Hydrogen là một hệ thống lưu trữ năng lượng kém hiệu quả về cấu trúc

Hydrogen là một hệ thống lưu trữ năng lượng kém hiệu quả về cấu trúc
15 tháng 5, 2026
Annie Nguyễn

Theo Paul Martin, chuyên gia hóa học, Hydrogen được xem là một phương án tiềm năng cho lưu trữ năng lượng dài hạn trong hệ thống năng lượng tái tạo. Tuy nhiên, theo phân tích của chuyên gia phát triển quy trình hóa học Paul Martin, hydrogen tồn tại những hạn chế mang tính cấu trúc khiến nó trở thành một giải pháp kém hiệu quả về mặt kinh tế và năng lượng khi sử dụng như một “pin lưu trữ”.

Một trong những lập luận chính là hiệu suất vòng đời (round-trip efficiency) thấp, bắt nguồn từ các tổn thất trong toàn bộ chuỗi: điện phân nước, nén và lưu trữ khí, vận chuyển và tái chuyển đổi thành điện năng.

Theo phân tích, về mặt nhiệt động học, mức năng lượng tối thiểu để sản xuất 1 kg hydrogen từ nước là khoảng 39,4 kWh điện, tương đương giá trị nhiệt trị cao (Higher Heating Value – HHV). Tuy nhiên, các hệ thống điện phân thương mại hiện nay thường tiêu thụ khoảng 55 kWh/kg hydrogen, cao hơn đáng kể so với giới hạn lý thuyết.

Ngay cả trong công nghệ tiên tiến như điện phân hơi nước nhiệt độ cao (SOEC), mức tiêu thụ năng lượng vẫn khoảng 33,3 kWh/kg theo giá trị nhiệt trị thấp (Lower Heating Value – LHV). Điều này phản ánh giới hạn vật lý của quá trình chuyển đổi năng lượng, trong đó một phần năng lượng luôn bị mất dưới dạng nhiệt.

Từ góc độ exergy (khả năng thực hiện công hữu ích), hydrogen bị đánh giá là không hiệu quả vì điện năng là dạng năng lượng có chất lượng cao, trong khi năng lượng hóa học của hydrogen chỉ là dạng lưu trữ trung gian với nhiều tổn thất khi chuyển đổi.

Vấn đề lưu trữ hydrogen

Hydrogen có mật độ năng lượng theo thể tích rất thấp. Ở điều kiện khí quyển, mật độ chỉ khoảng 89 g/m³, thấp hơn nhiều so với các loại khí nhiên liệu khác. Ngay cả khi nén ở áp suất rất cao 700 bar, mật độ cũng chỉ đạt khoảng 41 kg/m³.

Quá trình nén khí tiêu tốn thêm năng lượng đáng kể. Theo ước tính, việc nén hydrogen đến mức 200 bar tiêu tốn khoảng 8% năng lượng của chính hydrogen theo giá trị LHV, tương đương khoảng 2,7 kWh/kg.

Ngoài ra, việc lưu trữ hydrogen ở quy mô lớn gặp nhiều rào cản:

• Chi phí cao của bình chịu áp lực và hạ tầng lưu trữ

• Hạn chế về kích thước và khả năng mở rộng vật lý

• Yêu cầu xây dựng các hang muối ngầm chuyên dụng nếu lưu trữ dưới lòng đất

• Thiếu hệ thống phân phối hydrogen quy mô rộng

• Rủi ro thất thoát và giới hạn về vị trí địa lý giữa nơi sản xuất và nơi tiêu thụ

Lưu trữ dạng lỏng (liquid hydrogen) cũng không khả thi cho lưu trữ dài hạn do tổn thất bay hơi (boil-off) và yêu cầu năng lượng hóa lỏng rất lớn.

Chuyển đổi hydrogen trở lại thành điện

Hydrogen có thể được chuyển đổi lại thành điện thông qua fuel cell hoặc tua-bin khí. Tuy nhiên, hiệu suất của các công nghệ này vẫn bị giới hạn:

• Fuel cell: khoảng 50% hiệu suất (LHV)

• Tua-bin khí chu trình hỗn hợp: khoảng 60%

• Tua-bin đơn: khoảng 35–40%

Khi tính toàn bộ chuỗi năng lượng (điện → hydrogen → điện), hiệu suất vòng kín chỉ đạt:

• Khoảng 20% đến 37% trong điều kiện tối ưu

Điều này đồng nghĩa với việc để thu hồi 1 kWh điện, hệ thống có thể cần từ 3 đến 5 kWh điện đầu vào.

Hiệu quả sử dụng vốn là vấn đề cốt lõi

Theo Paul Martin, hạn chế lớn nhất của hydrogen không chỉ nằm ở hiệu suất năng lượng mà còn ở hiệu quả sử dụng vốn đầu tư.

Các hệ thống điện phân có đặc điểm:

• Chi phí đầu tư cao

• Hoạt động không liên tục do phụ thuộc nguồn năng lượng tái tạo

• Hệ số sử dụng thấp

• Chi phí trên mỗi kWh điện thu hồi tăng mạnh khi giảm số chu kỳ vận hành

Do phần lớn tài sản không được sử dụng thường xuyên, chi phí vốn bị phân bổ trên lượng điện năng thu hồi nhỏ, làm tăng đáng kể chi phí thực tế.

Ngay cả khi giả định điện đầu vào gần như miễn phí, chi phí hệ thống điện phân vẫn khiến hydrogen trở thành nguồn điện tái sinh đắt đỏ khi chuyển ngược lại thành điện.

Kết luận

Phân tích kết luận rằng hydrogen không phù hợp để sử dụng như một hệ thống lưu trữ năng lượng dài hạn quy mô lớn. Nguyên nhân chính bao gồm:

• Hiệu suất vòng kín thấp do tổn thất trong toàn chuỗi năng lượng

• Mật độ năng lượng theo thể tích thấp

• Chi phí lưu trữ và hạ tầng cao

• Hiệu quả sử dụng vốn kém khi vận hành gián đoạn

Từ góc độ hệ thống, hydrogen bị xem là giải pháp không hiệu quả cho vai trò “pin lưu trữ năng lượng”, ngay cả trong bối cảnh sử dụng điện tái tạo dư thừa.