có nguồn gốc từ than. Hiện tại, nó chỉ chiếm một tỷ lệ nhỏ trong sản lượng sắt trên toàn thế giới, nhưng đã chiếm khoảng 10% lượng tiêu thụ hydro toàn cầu.
Hydro tái tạo có thể thay thế khí tổng hợp có nguồn gốc từ khí thiên nhiên hóa thạch hiện đang được sử dụng cho DRI, cắt giảm lượng khí thải carbon trong toàn bộ quá trình sản xuất thép. Điều quan trọng cần lưu ý là hydro trong DRI được sử dụng vì tính chất hóa học của nó như một chất khử, chứ không phải như một loại nhiên liệu.
DRI với hydro tái tạo là con đường cắt giảm lượng khí thải sản xuất sắt với mức độ sẵn sàng công nghệ cao nhất. Mặc dù các công nghệ khử sắt điện trực tiếp đang được phát triển, nhưng chúng vẫn đang ở giai đoạn đầu và sẽ mất ít nhất một thập kỷ để thương mại hóa.
Do đó, đây là một lĩnh vực mà việc sử dụng hydro tái tạo là ưu tiên hàng đầu để khử cacbon và là lĩnh vực tăng trưởng tiềm năng cho việc tiêu thụ hydro - cụ thể là ở những địa điểm có công suất phát điện tái tạo dư thừa và quặng sắt nằm gần nhau.
Vậy tiếp theo là gì?
Sản xuất hydro hiện tại vẫn là một vấn đề khử cacbon lớn. Việc xanh hóa lĩnh vực này bằng hydro tái tạo sẽ không phải là nhiệm vụ nhỏ, đòi hỏi lượng điện gió và điện mặt trời gần gấp ba lần so với lượng điện thế giới sản xuất vào năm 2019.
Việc sử dụng hydro hóa thạch hiện tại có khả năng sẽ giảm trong tương lai không có carbon nếu chúng ta giảm sự phụ thuộc vào phân bón và tinh chế nhiên liệu hóa thạch. Đồng thời, sẽ có một số mục tiêu sử dụng hydro tái tạo mới, chẳng hạn như trong sản xuất thép xanh.
Bất kỳ mục đích sử dụng hydro tái tạo mới nào nói chung đều cần hydro vì các đặc tính hóa học của nó, thay vì sử dụng làm nhiên liệu hoặc phương tiện lưu trữ năng lượng, biện minh cho lượng năng lượng lớn bị mất trong quá trình sản xuất.
Việc sử dụng hydro làm nhiên liệu hiện tại chỉ giới hạn ở một số ít mục đích sử dụng đặc biệt, chẳng hạn như trong các giai đoạn trên của tên lửa. Việc sử dụng hydro làm nhiên liệu cho xe cộ và sưởi ấm hiện chỉ chiếm một phần nhỏ trong tổng lượng tiêu thụ hydro của thế giới và điều này sẽ không thay đổi trong tương lai vì sử dụng điện tái tạo trực tiếp luôn hiệu quả hơn bất cứ khi nào có thể.
Cuối cùng, hydro tái tạo phải được dành riêng cho các ngành công nghiệp khử cacbon và bảo vệ tương lai mà không có các lựa chọn khử cacbon khác, như phân bón, hóa chất và sản xuất thép.
Chúng ta không thể từ bỏ hydro tái tạo. Sự cường điệu xung quanh sự bùng nổ của hydro không có nghĩa là chúng ta từ bỏ vai trò thực tế và có mục tiêu mà nó phải đóng trong quá trình chuyển đổi năng lượng - hoặc quên rằng việc cắt giảm ít nhất 2% lượng khí thải toàn cầu phụ thuộc vào nó.
