SAN JOSE, California — Chỉ cần bật công tắc, nước sẽ chảy qua hai tấm kim loại đặt trên bàn, tách thành oxy và hydro, hydro sủi bọt vào một chai nhỏ trong suốt.
Bản trình bày trên bàn của Ohmium về cách hoạt động của máy điện phân: Điện khiến nước chảy qua hai tấm kim loại (bên trái) phân tách thành oxy và hydro, sau đó hydro được giữ lại trong bình (bên phải). Ảnh của Amena H. Saiyid. Minh họa của Nadya Nickels.
Những gì tôi chứng kiến ở góc của một không gian nhà kho lớn bên kia vịnh San Francisco là một cuộc trình diễn trên bàn về cách công ty Ohmium có trụ sở tại California và các công ty khác đang sử dụng điện để phân tách nước thông qua một quá trình hóa học được gọi là điện phân. Được nhà khoa học Michael Faraday đặt ra vào thế kỷ 19, điện phân kết hợp "electro", nghĩa là điện và "lysis" từ tiếng Hy Lạp, nghĩa là "tách, nới lỏng hoặc giải phóng".
Các thiết bị thực hiện quá trình điện phân, như thiết bị tạo bọt khí hydro trên bàn, được gọi là máy điện phân. Khi máy điện phân được cung cấp năng lượng sạch, tái tạo, nó sẽ tạo ra hydro không chứa carbon hoặc "xanh", có thể được sử dụng để thay thế nhiên liệu hóa thạch tạo ra khí thải trong nhiều lĩnh vực mà điện trực tiếp không phải là lựa chọn khả thi, như thép, xi măng và vận chuyển.
Ít hơn 1% lượng hydro được sản xuất tại Hoa Kỳ ngày nay là từ năng lượng tái tạo. Hầu hết được tạo ra bằng cách đun nóng khí đốt tự nhiên bằng hơi nước cực nóng, tạo ra lượng khí thải carbon dioxide không được kiểm soát, trong một quá trình được gọi là cải cách hơi nước-mê-tan. Những nỗ lực nhằm giảm thiểu lượng khí thải từ việc tạo ra loại hydro này bằng công nghệ thu giữ và lưu trữ carbon mới chỉ bắt đầu.
Tuy nhiên, Hoa Kỳ đặt mục tiêu sản xuất 10 triệu tấn hydro sạch hàng năm vào năm 2030 — và động thái đó đang thúc đẩy các nỗ lực sản xuất hydro bằng phương pháp điện phân sử dụng năng lượng tái tạo. Sẽ cần rất nhiều máy điện phân.
“Máy điện phân là trái tim của hệ sinh thái hydro xanh, thực sự là những mảnh ghép của cùng một câu đố. Nếu không có cái trước, bạn không thể có cái sau”, Rasool Aghatehrani, giám đốc tiếp thị và chiến lược của Ohmium, giải thích trong chuyến thăm của tôi vào tháng 7.
Các giống cây trồng đầy hứa hẹn
Các máy điện phân đầu tiên được sử dụng để tạo ra hydro có từ cuối thế kỷ 18. Công ty mẹ của Nel Hydrogen có trụ sở tại Na Uy, Norsk Hydro, đã thương mại hóa các máy điện phân sau Thế chiến thứ nhất để sản xuất phân bón, Constantine Levoyannis, người đứng đầu bộ phận chính phủ của Nel Hydrogen, nói với Cipher. Ông cho biết các máy điện phân cũng đã được sử dụng trong tàu ngầm kể từ Thế chiến thứ II để sản xuất oxy.
Hiện nay, các nhà phát triển đang cố gắng khai thác công nghệ này để sản xuất hydro tái tạo ở quy mô lớn cho các ngành công nghiệp đòi hỏi nguồn cung cấp khí liên tục và dồi dào. Trước tiên, họ phải tìm ra cách sản xuất máy điện phân giá rẻ và hiệu quả.
Theo Cleantech Tracker của Cipher, hiện nay, có ít nhất hàng chục công ty đang sản xuất công nghệ điện phân tái tạo cho thị trường Hoa Kỳ, bao gồm Bloom Energy, Nel Hydrogen, Topsoe và Electric Hydrogen.
Tracker phân tích dữ liệu từ một dự án lớn hơn do công ty nghiên cứu Rhodium Group và Trung tâm nghiên cứu chính sách năng lượng và môi trường của Viện công nghệ Massachusetts dẫn đầu. Ohmium không có trên bản đồ vì sản xuất máy điện phân của công ty này có trụ sở tại Ấn Độ; hoạt động nghiên cứu và phát triển của công ty này có trụ sở gần trụ sở chính tại Newark, California.
Máy điện phân có nhiều hình dạng và kích thước khác nhau. Tại nhà máy Bloom Energy ở Fremont, California, nơi tôi cũng đã đến thăm vào tháng 7, sàn nhà máy đầy những ô kính xếp thành hàng, nơi công nhân lắp ráp mặc áo khoác xanh và đeo kính bảo hộ giám sát quá trình sản xuất và lắp ráp tự động các ô có kích thước bằng đĩa mềm, nơi diễn ra quá trình điện phân.
Hàng trăm tế bào này sau đó được chứa bên trong một thùng chứa công nghiệp có kích thước bằng một chiếc tủ lạnh.
Giám đốc phát triển kinh doanh hydro của Bloom Energy, Akhil Batheja, nâng cánh cửa của một trong 32 đơn vị tạo nên địa điểm máy điện phân rắn công suất 4 megawatt tại Phòng thí nghiệm quốc gia Ames ở Mountain View, California vào tháng 7 năm 2024. Ảnh của Amena H. Saiyid.
Trong khi đó, tại trụ sở chính của Ohmium, các thành phần điện phân dễ thay thế được xếp chồng lên nhau như một tòa tháp hộp đựng pizza trong những tủ kim loại lớn, trông giống như một ngôi nhà ở hành lang trường trung học và có thể được triển khai trong nhà máy lọc dầu, nhà máy thép hoặc nhà máy phân bón.
Hiện nay có ít nhất bốn công nghệ điện phân thương mại chính, mỗi công nghệ có những cơ hội và thách thức riêng:
- Máy điện phân kiềm là loại máy được sử dụng rộng rãi và trưởng thành nhất trên thị trường hiện nay, chủ yếu được sản xuất tại Trung Quốc. Chúng có giá thành thấp và có thể được chế tạo bằng các vật liệu có sẵn rộng rãi. Phần lớn loại này hoạt động ở nhiệt độ thấp và áp suất phòng và có kích thước lớn hơn các phiên bản khác của công nghệ này. Các máy điện phân như vậy cũng tăng tốc lên công suất hoạt động tối đa chậm hơn các loại khác.
- Các máy điện phân màng trao đổi proton (PEM) như Nel Hydrogen, Electric Hydrogen và Ohmium đang xây dựng có thể có nhiều hình dạng và kích thước. Máy điện phân của Ohmium nhỏ hơn và có thể xếp chồng và sắp xếp giống như các mảnh Lego. Máy điện phân PEM có thể tăng và giảm sản lượng nhanh chóng, nhưng chúng thường sử dụng bạch kim và iridi đắt tiền đang trở nên khó tìm nguồn cung ứng. Cả ba công ty đều đang khám phá hoặc đã bắt đầu sử dụng các giải pháp thay thế rẻ hơn.
- Các máy điện phân oxit rắn, chẳng hạn như máy do Bloom Energy và Topsoe sản xuất, có thể được chế tạo bằng các vật liệu rẻ tiền như niken và gốm, giúp chúng dễ sản xuất ở quy mô lớn để đáp ứng nhu cầu. Công nghệ này cũng cần nhiệt độ cực cao, từ 1.292 đến 1.562 độ F. Nhiệt đó có thể được đảm bảo từ vô số nguồn kết hợp, bao gồm nhà máy điện hạt nhân, nhiệt thải từ sản xuất amoniac và thép, cũng như lò sưởi bên trong và nhiệt tự tạo từ chính máy điện phân.
- Theo một báo cáo của Trung tâm Chính sách Năng lượng Toàn cầu thuộc Đại học Columbia, máy điện phân nước màng trao đổi anion có giá thành nằm giữa máy điện phân kiềm và máy điện phân PEM và có thể tăng lên theo sản lượng năng lượng tái tạo, nhưng thiết bị và vật liệu của máy này có thể bị hỏng nhanh hơn các loại máy điện phân khác do hao mòn thông thường.
Anne-Sophie Corbeau, học giả nghiên cứu toàn cầu tại Trung tâm Chính sách Năng lượng Toàn cầu của Đại học Columbia, người có nghiên cứu cho thấy máy điện phân oxit rắn là loại hiệu quả nhất trong bốn loại chính, cho biết hiệu quả sử dụng điện để tạo ra một kilôgam của từng loại máy điện phân là khác nhau.
Trong khi các công ty Trung Quốc tập trung vào các máy điện phân kiềm truyền thống, các công ty hoạt động tại Hoa Kỳ chủ yếu tập trung vào PEM và máy điện phân oxit rắn, mặc dù một số công ty như Nel Hydrogen cũng đang sản xuất máy điện phân kiềm.
Giám đốc tiếp thị và chiến lược của Ohmium Rasool Aghatehrani và phó chủ tịch tiếp thị Karina Alexanyan mở cửa các đơn vị điện phân cỡ tủ đựng đồ của công ty tại trụ sở công ty ở Newark, California vào tháng 7 năm 2024. Ảnh của Amena H. Saiyid.
Levoyannis nói với Cipher rằng thách thức quan trọng là phải mở rộng quy mô sản xuất hydro tái tạo đủ để thúc đẩy nhu cầu về máy điện phân và giảm chi phí cho thiết bị điện phân.
Câu hỏi về chi phí
Hiện tại, giá hydro tái tạo lên tới hơn 5 đô la một kg. Bộ Năng lượng Hoa Kỳ đặt mục tiêu giảm giá xuống còn 1 đô la một kg, nhưng các nhà phát triển thừa nhận rằng mục tiêu này không thể đạt được nếu không có trợ cấp của liên bang.
Topsoe đã nhận được 135,9 triệu đô la tín dụng thuế liên bang, ví dụ, để xây dựng một nhà máy điện phân ở vùng ngoại ô Richmond, Virginia dự kiến sẽ đi vào hoạt động trong vòng bốn năm tới, tùy thuộc vào quyết định đầu tư cuối cùng. Bloom Energy đã nhận được 75 triệu đô la tín dụng để mở rộng nhà máy của mình tại Fremont, California và Electric Hydrogen đã nhận được 65 triệu đô la cho đến nay cho cơ sở sản xuất của mình tại Devens, Massachusetts.
Các thành viên nhóm phát triển và kỹ thuật của Bloom Energy đang xem xét dự án máy điện phân tại Mountain View, California vào tháng 5 năm 2023. Ảnh của Bloom Energy.
Corbeau nói với Cipher rằng tính kinh tế của hydro tái tạo cũng phụ thuộc vào nơi sử dụng hydro và liệu điện từ năng lượng tái tạo có rẻ hơn so với việc sản xuất hydro từ khí tự nhiên bằng CCS ở khu vực đó hay không.
Theo phân tích gần đây của Clean Investment Monitor, kể từ khi Đạo luật Giảm lạm phát năm 2022 được thông qua, đầu tư vào sản xuất máy điện phân đã tăng 142% lên 634 triệu đô la.
Ravi Prasher, giám đốc công nghệ của Bloom Energy, cho biết với Cipher rằng sản lượng máy điện phân có thể tăng đáng kể khi cơ sở hạ tầng hỗ trợ để lưu trữ và vận chuyển hydro được xây dựng và Sở Thuế vụ Hoa Kỳ hoàn thiện hướng dẫn - dự kiến vào cuối năm - về trợ cấp để bù đắp chi phí điện phân năng lượng tái tạo.
Levoyannis của Nel Hydrogen cho biết: "Khi khuôn khổ sản xuất hydro tái tạo trở nên rõ ràng, chúng tôi sẽ có thể sản xuất và bán nhiều [máy điện phân] hơn".
Và điều đó sẽ mở ra một thị trường hoàn toàn mới cho hydro.
Lưu ý của biên tập viên: Các nhà đầu tư của Electric Hydrogen bao gồm Breakthrough Energy Ventures, một dự án của Breakthrough Energy, đơn vị cũng hỗ trợ Cipher.
Ghi chú của biên tập viên: Cơ sở sản xuất của Electric Hydrogen nằm ở Devens, Massachusetts. Một phiên bản trước của câu chuyện này cho biết cơ sở này nằm ở Natick, Massachusetts.
Mời các đối tác xem hoạt động của Công ty TNHH Pacific Group.
FanPage: https://www.facebook.com/Pacific-Group
YouTube: https://www.youtube.com/@PacificGroupCoLt
