Nhiên liệu được tạo ra chỉ từ không khí, điện và nước đang cất cánh, nhưng có một số yếu tố đang cản trở nó.
Bài viết của Jon Gluyas, The Conversation
Máy bay sẽ không chuyển sang điện. Nguồn: Ersin Ergin
Hãy tưởng tượng việc cung cấp năng lượng cho máy bay đường dài và tàu hạng nặng bằng nhiên liệu được tạo ra chỉ từ không khí, nước và điện tái tạo. Điều này đang dần trở thành hiện thực, nhờ giá thành của các nguồn năng lượng tái tạo như gió và mặt trời đang giảm.
Trong khi việc đốt nhiên liệu hiện nay thải ra carbon vào khí quyển vốn đã bị cô lập dưới lòng đất hàng triệu năm, thì những loại "nhiên liệu điện tử" này sẽ thân thiện với môi trường hơn, bổ sung và loại bỏ carbon khỏi không khí với lượng gần như bằng nhau.
Chúng ta đang thấy một tia hy vọng về tương lai trong dự án Haru Oni của HIF Global ở phía nam Chile, được Porsche và ExxonMobil hỗ trợ. Dự án sử dụng năng lượng gió để sản xuất metanol và xăng tổng hợp, đánh dấu một trong những dự án nhiên liệu điện tử thương mại đầu tiên. Các dự án tương tự đang được phát triển ở Bắc Phi, Iceland và bán đảo Ả Rập, hướng đến mục tiêu xuất khẩu e-methanol và e-kerosene.
Nhiên liệu điện tử nằm trong danh mục nhiên liệu tổng hợp rộng hơn, vốn rất quan trọng đối với các ngành như hàng không và vận tải biển, vốn sẽ không thể chuyển sang năng lượng điện hoặc nhiên liệu sạch như hydro trong tương lai gần.
Nhiên liệu tổng hợp có tính chất hóa học tương tự như nhiên liệu lỏng giàu năng lượng mà các phương thức vận tải này hiện đang phụ thuộc, mặc dù việc sản xuất khí cũng có thể thực hiện được. Chúng vẫn chỉ chiếm một tỷ trọng nhỏ trong nhiên liệu của các ngành này—ví dụ, khoảng 0,3% nhiên liệu động cơ phản lực toàn cầu là nhiên liệu tổng hợp vào năm 2024.
Con số này dự kiến sẽ thay đổi đáng kể trong những năm tới, có khả năng tăng tới 50% vào năm 2050. Trong khi đó, mỗi loại nhiên liệu tổng hợp đều đi kèm với những đánh đổi ảnh hưởng đến chi phí, khả năng mở rộng và thời gian đưa ra thị trường.
Các lựa chọn thay thế
Hai loại nhiên liệu tổng hợp chính khác được gọi là nhiên liệu sinh hóa và nhiên liệu nhiệt hóa học.
Nhiên liệu sinh hóa được tạo ra từ quá trình xử lý chất béo và dầu thải, hoặc sử dụng quá trình lên men hoặc enzyme để chuyển hóa các chất như cây trồng và chất thải hữu cơ thành cồn. Trong cả hai trường hợp, đều có một bước cuối cùng liên quan đến việc bổ sung hydro, trong một quá trình gọi là hydro hóa xúc tác.
Các chuỗi cung ứng đã được thiết lập tốt cho loại hình sản xuất này, nhưng có rất nhiều sự cạnh tranh về nguyên liệu thô. Chúng phải được trồng trên đất hoặc nước, nếu không sẽ được sử dụng làm thực phẩm. Ngay cả với những giả định lạc quan, những nguyên liệu này cũng không thể đáp ứng nhu cầu nhiên liệu bền vững toàn cầu.
Sản xuất nhiệt hóa học sử dụng nhiệt độ cao để chuyển đổi phế liệu gỗ, sinh khối thải hoặc thậm chí nhựa thành khí tổng hợp (hỗn hợp carbon monoxide và hydro). Sau đó, khí này được chuyển đổi thành nhiên liệu lỏng thông qua một quy trình công nghiệp như Fischer-Tropsch, trong đó chúng được nung nóng và chạy qua chất xúc tác như coban.
Ở đây không cần nguyên liệu thực phẩm, và các quy trình công nghiệp đã được chứng minh. Tuy nhiên, bạn vẫn phải thu thập và vận chuyển một lượng lớn nguyên liệu, trong khi các nhà máy nhiệt độ cao lại rất tốn kém. Hiện tại, phần lớn nhiên liệu tổng hợp ngày nay là nhiên liệu sinh hóa, chủ yếu từ dầu tái chế.
Nhiên liệu điện tử
Nhiên liệu điện tử là lựa chọn mới nhất. Nhiều nhà lãnh đạo trong lĩnh vực năng lượng toàn cầu kỳ vọng chúng sẽ đóng vai trò trung tâm trong việc khử cacbon cho hàng không và vận tải biển - đặc biệt là khi nguyên liệu sinh khối đã đạt đến giới hạn. Thách thức là việc sản xuất nhiên liệu điện tử tiêu tốn nhiều năng lượng và hiện đang rất tốn kém, đặc biệt là ở những nơi năng lượng tái tạo khan hiếm hoặc đắt đỏ. Dưới đây là cách phân tích:
1. Thu giữ carbon dioxide
Thu giữ và cô đặc CO₂ cần khoảng 1–3 megawatt giờ (MWh) năng lượng cho mỗi tấn, một con số khá đáng kể. Sử dụng CO₂ thương mại có chi phí chỉ bằng khoảng một phần ba so với thu giữ từ không khí, vì vậy các phương pháp kết hợp sử dụng một lượng CO₂ thương mại có thể sẽ được áp dụng trước. CO₂ thương mại thường là sản phẩm phụ từ quá trình đốt nhiên liệu hóa thạch, do đó, điều này gây ra những bất lợi về môi trường.
2. Sản xuất hydro
Ngay cả những phương pháp tốt nhất để chiết xuất hydro từ nước cũng chỉ đạt hiệu suất khoảng 70%. Điều này có nghĩa là cần 50–55 kilowatt giờ (kWh) điện để sản xuất 1 kg hydro, trong khi hydro chỉ lưu trữ 33 kWh năng lượng hóa học—nói cách khác, năng lượng đầu vào lớn hơn đáng kể so với năng lượng đầu ra. Đây là một lý do tại sao việc sản xuất nhiên liệu từ điện có thể sẽ không bao giờ rẻ bằng việc sử dụng điện trực tiếp.
3. Nén, lưu trữ và vận chuyển
Hydro phải được nén hoặc hóa lỏng, tiêu tốn thêm năng lượng (ví dụ, khoảng 10–13 kWh cho mỗi kg hydro để hóa lỏng). Hydro cũng dễ bị rò rỉ và có thể làm giòn đường ống thép, gây khó khăn cho việc vận chuyển đường dài.
4. Chuyển đổi carbon dioxide thành nhiên liệu
CO₂ thu được và cô đặc được chuyển đổi thành nhiên liệu bằng cách cho nó phản ứng với hydro—hoặc trước tiên nó có thể được khử thành carbon monoxide trong quá trình "tổng hợp nhiên liệu" xúc tác. Trong cả hai trường hợp, sản phẩm thu được có thể là một loại rượu như methanol, hoặc một hydrocarbon phức tạp hơn như hỗn hợp
parafin hoặc sáp. Tùy thuộc vào sản phẩm cuối cùng mong muốn, có thể cần phải xử lý thêm. Các bước này đòi hỏi nhiệt độ và áp suất cao, làm tăng nhu cầu năng lượng và chi phí vốn.
Tóm lại, mỗi quy trình trong bốn quy trình này đều làm tăng tổn thất năng lượng. Cho đến khi điện xanh trở nên rẻ hơn nhiều, nhiên liệu điện tử sẽ vẫn là một sản phẩm cao cấp.
Tại Hoa Kỳ và Vương quốc Anh, giá điện hiện cao hơn khoảng bốn lần so với khí đốt tự nhiên, trong khi ở châu Âu, giá điện cao hơn khoảng 2,5 lần. Nói một cách đại khái, nhiên liệu điện tử sẽ vẫn đắt hơn nhiên liệu hóa thạch cho đến khi hai mức giá này ngang bằng. Giá điện bao gồm chi phí sản xuất và phân phối cũng như thuế, vì vậy chúng ta sẽ cần giảm giá trên diện rộng.
So sánh nhiên liệu tổng hợp
Tin tốt là chi phí năng lượng xanh sẽ tiếp tục giảm khi công nghệ ngày càng hiệu quả hơn. Trong ngành hàng không, các phân tích gần đây dự đoán rằng hầu hết nhiên liệu bền vững sẽ là nhiên liệu sinh hóa hoặc nhiệt hóa học cho đến năm 2040, nhưng sau đó, phần lớn sự tăng trưởng có thể đến từ nhiên liệu điện tử. Đến năm 2050, chúng có thể chiếm hơn một nửa tổng lượng nhiên liệu tổng hợp.
Nhiên liệu điện tử có thể được sản xuất tại các khu vực giàu năng lượng tái tạo như Bắc Phi, Patagonia và Iceland - tạo ra những đối thủ mới trong ngành thương mại năng lượng toàn cầu. Toàn bộ hệ sinh thái bao gồm mọi thứ, từ năng lượng tái tạo quy mô lớn đến hậu cần nhiên liệu, sẽ phải được mở rộng nhanh chóng để ngành công nghiệp này có thể tồn tại.
Tóm lại, hóa học đã phát huy tác dụng nhưng kinh tế vẫn chưa bắt kịp. Và mặc dù nhiên liệu điện tử là một triển vọng thú vị, nhưng chúng không phải là giải pháp hoàn hảo. Chính phủ và ngành năng lượng vẫn cần ưu tiên chuyển đổi sang năng lượng điện và nâng cao hiệu quả năng lượng bất cứ khi nào có thể.
Được cung cấp bởi The Conversation
