Nhiên liệu E-Fuel: Giải pháp Thấp Carbon Cho Tương Lai Bền Vững
Nhiên liệu tổng hợp từ Hydro và CO₂
Bối cảnh năng lượng toàn cầu đang trải qua một sự chuyển đổi sâu rộng, được thúc đẩy bởi nhu cầu cấp bách trong việc giảm thiểu biến đổi khí hậu và đạt được mức carbon trung hòa. Trong số các giải pháp mới nổi, e-fuel – hay còn gọi là nhiên liệu điện tử – đang được chú ý như một phương án thay thế nhiên liệu hóa thạch với lượng carbon thấp. E-fuel được tổng hợp từ hydrogen (H₂) và carbon dioxide (CO₂), có thể thay thế xăng, diesel, nhiên liệu máy bay và các nhiên liệu hydrocarbon khác. Khi sử dụng năng lượng tái tạo và thu CO₂ từ không khí hoặc các nguồn công nghiệp, e-fuel mang tiềm năng giảm đáng kể lượng khí nhà kính ròng.
Thuật ngữ “e-fuel” xuất phát từ chữ “electro”, phản ánh việc hydro sử dụng trong sản xuất được tạo ra bằng quá trình điện phân nước với điện năng từ nguồn tái tạo. E-fuel còn được gọi là nhiên liệu tổng hợp nhờ quá trình tổng hợp hóa học giữa CO₂ và H₂ thành các hydrocarbon. Khác với nhiều giải pháp năng lượng tái tạo khác, e-fuel tương thích với động cơ và hạ tầng hiện có, đặc biệt hữu ích cho các lĩnh vực khó điện hóa như hàng không, vận tải biển và vận tải đường dài.
Công nghệ sản xuất và đặc điểm
E-fuel có thể được phân loại thành ba loại chính: nhiên liệu dựa trên Fischer–Tropsch (xăng, diesel, nhiên liệu máy bay), methanol và methane. Mỗi loại có quy trình sản xuất và thách thức kỹ thuật riêng.
-
Nhiên liệu FT (xăng, diesel, nhiên liệu máy bay)
Các nhiên liệu này được sản xuất qua phản ứng Reverse Water–Gas Shift (RWGS) và tổng hợp Fischer–Tropsch (FT), sau đó trải qua quá trình nâng cấp hoặc tinh chế. Trong phản ứng RWGS, CO₂ được chuyển hóa thành carbon monoxide (CO), hợp chất phản ứng tốt hơn. Tổng hợp FT chuyển hỗn hợp H₂ và CO (syngas) thành dầu tổng hợp (synthetic crude) chứa nhiều loại hydrocarbon, gồm xăng, diesel, nhiên liệu máy bay và naphtha, sau đó tách và tinh chế theo từng loại nhiên liệu.Điều kiện phản ứng chính:
-
RWGS: 500–800°C, hấp thụ nhiệt (endothermic), cần năng lượng bên ngoài
-
FT: ~300°C, tỏa nhiệt (exothermic), sử dụng chất xúc tác sắt hoặc cobalt
Thách thức: tối ưu hóa chất xúc tác, điều kiện phản ứng và hiệu quả năng lượng để tăng sản lượng nhiên liệu mong muốn.
-
-
E-Methanol
Methanol được tổng hợp từ H₂ và CO₂ trong quá trình tổng hợp một bước, không cần chuyển CO₂ thành CO, giúp quy trình đơn giản hơn và công nghệ đã trưởng thành. Phản ứng tỏa nhiệt được thực hiện ở 200–300°C và 3–10 MPa với chất xúc tác đồng. Methanol ngày càng được sử dụng làm nhiên liệu hàng hải và nguyên liệu hóa chất nhờ khả năng mở rộng quy mô và công nghệ ổn định. -
E-Methane
Methane được sản xuất bằng phản ứng methanation (Sabatier), CO₂ phản ứng với H₂ trên chất xúc tác như ruthenium ở nhiệt độ cao (~500°C). Phản ứng tỏa nhiệt mạnh, kiểm soát nhiệt là thách thức chính, hạn chế sản xuất quy mô lớn. Dù được phát hiện từ hơn 100 năm trước, các nhà máy thương mại vẫn đang trong giai đoạn phát triển và thử nghiệm ở Nhật Bản và các quốc gia khác.
Nguồn nguyên liệu
Việc lựa chọn nguồn hydrogen và CO₂ rất quan trọng để đảm bảo tính carbon trung hòa.
-
Hydrogen: ưu tiên hydrogen xanh từ năng lượng tái tạo.
-
CO₂: CO₂ từ không khí qua Direct Air Capture (DAC) lý tưởng để giảm nồng độ khí nhà kính. CO₂ từ nhiên liệu hóa thạch rẻ hơn nhưng không giúp giảm CO₂ ròng.
Các dự án E-Fuel hiện nay
Nhiều dự án toàn cầu thể hiện sự quan tâm và đầu tư mạnh mẽ vào e-fuel:
-
Nhiên liệu máy bay: HIF (US/Australia), Infinium (US), Ørsted (Đan Mạch)
-
Methanol: Carbon Recycling International (Iceland, 2012), Boyuan Chemical (Trung Quốc), European Energy (Đan Mạch)
-
Methane: Osaka Gas (Nhật Bản) dự kiến sản xuất thương mại quy mô nhỏ vào 2025, mở rộng thương mại vào 2030
Triển vọng và chính sách hỗ trợ
Sản xuất e-fuel dự kiến tăng từ 0,85 triệu tấn năm 2025 lên 11 triệu tấn năm 2030, với methanol chiếm khoảng 80% tổng sản lượng. Nguyên nhân chính: công nghệ đã ổn định, khả năng mở rộng và nhu cầu nhiên liệu giảm carbon cho vận tải biển và nguyên liệu hóa chất.
Chính sách đóng vai trò quan trọng. EU đã thông qua các quy định ReFuelEU Aviation và FuelEU Maritime để giảm khí thải, trong khi Inflation Reduction Act của Mỹ khuyến khích sử dụng CO₂ trong sản xuất nhiên liệu. Với tiến bộ công nghệ và chính sách hỗ trợ liên tục, e-fuel dự kiến sẽ được áp dụng rộng rãi toàn cầu.
Thách thức và triển vọng
Hiện tại, e-fuel đắt hơn 2–4 lần so với nhiên liệu hóa thạch hoặc sinh học. Giảm chi phí cần nâng cao hiệu quả sản xuất, giảm chi phí nguyên liệu, và đổi mới trong xúc tác và thiết kế lò phản ứng. Ngoài ra, quy định đang nhấn mạnh sử dụng CO₂ từ không khí hoặc sinh học, hạn chế CO₂ từ nhiên liệu hóa thạch.
Dù còn nhiều thách thức, e-fuel được coi là công nghệ tiên phong trong giảm carbon, đặc biệt cho các lĩnh vực khó điện hóa. Chuyển đổi khí nhà kính thành nhiên liệu sử dụng được, e-fuel mở ra con đường bền vững cho tương lai năng lượng thấp carbon.
