Điện phân kiềm hay PEM: Nên chọn công nghệ nào?

Điện phân kiềm hay PEM: Nên chọn công nghệ nào?

Ngày 9 tháng 9 năm 2026
Annie Nguyễn

Hai công bố gần đây tạo cơ hội nhìn lại so sánh giữa điện phân kiềm (alkaline) và điện phân màng trao đổi proton (PEM) được thực hiện năm 2024, đồng thời thiết lập một góc nhìn cập nhật về hiệu suất thực tế của máy điện phân: Khảo sát Giá và Hiệu suất Máy điện phân 2026 (tháng 6 năm 2026) của BloombergNEF, và ấn phẩm Máy điện phân để Sản xuất Hydrogen: Đặc điểm Kỹ thuật và Kinh tế (tháng 2 năm 2026) của Ngân hàng Thế giới. Khi công nghệ và thị trường phát triển, một số dữ liệu đã thay đổi.

Hiện nay, hydrogen xanh thường được sản xuất bằng một trong bốn công nghệ: kiềm, PEM, điện phân oxit rắn (SOEC) và màng trao đổi anion (AEM). Trong đó, SOEC và AEM là những công nghệ mới phát triển gần đây, có ít kinh nghiệm thị trường hơn. SOEC đã đạt mức sẵn sàng công nghệ (TRL) 6–8 và đang trong giai đoạn trình diễn, thí điểm. AEM đạt TRL 5–8 với một số dự án quy mô thí điểm đang triển khai.

Điều đó để lại hai công nghệ chính được triển khai rộng rãi nhất trên toàn cầu là điện phân kiềm và PEM. Điện phân kiềm là công nghệ phổ biến nhất trên thị trường hiện nay và có khả năng tiếp tục giữ vị trí này trong những năm tới, chiếm 84% các dự án máy điện phân đang được xây dựng trên toàn thế giới. Tuy nhiên, mối quan tâm đối với điện phân PEM đang gia tăng, khi một số doanh nghiệp đặt câu hỏi liệu PEM hay kiềm là lựa chọn tốt hơn cho cơ sở của họ.

Những phát hiện chính mà người mua cần lưu ý:

• PEM đã mở rộng quy mô vượt 50 MW trong vận hành, nhưng dữ liệu thực địa dài hạn ở quy mô đó vẫn còn hạn chế.

• Kiềm vẫn chiếm ưu thế trong triển khai, với 84% các dự án máy điện phân đang được xây dựng trên toàn thế giới.

• Kiềm có hiệu suất cao hơn một chút so với PEM ở cấp hệ thống: khoảng 54,6 kWh/kg so với khoảng 55,1 kWh/kg đối với các hệ thống phương Tây năm 2025 (BNEF 2026).

• Các con số về hiệu suất và CAPEX được công bố không thể so sánh trực tiếp; cần hiểu rõ phạm vi cung cấp của từng nhà sản xuất để so sánh tương đương.

• Chưa có tiêu chuẩn ngành về cách tính suy giảm, hiệu suất, tải tối thiểu hay thời gian khởi động lại; hầu hết các con số đều từ phòng thí nghiệm và chưa được xác minh bằng vận hành thực địa.

• Ngành đang trưởng thành và các tham chiếu đã được chứng minh trở nên thiết yếu — chỉ kinh nghiệm vận hành thực tế mới có thể chứng minh và bảo đảm hiệu suất mà nhà sản xuất công bố.

• Kiềm đã tiến bộ đáng kể — chất tách zirconia mới, điện cực hợp kim niken và chẩn đoán kỹ thuật số.

Điện phân kiềm và kiềm áp suất: Công nghệ vững chắc cho nhiều ứng dụng

Trong lĩnh vực máy điện phân, kiềm là công nghệ lâu đời và trưởng thành nhất. Công nghệ này đã được sử dụng trong nhiều thập kỷ, bao gồm trong các dự án công nghiệp trên 100 MW, cho thấy hiệu suất và độ bền, và lịch sử lâu dài khiến nó thường dễ giám sát, bảo trì và vận hành hơn. Công nghệ này có CAPEX thấp nhất nhờ sử dụng vật liệu kinh tế hơn và triển khai các stack lớn hơn, cho phép kinh tế theo quy mô. Công nghệ vững chắc của nó phù hợp với mọi môi trường, bao gồm cả môi trường công nghiệp khắc nghiệt, và có khả năng chịu đựng cao nhất đối với nước cấp thô.

Một phân nhánh của máy điện phân kiềm là máy điện phân kiềm áp suất, mang lại những lợi ích tương tự cùng với các tính năng cải tiến phù hợp hơn với nhu cầu hiện nay. Vẫn được sản xuất mà không cần vật liệu quý hay hiếm, chúng đã được thiết kế lại để hoạt động với độ phản ứng và tính năng động cao hơn, có khả năng theo đuổi yêu cầu năng lượng biến đổi — điều thường gặp khi sử dụng năng lượng tái tạo. Chúng tích hợp khả năng tạo áp suất, giảm nhu cầu nén hạ nguồn tốn kém và mang lại lợi ích bổ sung bao gồm giảm diện tích và chi phí ở cấp hệ thống. Trong hơn 30 năm, John Cockerill đã định vị mình trong lĩnh vực điện phân kiềm áp suất quy mô lớn. Những động thái gần đây của các nhà sản xuất truyền thống hoạt động ở áp suất khí quyển như Nel và Thyssenkrupp Nucera hướng tới tích hợp kiềm áp suất vào danh mục sản phẩm của họ xác nhận nhu cầu đối với công nghệ này.

Những tiến bộ gần đây trong công nghệ kiềm xác nhận đây không phải là một nền tảng tĩnh. Những phát triển trong công nghệ chất tách — đặc biệt là sự chuyển đổi từ màng ngăn truyền thống sang chất tách composite tiên tiến như vật liệu gốc zirconia — đang cho phép giảm rò rỉ khí (thường dưới 1–2% trong điều kiện vận hành tiêu chuẩn), cải thiện độ ổn định cơ học và vận hành đáng tin cậy hơn ở áp suất cao hơn (20–30 bar trở lên). Những phát triển này đại diện cho một bước tiến quan trọng trong việc hiện đại hóa công nghệ kiềm, đặc biệt cho các ứng dụng áp suất và công nghiệp quy mô lớn.

Về phía điện cực, các điện cực gốc niken có diện tích bề mặt cao, bao gồm Ni-Fe và các cấu trúc hợp kim khác, đang cho phép mật độ dòng điện trong khoảng 0,3–0,6 A/cm² ở điều kiện công nghiệp trong khi vẫn duy trì tuổi thọ dài. Ở cấp stack, việc nén đồng đều hơn và hình học nội bộ được tinh chỉnh đang giúp duy trì điều kiện vận hành nhất quán trên các diện tích hoạt động lớn — đặc biệt quan trọng khi hệ thống mở rộng quy mô.

Các công cụ kỹ thuật số và chẩn đoán tiên tiến cũng ngày càng được sử dụng để cải thiện độ tin cậy và hiểu biết vận hành. Giám sát thời gian thực và chẩn đoán dựa trên trở kháng cho phép phát hiện sớm các sai lệch hiệu suất và hỗ trợ chiến lược bảo trì dự đoán, đặc biệt trong các cơ sở quy mô lớn.

Điện phân PEM: Công nghệ cho các ứng dụng chuyên biệt, đang mở rộng quy mô

Máy điện phân PEM ban đầu được thiết kế cho các dự án giao thông, vốn yêu cầu diện tích tối ưu, tính linh hoạt và đầu ra có độ tinh khiết cao. Chúng cũng cung cấp đầu ra áp suất cao hơn, hữu ích khi cần hóa lỏng trực tiếp sau sản xuất.

Máy điện phân PEM có lợi thế về thiết kế nhỏ gọn, mật độ dòng điện cao (thường 2 đến 3 A/cm², so với khoảng 0,3 A/cm² đối với kiềm theo BNEF 2026) và phản hồi nhanh, khiến chúng phù hợp với các ứng dụng yêu cầu hydrogen độ tinh khiết cao và vận hành linh hoạt trong môi trường được kiểm soát. Tuy nhiên, những lợi thế này đi kèm với đánh đổi, bao gồm cường độ vật liệu cao hơn, độ phức tạp hệ thống tăng và độ nhạy cảm lớn hơn với điều kiện vận hành, có thể ảnh hưởng đến cả chi phí và hiệu suất dài hạn trong các ứng dụng công nghiệp quy mô lớn.

Về quy mô: các dự án PEM đã bắt đầu mở rộng lên hàng chục megawatt, với một số cơ sở trên 50 MW mới được đưa vào vận hành — tiến bộ có ý nghĩa so với vị trí của công nghệ này chỉ vài năm trước. Tuy nhiên, dữ liệu thực địa về hiệu suất dài hạn ở quy mô lớn vẫn còn hạn chế, và nghiên cứu độc lập cho thấy các tuyên bố của nhà sản xuất về tuổi thọ và suy giảm cần được xác minh độc lập trước khi được dùng làm cơ sở cho quyết định đầu tư.

Về hiệu suất: một điều có phần ngược trực giác là máy điện phân kiềm nói chung có hiệu suất cao hơn một chút so với PEM ở cấp hệ thống (BNEF 2026) — chứ không phải ngược lại. Máy điện phân PEM thương mại được thiết kế để hoạt động ở mật độ dòng điện cao hơn hệ thống kiềm, giảm lượng chất xúc tác kim loại nhóm bạch kim (PGM) và vật liệu màng polymer đắt tiền cần thiết. Tuy nhiên, việc tăng mật độ dòng điện này thường đi kèm với hy sinh hiệu suất. Dựa trên mức tiêu thụ điện năng chuẩn của toàn bộ hệ thống máy điện phân (điện tử công suất, stack, tách khí và tinh chế H₂) năm 2025, các hệ thống kiềm phương Tây tiêu thụ khoảng 54,6 kWh/kg so với 55,1 kWh/kg đối với hệ thống PEM phương Tây. Thiết kế mật độ dòng điện cao hơn tương tự cũng có xu hướng suy giảm nhanh hơn: hệ thống kiềm cho thấy tốc độ suy giảm khoảng 0,1–0,25% mỗi 1.000 giờ so với khoảng 0,2–0,5% mỗi 1.000 giờ đối với PEM (theo cam kết của nhà sản xuất; xác minh thực địa hạn chế — tốc độ thực tế có thể cao hơn trong vận hành động; BNEF 2026). Vì các nhà sản xuất thường đo hiệu suất theo các phạm vi và ranh giới hệ thống khác nhau, người mua nên yêu cầu so sánh tương đương trước khi đưa ra kết luận.

Về tuổi thọ: các nhà sản xuất stack PEM hiện đang công bố tuổi thọ ngắn hơn so với năm 2024 (BNEF 2026) — trung bình chỉ dưới tám năm. Các nhà phân tích độc lập cảnh báo rằng con số thực tế có thể rơi vào khoảng thấp hơn của dải 40.000–80.000 giờ, vì vậy số liệu tuổi thọ của nhà sản xuất nên được coi là tuyên bố giới hạn trên thay vì kết quả thực địa đã được xác nhận.

Về vật liệu: máy điện phân PEM dựa vào kim loại quý như iridium và bạch kim, điều này đặt ra các cân nhắc về chuỗi cung ứng, mặc dù các phát triển đang diễn ra nhằm giảm đáng kể cường độ vật liệu. Việc sử dụng iridium hiện nay thường trong khoảng 0,5–2 mg/cm², với R&D đang nhắm tới mức giảm đáng kể hơn nữa. Ngoài ra, việc sử dụng fluoropolymer trong hệ thống PEM đang thu hút sự chú ý ngày càng tăng về mặt quy định, đặc biệt ở châu Âu trong bối cảnh các quy định về PFAS đang phát triển.

Lựa chọn giữa kiềm và PEM

Không có một công nghệ máy điện phân duy nhất nào hoạt động tốt hơn trên mọi khía cạnh. Lựa chọn đúng phụ thuộc vào ứng dụng của bạn. Khi đánh giá các lựa chọn, cần xem xét các yếu tố cụ thể của dự án: chi phí điện, độ biến đổi của nguồn cung điện, yêu cầu về áp suất đầu ra, diện tích khả dụng, quy mô dự án và điều kiện vận hành. Các cân nhắc chính bao gồm:

• Kiềm áp suất mang lại lợi ích so với áp suất khí quyển: Là một cải tiến của máy điện phân kiềm truyền thống, kiềm áp suất cần ít năng lượng hơn, dễ theo đuổi tải năng lượng tái tạo biến đổi hơn và có khả năng cấp hydrogen trực tiếp vào quy trình công nghiệp. Ngoài ra, bằng cách tích hợp khả năng tạo áp suất trong máy điện phân, nó giảm hoặc loại bỏ nhu cầu nén bổ sung, cắt giảm chi phí tổng thể và tránh CAPEX và OPEX cần thiết cho máy nén hạ nguồn.

• Một stack đơn lớn phù hợp hơn để mở rộng quy mô: Các stack 5 MW phù hợp hơn các stack nhỏ hơn cho các cơ sở sản xuất hydrogen công nghiệp quy mô lớn. Mặc dù PEM có diện tích nhỏ hơn, kích thước stack của nó khiến nó phù hợp hơn với các trường hợp chuyên biệt nơi thiết kế nhỏ gọn, độ tinh khiết cao hoặc phản hồi động nhanh là yêu cầu chính.

• Tính đến vận hành động trong quyết định công nghệ: Khi máy điện phân ngày càng được kết hợp với năng lượng tái tạo không liên tục, không chỉ khả năng tăng giảm mà cả tác động của vận hành động lên suy giảm và tuổi thọ trở thành cân nhắc then chốt. Hầu hết các bảo đảm suy giảm của nhà sản xuất đều dựa trên thử nghiệm ổn định hoặc tăng tốc trong nhà — người mua nên hỏi trực tiếp nhà sản xuất cách các bảo đảm của họ được đưa ra và liệu chúng có phản ánh hồ sơ vận hành thực tế hay không.

• Thận trọng với các con số tải tối thiểu được công bố: Tải vận hành tối thiểu được báo cáo có thể bị đánh giá thấp vì một số được tính bằng các giả định đơn giản hóa quá mức (BNEF 2026) — ví dụ, chia tải tối thiểu của một stack cho số lượng stack và giả định mỗi stack có thể được điều khiển độc lập. Các ràng buộc vận hành thực tế, chẳng hạn như thiết bị khác trong phần cân bằng stack, và phản hồi từ vận hành thực địa cho thấy tải tối thiểu thực tế có thể cao hơn mức báo cáo.

• Xem xét kỹ tốc độ tăng giảm và thời gian khởi động lại: Các con số về tốc độ tăng giảm thường bị phóng đại vì chúng được lấy từ quan sát ở cấp stack thay vì thử nghiệm toàn hệ thống. Thời gian khởi động lại đặc biệt đã được điều chỉnh tăng: trong khảo sát BNEF mới nhất, các nhà cung cấp PEM báo cáo thời gian khởi động nguội trung bình 33 phút (so với 5 phút trước đây) và thời gian khởi động ấm là 3 phút (so với 1 phút). Người mua dựa vào phản hồi động nhanh nên xác minh những con số này dựa trên dữ liệu toàn hệ thống (BNEF 2026).

• Công nghệ PEM cần kim loại khan hiếm đắt tiền và fluoropolymer: Máy điện phân PEM dựa vào iridium và bạch kim. Những vật liệu này góp phần vào chi phí tổng thể cao hơn, và sự khan hiếm của chúng đặt ra rủi ro chuỗi cung ứng. IRENA ước tính sản lượng iridium toàn cầu chỉ đủ cho 10–12 GW máy điện phân mỗi năm. R&D đang nhắm tới giảm tải kim loại quý, nhưng điều này chưa được phản ánh trong các sản phẩm thương mại ở quy mô lớn. Ngoài ra, các fluoropolymer được sử dụng trong hệ thống PEM đang thu hút sự giám sát ngày càng tăng về quy định ở châu Âu theo các quy định PFAS đang phát triển.

Nhìn chung, máy điện phân kiềm và kiềm áp suất là lựa chọn phù hợp nhất cho hầu hết các ứng dụng công nghiệp. Chúng phù hợp với các cơ sở quy mô lớn, có thể dễ dàng mở rộng khi nhu cầu thay đổi, cung cấp công nghệ vững chắc và đáng tin cậy, và tạo ra đầu ra đáp ứng yêu cầu của hầu hết các ngành — và như phát hiện chính số 2 xác nhận, chúng tiếp tục là lựa chọn chiếm ưu thế trên toàn cầu, chiếm 84% các dự án máy điện phân đang được xây dựng. Những đơn vị hoạt động trong lĩnh vực giao thông hoặc các ứng dụng chuyên biệt khác — đặc biệt khi diện tích nhỏ gọn, đầu ra độ tinh khiết cao hoặc phản hồi động nhanh là tối quan trọng — có thể thấy PEM là lựa chọn tốt hơn.

Và dù chọn công nghệ nào, việc chọn đối tác cũng quan trọng như chọn công nghệ, vì nhà cung cấp có kinh nghiệm vận hành thực tế và danh mục dự án đã bàn giao là thiết yếu để giảm thiểu rủi ro đầu tư. Các tham chiếu đã được chứng minh là điều cho phép hiệu suất được công bố, bảo đảm và tin cậy trong suốt vòng đời dự án — và chúng là bằng chứng rõ ràng nhất rằng một công nghệ sẽ hoạt động trên thực địa đúng như trên giấy tờ.

Nguồn: Khảo sát Giá và Hiệu suất Máy điện phân 2026 – tháng 6 năm 2026, BloombergNEF; Máy điện phân để Sản xuất Hydrogen: Đặc điểm Kỹ thuật và Kinh tế – tháng 2 năm 2026, Ngân hàng Thế giới.