Mục tiêu về khí hậu của Tokyo phụ thuộc vào một loại nhiên liệu đang mất dần sự ủng hộ
Bảo tàng Hydro Tokyo tại Phường Koto của thủ đô vào thứ năm. Thủ đô đang hướng tới mục tiêu "sử dụng toàn bộ" hydro được sản xuất bằng năng lượng tái tạo "trong mọi lĩnh vực" vào năm 2050 như một phần của chiến dịch phi cacbon hóa. | Chris Russell
Ngày 3 tháng 11 năm 2024
Năm 2050. Bạn thức dậy trong ngôi nhà của mình ở Tokyo và tắm nước nóng dễ chịu nhờ lò hơi chạy bằng hydro. Sau đó, bạn nhận được một đơn hàng từ máy bay không người lái chạy bằng pin nhiên liệu hydro, trước khi nhảy lên xe chạy bằng cùng loại nhiên liệu để lái đến Sân bay Haneda cho chuyến đi nước ngoài trên máy bay chạy bằng hydro — những chuyến đi không còn phải mang theo cảm giác tội lỗi hay lo lắng về tác động làm nóng hành tinh của chúng nữa, vì chúng không còn thải ra khí thải carbon dioxide khó chịu nữa.
Đó, và nhiều hơn thế nữa, là tầm nhìn được vạch ra trong những năm gần đây, bao gồm cả tại một hội nghị về hydro vào cuối tháng trước, do Chính quyền đô thị Tokyo đưa ra, nơi đang nhắm mục tiêu "sử dụng toàn bộ" hydro được sản xuất bằng năng lượng tái tạo "trong mọi lĩnh vực" vào năm 2050 như một phần của chiến dịch phi cacbon hóa của mình.
Hydro là chất mang năng lượng đa năng, không tạo ra CO2 khi đốt cháy và trong pin nhiên liệu có thể tạo ra điện mà không thải ra khí làm nóng hành tinh, khiến nó trở thành một cách hấp dẫn để đạt được mức phát thải khí nhà kính ròng bằng 0. Điều đó đã khiến nó nổi lên như một loại "dao quân đội Thụy Sĩ" của quá trình phi cacbon hóa, với hydro được đưa ra để sử dụng trong mọi thứ, từ nhiệt đến phát điện và vận tải — như được nêu bật trong tầm nhìn về hydro của Tokyo.
Nhưng hiện tại, phần lớn hydro được sản xuất bằng nhiên liệu hóa thạch, nghĩa là nó khó có thể không phát thải — sản lượng hiện tại tạo ra lượng khí thải nhà kính hàng năm tương đương với lượng khí thải của các ngành hàng không và vận tải gây ô nhiễm cao cộng lại. Trong khi đó, hydro phát thải thấp chỉ chiếm chưa đến 1% nguồn cung vào năm 2022, theo Cơ quan Năng lượng Quốc tế. Điều đó lại đặt ra câu hỏi về việc nguồn tài nguyên khan hiếm này nên được sử dụng tốt nhất ở đâu.
Một màn hình tại Bảo tàng Hydro Tokyo cho thấy nhiều ứng dụng khác nhau của hydro trong lĩnh vực vận tải. Bất chấp sự nhiệt tình của thủ đô, triển vọng đối với nhiều ứng dụng được đề xuất cho nhiên liệu này vẫn còn mờ nhạt. | Chris Russell
Đồng thời, nhiều, nếu không muốn nói là hầu hết, các công cụ của Swiss Army Knife của thành phố này đang ngày càng trở nên cùn mòn khi thực tế về những hạn chế vật lý của hydro và những hậu quả kinh tế liên tiếp, trong khi các giải pháp cạnh tranh chứng minh được giá trị của chúng.
Martin Tengler, người đứng đầu bộ phận nghiên cứu hydro tại BloombergNEF, cho biết: "Trên toàn cầu, chúng ta chắc chắn đang đi theo quỹ đạo đi xuống về mặt kỳ vọng".
Một xã hội hydro
Tokyo đang hướng đến mục tiêu sử dụng hydro — đặc biệt là biến thể "xanh" của nó, được sản xuất bằng máy điện phân chạy bằng năng lượng tái tạo — trên nhiều lĩnh vực, mặc dù chính quyền đô thị chưa đặt ra hoặc ước tính tỷ lệ phần trăm hỗn hợp năng lượng của thủ đô sẽ bao gồm vào năm 2050, khi Tokyo đặt mục tiêu đạt mức phát thải ròng bằng 0.
Các lĩnh vực chính bao gồm sưởi ấm và phát điện, cũng như lưu trữ năng lượng để bù đắp cho sự thay đổi của sản lượng năng lượng tái tạo. Nhưng giao thông vận tải nổi lên là lĩnh vực lớn nhất, với việc Tokyo thúc đẩy mạnh mẽ việc chuyển sang xe chạy bằng pin nhiên liệu hydro (FCV) cho ô tô chở khách, xe buýt và xe tải. Tính đến tháng 4, thủ đô đã có 21 trạm tiếp nhiên liệu hydro cho các loại xe như vậy, bao gồm 13 trạm tương thích với xe buýt.
Tầm nhìn về hydro của thủ đô — do nhân vật Suison đội mũ xanh dẫn đầu (một cách chơi chữ từ tiếng Nhật có nghĩa là hydro, "suiso") và được Bảo tàng Hydro Tokyo quảng bá, nơi được trang bị các hoạt động thân thiện với trẻ em, máy phân phối hydro mô hình và một giảng đường — phù hợp với chiến lược quốc gia của Nhật Bản.
Một máy phân phối tại một trạm tiếp nhiên liệu hydro ở Tokyo. Tokyo đang cung cấp một loạt các khoản trợ cấp để hỗ trợ các dự án hydro và khoảng 13 tỷ yên đã được dành riêng cho việc này trong ngân sách hiện tại. | Chris Russell
Tokyo đang cung cấp một loạt các khoản trợ cấp để hỗ trợ các dự án hydro — lên tới 1 tỷ yên (khoảng 6,6 triệu đô la) để hỗ trợ xây dựng đường ống cho một trạm tiếp nhiên liệu — và khoảng 13 tỷ yên đã được dành riêng cho việc này trong ngân sách hiện tại.
Chính quyền đô thị cũng để mắt đến việc tăng nguồn cung, sử dụng đất của chính mình để sản xuất và mua hydro được sản xuất tại Tỉnh Yamanashi để sử dụng tại trung tâm triển lãm Tokyo Big Sight.
Chính quyền cũng đang hướng đến các quốc gia xa hơn, chẳng hạn như Úc, có khả năng dư thừa năng lực năng lượng tái tạo, có thể được chuyển hướng sang sản xuất hydro xanh và sau đó vận chuyển đến Nhật Bản. Vào đầu năm 2022, Suiso Frontier dài 116 mét, một tàu chở hydro hóa lỏng do Kawasaki Heavy Industries chế tạo, đã hoàn thành chuyến đi quốc tế đầu tiên, đi đến tiểu bang Victoria của Úc và quay trở lại Kobe.
Để hỗ trợ những nỗ lực này, Tokyo đã tăng ngân sách thúc đẩy hydro lên 20,3 tỷ yên cho năm tài chính đến tháng 3, tăng từ 11,4 tỷ yên năm trước đó.
“Để phổ biến hydro, có những thách thức bao gồm việc giảm chi phí sản xuất và sự cần thiết phải tạo ra một chuỗi cung ứng. Điều cần thiết nữa là mở rộng nhu cầu về hydro trong nhiều lĩnh vực cũng như thúc đẩy phát triển công nghệ và sản xuất hàng loạt”, Chikako Ikeda, giám đốc Ban Chính sách Công nghiệp và Năng lượng thuộc Cục Công nghiệp và Lao động của Chính quyền đô thị Tokyo cho biết. “Do đó, chúng tôi đặt mục tiêu thúc đẩy cả nhu cầu và nguồn cung hydro”.
Suiso Frontier, tàu chở hydro đầu tiên trên thế giới, sẽ cập Cảng Hastings ở Victoria, Úc, từ Kobe vào tháng 1 năm 2022. | HySTRA / qua Reuters
Cạnh tranh về điện
Ngay cả tại Hội nghị Hành động Năng lượng Hydro của chính quyền đô thị vào ngày 22 tháng 10, Tổng giám đốc Cơ quan Năng lượng Tái tạo Quốc tế Francesco La Camera đã bày tỏ quan điểm về việc sử dụng hydro hoàn toàn trái ngược với phần lớn kế hoạch của Tokyo.
“Chúng tôi hiểu rằng hydro xanh có sẵn và đa dạng, nhưng không phải là vô hạn. Nhận thức này đã đưa chúng ta đến một sự đồng thuận quan trọng: Hydro xanh không nên bị phân tán trong các lĩnh vực có thể được điện khí hóa trực tiếp", ông cho biết trong bài phát biểu quan trọng.
"Tương lai của ô tô chạy bằng hydro dường như chỉ giới hạn ở một vài ứng dụng và hệ thống sưởi ấm dân dụng được phục vụ tốt hơn bằng máy bơm nhiệt và các nguồn năng lượng tái tạo trực tiếp", ông nói thêm.
Vấn đề chính với hydro trong vận tải đường bộ liên quan đến hiệu quả, với lượng năng lượng đáng kể bị mất ở mỗi giai đoạn của quá trình chuyển đổi điện thành hydro và ngược lại — trên thực tế, khoảng 30% bị mất thông qua quá trình điện phân ngay từ đầu. Điều đó làm cho hydro về cơ bản đắt hơn điện được sử dụng để sản xuất nó và kém hơn so với hiệu suất khứ hồi của pin là hơn 80%. Một lợi thế khác của xe điện chạy bằng pin (BEV) là chúng được sạc trực tiếp từ lưới điện.
Một chiếc xe chạy bằng pin nhiên liệu Toyota Mirai bên ngoài Bảo tàng Hydro Tokyo. Một lợi thế rõ ràng của xe điện chạy bằng pin so với xe chạy bằng pin nhiên liệu là BEV được sạc trực tiếp từ lưới điện. | Chris Russell
Đồng thời, việc sử dụng pin — đối thủ cạnh tranh chính của pin nhiên liệu hydro — trong nhiều lĩnh vực khác nhau giúp pin rẻ hơn và tốt hơn, trong khi có ít cơ hội mở rộng quy mô sử dụng pin nhiên liệu hơn.
Do đó, Tengler của BloombergNEF chỉ thấy vai trò khả thi của hydro trong vận tải đường dài với tải trọng nặng, trong khi các chuyên gia khác nghi ngờ rằng nó có tương lai trong vận tải đường bộ, chỉ ra chi phí mua và vận hành xe tải chạy bằng hydro cao hơn nhiều và biên lợi nhuận eo hẹp trong ngành hậu cần.
Tengler cho biết: "Cả chi phí vốn để mua ô tô hoặc xe buýt chạy bằng hydro và chi phí vận hành để sử dụng đều cao hơn, và chỉ có các định luật vật lý và kinh tế mới quyết định rằng điều đó sẽ duy trì như vậy, và rất có thể sẽ tốt hơn cho pin và tệ hơn cho hydro theo thời gian xét về mặt tương đối".
Thị trường đã lên tiếng trên toàn cầu và có thể đã làm như vậy ngay cả ở Nhật Bản, nơi việc áp dụng BEV chậm hơn nhiều. Tính đến cuối tháng 3, chỉ có 1.633 xe chạy bằng pin nhiên liệu hydro tại thủ đô, theo dữ liệu của Hiệp hội thông tin đăng ký và kiểm định ô tô, so với 22.428 xe điện. Và vào năm 2023, doanh số bán xe BEV chở khách cỡ tiêu chuẩn trên toàn quốc đã tăng 39% lên 43.991 xe, theo Hiệp hội đại lý ô tô Nhật Bản, vượt xa tổng số xe FCV là 422 xe.
Vấn đề kém hiệu quả này kết hợp với mật độ năng lượng thấp của hydro trên một đơn vị thể tích sẽ làm phức tạp, nếu không muốn nói là làm suy yếu hoàn toàn, các kế hoạch khác cho nó. Trong trường hợp hàng không và vận chuyển, cần nhiều không gian hơn để lưu trữ hydro có nghĩa là ít không gian hơn cho hành khách và hàng hóa.
Một nhân viên của Toyota đang làm việc trên một chiếc xe chạy bằng pin nhiên liệu Mirai tại một nhà máy ở Toyota, Tỉnh Aichi, vào năm 2018. Vào năm 2023, doanh số bán xe BEV chở khách cỡ tiêu chuẩn trên toàn quốc đã tăng 39% lên 43.991 xe, theo Hiệp hội đại lý ô tô Nhật Bản, vượt xa tổng số xe FCV là 422 xe. | Reuters
Đây cũng là một vấn đề khi vận chuyển hydro bằng tàu, ngay cả sau khi hydro được hóa lỏng — một quá trình tự nó mang lại chi phí năng lượng. Điều đó không chỉ đòi hỏi những con tàu lớn hơn đáng kể mà còn vì hydro hóa lỏng đang sôi — mặc dù được giữ ở nhiệt độ âm 253 độ C, cao hơn 20 độ C so với độ không tuyệt đối — nó sẽ cần phải được thông hơi, hóa lỏng lại hoặc đốt trong động cơ. Điều đó không chỉ dẫn đến mất thêm năng lượng mà nếu nó được giải phóng, nó cũng góp phần vào biến đổi khí hậu vì hydro là khí nhà kính gián tiếp — một nghiên cứu năm ngoái đã phát hiện ra rằng hiệu ứng làm ấm của nó gần gấp 12 lần so với CO2.
"Sản xuất và vận chuyển hydro hóa lỏng lãng phí năng lượng với số lượng lớn đến mức không có ý nghĩa gì cả, và vấn đề ở đây là: Bất kỳ quốc gia nào phụ thuộc vào nguồn năng lượng đó sẽ phải chịu bất lợi kinh tế nghiêm trọng — không thể chi trả được chi phí năng lượng trong dài hạn", David Cebon, giáo sư
kỹ thuật cơ khí tại Đại học Cambridge và là thành viên của Liên minh Khoa học Hydro. “Các khoản trợ cấp cần thiết để năng lượng đó có giá cả phải chăng đối với người tiêu dùng Nhật Bản và người sử dụng trong ngành công nghiệp sẽ gây ra sức ép kinh tế lớn”.
Tuy nhiên, nếu Tokyo có thể có hoặc sản xuất được hydro, cả Tengler và Cebon đều thấy vai trò tiềm năng của nó trong việc lưu trữ năng lượng dài hạn, mặc dù Cebon ủng hộ việc Nhật Bản xây dựng các tuyến cáp điện ngầm, giống như tuyến cáp được lên kế hoạch giữa Úc và Singapore.
Tác động tối đa
Thế giới đang đi chệch hướng hoàn toàn so với mục tiêu của Thỏa thuận chung Paris là hạn chế sự nóng lên ở mức tối đa là 2 độ C — Chương trình Môi trường Liên hợp quốc cho biết chúng ta lạc quan rằng chúng ta đang đi đúng hướng để đạt được mục tiêu 2,6 độ C ngay cả khi các cam kết về khí hậu của các quốc gia thực sự đạt được. Điều này có nghĩa là thời gian là yếu tố cốt yếu và các phương pháp khử cacbon hiệu quả cần được ưu tiên.
Theo Climate Action Tracker, các chính sách của riêng Nhật Bản sẽ dẫn đến việc giảm phát thải từ 31% đến 37% so với mức năm 2013 vào năm 2030, so với mục tiêu là 46%.
Một trạm nạp nhiên liệu hydro do Tokyo Gas vận hành tại Tokyo vào năm 2020. Các chuyên gia tin rằng thủ đô nên tập trung vào việc cải thiện cơ sở hạ tầng sạc cho BEV thay vì tập trung vào các trạm nạp nhiên liệu hydro. | Reuters
Cùng lúc thúc đẩy hydro, Chính quyền đô thị Tokyo cũng đang thực hiện các bước để thúc đẩy năng lượng tái tạo — một phần trong mục tiêu của mình là các nguồn năng lượng đó cung cấp khoảng 50% điện năng của thủ đô vào năm 2030 — ví dụ thông qua lệnh bắt buộc các ngôi nhà và tòa nhà mới phải có tấm pin mặt trời trên mái nhà từ tháng 4 năm sau. Các tòa nhà chung cư mới cũng sẽ phải lắp đặt bộ sạc EV từ thời điểm đó, với việc chính phủ tăng trợ cấp cho chúng và đặt mục tiêu lắp đặt 60.000 bộ sạc tại thủ đô. Điều này hứa hẹn sẽ bổ sung thêm một lượng công suất đáng kể: Tính đến cuối tháng 9, thủ đô đã có 2.916 trạm sạc.
Tuy nhiên, ở mức cơ bản lên tới 425.000 Yên, trợ cấp cho việc mua EV vẫn còn kém xa so với mức lên tới 1,1 triệu Yên dành cho FCV, chưa tính đến các khoản trợ cấp FCV khác.
Tengler gợi ý rằng thay vì xây dựng các trạm tiếp nhiên liệu hydro ít được sử dụng, "hãy bắt đầu xây dựng cơ sở hạ tầng sạc rất nghiêm túc ở mọi nơi cho xe điện chạy bằng pin, vì đó là nút thắt cổ chai đối với xe điện chạy bằng pin".
"Bây giờ, và chắc chắn là trong vài năm nữa, xe điện chạy bằng pin sẽ rẻ hơn xe chạy bằng xăng, nhưng mọi người có thể không muốn mua chúng. Tại sao? Bởi vì bạn không có nơi nào để sạc nó".
Một hình ảnh tại Bảo tàng Hydro Tokyo mô tả nhân vật Suison, đại diện cho hydro, trên một chiếc xe buýt chạy bằng nhiên liệu hydro | Chris Russell
Mặc dù triển vọng cho nhiều mục đích sử dụng hydro còn mờ nhạt, nhưng nhu cầu về hydro vẫn đang tiếp diễn do các đặc tính hóa học của nó, ví dụ như trong sản xuất phân bón và việc sử dụng các loại phát thải thấp là rất quan trọng. Theo IEA, sản lượng hydro phát thải thấp hàng năm có thể đạt 38 triệu tấn vào năm 2030, mặc dù cần 69 triệu tấn theo lộ trình phát thải ròng bằng 0 của cơ quan này.
Cebon cho biết: "Hoàn toàn không còn nghi ngờ gì nữa, chúng ta cần sản xuất hydro xanh để làm phân bón và chúng ta cần phải làm điều đó ngay bây giờ, và các chính phủ cần tập trung vào điều đó, vì đó là một trong những vấn đề chính mà chúng ta phải giảm phát thải".
Tuy nhiên, BloombergNEF cho biết nhu cầu yếu do nền kinh tế hydro kém có thể khiến nguồn cung giảm nhiều hơn nữa - lạc quan là 16 triệu tấn mỗi năm vào năm 2030, so với công suất đã công bố là 70 triệu tấn.
Tất cả những điều đó có nghĩa là bức tranh tổng thể về hydro trông khá khác so với bức tranh mà Tokyo đang vẽ ra.
Chiến lược hydro quốc gia của Nhật Bản, có từ trước mục tiêu phát thải ròng bằng 0 vào năm 2050 của quốc gia này và quan tâm nhiều đến an ninh năng lượng và hiệu quả kinh tế cũng như quá trình khử cacbon, hướng đến mục tiêu hiện thực hóa một "xã hội dựa trên hydro". Nhưng Tengler cho rằng đó là cách làm sai.
“Một xã hội hydro không nhất thiết là một xã hội không phát thải ròng, và chắc chắn không phải là xã hội không phát thải ròng hiệu quả nhất”, ông nói. “Nếu đó là một xã hội không phát thải ròng, thì điện khí hóa trong phần lớn các ngành công nghiệp sẽ rẻ hơn hydro.
“Nếu hydro là câu trả lời trong một lĩnh vực cụ thể, thì tuyệt, hãy phát triển nó ở đó. Nhưng đừng bắt đầu với tiền đề là bạn muốn một xã hội hydro”.
