Sản xuất Hydrogen từ Biogas: Quy trình, Công nghệ, Chi phí và Khuyến nghị cho Việt Nam

1. Giới thiệu

Hydrogen là một nguồn năng lượng sạch, carbon thấp, có thể thay thế nhiên liệu hóa thạch trong công nghiệp và giao thông. Hiện nay, phần lớn hydrogen toàn cầu được sản xuất từ nhiên liệu hóa thạch, gây phát thải CO₂ cao.

Tận dụng biogas từ chất thải nông nghiệp, phụ phẩm chăn nuôi và rác thải hữu cơ là hướng bền vững và phù hợp với Việt Nam. Hydrogen được sản xuất từ biogas (biohydrogen) là hydrogen xanh, có thể gần như carbon‑neutral hoặc âm carbon nếu sử dụng nguyên liệu như phân hoặc chất thải hữu cơ.

2. Quy trình sản xuất hydrogen từ biogas

2.1. Thu thập và xử lý biogas

1. Thu thập nguyên liệu: phân gia súc, rơm rạ, bã mía, vỏ cà phê, chất thải thực phẩm.

2. Xử lý sơ cấp: loại bỏ H₂S, siloxane, bụi bằng hấp phụ, lọc hoặc sinh học, bảo vệ thiết bị và xúc tác.

2.2. Chuyển hóa biogas thành hydrogen

Hai phương pháp chính:

A. Steam Reforming (SMR) / Autothermal Reforming (ATR)

• CH₄ phản ứng với hơi nước (SMR) hoặc hơi nước + oxy (ATR) ở 700–900°C → tạo syngas (H₂ + CO)

• Syngas xử lý qua Water-Gas Shift (WGS) để tăng tỉ lệ hydrogen

• Hydrogen tinh chế bằng Pressure Swing Adsorption (PSA) đạt độ tinh khiết cao

B. Gasification / Thermochemical Routes

• Sử dụng biomass rắn (rơm rạ, vỏ cà phê…)

• Nhiệt phân sinh khối tạo syngas, tiếp tục xử lý WGS và PSA

• Phù hợp cho các khu vực có nhiều phụ phẩm nông nghiệp

Ưu điểm SMR/ATR và Gasification: công nghệ đã chứng minh, hiệu suất cao, tận dụng nguyên liệu sẵn có.
Nhược điểm: yêu cầu nhiệt độ cao, CAPEX và năng lượng ban đầu lớn.

3. Công nghệ tối ưu

• ATR + Membrane Reactor: kết hợp phản ứng tự nhiệt và tách hydrogen trực tiếp → giảm chi phí năng lượng và vận hành

• Xử lý khí linh hoạt: loại H₂S, CO₂, bụi trước khi reforming giúp bảo vệ xúc tác

• PSA tiên tiến: tách hydrogen tinh khiết cho ứng dụng công nghiệp, nhiên liệu giao thông hoặc sản xuất ammonia xanh

4. Chi phí sản xuất và đầu tư tại Việt Nam

4.1. LCOH (Levelized Cost of Hydrogen)

Dựa trên công nghệ SMR/ATR hoặc gasification + WGS + PSA:

• Nguyên liệu biogas: ~0,03–0,08 USD/kWh sinh khí

• Nhiên liệu và điện phụ trợ (quạt, bơm, nén): 0,5–1 USD/kg H₂

• Bảo trì và khấu hao thiết bị: 1–2 USD/kg H₂

Tổng chi phí sản xuất hydrogen (LCOH): ~3–7 USD/kg H₂, cạnh tranh với hydrogen xanh từ điện phân nước, đặc biệt nếu tận dụng biogas nông nghiệp sẵn có.

4.2. Chi phí đầu tư CAPEX

4.3. OPEX (chi phí vận hành)

• Nhiên liệu và năng lượng vận hành

• Bảo trì máy reformer / gasifier và hệ thống PSA

• Nhân công kỹ thuật và chi phí an toàn áp lực cao

5. Khuyến nghị triển khai tại Việt Nam

1. Tận dụng nguồn nguyên liệu nông nghiệp sẵn có: rơm rạ, bã mía, vỏ cà phê, phân gia súc

2. Phát triển cụm dự án quy mô vừa và lớn: kết nối nhiều trang trại hoặc khu công nghiệp nông sản để giảm chi phí CAPEX và logistics

3. Hỗ trợ chính sách: ưu đãi thuế, tín dụng xanh, tạo thị trường đầu ra hydrogen

4. Ứng dụng trực tiếp: công nghiệp, sản xuất ammonia xanh, nhiên liệu giao thông, kết hợp với năng lượng tái tạo khác để xây dựng hệ sinh thái năng lượng carbon thấp

5. Xử lý khí biogas tối ưu: loại bỏ H₂S, CO₂, bụi giúp bảo vệ thiết bị và tăng hiệu quả sản xuất hydrogen

6. Kết luận

Sản xuất hydrogen từ biogas tại Việt Nam có thể cạnh tranh (~3–7 USD/kg H₂) nếu tận dụng tốt nguồn nguyên liệu địa phương, công nghệ SMR/ATR hoặc gasification được triển khai đúng cách và quy mô tối ưu. Đây là giải pháp bền vững, giảm phát thải, đồng thời tăng giá trị chuỗi nông nghiệp – năng lượng, phù hợp với chiến lược phát triển năng lượng sạch và đạt mục tiêu Net-Zero.