Làm thế nào 'nhiên liệu điện tử' hydro có thể cung cấp năng lượng cho các tàu và máy bay lớn
Hàng không và vận chuyển quốc tế là hai tác nhân gây ô nhiễm khí hậu lớn. Việc làm sạch chúng có thể sẽ đòi hỏi phải sản xuất nhiều nhiên liệu có nguồn gốc từ hydro.
Máy bay và tàu chở hàng tiêu thụ một lượng dầu đáng kinh ngạc khi chúng bay vút qua bầu trời và miệt mài trên đại dương, dẫn đến lượng khí thải làm nóng lên hành tinh đáng kể mỗi năm. Một số giải pháp thay thế ít carbon và không carbon đang xuất hiện có thể thay thế tất cả lượng dầu mỏ bẩn đó. Tuy nhiên, việc chuyển đổi sẽ yêu cầu sử dụng số lượng đáng kinh ngạc của một mặt hàng khác: hydro sạch.
Nhiên liệu có nguồn gốc từ hydro - bao gồm e-metanol, amoniac và dầu hỏa điện tử - được coi là cần thiết để khử cacbon cho máy bay phản lực và máy bay chở hàng chở tải nặng trên quãng đường dài. Pin ngày nay không thể cung cấp đủ năng lượng nếu không đè nặng lên những phương tiện khổng lồ này — công nghệ đó phù hợp hơn cho ô tô, xe tải, phà và thậm chí cả máy bay nhỏ hơn. Nhiên liệu sinh học từ cây trồng và chất thải có thể cung cấp nhiên liệu cho máy bay và tàu thủy, nhưng thế giới có lẽ không thể sản xuất đủ để đáp ứng mọi nhu cầu trong tương lai.
Ngược lại, nhiên liệu dựa trên hydro mang lại nhiều năng lượng trên mỗi thể tích hơn so với pin hoặc thậm chí chỉ riêng hydro. Và, không giống như nhiên liệu sinh học, các thành phần cần thiết để tạo ra những chất thay thế dầu mỏ này hầu như không giới hạn.
Khi động lực khử cacbon ở những phần khó khăn nhất của nền kinh tế tăng lên, ngành hàng không và vận tải toàn cầu đang nỗ lực biến lời hứa về khí hydro này thành hiện thực. Hiện nay không có máy bay phản lực thương mại nào và chỉ một số ít tàu chở hàng sử dụng cái gọi là "nhiên liệu điện tử". Nhưng các công ty và chính phủ trên toàn thế giới đang đầu tư hàng tỷ đô la để phát triển động cơ, hệ thống nhiên liệu và các quy trình an toàn mới nhằm hỗ trợ triển khai nhiên liệu vận tải đốt sạch hơn.
Câu hỏi lớn là liệu nhiên liệu có đủ số lượng khi tàu và máy bay phản lực sẵn sàng sử dụng hay không.
Aoife O'Leary, người sáng lập và CEO của Opportunity Green, một tổ chức có trụ sở tại Vương quốc Anh, cho biết: “Rõ ràng là loại nhiên liệu duy nhất thực sự bền vững lâu dài và có thể mở rộng sẽ có nguồn gốc từ hydro”.
Bà nói: “Nếu bạn muốn có nguồn nhiên liệu bền vững đó, điều đó thực sự có nghĩa là phải xây dựng cơ sở hạ tầng [cung cấp] này ngay bây giờ”. Vì lý do đó, tổ chức phi lợi nhuận về môi trường đã thành lập một liên minh vào năm ngoái với các công ty khởi nghiệp tập trung vào hydro để ủng hộ các chính sách và chương trình nhằm thúc đẩy việc sử dụng H2 trên bầu trời và biển.
Để tạo ra nhiên liệu điện tử, hydro sạch (hoặc “xanh”) trước tiên phải được sản xuất bằng máy điện phân, giúp phân tách các phân tử nước thành H2 và oxy. Hydro đó sau đó được kết hợp với các nguyên tố khác, chẳng hạn như nitơ hoặc carbon dioxide, thông qua các quá trình tiêu tốn nhiều năng lượng. Để đạt được mức giảm phát thải lớn nhất, tất cả các bước đó phải được cung cấp năng lượng sạch.
Tuy nhiên, ngày nay, gần như toàn bộ lượng hydro trên thế giới được sản xuất từ khí hóa thạch bằng các phương pháp phát thải carbon cao. Điều đó có nghĩa là cần phải xây dựng một lượng lớn năng lượng tái tạo và công suất điện phân để không chỉ thay thế hydro bẩn hiện có mà còn mở rộng sản xuất tổng thể để phục vụ khách hàng mới, bao gồm cả tàu và máy bay.
Hình minh họa từ báo cáo Khoảng cách hydro xanh năm 2023 (Liên minh Sasha)
Theo Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IEA) có trụ sở tại Paris, việc chỉ đạt được 10% thị phần nhiên liệu điện tử trong cả ngành hàng không và vận tải biển vào năm 2030 có thể tạo ra nhu cầu điện tái tạo bổ sung khoảng 2.100 terawatt giờ mỗi năm. Đó là quy mô của khoảng một nửa lượng điện tiêu thụ hàng năm ở Hoa Kỳ.
Để tạo ra đủ hydro sạch nhằm đạt được mục tiêu 10% đó, các ngành công nghiệp sẽ cần xây dựng tổng công suất điện phân là 400 gigawatt — bằng toàn bộ hệ thống toàn cầu dành cho các dự án điện phân từ nay đến năm 2030, IEA cho biết trong một báo cáo tháng 12. Không còn nhiều thời gian để chờ đợi vì có thể mất tới một thập kỷ để xây dựng các dự án hydro xanh trên 1 GW.
Việc lắp đặt tất cả năng lượng tái tạo và công suất điện phân đó sẽ cần hàng tỷ đô la và nhiều năm lập kế hoạch và cấp phép. Nhiệm vụ này càng trở nên khó khăn hơn khi xem xét rằng các ngành công nghiệp khác cũng đang cần những nguồn lực tương tự. Các nhà cung cấp điện cần một lượng lớn năng lượng gió và mặt trời để khử cacbon trong lưới điện và sạc các phương tiện chạy bằng pin. Các nhà sản xuất thép, hóa chất và phân bón cũng có kế hoạch sử dụng nhiều hydro sạch để hạn chế lượng khí thải CO2 quá lớn của chính họ.
Trước sự cạnh tranh trong tương lai, O'Leary và các chuyên gia khác cho biết họ lo lắng rằng, trừ khi các công ty bắt đầu đầu tư vào các dự án nhiên liệu điện tử ngay bây giờ, vận tải biển và hàng không sẽ không đảm bảo đủ hydro sạch để giúp đáp ứng các mục tiêu toàn cầu về cắt giảm khí thải nhà kính. Mối quan ngại chính là nguồn cung cấp hydro hạn chế sẽ hướng tới các ứng dụng — chẳng hạn như hệ thống sưởi dân dụng và phương tiện hạng nhẹ — có những cách khả thi khác để khử cacbon, thay vì dành cho các lĩnh vực cần nó nhất.
“Có nguy cơ là các ngành vận tải hạng nặng có thể kết thúc ở một nơi mà họ nhận ra rằng mình làm như vậy
Emily Kent, giám đốc nhiên liệu không carbon của Lực lượng đặc nhiệm không khí sạch của Hoa Kỳ cho biết: “Chúng tôi không có giải pháp tốt [để khử cacbon].
Bà nói thêm: “Điều đó sẽ khiến một số lĩnh vực đó không bị suy giảm và có khả năng không tương thích với thế giới không có carbon mà chúng tôi hướng tới vào năm 2050”.
Vận chuyển hàng hóa bằng “nhiên liệu trong tương lai”
Hàng không và vận tải biển đều phải đối mặt với những thách thức riêng trong việc khử cacbon cho các đội tàu chạy nước kiệu trên toàn cầu bằng nhiên liệu điện tử. Hãy bắt đầu với những con tàu lớn.
Ngành vận tải biển toàn cầu chịu trách nhiệm về khoảng 3% lượng phát thải khí nhà kính hàng năm trên thế giới. Phần lớn tình trạng ô nhiễm khí hậu đó đến từ các tàu chạy bằng động cơ lớn chạy bằng dầu diesel khi vận chuyển hàng hóa trị giá hàng nghìn tỷ đô la trên toàn cầu.
Vào năm 2023, cơ quan quản lý hoạt động vận chuyển quốc tế của Liên Hợp Quốc đã đặt ra các mục tiêu mới, chặt chẽ hơn để giảm lượng khí thải từ các tàu chở hàng xuyên đại dương bắt đầu từ năm 2030. Và vào tháng 1 này, Liên minh Châu Âu đã bắt đầu quy định lượng khí thải liên quan đến hàng hải theo hệ thống giao dịch giới hạn của mình, quy định này yêu cầu các tàu chở hàng phải mua tín dụng cho mỗi tấn CO2 mà họ tạo ra trong khu vực. (Máy bay đã tham gia hệ thống vào năm 2012.)
Cả hai chính sách này đang bắt đầu thúc đẩy các công ty vận tải biển hướng tới việc sử dụng hai loại nhiên liệu có nguồn gốc từ hydro, cụ thể là: metanol điện tử và amoniac xanh.
Roger Holm, chủ tịch của Wärtsilä Marine, một nhà phát triển công nghệ và động cơ của Phần Lan, cho biết: “Chúng tôi thực sự cần những loại nhiên liệu trong tương lai này để đạt được [lượng khí thải] gần như bằng 0 vào năm 2050”.
Tàu container sử dụng metanol đầu tiên trên thế giới, Laura Maersk (Sergei Gapon/AFP/Getty Images)
Metanol (CH3OH) được coi là nguồn thay thế tiềm năng cho dầu diesel trong thời gian ngắn. Hóa chất phổ biến này được sử dụng để sản xuất mọi thứ từ sơn, nhựa đến mỹ phẩm và phụ tùng ô tô. Chất lỏng không màu có thể hoạt động như một nhiên liệu hàng hải "thả vào" nếu thực hiện những điều chỉnh tương đối nhỏ đối với động cơ và hệ thống nhiên liệu của tàu. Manol không tạo ra bồ hóng hoặc vật chất dạng hạt có hại khi đốt cháy và có thể làm giảm đáng kể lượng khí thải CO2 khi được sản xuất từ năng lượng tái tạo.
Giống như hydro, hầu hết metanol ngày nay được sản xuất từ nhiên liệu hóa thạch. Nhưng có những phiên bản thay thế. “Metylen sinh học”, loại phổ biến nhất, có thể được tạo ra bằng cách sử dụng chất thải cây trồng hoặc các vật liệu hữu cơ khác, sau đó chuyển thành khí tổng hợp được xử lý trong lò phản ứng. “E-metanol” xuất phát từ việc kết hợp hydro sạch với carbon dioxide — khí carbon dioxide có thể được thu giữ từ khói thải của các nhà máy điện hoặc có khả năng được kéo từ bầu trời bằng cách thu khí trực tiếp.
Theo một phân tích năm 2021, khi được sản xuất theo cách đó, e-metanol có thể tạo ra lượng khí thải tương đối nhỏ "ngay sau khi thức dậy". Tuy nhiên, việc đốt bất kỳ loại metanol nào cũng đều tạo ra lượng khí thải CO2 vì hợp chất này có chứa các nguyên tử cacbon.
Trong khi đó, amoniac được dự đoán sẽ trở thành nguồn nhiên liệu hàng đầu cho các tàu lớn trong thời gian dài. Hợp chất không chứa carbon (NH3) chủ yếu được sử dụng trong phân bón, nhựa và các sản phẩm tẩy rửa; Hiện tại, gần như toàn bộ số năng lượng đó được tạo ra bằng cách sử dụng nhiên liệu hóa thạch trong các quy trình sử dụng nhiều năng lượng và carbon. Nhưng có thể chỉ sử dụng năng lượng tái tạo để vừa sản xuất vừa tổng hợp hydro và nitơ để tạo ra amoniac “xanh”.
