Công nghệ sản xuất hydro bằng tế bào điện phân oxit rắn (SOEC) đang được xem là một trong những hướng hứa hẹn để tạo ra “green hydrogen” với hiệu suất cao điện-đến-hydrogen. Dưới đây là bài viết tổng hợp — vừa mô tả kỹ thuật, vừa trình bày tiến triển cụ thể của DENSO trong phát triển SOEC, các ưu điểm, thách thức và ứng dụng thực tiễn gần đây.
-
Khái quát về SOEC — nguyên lý hoạt động
SOEC (Solid Oxide Electrolysis Cell) là dạng tế bào điện phân hoạt động ở nhiệt độ cao (thường vài trăm đến ~800°C trở lên), sử dụng điện phân hơi nước (steam) trên một điện cực rắn để sinh ra hydrogen. Điện phân ở nhiệt độ cao cho phép tận dụng nhiệt làm giảm năng lượng điện cần thiết, do vậy hiệu suất điện phân có thể cao hơn nhiều so với các công nghệ điện phân thấp nhiệt độ (PEM, kiềm). SOEC dùng màng điện phân gốm dẫn ion oxy (O²⁻): hơi nước tại cực âm nhận electron → tạo H₂ và ion O²⁻; ion O²⁻ di chuyển qua điện giải tới cực dương và thải oxy. -
DENSO: lộ trình phát triển SOEC
- Bước khởi đầu/kiểm chứng nội bộ: DENSO đã công bố kế hoạch triển khai thử nghiệm SOEC tại nhà máy Hirose (Kariya) từ giữa năm 2023, dùng hydrogen sản xuất để cấp cho một dây chuyền thử nghiệm nhằm khảo sát ứng dụng trong sản xuất.
- Hợp tác công nghệ và chuyển giao cell stacks: Để tăng tốc thương mại hóa, DENSO ký thỏa thuận cấp phép sản xuất stack tế bào SOEC với Ceres Power (Anh) vào tháng 8/2024, nhằm tiếp cận công nghệ stack đã được Ceres phát triển và đẩy nhanh việc sản xuất quy mô.
- Hợp tác với ngành điện (JERA) và thử nghiệm thực địa: DENSO và JERA công bố hợp tác từ tháng 8/2024 để kết hợp SOEC với tận dụng nhiệt thải của nhà máy nhiệt điện — và đến tháng 9/2025 đã khởi động thử nghiệm sản xuất hydrogen bằng SOEC của DENSO tại Nhà máy Nhiệt điện Shin-Nagoya (qua dự án hợp tác), đây là thử nghiệm trong nhà máy nhiệt điện đầu tiên ở Nhật Bản dùng SOEC theo công bố. Hệ thống ban đầu có công suất điện phân ≈ 200 kW; một mục tiêu quan trọng là đạt “hiệu suất điện phân ở mức thế giới” bằng cách tận dụng nhiệt và hơi nước sẵn có trong nhà máy.
- Điểm mạnh của SOEC (và thế mạnh trong cách tiếp cận của DENSO)
- Hiệu suất điện cao: SOEC có thể đạt hiệu suất điện sang hydrogen cao (ứng dụng báo cáo/nhà sản xuất thường trích dẫn con số hiệu suất điện hóa lên tới khoảng 70–80% LHV trong điều kiện tối ưu), nghĩa là cùng một lượng điện có thể sản xuất được nhiều hydrogen hơn so với electrolysers thấp nhiệt độ. Việc kết hợp tận dụng nhiệt (waste heat) làm tăng hiệu quả hệ thống — đây chính là lý do DENSO hợp tác với JERA, tận dụng nhiệt thải và hơi nước từ nhà máy nhiệt điện.
- Tiềm năng tích hợp công nghiệp: SOEC phù hợp để đặt gần nguồn hơi nước/hơi nóng (như nhà máy nhiệt điện, lò hơi công nghiệp) để tận dụng nhiệt thải, giảm chi phí năng lượng. DENSO đang thử nghiệm chính xác phương án này tại nhà máy nhiệt điện của JERA.
- Khả năng đảo chiều (reversible operation): các tế bào oxit rắn về nguyên tắc có thể hoạt động đảo chiều (là SOFC khi đốt H₂ → sinh điện, hoặc SOEC khi điện phân hơi nước → sinh H₂), mở ra khả năng hệ thống linh hoạt giữa lưu trữ điện và phát điện.
- Những thách thức kỹ thuật cần vượt qua (vốn cũng là rào cản thương mại hóa)
Mặc dù tiềm năng lớn, SOEC hiện đối mặt với nhiều thách thức nghiên cứu và công nghiệp hoá:
- Độ bền và suy giảm hiệu suất theo thời gian: hoạt động ở nhiệt độ cao làm tăng tốc các cơ chế suy giảm (thay đổi vi cấu trúc, tương tác vật liệu, co giãn nhiệt, tạo ra các pha không mong muốn), dẫn đến mất hiệu năng dần theo chu kỳ vận hành. Nhiều nghiên cứu và báo cáo đánh giá SOEC nhấn mạnh vấn đề độ bền là rào cản hàng đầu.
- Vật liệu và kỹ thuật chế tạo stack: cần vật liệu điện cực, điện giải và interconnect tương thích về hệ số giãn nở nhiệt, tính dẫn điện và khả năng chống ăn mòn/khử oxy trong điều kiện phản ứng để đảm bảo tuổi thọ. Việc sản xuất stack với chi phí thấp và năng suất cao (scale-up) vẫn đang là thách thức.
- Vận hành linh hoạt & kiểm soát nhiệt: SOEC cần quản lý gradient nhiệt và điều kiện hơi/khí để tránh stress nhiệt và phân bố dòng không đồng đều; khi kết hợp với nguồn điện biến đổi (như điện tái tạo), việc điều khiển an toàn và ổn định càng quan trọng.
- Chi phí vốn ban đầu và chuỗi cung ứng: dù hiệu suất điện cao, chi phí đầu tư ban đầu cho hệ thống SOEC hiện còn lớn so với electrolysers PEM/kiềm đã trưởng thành; cần chuỗi cung ứng vật liệu và sản xuất lớn để hạ giá thành.
- Cách DENSO giải quyết các thách thức (chiến lược và bước đi)
- Hợp tác kỹ thuật & cấp phép: Việc DENSO ký giấy phép sản xuất stack với Ceres Power là một bước chiến lược để kết hợp công nghệ stack đã phát triển với năng lực tích hợp hệ thống của DENSO, rút ngắn thời gian thương mại hóa.
- Thử nghiệm thực địa (pilot → demo): DENSO tiến hành thử nghiệm tại nhà máy Hirose và hiện đã cùng JERA triển khai demo tại nhà máy nhiệt điện — chiến lược là đưa SOEC ra điều kiện vận hành thực tế (thay vì chỉ phòng thí nghiệm) để giải quyết vấn đề tích hợp hơi/thu nhiệt, vận hành liên tục và đánh giá độ bền trong môi trường công nghiệp.
- Tối ưu quản lý nhiệt và tích hợp hệ thống: theo các mô tả dự án, DENSO áp dụng năng lực “thermal management” (quản lý nhiệt) để tối ưu hiệu suất và giảm mất mát nhiệt, đồng thời tận dụng nguồn hơi nước và nhiệt thải từ nhà máy đối tác để tăng hiệu quả hệ thống.
- Ứng dụng thực tiễn và tiềm năng thị trường
- Sản xuất hydrogen cho công nghiệp và phát điện: SOEC đặt tại nhà máy nhiệt điện hoặc khu công nghiệp có nhiều nhiệt thải/nguồn hơi có thể cung cấp hydrogen xanh với chi phí cạnh tranh hơn nhờ tận dụng nhiệt thứ cấp. Dự án DENSO–JERA là ví dụ cụ thể về loại tích hợp này.
- Lưu trữ năng lượng quy mô lớn: với hiệu suất cao, SOEC có thể là phương tiện biến điện dư (từ điện tái tạo) thành hydrogen làm nhiên liệu lưu trữ lâu dài hoặc feedstock công nghiệp.
- Kết luận — vị thế và triển vọng
DENSO đã đi từ thử nghiệm nhà máy (Hirose, 2023) qua bước hợp tác công nghệ (Ceres Power, 2024) đến thử nghiệm demo trong nhà máy nhiệt điện (hợp tác JERA, 2024–2025). Chiến lược kết hợp chuyển giao công nghệ stack, quản lý nhiệt và thử nghiệm thực địa là cách tiếp cận hợp lý để giải quyết những thách thức thực tế của SOEC. Nếu các thử nghiệm demo chứng minh được độ bền dài hạn và chi phí tổng thể giảm khi tích hợp tận dụng nhiệt thải, SOEC do DENSO phát triển có thể trở thành một lựa chọn cạnh tranh cho sản xuất hydrogen xanh trong những ngành công nghiệp có nhiệt thải lớn.
Tài liệu tham khảo chính (chọn lọc): tin tức và thông báo chính thức của DENSO & JERA về dự án và SOEC; các bài review kỹ thuật & báo cáo trạng thái SOEC (CATF, Chemical Reviews, RSC) về ưu nhược và thách thức. (Nguồn chi tiết: press release DENSO 2023/2024/2025; JERA 2024; các bài review khoa học 2023–2025).
