Việc tiếp cận nguồn nước và các yêu cầu để sản xuất hydro xanh có thể được quản lý hiệu quả nếu ưu tiên tìm nguồn cung ứng, chọn địa điểm dự án và sử dụng hiệu quả.
Chuyện hoang đường: Việc mở rộng quy mô hydro xanh sẽ ảnh hưởng nghiêm trọng đến nguồn cung cấp nước ngọt toàn cầu vì nó sử dụng nhiều nước hơn các quy trình sản xuất hydro khác hoặc năng lượng tương đương.
Thực tế: Việc thu hút thêm nguồn cung cấp nước của thế giới từ việc sản xuất hydro xanh cần thiết cho một tương lai hướng tới mục tiêu 1,5°C sẽ là rất nhỏ. Để sản xuất cùng một lượng năng lượng, hydro xanh thường tiêu thụ ít nước hơn hydro dựa trên nhiên liệu hóa thạch hoặc một số loại hình phát điện. Tuy nhiên, điều này không phủ nhận yêu cầu bắt buộc là các nhà phát triển hydro xanh phải ưu tiên thiết kế quy trình hiệu quả và xem xét nguồn nước sẵn có tại địa phương trong quy hoạch dự án. Ở những khu vực khan hiếm nước, việc xem xét các nguồn thay thế như nước thải đã qua xử lý hoặc nước biển đã khử muối có thể giảm thiểu sự phụ thuộc vào nước ngọt.
Mở rộng quy mô công nghệ năng lượng sạch mà không xâm phạm khả năng tiếp cận nguồn nước là điều cần thiết để đảm bảo các giải pháp thực tế và lâu dài cho cuộc khủng hoảng khí hậu. Hydro xanh đã gây được tiếng vang nhờ vai trò của nó trong việc giải quyết 30% lượng khí thải toàn cầu từ các ngành công nghiệp không có giải pháp thay thế cho quá trình khử cacbon, khiến việc xem xét tác động của công nghệ này đối với việc cung cấp nước là điều cần thiết.
Chưng cất lượng nước tiêu thụ của hydro xanh đến kilôgam
Hydro xanh, được tạo ra bằng cách tách H 2 khỏi H 2 O bằng điện chạy bằng năng lượng tái tạo trong một thiết bị gọi là máy điện phân, tiêu thụ một lượng nước tương tự như các quy trình khác được sử dụng để sản xuất hydro. Tất cả các phương pháp sản xuất hydro đều cần nước và hydro xanh không tiêu thụ lượng lớn hơn đáng kể so với các phương pháp thay thế.
Theo nguyên tắc cơ bản về hóa học, cần 9 lít (L) nước để tạo ra 1 kg (kg) hydro thông qua quá trình điện phân. Khi phân lớp với thể tích bổ sung cần thiết để lọc nước và làm mát quy trình, cần thêm ~10-20 L/kg. Các thiết kế không hiệu quả như hệ thống làm mát bay hơi có thể vượt quá phạm vi này, nhưng những hệ thống đó không phổ biến, đặc biệt là ở quy mô sản xuất lớn. Lượng nước tiêu thụ tích lũy 20-30 L/kg của hydro xanh ngang bằng hoặc thậm chí thấp hơn mức 20 đến 40 L/kg nước cần thiết cho quy trình sản xuất hydro dựa trên hóa thạch, như trong Hình 1.
Thu nhỏ ra ngoài giới hạn của nhà máy sản xuất hydro, nguồn điện và/hoặc khí đốt tự nhiên có thể bổ sung thêm mức tiêu thụ nước “thể hiện” cho tất cả các con đường phát triển hydro. Sản xuất điện - để sử dụng để cung cấp năng lượng cho nhà máy hydro dựa trên hóa thạch hoặc tách nước thông qua điện phân có thể có nhiều yêu cầu về nước tùy thuộc vào nguồn. Sự phụ thuộc của hydro xanh vào năng lượng tái tạo giúp giảm thiểu lượng nước tiêu thụ bổ sung
Việc sản xuất năng lượng bằng nhiên liệu hóa thạch cần một lượng nước đáng kể để điều chỉnh nhiệt độ và do đó, điện lấy từ lưới điện bao gồm các nguồn như than hoặc khí đốt sẽ tiêu thụ lượng nước lớn hơn so với điện chủ yếu lấy từ năng lượng mặt trời hoặc gió. Hydro xám và xanh lam sẽ có mức tiêu thụ nước thượng nguồn đáng kể từ hoạt động khoan, khai thác và xử lý khí tự nhiên, tổng cộng có thể bổ sung hơn 5 L/kg hydro, tùy thuộc vào cách thức và địa điểm khí được chiết xuất. Ngược lại, các hệ thống hydro xanh không dựa vào những nguyên liệu thô như vậy và việc tiêu chuẩn hóa nhà máy ngày càng cao sẽ hạn chế lượng nước tiêu thụ bổ sung.
Đặt trong bối cảnh với các quy trình tiêu thụ nước quy mô lớn khác được sử dụng ngày nay, để sản xuất cùng một lượng năng lượng, sản xuất hydro xanh tiêu thụ ít hơn một nửa lượng nước so với sản xuất than hoặc điện hạt nhân thông thường.
Ngoài ra, có một tính tuần hoàn vốn có trong quá trình sản xuất và tiêu thụ hydro xanh. Một số mục đích sử dụng cuối cùng của hydro có thể được thiết kế dựa trên các nguyên tắc tuần hoàn này để giảm thiểu lượng nước tiêu thụ. Ví dụ, khi hydro được sử dụng để sản xuất thép, nó sẽ chuyển thành nước; lượng nước này có thể được thu giữ và đưa trở lại máy điện phân để tạo ra hydro một lần nữa.
Thường Là Một Giọt Nước Trong Xô
Việc sản xuất lượng hydro mà quá trình chuyển đổi năng lượng cần sẽ cần rất nhiều nước, nhưng trong bối cảnh chúng ta đã sử dụng bao nhiêu nước thì lượng nước này sẽ không đáng kể. Hãy đi sâu vào.
Thế giới sử dụng 4 nghìn tỷ mét khối nước ngọt mỗi năm và Hoa Kỳ chịu trách nhiệm về 338,5 tỷ mét khối trong số đó. Như đã thấy trong Hình 2, phần lớn lượng nước đó được dùng để tưới tiêu và nhiệt điện, trong khi tất cả các vòi sen, bát đĩa và các mục đích sử dụng cá nhân khác chỉ chiếm 14% tổng lượng nước sử dụng ở Hoa Kỳ.
Đến năm 2050, các dự báo ước tính rằng hydro sẽ có tác động tương đối nhỏ đến việc sử dụng nước toàn cầu. Lộ trình Hydro sạch Quốc gia của DOE đặt mục tiêu sản xuất 50 triệu tấn (MMT) hydro sạch hàng năm vào năm 2050. Giả sử toàn bộ lượng hydro này được sản xuất thông qua quá trình điện phân ở tốc độ 20 L/kg, thì điều này sẽ cần 1 tỷ mét khối nước, hay 0,26% lượng khí hydro sạch. Việc sử dụng nước hiện tại của Hoa Kỳ. Trên toàn cầu, các ước tính về nhu cầu hydro trong tương lai rất khác nhau, nhưng nếu sử dụng nhu cầu 660 triệu tấn dự báo của Hội đồng Hydro sẽ cần 13,2 tỷ mét khối nước, hay 0,33% lượng nước ngọt toàn cầu hiện nay. Phân tích này không xem xét khả năng tiết kiệm nước từ hydro thay thế các quy trình công nghiệp sử dụng nhiều nước.
Một kg hydro thực sự có ý nghĩa gì đối với việc tiết kiệm như vậy? Lượng nước mà một bồn tắm trung bình chứa ở Mỹ (~300 L) có thể được sử dụng để tạo ra hydro xanh và vận hành một chiếc xe tải chạy pin nhiên liệu hydro đi được hơn 235 km. Mặt khác, với cùng lượng nước trong bồn tắm đó, một chiếc xe tải chạy bằng động cơ diesel sẽ chỉ đi được 141 km do động cơ diesel hoạt động kém hiệu quả và lượng nước thải ra nhiều hơn.
Nguồn nước sẵn có là một vấn đề cục bộ và phần lớn thế giới đang phải đối mặt với tình trạng căng thẳng về nước nói chung hoặc hạn hán nghiêm trọng một phần do biến đổi khí hậu. Để hiểu việc sản xuất hydro sẽ tác động như thế nào đến một tiểu bang hạn chế về nước của Hoa Kỳ, hãy nhìn vào Utah. Utah đang trong quá trình phát triển dự án Lưu trữ năng lượng sạch tiên tiến (ACES), một trong những dự án hydro xanh được đề xuất lớn nhất ở Hoa Kỳ với máy điện phân 220 megawatt. ACES sẽ sản xuất 100 tấn hydro sạch mỗi ngày, cần 730.000 mét khối nước mỗi năm, tương đương 0,012% lượng nước sử dụng hàng năm hiện tại của Utah (để so sánh, Utah sử dụng lượng nước tưới cho các sân gôn của mình nhiều hơn khoảng 40 lần).
Tắt vòi
Mặc dù hydro xanh sẽ không bổ sung đáng kể vào mức tiêu thụ nước toàn cầu, nhưng việc đa dạng hóa nguồn nước thô, cân nhắc kỹ lưỡng về địa điểm dự án và xem xét các phương án định giá nước sẽ giúp hạn chế căng thẳng trong việc tiếp cận nước ngọt tại địa phương.
Hydro xanh cần nước có độ tinh khiết cao làm nguyên liệu, nhưng nước đó không cần phải đến từ nguồn nước ngọt. Có những công nghệ đã được chứng minh có thể sử dụng để đưa nước biển, nước thải công nghiệp, nước thải đô thị hoặc nước trong rác thải thực phẩm về độ tinh khiết có thể kết hợp với hệ thống đánh bóng nước hydro xanh để đạt được mức độ tinh khiết 99,9% cần thiết. Những công nghệ này đã trưởng thành về mặt thương mại và được sử dụng ở quy mô lớn trong các ngành công nghiệp khác ngày nay. Việc đưa vào các công nghệ như vậy có thể mang lại chi phí bổ sung thấp và yêu cầu năng lượng cho hệ thống - thường thêm không quá 0,10 USD/kg vào chi phí quy dẫn của hydro (tổng cộng trung bình là từ 2 đến 5 USD/kg) và sử dụng 1% điện cần thiết cho quá trình điện phân. Ở các cộng đồng ven biển có dân số đông,
Việc chủ ý chọn địa điểm cho các dự án hydro xanh là một biện pháp chủ động nhằm tránh gây thêm căng thẳng cho hệ thống nước và các quy trình cấp phép phải bao gồm việc đánh giá nguồn nước sẵn có tại địa phương (và hạ nguồn), các quyền và mục đích sử dụng cạnh tranh. Điều này sẽ đảm bảo rằng các dự án không được cam kết thực hiện ở những địa điểm không thể hỗ trợ nhu cầu về nước và được xây dựng phù hợp với chính sách về nước của địa phương. Có thể thấy sự phối hợp trong việc kết hợp các nhà máy hydro xanh xây dựng mới tại các vị trí của các nhà máy than đã ngừng hoạt động hoặc các ngành công nghiệp sử dụng nhiều nước, mang lại sự phân bổ nước liên tục ở cấp địa phương.
Có thể cần phải xem xét và sửa đổi cơ chế định giá nước để điều chỉnh tốt hơn sự khan hiếm của nguồn tài nguyên thiết yếu này với giá trị kinh tế đặt ra cho nó. Cấu trúc tỷ lệ nước thường là đồng nhất hoặc dựa trên khối. Trong cấu trúc khối giảm dần, khi người dùng tiêu thụ nhiều nước hơn, họ sẽ được giảm giá ở mỗi khối cận biên dưới dạng giảm giá “số lượng lớn”. Việc xem xét các cơ cấu định giá nước đặt chi phí nước cao hơn cho người dùng công nghiệp số lượng lớn, chẳng hạn như tăng tỷ lệ chặn, có thể khuyến khích người dùng xây dựng hệ thống sản xuất hydro xanh ưu tiên hiệu quả thiết kế và sử dụng nguyên liệu không phải nước ngọt để hạn chế tiêu thụ nước ngọt.
Nguồn nước sẵn có trong khu vực phải được xem xét khi lập kế hoạch dự án và các chiến thuật được vạch ra cho địa điểm dự án, thiết kế hệ thống và tìm nguồn cung cấp nước có thể giúp hạn chế tác động của nước hydro xanh ở cấp địa phương.
