Hydro xanh có thể khử cacbon cho toàn bộ các ngành công nghiệp ở New Zealand—nhưng vẫn còn một chặng đường dài phía trước
Thang hydro xếp hạng các ứng dụng hydro từ 'không thể tránh khỏi' (khi nó cung cấp lựa chọn tốt nhất cho quá trình khử cacbon) đến 'không cạnh tranh' (khi có các giải pháp thay thế không phát thải carbon tốt hơn). Tín dụng: Liebreich Associates, CC BY-SA
Hydro được gọi là "con dao quân đội Thụy Sĩ" của quá trình khử cacbon vì nó có thể làm được nhiều việc. Nhưng không phải tất cả đều có ý nghĩa.
Ngày nay, thế giới sử dụng khoảng 100 megaton hydro mỗi năm (MT/năm), nhưng lượng hydro này hầu như được sản xuất hoàn toàn từ nhiên liệu hóa thạch. Để sử dụng hydro cho quá trình khử cacbon, chúng ta phải chuyển sang các dạng không phát thải.
Dự báo toàn cầu về hydro xanh được sản xuất từ các nguồn tái tạo rất khác nhau, dao động từ nhu cầu hiện tại (100 MT/năm) đến mức lạc quan là 700 MT/năm vào năm 2050. Dự báo năm 2050 gần đây của Bloomberg cho thấy xu hướng giảm. Mặc dù vậy, việc chuyển nhu cầu hiện tại sang hydro xanh đặt ra những thách thức đáng kể.
Trong nghiên cứu của mình, chúng tôi sử dụng “thang hydro sạch” để phân loại và định lượng các cách sử dụng khác nhau của hydro xanh.
Nhu cầu hydro ở New Zealand
Nghiên cứu của chúng tôi cho thấy tổng nhu cầu hydro xanh của New Zealand sẽ vào khoảng 2,8 Mt/năm nếu tất cả các ứng dụng khả thi về mặt kỹ thuật chuyển sang hydro. Nếu chúng tôi ưu tiên sử dụng hydro xanh là lựa chọn khử cacbon duy nhất, nhu cầu sẽ lên tới 1 MT/năm.
Phân bón và methanol đứng đầu danh sách. Chúng được coi là “không thể tránh khỏi” vì không có giải pháp thay thế nào khác cho quá trình khử cacbon. Tổng cộng, chúng sẽ cần khoảng 0,2 MT/năm.
Tiếp theo trong danh sách là những thứ như vận chuyển và nhiên liệu máy bay (thông qua nhiên liệu tổng hợp gốc hydro), sản xuất thép và lưu trữ lưới điện dài hạn. Những thứ này có thể tăng thêm 0,7 MT/năm.
Ở đầu bên kia của thang là nơi hydro không có tính cạnh tranh vì có những lựa chọn thay thế tốt hơn, như ô tô điện chạy bằng pin hoặc máy bơm nhiệt.
Để sản xuất 1 tấn hydro xanh/năm, New Zealand sẽ cần phải tăng gấp ba công suất lắp đặt của các nhà máy điện tái tạo và xây dựng 10 GW thiết bị điện phân (thiết bị sử dụng điện để thu được hydro từ nước).
Lưu trữ hydro dài hạn
Một cách sử dụng hydro mang tính chiến lược là lưu trữ lâu dài để chuyển năng lượng mặt trời giá rẻ từ mùa hè sang mùa đông, vượt quá khả năng cân bằng của các hồ chứa thủy điện.
Hydro có thể được lưu trữ trong các cấu trúc hóa học phức tạp, các bồn chứa cỡ BBQ và tàu chở khí (tàu thủy). Nhưng lượng hydro rất lớn sẽ cần được lưu trữ dưới lòng đất, với các bể chứa khí đốt tự nhiên cạn kiệt cung cấp những địa điểm hứa hẹn nhất.
Có một số thách thức cần được giải quyết để chuyển hydro vào kho lưu trữ ở độ sâu ba kilomet trở lên dưới lòng đất—và đưa nó trở lại. Đầu tiên, với tư cách là một phân tử, hydro không hoạt động tốt. Nó có xu hướng chảy qua các vật liệu có thể chứa nó. Điều này có nghĩa là chúng ta cần sử dụng các vật liệu chuyên dụng (đắt tiền) cùng với việc phát hiện rò rỉ cẩn thận.
Thứ hai, những khám phá gần đây về cộng đồng vi khuẩn phát triển mạnh trong các mỏ khí đốt của New Zealand làm dấy lên triển vọng khí tái tạo sẽ trở thành nguồn thức ăn cho vi khuẩn thay vì là nguồn năng lượng.
Luyện sắt
Một ứng dụng cấp bách khác của hydro là khử cacbon trong sản xuất thép (chiếm 8% lượng khí thải nhà kính toàn cầu).
Ngày nay, than được sử dụng để tách oxy khỏi quặng sắt và cung cấp nhiệt đốt cháy. Điện tái tạo có thể cung cấp nhiệt và hydro để thay thế than. Quy trình được gọi là khử sắt trực tiếp dựa trên hydro (H2-DRI) khả thi ở quy mô lớn, như đã được Midrex, HYBRIT và POSCO chứng minh.
Hợp tác với Đại học Victoria Wellington, trong một dự án về sản xuất kim loại không carbon, chúng tôi thấy rằng giá điện dưới 0,13 đô la New Zealand/kWh là cần thiết để sản xuất thép hydro có thể cạnh tranh với quy trình sản xuất than tiêu chuẩn. Điện mặt trời PV đã thấp hơn đáng kể so với chi phí này vào ban ngày và gần với pin dự phòng.
Xuất khẩu hydro
Lộ trình hydro tạm thời của New Zealand cho thấy xuất khẩu hydro đạt khoảng 0,5 MT/năm. Đáp ứng nhu cầu hydro trong nước đã đủ thách thức, nhưng tham vọng xuất khẩu lại làm tăng thêm sự phức tạp.
Hydro khó vận chuyển vì đây là loại khí rất nhẹ, chiếm nhiều không gian. Nhưng nó có thể được làm đặc lại. Nghiên cứu trước đây đã khám phá tính khả thi của việc xuất khẩu hydro từ New Zealand, xem xét quá trình hóa lỏng lạnh, chuyển đổi amoniac và hydro hóa toluene.
Hydro lỏng, mặc dù có giá thành thấp hơn, sôi ở nhiệt độ âm 253°C và đòi hỏi các tàu vận chuyển cách nhiệt chuyên dụng, với tổn thất đáng kể dự kiến từ quá trình bay hơi. Trên hết, cơ sở hạ tầng để vận chuyển lượng lớn hydro lỏng trên toàn cầu hiện không tồn tại.
Amoniac, được vận chuyển ở nhiệt độ âm 33°C, ít bị bay hơi hơn và thực tế hơn. Các chất xúc tác thế hệ tiếp theo như chất xúc tác từ Liquium có thể làm cho amoniac thậm chí còn thuận lợi hơn. Lựa chọn thứ ba, toluene-MCH, có chi phí cao hơn, nhưng đang được thử nghiệm ở quy mô thương mại tại Nhật Bản.
Nghiên cứu gần đây nhấn mạnh đến một giải pháp thay thế thứ tư, e-methanol được sản xuất từ hydro xanh. E-methanol có triển vọng vì tính mô-đun của nó và vì chúng ta đã biết cách vận chuyển và lưu trữ nó. Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu khác thấy e-methane có triển vọng hơn vì nó có thể tận dụng cơ sở hạ tầng cảng và đường ống hiện có.
Chi phí của hydro
Xét về chi phí, hydro còn phải đi một chặng đường dài nữa.
Để giảm chi phí, có thể mở rộng quy mô các máy điện phân, mặc dù điều này làm tăng chi phí thiết bị và tạo ra sự đánh đổi giữa chi phí vốn và chi phí vận hành. Ngoài ra, các máy điện phân dựa vào các vật liệu đắt tiền và khan hiếm như bạch kim và iridi. Nghiên cứu của chúng tôi tập trung vào việc phát triển các máy điện phân giá rẻ bằng cách sử dụng các vật liệu có nhiều trong đất.
Điều thú vị là các giải pháp thay thế khác cho hydro không phát thải đang nổi lên. Cái gọi là hydro "vàng" và "cam" (từ sự tích tụ tự nhiên hoặc tăng cường olivin thành serpentine, tương ứng) là những ví dụ điển hình. Thật hấp dẫn, địa chất độc đáo của New Zealand mang lại tiềm năng tìm thấy cả "vàng" và tạo ra hydro "cam".
Cuối cùng, sự thành công của hydro sẽ phụ thuộc vào khả năng cạnh tranh với các giải pháp thay thế, chủ yếu là điện khí hóa và nhiên liệu sinh học. Đối với các ứng dụng không có giải pháp thay thế dễ dàng, hydro không phát thải là một lựa chọn trực tiếp.
Hydro xanh có thể khử cacbon cho toàn bộ các ngành công nghiệp ở New Zealand—nhưng vẫn còn một chặng đường dài phía trước
Mời các đối tác xem hoạt động của Công ty TNHH Pacific Group.
FanPage: https://www.facebook.com/Pacific-Group
YouTube: https://www.youtube.com/@PacificGroupCoLt
