Hydro, hay H₂, gần đây đang được chú ý rất nhiều khi các chính phủ ở Hoa Kỳ, Canada và Châu Âu nỗ lực cắt giảm lượng khí thải nhà kính của họ.
Nhưng chính xác thì H₂ là gì và nó có thực sự là một nguồn năng lượng sạch không?
Tôi chuyên nghiên cứu và phát triển các kỹ thuật sản xuất H₂ . Dưới đây là một số thông tin chính về hóa chất linh hoạt này có thể đóng vai trò lớn hơn nhiều trong cuộc sống của chúng ta trong tương lai.
Vậy, hydro là gì?
Hydro là nguyên tố dồi dào nhất trong vũ trụ , nhưng vì nó rất dễ phản ứng nên nó không được tìm thấy riêng lẻ trong tự nhiên. Thay vào đó, nó thường liên kết với các nguyên tử và phân tử khác trong nước, khí tự nhiên, than đá và thậm chí cả vật chất sinh học như thực vật và cơ thể con người.
Tuy nhiên, hydro có thể được cô lập. Và theo cách riêng của mình, phân tử H₂ đóng vai trò là chất mang năng lượng hiệu quả cao.
Nó đã được sử dụng trong công nghiệp để sản xuất amoniac , metanol và thép và trong tinh chế dầu thô. Là nhiên liệu, nó có thể lưu trữ năng lượng và giảm lượng khí thải từ các phương tiện, bao gồm cả xe buýt và tàu chở hàng .
Hydro cũng có thể được sử dụng để tạo ra điện với lượng khí thải nhà kính thấp hơn so với các nhà máy điện than hoặc khí đốt tự nhiên. Tiềm năng đó đang được chú ý nhiều hơn khi chính phủ Hoa Kỳ đề xuất các quy tắc mới yêu cầu các nhà máy điện hiện tại cắt giảm lượng khí thải carbon dioxide.
Do có thể được lưu trữ nên H₂ có thể giúp khắc phục các vấn đề gián đoạn liên quan đến các nguồn năng lượng tái tạo như gió và mặt trời. Nó cũng có thể được pha trộn với khí tự nhiên trong các nhà máy điện hiện có để giảm lượng khí thải của nhà máy.
Sử dụng hydro trong các nhà máy điện có thể giảm lượng khí thải carbon dioxide khi được pha trộn hoặc đơn lẻ trong tua-bin chuyên dụng hoặc trong pin nhiên liệu tiêu thụ H₂ và oxy hoặc O₂ để sản xuất điện, nhiệt và nước. Nhưng nó thường không hoàn toàn không có CO₂. Điều đó một phần là do việc cô lập H₂ từ nước hoặc khí tự nhiên cần rất nhiều năng lượng.
Hydro được sản xuất như thế nào?
Có một số cách phổ biến để sản xuất H₂:
- Điện phân có thể cô lập hydro bằng cách tách nước – H₂O – thành H₂ và O₂ sử dụng dòng điện.
- Tái tạo mêtan sử dụng hơi nước để tách mêtan, hay CH₄, thành H₂ và CO₂. Oxy và hơi nước hoặc CO₂ cũng có thể được sử dụng cho quá trình phân tách này.
- Quá trình khí hóa biến đổi các vật liệu dựa trên hydrocacbon – bao gồm sinh khối , than đá hoặc thậm chí cả chất thải đô thị – thành khí tổng hợp, một loại khí giàu H₂ có thể được sử dụng làm nhiên liệu riêng hoặc làm tiền chất để sản xuất hóa chất và nhiên liệu lỏng.
Mỗi cái đều có lợi ích và nhược điểm.
Xanh lục, xanh lam, xám – những màu này có ý nghĩa gì?
Hydro thường được mô tả bằng màu sắc để cho biết mức độ sạch hoặc không chứa CO₂ của nó. Sạch nhất là hydro xanh .
Green H₂ được sản xuất bằng cách sử dụng điện phân chạy bằng các nguồn năng lượng tái tạo, chẳng hạn như gió, mặt trời hoặc thủy điện. Mặc dù hydro xanh hoàn toàn không có CO₂, nhưng nó rất tốn kém, khoảng US$4-$9 mỗi kg ($2-$4 mỗi pound) do cần nhiều năng lượng để tách nước.
Phần lớn hydro ngày nay được tạo ra từ khí tự nhiên, có nghĩa là khí mê-tan, một loại khí nhà kính mạnh. IRENA (2020), Hydrogen xanh: Hướng dẫn hoạch định chính sách
Các kỹ thuật ít sử dụng năng lượng khác có thể tạo ra H₂ với chi phí thấp hơn, nhưng chúng vẫn thải ra khí nhà kính.
Grey H₂ là loại hydro phổ biến nhất. Nó được làm từ khí tự nhiên thông qua cải cách mêtan. Quá trình này giải phóng carbon dioxide vào khí quyển và chi phí khoảng $1-$2,50 mỗi kg (50 cent-$1 mỗi pound).
Nếu khí thải CO₂ của hydro màu xám bị thu giữ và khóa lại để chúng không thải vào khí quyển, thì nó có thể trở thành hydro màu xanh . Chi phí cao hơn, vào khoảng $1,50-$3 mỗi kg (70 cent-$1,50 mỗi pound) để sản xuất và khí thải nhà kính vẫn có thể thoát ra khi khí tự nhiên được sản xuất và vận chuyển.
Một hệ thống điện phân tại nhà máy sản xuất hydro ở Mallorca, Tây Ban Nha. Jaime Reina/AFP qua Getty Images
Một giải pháp thay thế khác là hydro màu ngọc lam , được sản xuất bằng cả nguồn tài nguyên tái tạo và không thể tái tạo. Tài nguyên tái tạo cung cấp năng lượng sạch để chuyển đổi khí mê-tan – CH₄ – thành H₂ và carbon rắn , thay vì carbon dioxide phải được thu giữ và lưu trữ. Loại công nghệ nhiệt phân này vẫn còn mới và được ước tính có giá từ $1,60 đến $2,80 mỗi kilôgam (70 cent-$1,30 mỗi pound).
Bây giờ chúng ta có thể tắt đèn sử dụng nhiên liệu hóa thạch không?
Hơn 95% H₂ được sản xuất ở Hoa Kỳ ngày nay là hydro xám được tạo ra từ khí tự nhiên, loại khí vẫn thải ra khí nhà kính.
Liệu H₂ có thể phát triển như một giải pháp thay thế khí đốt tự nhiên cho ngành điện và các mục đích sử dụng khác, chẳng hạn như vận chuyển, sưởi ấm và các quy trình công nghiệp hay không, sẽ phụ thuộc vào sự sẵn có của năng lượng tái tạo chi phí thấp để điện phân để tạo ra H₂ xanh.
Nó cũng sẽ phụ thuộc vào sự phát triển và mở rộng các đường ống cũng như cơ sở hạ tầng khác để lưu trữ, vận chuyển và phân phối H₂ một cách hiệu quả.
Nếu không có cơ sở hạ tầng, việc sử dụng H₂ sẽ không phát triển nhanh chóng. Đó là phiên bản hiện đại của câu “Con gà hay quả trứng có trước?” Việc tiếp tục sử dụng nhiên liệu hóa thạch để sản xuất H₂ có thể thúc đẩy đầu tư vào cơ sở hạ tầng H₂, nhưng sử dụng nhiên liệu hóa thạch sẽ giải phóng khí nhà kính.
Tương lai giữ gì cho hydro?
Mặc dù các dự án hydro xanh và xanh lam đang nổi lên , nhưng cho đến nay chúng vẫn còn nhỏ.
Các chính sách như giới hạn phát thải khí nhà kính của Châu Âu và Đạo luật giảm lạm phát năm 2022 của Hoa Kỳ , cung cấp các khoản tín dụng thuế lên tới 3 USD/kg (1,36 USD/pound) H₂, có thể giúp làm cho hydro sạch cạnh tranh hơn.
Nhu cầu hydro được dự đoán sẽ tăng gấp hai đến bốn lần so với mức hiện tại vào năm 2050. Để trở thành H₂ xanh sẽ cần một lượng đáng kể năng lượng tái tạo đồng thời với việc xây dựng các nhà máy điện năng lượng mặt trời, gió và năng lượng tái tạo mới khác để đáp ứng nhu cầu này. cung cấp điện trực tiếp cho ngành điện lực.
Mặc dù hydro xanh là một xu hướng đầy hứa hẹn, nhưng nó không phải là giải pháp duy nhất để đáp ứng nhu cầu năng lượng của thế giới và các mục tiêu năng lượng không có carbon. Sự kết hợp giữa các nguồn năng lượng tái tạo và H₂ sạch, bao gồm xanh dương, xanh lục hoặc xanh ngọc, có thể sẽ cần thiết để đáp ứng nhu cầu năng lượng của thế giới một cách bền vững.
