Sử dụng sức mạnh của máy điện phân để tăng cường sản xuất hydro xanh.
Mặc dù có nỗ lực thúc đẩy hydro như một giải pháp năng lượng sạch, nhưng nó vẫn luôn có một số 'mặt xấu'. Đó là vì 98% sản lượng thế giới đến từ nhiên liệu hóa thạch , chủ yếu là hydro xám được tạo ra từ khí tự nhiên, dẫn đến lượng khí thải carbon tương đương với tất cả các loại khí thải của Nhật Bản.
Bạn có thể hỏi, tất cả lượng hydro xám đó được sử dụng ở đâu? Vâng, khoảng 100 megaton được sử dụng mỗi năm, tương đương với trọng lượng của 2 triệu con voi, và nó là thành phần cơ bản để nuôi sống thế giới thông qua sản xuất phân bón cũng như nhiều quy trình hóa học.
Nếu chúng ta tự hỏi tại sao lại sử dụng nhiều hydro xám như vậy và làm sao để duy trì được điều đó thì cốt truyện sẽ trở nên phức tạp hơn một chút. Câu trả lời thực sự là khi giá khí đốt tự nhiên thấp, hydro xám lại rẻ, thường dưới 2 đô la/kg. Tuy nhiên, vẫn có những thách thức như trong cuộc xâm lược Ukraine khi thị trường năng lượng quốc tế bị gián đoạn, giá hydro xám đã vượt quá giá hydro xanh, được sản xuất bằng cách phân tách nước bằng máy điện phân. Điều này làm nổi bật một trong hai thách thức của hydro xám, đó là dễ bị biến động giá và tạo ra một lượng lớn CO 2 .
Đối với những người nhìn từ bên ngoài vào – và thậm chí đối với một số người trong ngành – có thể tự nhiên đặt câu hỏi về mục đích ủng hộ việc sử dụng và thúc đẩy sự phát triển của công nghệ hydro, nếu hydro mà chúng ta đang sản xuất và sử dụng không sạch hơn đáng kể so với nhiên liệu hóa thạch thông thường. Và đây là lý do tại sao chúng ta phải coi hydro xanh là mục tiêu cuối cùng.
Điện phân: một phần quan trọng của câu đố năng lượng sạch
Hydro xanh được tạo ra thông qua quá trình điện phân, trong đó điện có nguồn gốc từ các nguồn tái tạo như gió, mặt trời hoặc thủy điện được sử dụng để phân tách các phân tử nước thành hydro và oxy. Có rất nhiều lợi ích về mặt kinh tế và xã hội khi sử dụng phương pháp sản xuất hydro này, vượt xa những lợi ích rõ ràng về mặt môi trường.
Ví dụ, việc thúc đẩy chủ quyền năng lượng, vốn đã được thúc đẩy bởi tham vọng đạt mức phát thải ròng bằng không, nhưng cũng bởi các sự kiện như xung đột Nga-Ukraine, là một trong những lợi ích chính. Các quốc gia trên toàn thế giới ngày càng nhận ra nhu cầu làm cho nền kinh tế của họ ít bị tổn thương hơn trước tình hình chính trị quốc tế bất ổn và các yếu tố bên ngoài đối với an ninh năng lượng.
Ở Vương quốc Anh, chúng ta có vị thế tốt để dựa vào nguồn năng lượng tái tạo đáng kể, vì vậy việc phát triển năng lượng tái tạo với số lượng đủ để có thể lưu trữ để bảo vệ chống lại sự thay đổi theo mùa sẽ có nghĩa là chúng ta không còn phụ thuộc vào các nguồn nhiên liệu nhập khẩu, tạo ra một thị trường ổn định cho chính chúng ta. Hydro xanh, được sản xuất bằng phương pháp điện phân là chìa khóa để mở ra giải pháp này.
Với những lợi ích khác bao gồm kích thích tăng trưởng kinh tế, ổn định lưới điện và giúp ngành công nghiệp tuân thủ các quy định về phát thải, không có gì ngạc nhiên khi một số quốc gia đã đặt ra mục tiêu triển khai công suất điện phân trong các chiến lược hydro quốc gia của họ, mặc dù mục tiêu là một chuyện, việc đạt được mục tiêu lại là chuyện hoàn toàn khác.
Có nhiều loại máy điện phân trên thị trường hoặc đang trong quá trình phát triển và việc lựa chọn máy nào để tận dụng liên quan đến việc cân nhắc một số yếu tố. Các công nghệ có thành tích triển khai thành công và chuỗi cung ứng đã được thiết lập có nên được chính phủ ưa chuộng hay họ nên ưu tiên các máy điện phân có hiệu suất cao hơn, thời gian phản hồi nhanh hơn, độ tinh khiết của hydro và tính linh hoạt trong vận hành?
Chúng ta hãy cùng tóm tắt lại bốn loại máy điện phân chính:
- Máy điện phân kiềm: Sử dụng dung dịch kiềm (như xà phòng), đây là loại máy điện phân trưởng thành nhất và được sử dụng rộng rãi nhất vì đã là công nghệ được thiết lập trong hơn 50 năm. Chúng có chuỗi cung ứng được thiết lập tốt và thường có chi phí thấp nhất (do chi phí vật liệu tương đối thấp được sử dụng trong cấu trúc đơn giản của chúng). Tuy nhiên, chúng thường là các đơn vị lớn do mật độ công suất tương đối thấp, được biết đến là ít phù hợp hơn khi kết hợp với các nguồn năng lượng tái tạo và cũng có những hạn chế liên quan đến áp suất vận hành, độ tinh khiết của hydro và hiệu quả sản xuất.
- Máy điện phân màng trao đổi proton (PEM): Sử dụng hóa chất gốc axit (tương tự như nước chanh), máy điện phân PEM có thể hoạt động ở mật độ dòng điện cao hơn, khiến chúng nhỏ gọn hơn và phản ứng nhanh hơn với các biến động trong nguồn cung cấp điện – lý tưởng để ghép nối với các nguồn năng lượng tái tạo không liên tục. Tính mô-đun của chúng có nghĩa là chúng có thể dễ dàng tăng hoặc giảm quy mô bằng cách thêm hoặc loại bỏ các mô-đun ngăn xếp riêng lẻ và được hưởng lợi từ thời gian phản hồi nhanh. Tuy nhiên, chúng có xu hướng có chi phí trả trước cao hơn so với các loại máy điện phân khác – điều này chủ yếu là do chúng sử dụng một lượng lớn kim loại đắt tiền như bạch kim và iridi, điều này hạn chế cơ hội giảm đáng kể chi phí.
- Máy điện phân màng trao đổi anion (AEM): Thường được coi là tốt nhất trong cả hai thế giới nhiệt độ thấp, AEM sử dụng tính chất hóa học của kiềm với cấu trúc của máy điện phân PEM. Chúng phản ứng với các nguồn điện không liên tục, nhưng không yêu cầu môi trường axit. Điều này cho phép sử dụng chất xúc tác kim loại không quý, có khả năng giảm đáng kể chi phí và đơn giản hóa chuỗi cung ứng. Hiệu suất và thời gian phản ứng tương đương với PEM và chúng có thể tạo ra hydro có độ tinh khiết cao. Tuy nhiên, so với các công nghệ máy điện phân đã được thiết lập trước đó, AEM đang trong giai đoạn phát triển và thương mại hóa ban đầu. Điều này có nghĩa là mặc dù chúng mang lại một số lợi thế, nhưng về cơ bản chúng cũng cần phải 'chứng minh bản thân' để được áp dụng rộng rãi và thương mại hóa.
- Máy điện phân oxit rắn (SOEC): SOEC hoạt động ở nhiệt độ rất cao, thường trên 600°C nhưng cũng có hiệu suất cao. Do đó, việc sử dụng chúng trong các tình huống công nghiệp có nguồn cung cấp nhiệt thải công nghiệp dồi dào và tình huống vận hành là hoạt động liên tục trong thời gian dài thay vì bất kỳ điều gì năng động hơn như tải theo công nghệ phát điện tái tạo. Giống như AEM, SOEC đang ở giai đoạn thương mại hóa sớm hơn khi so sánh với Alkaline hoặc PEM nhưng một số công ty trên toàn thế giới đang thúc đẩy điều này như một lựa chọn, đặc biệt là khi họ đã phát triển thành công giải pháp công nghệ pin nhiên liệu oxit rắn (SOFC) tương đương.
Theo báo cáo thông tin chuyên sâu về bằng sáng chế năm 2022 của IRENA 'Xu hướng đổi mới trong máy điện phân để sản xuất hydro' , các dự báo cho thấy đến năm 2030, công suất máy điện phân nước toàn cầu sẽ tăng lên khoảng 213 GW. Đây là mức tăng đáng kể so với công suất hiện tại là khoảng 1,1 GW, nhưng rất quan trọng để đạt được các mục tiêu phi cacbon hóa trên toàn nền kinh tế và vẫn chỉ là một giọt nước trong đại dương so với tổng nhu cầu ước tính để phi cacbon hóa và phát triển nền kinh tế hydro thông qua mục tiêu Net Zero, vượt quá 2000 GW.
Để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng về hydro xanh, chúng ta cần phải tăng đáng kể sản lượng và triển khai các thiết bị điện phân – và để làm được điều đó, chúng ta cần có sự đổi mới công nghệ đáng kể.
Tác động của máy điện phân siêu nạp với cải tiến công nghệ
Cách chính để chúng ta có thể tăng sản lượng và triển khai điện phân là làm cho chi phí thấp hơn (đặc biệt là so với hydro hóa thạch). Nhưng để làm được điều đó, chúng ta cũng cần làm cho máy điện phân có chi phí thấp hơn, đó là lý do tại sao cần có công nghệ mới.
Theo IRENA, chi phí đầu tư cho các nhà máy điện phân có thể giảm tới 40% trong ngắn hạn và 80% trong dài hạn thông qua nhiều chiến lược khác nhau, bao gồm cải tiến thiết kế, tiết kiệm quy mô, thay thế vật liệu, tăng hiệu quả và tính linh hoạt trong vận hành. Ngoài ra, cần có những tiến bộ giúp tăng cả hiệu quả quy trình và tuổi thọ của công nghệ điện phân.
Việc tăng tính cạnh tranh của công nghệ sẽ thúc đẩy việc triển khai, cung cấp cho chúng ta những bài học và dữ liệu quan trọng, giúp giảm chi phí, thu hút vốn tư nhân cho hoạt động R&D và thúc đẩy cải tiến hơn nữa.
Nói một cách đơn giản, nếu chúng ta muốn đảm bảo rằng toàn bộ lượng hydro được sử dụng đều xanh, chúng ta phải sử dụng và đầu tư nhiều hơn vào quá trình điện phân.
Mặt tích cực là dữ liệu bằng sáng chế của IRENA cho thấy hoạt động phát minh công nghệ gia tăng dẫn đến giảm chi phí cho máy điện phân – nhờ những nhà đổi mới như Bramble Energy chẳng hạn. Tại Bramble Energy, chúng tôi hiện đang nghiên cứu tích hợp các kỹ thuật sản xuất Bảng mạch in (PCB) với công nghệ AEM. Ý tưởng là bản chất mô-đun của thiết kế PCB có thể cho phép các máy điện phân tích hợp này dễ dàng tăng hoặc giảm quy mô tùy thuộc vào công suất sản xuất hydro cần thiết, khiến nó phù hợp với mọi thứ, từ các ứng dụng di động quy mô nhỏ đến sản xuất hydro quy mô công nghiệp lớn hơn. Nó cũng có thể dẫn đến một máy điện phân nhỏ gọn hơn, hiệu quả hơn và ít tốn kém hơn, trong khi độ chính xác của sản xuất PCB cho phép sản xuất đáng tin cậy ở quy mô lớn.
Vượt qua những thách thức trong quá trình phát triển máy điện phân
Việc tích hợp công nghệ AEM và PCB vào máy điện phân chỉ là một ví dụ về cách các cải tiến trong khoa học vật liệu và kỹ thuật sản xuất có khả năng cách mạng hóa công nghệ năng lượng. Nhưng vẫn còn nhiều thách thức ở phía trước đối với tất cả các loại máy điện phân. Hãy lấy các vấn đề về chuỗi cung ứng làm ví dụ. PEM liên tục phải vật lộn với nguồn cung kim loại quý, chứng kiến giá iridi tăng gấp bốn lần trong thời kỳ COVID, trong khi ngay cả điện phân kiềm cũng dựa vào các vật liệu có thể phải đối mặt với những hạn chế như Niken vốn không ổn định do ngày càng được sử dụng nhiều trong nguồn cung cấp pin.
Có những vấn đề đáng kể về hạn chế nguồn nhân lực trong toàn ngành. Nếu chúng ta muốn điều hướng sự phức tạp của công nghệ điện phân một cách hiệu quả, đầu tư vào nhân tài, đào tạo và phát triển kỹ năng là rất quan trọng.
Với những hạn chế của các tùy chọn có sẵn, việc phát triển các thiết lập thử nghiệm tùy chỉnh và các tiêu chuẩn phù hợp với thông số kỹ thuật của máy điện phân cũng là chìa khóa để tiến lên phía trước. Nếu chúng ta có thể đảm bảo thử nghiệm và xác nhận nghiêm ngặt về hiệu suất, độ tin cậy và tính an toàn của máy điện phân, chúng ta thực sự có thể đẩy nhanh quá trình phát triển và triển khai các hệ thống hiệu quả.
Chúng ta cần sự hợp tác chặt chẽ hơn giữa giới học thuật, ngành công nghiệp và các nhà hoạch định chính sách – chúng ta cần giới học thuật tiếp tục đổi mới, nghiên cứu và phát triển; chúng ta cần ngành công nghiệp tiếp nhận những đổi mới đó và đưa vào thực tiễn để lập bản thiết kế và thương mại hóa; và chúng ta cần các nhà hoạch định chính sách hỗ trợ hai bên còn lại bằng các chính sách trợ cấp cho việc sử dụng hydro xanh, đặt mục tiêu bằng các quỹ đầu tư và đưa hydro xanh lên hàng đầu trong chính sách hành động vì khí hậu.
Mặc dù những thách thức này có vẻ lớn, nhưng vẫn có nhiều sự lạc quan. Khi các nhà hoạch định chính sách và các nhà nghiên cứu chia sẻ tầm nhìn về một ngành công nghiệp hydro ít carbon, sáng tạo có thể chống lại biến đổi khí hậu, các nguồn lực trở nên sẵn có và sự đổi mới nở rộ, thì đây chính là điều đã tạo nên Bramble Energy.
Sử dụng sức mạnh của máy điện phân để tăng cường sản xuất hydro xanh.
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
