Đánh giá tiềm năng của mạng lưới hydro và carbon dioxide cho tương lai của các hệ thống năng lượng châu Âu
Biểu đồ so sánh chi phí hệ thống trong các kịch bản khác nhau, minh họa rõ ràng những lợi thế kinh tế khi kết hợp cả hai mạng lưới. Nguồn: Hofmann và cộng sự
Trong những thập kỷ qua, nhiều quốc gia trên toàn thế giới đã cố gắng chuyển đổi dần dần các hệ thống năng lượng của họ, với mục đích giảm phát thải carbon và giảm thiểu tác động tiêu cực của biến đổi khí hậu. Các mạng lưới vận chuyển hydro và carbon dioxide (CO2), cơ sở hạ tầng được thiết kế để vận chuyển khí hydro và CO2 thu được, có thể hỗ trợ sự chuyển dịch sang các hệ thống năng lượng trung hòa khí hậu.
Các nhà nghiên cứu tại Đại học Kỹ thuật Berlin đã tiến hành một nghiên cứu nhằm hiểu rõ hơn về mức độ mà các mạng lưới vận chuyển hydro và CO2 có thể đóng góp vào quá trình phi carbon hóa trong tương lai của hệ thống năng lượng châu Âu. Bài báo của họ, được công bố trên tạp chí Nature Energy, cho thấy rằng cả hai loại mạng lưới này đều có thể đóng vai trò quan trọng trong việc thiết lập một hệ thống năng lượng sạch và bền vững của châu Âu.
"Theo quan điểm của chúng tôi, chúng tôi đang hình dung một nền kinh tế thân thiện với khí hậu, ít phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch nhất có thể và tôn trọng các cân nhắc về kinh tế xã hội", Fabian Hofmann, tác giả đầu tiên của bài báo, chia sẻ với Tech Xplore.
"Để đạt được điều này, có một khoảng cách kiến thức chung khi nói đến câu hỏi về cách chúng ta khử cacbon cho các lĩnh vực 'khó giảm thiểu'. Mặc dù rõ ràng là điện khí hóa và xây dựng các nguồn năng lượng tái tạo (cùng với các kho lưu trữ năng lượng và khả năng truyền tải) là con đường chính cho hầu hết các lĩnh vực, nhưng có một số lĩnh vực thâm dụng năng lượng của nền kinh tế mà chúng ta cần tìm các giải pháp thay thế".
Nhiên liệu hydro thường được coi là một giải pháp thay thế đầy hứa hẹn cho nhiên liệu tổng hợp để cung cấp năng lượng xanh trong một số ngành công nghiệp. Hai ví dụ chính là ngành hàng không, ngành này phụ thuộc vào lượng lớn nhiên liệu tổng hợp và ngành xi măng, ngành được biết là thải ra một lượng lớn CO2.
"Ở đây, việc quản lý carbon cũng trở nên quan trọng không kém: đối với nhiên liệu tổng hợp, carbon đến từ đâu; đối với khí thải dựa trên quy trình, chúng ta thải chúng ở đâu?" Hofmann cho biết.
"Tất nhiên, câu hỏi đặt ra là liệu có lợi ích khi tích hợp hoàn toàn quản lý carbon, bao gồm vận chuyển và lưu trữ, vào toàn bộ hệ thống năng lượng hay không. Trong bài báo của mình, chúng tôi muốn định lượng lợi ích tiềm năng này và xem xét cách các mạng lưới hydro và carbon có thể bổ sung hoặc cạnh tranh với nhau như thế nào."
Mục tiêu chính của nghiên cứu gần đây của Hofmann và các đồng nghiệp là làm sáng tỏ mức độ mà các mạng lưới hydro và CO2 có thể cùng nhau đóng góp vào các hệ thống năng lượng trung hòa khí hậu trong tương lai của Châu Âu.
Để điều tra điều này, các nhà nghiên cứu đã xây dựng một mô hình chi tiết về bối cảnh năng lượng của Châu Âu, sử dụng một nền tảng phần mềm nguồn mở có tên là PyPSA-Eur.
Sử dụng nền tảng này, họ đã so sánh bốn kịch bản khác nhau. Trong kịch bản đầu tiên, không có mạng lưới chuyên biệt, trong kịch bản thứ hai chỉ có mạng lưới CO2, trong kịch bản thứ ba chỉ có mạng lưới hydro và trong kịch bản thứ hai, cả hai loại mạng đều có.
"Mô hình của chúng tôi thể hiện châu Âu như một mạng lưới gồm 90 khu vực được kết nối với nhau, nơi năng lượng có thể chảy giữa các khu vực thông qua các đường dây truyền tải, đường ống và cơ sở hạ tầng khác—mỗi khu vực đều có những hạn chế về công suất và tổn thất riêng", Hofmann giải thích. "Đối với đường ống hydro và CO2, chúng tôi đã xem xét các đặc tính vật lý thực tế như yêu cầu năng lượng nén và tổn thất vận chuyển".
Các nhà nghiên cứu đã chạy mô phỏng cả năm với độ phân giải thời gian là ba giờ. Mô phỏng này khả thi về mặt tính toán, nhưng vẫn cho phép họ nắm bắt đủ sự thay đổi liên quan đến các nguồn năng lượng tái tạo, cũng như sự tương tác phức tạp giữa hai loại mạng lưới.
Bản đồ cho thấy hydro và carbon dioxide sẽ chảy qua châu Âu như thế nào trong kịch bản tối ưu của chúng tôi, minh họa bản chất bổ sung của hai mạng lưới. Tín dụng: Hofmann và cộng sự.
"Đối với mỗi kịch bản, chúng tôi đã tính toán sự kết hợp hiệu quả nhất về mặt chi phí giữa các công nghệ và cơ sở hạ tầng để đáp ứng nhu cầu năng lượng của châu Âu trong khi đạt được mức phát thải ròng bằng 0 vào năm 2050", Hofmann cho biết.
"Cách tiếp cận này giúp chúng tôi xác định xem việc di chuyển hydro đến nơi có carbon hay di chuyển carbon đến những địa điểm có thể sản xuất hydro với giá rẻ có ý nghĩa kinh tế hơn hay không, đồng thời tính đến những hạn chế thực tế về địa lý, kiểu thời tiết và hạn chế về cơ sở hạ tầng".
Các mô phỏng do Hofmann và các đồng nghiệp thực hiện đã mang lại một số kết quả rất thú vị. Đầu tiên, họ phát hiện ra rằng trong khi cả mạng lưới hydro và CO2 đều giảm chi phí riêng lẻ so với các kịch bản không có cả hai, thì việc kết hợp cả hai mạng lưới là hiệu quả nhất về mặt chi phí, tiết kiệm được khoảng 41 tỷ euro mỗi năm.
"Mạng lưới hydro chủ yếu phục vụ cho mục đích vận chuyển hydro giá rẻ từ các khu vực có nguồn tài nguyên tái tạo rất tốt đến các trung tâm công nghiệp và các cơ sở sản xuất nhiên liệu tổng hợp", Hofmann nói thêm.
"Trong khi đó, mạng lưới carbon hiệu quả di chuyển carbon dioxide thu được từ các địa điểm công nghiệp nội địa đến các địa điểm lưu trữ gần bờ biển. Đối với các nhà hoạch định chính sách và nhà hoạch định năng lượng, kết quả của chúng tôi nhấn mạnh tầm quan trọng của việc lập kế hoạch phối hợp trên các lĩnh vực năng lượng khác nhau và biên giới quốc gia."
Những phát hiện của nghiên cứu gần đây này có thể cung cấp thông tin cho các can thiệp trong tương lai trong ngành năng lượng. Cụ thể, họ gợi ý rằng thay vì xem cơ sở hạ tầng hydro và carbon là các khoản đầu tư riêng biệt hoặc cạnh tranh, các nhà hoạch định chính sách và kỹ sư nên xem chúng là các hệ thống bổ sung, vì tác động tích cực của chúng lớn hơn đáng kể khi chúng được kết hợp.
"Điều quan trọng là chúng tôi thấy rằng các cấu hình mạng này vẫn hiệu quả ngay cả khi thắt chặt các mục tiêu về khí hậu để đạt được mức phát thải ròng âm, tạo nền tảng vững chắc cho các quyết định về cơ sở hạ tầng dài hạn", Hofmann cho biết.
"Mặc dù tôi đã chuyển sang một vị trí mới bên ngoài học viện, tôi vẫn tham gia vào mô hình hóa hệ thống năng lượng, tập trung nhiều hơn vào việc phát triển các công cụ phần mềm PyPSA. Các đồng nghiệp của tôi tại Đại học Kỹ thuật Berlin đang thực hiện một nghiên cứu tiếp theo dựa trên những phát hiện của chúng tôi."
Nghiên cứu mới mà các đồng nghiệp của Hofmann đang tiến hành khám phá những hàm ý thực tế của các kết quả gần đây của họ, bằng cách đánh giá hiệu suất của các dự án PCI-PMI (Dự án vì lợi ích chung và Dự án vì lợi ích chung), tập trung cụ thể vào cơ sở hạ tầng hydro và CO2.
Kết quả của nhóm, được thu thập bằng cách sử dụng phương pháp mô hình cận thị, sẽ cung cấp cái nhìn sâu sắc mới về cách các dự án cơ sở hạ tầng được lập kế hoạch có thể giúp đạt được các mục tiêu chính sách của Châu Âu trong các mốc thời gian khác nhau (tức là năm 2030, 2040 và 2050).
"Một khía cạnh quan trọng trong công việc của các đồng nghiệp của tôi là định lượng 'sự hối tiếc' về mặt kinh tế hoặc các hàm ý về chi phí nếu việc triển khai đường ống bị trì hoãn trong một giai đoạn, nếu chúng không được phát triển hoặc nếu một số mục tiêu chính sách nhất định bị từ bỏ", Hofmann nói thêm.
"Nghiên cứu này sẽ cung cấp những hiểu biết có giá trị cho các nhà hoạch định chính sách về những hàm ý thực tế của các quyết định quy hoạch cơ sở hạ tầng và sự phù hợp của chúng với các mục tiêu khí hậu của Châu Âu."
Thông tin thêm: Fabian Hofmann et al, Chiến lược mạng lưới H2 và CO2 cho hệ thống năng lượng châu Âu, Nature Energy (2025). DOI: 10.1038/s41560-025-01752-6.
