Tại sao các khoáng chất quan trọng sẽ không cản trở cuộc cách mạng hydro xanh
Sự đa dạng của các giải pháp điện phân có nghĩa là các khoáng chất quan trọng dường như không phải là vấn đề lớn khi hydro xanh tăng lên.
Tua bin gió bên cạnh một cơ sở điện phân hydro ở Mainz, Đức. (Ảnh của Alex Kraus/Bloomberg qua Getty Images)
Mỗi năm trôi qua, sự cường điệu xung quanh việc xây dựng hydro xanh. Nhiều nhà phân tích hiện tin rằng khí gas là mối liên kết còn thiếu giữa các nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời và gió, với các lĩnh vực khó khử cacbon như vận tải hạng nặng và công nghiệp nặng.
Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IEA) dự đoán nhu cầu hydro sẽ tăng gấp sáu trong kịch bản bằng không vào năm 2050, từ 94 triệu tấn (Mt) hiện nay lên 530 triệu tấn. Hiện tại, tiến bộ công nghệ lớn ở hạ nguồn đang được thực hiện: thép xanh không sử dụng nhiên liệu hóa thạch được sản xuất bằng hydro lần đầu tiên vào năm 2021, trong khi năm 2022 chứng kiến đoàn tàu chạy bằng pin nhiên liệu hydro đầu tiên bắt đầu hoạt động ở Đức. Theo báo cáo thị trường hydro mới nhất của IEA, hiện có 100 dự án thử nghiệm hydro để sử dụng trong vận chuyển.
Tuy nhiên, báo cáo tương tự nhấn mạnh rằng, hiện tại, hydro xanh có nguồn gốc từ năng lượng tái tạo vẫn còn là một ngành công nghiệp non trẻ: chỉ 1 triệu tấn hydro phát thải thấp được sản xuất vào năm 2021, phần lớn sử dụng nhiên liệu hóa thạch có thu hồi, sử dụng và lưu trữ carbon (CCUS).
Cần phải tăng quy mô lớn về công suất điện phân - để biến nước thành hydro xanh bằng cách sử dụng điện tái tạo. Điều này đang được thực hiện: S&P Global Commodity Insights hiện đang dự đoán việc lắp đặt máy điện phân sẽ tăng hơn hệ số 2.000 từ 0,5GW hiện nay lên hơn 1.000GW vào năm 2050.
Tuy nhiên, vẫn còn sự không chắc chắn về loại chất điện phân nào cuối cùng sẽ được sử dụng rộng rãi nhất – cũng như những lo ngại về việc liệu lớp vỏ Trái đất có thể cung cấp đủ khoáng chất để tăng quy mô công suất hay không.
Mối quan tâm về khoáng chất quan trọng đối với hydro xanh
Nhiều người hiện nay nghĩ rằng các chất điện phân màng trao đổi proton (PEM) có khả năng trở thành công nghệ thống trị. Những công nghệ này có ưu điểm là nhỏ hơn so với các công nghệ thay thế và cũng có thể hoạt động tốt với nguồn cung cấp điện linh hoạt – điều sẽ rất quan trọng nếu chúng được liên kết với các nguồn cung cấp điện tái tạo thay đổi như trang trại năng lượng mặt trời hoặc gió. Theo IEA, phần lớn các dự án trình diễn hydro xanh bên ngoài Trung Quốc đều sử dụng máy điện phân PEM.
Tuy nhiên, khi các nhà phân tích ngày càng gợi ý rằng PEM sẽ thống trị thị trường hydro xanh, thì các cảnh báo cũng tăng lên rằng thế giới có thể không đáp ứng được các yêu cầu khoáng chất quan trọng của công nghệ. Điều này là do cực dương trong máy điện phân PEM được làm từ một loại khoáng chất cực hiếm gọi là iridi, xung quanh nó có những lo ngại nghiêm trọng về tính sẵn có.
Sản lượng iridi hàng năm chỉ khoảng 9 tấn mỗi năm, theo S&P Global Commodity Insights. Không thể dễ dàng mở rộng quy mô sản xuất, không chỉ vì nó cực kỳ hiếm (chiếm khoảng 0,00000003% trọng lượng vỏ Trái đất) mà còn vì không có mỏ iridi cụ thể nào. Thay vào đó, khoáng chất này được sản xuất dưới dạng sản phẩm phụ từ việc khai thác bạch kim hoặc palađi, những khoáng chất được sử dụng chính ngày nay là trong bộ chuyển đổi xúc tác trong động cơ đốt trong (ICE), và do đó, nhu cầu của chúng có thể giảm trong những năm tới khi ICE bị loại bỏ dần.
Ed Crooks, phó chủ tịch khu vực Châu Mỹ của công ty tư vấn Wood Mackenzie, viết trong một bài đăng trên blog gần đây: “Việc đáp ứng các mục tiêu của EU về sản xuất hydro xanh vào năm 2030 có thể dẫn đến nhu cầu về iridi cho các chất điện phân cao gấp vài lần nguồn cung hiện tại trên toàn cầu”. . Ông nói thêm rằng mối lo ngại ngày càng tăng xung quanh việc cung cấp kim loại nhóm bạch kim - bao gồm cả iridi - đến mức chính quyền Biden đã thừa nhận đây là một "vấn đề nghiêm trọng" trong quá trình phát triển ngành công nghiệp hydro ít carbon.
H2Pro: công nghệ hydro xanh mới
Một người cho rằng mình đã tìm ra giải pháp cho vấn đề iridi là Talmon Marco, một doanh nhân người Israel và là người sáng lập công ty khởi nghiệp hydro H2Pro.
H2Pro đang phát triển một phương pháp điện phân hydro mới được gọi là E-TAC (hóa chất điện hóa, hoạt hóa nhiệt). Giống như PEM, E-TAC hoạt động tốt với nguồn cung cấp điện thay đổi và có thể được sản xuất tại các cơ sở nhỏ hơn, di động hơn. Không giống như các phương pháp sản xuất hydro khác, quá trình điện phân của E-TAC có hai bước; giai đoạn điện hóa đầu tiên thấy hydro được giải phóng, nhưng – không giống như các phương pháp khác – các ion hydroxit được tạo ra sẽ oxy hóa cực dương làm bằng niken, để tạo ra niken oxyhydroxide. Bước thứ hai, cực dương niken oxyhydroxide phản ứng với nước để tạo ra oxy một cách tự nhiên.
Talmon Marco, hình tại trụ sở chính của H2Pro ở Israel. (Ảnh của Nick Ferris)
Quá trình điện phân hai bước không cần đến màng, màng thường cần thiết để tách hydro và oxy được tạo ra trong quá trình này. loại bỏ
màng nên giảm giá thành; Marco tin rằng công ty của ông cuối cùng sẽ có thể sản xuất hydro xanh với giá 1 đô la một kilôgam (kg).
Marco nói với Energy Monitor: “Chúng tôi được thành lập vào năm 2019 và hiện đang trong quá trình thương mại hóa công nghệ của mình. “Chúng tôi bắt đầu với một chiếc cốc có mỏ trong phòng thí nghiệm, nhưng hiện nay chúng tôi có một hệ thống sản xuất 10kg mỗi ngày và vào năm tới, con số này sẽ là 200kg.”
Các giải pháp công nghệ khác
Cổ đông lớn nhất của H2Pro là Breakthrough Energy, phương tiện đầu tư đổi mới ít carbon do Bill Gates sáng lập, nhưng ngay cả với sự hậu thuẫn nổi tiếng này, vẫn có nghi ngờ rằng E-TAC sẽ là liều thuốc chữa bách bệnh mà H2Pro đang hứa hẹn.
Có hai vấn đề chính: thứ nhất là một ngày nào đó E-TAC có thể gặp các vấn đề về nguồn cung cấp khoáng sản quan trọng của riêng mình, do sử dụng niken kim loại. Theo phân tích của H2Pro, việc sản xuất năm triệu tấn hydro mỗi năm (khoảng 5,3% nhu cầu toàn cầu hiện tại, hoặc 0,9% nhu cầu ròng bằng không) sử dụng E-TAC sẽ cần 75.000 tấn niken. Điều này so với hai tấn iridi, khi sử dụng PEM.
Theo Cơ quan Khảo sát Địa chất Hoa Kỳ, sản lượng niken toàn cầu vào năm 2021 là 2,7 triệu tấn và trữ lượng đã biết là 95 triệu tấn. Nếu E-TAC mở rộng quy mô để cung cấp tất cả 530 triệu tấn hydro cần thiết hàng năm trong kịch bản bằng không, thì sẽ cần 8,3 triệu tấn niken mỗi năm, dựa trên số liệu do H2Pro cung cấp – một tình huống rõ ràng là không bền vững.
Đã có lo ngại rằng nhu cầu về niken có thể vượt xa nguồn cung, do nhu cầu ngày càng tăng về niken để sản xuất pin cung cấp năng lượng cho xe điện, cũng như niken được sử dụng để sản xuất thép không gỉ.
Một vấn đề khác với E-TAC là nó vẫn là một công nghệ chưa được thử nghiệm; các phản ứng hóa học liên quan đến quá trình này vẫn đang được thử nghiệm và dần dần mở rộng quy mô. Marco lưu ý: “Điều quan trọng cần nhớ là chúng tôi vẫn đang trong quá trình phát triển. “Chỉ khi nó hoạt động – và chúng tôi tin rằng nó sẽ như vậy – thì chúng ta sẽ có một công nghệ rẻ hơn và hiệu quả hơn các giải pháp thay thế.”
May mắn thay, có những công nghệ hydro xanh khác có thể lấp đầy khoảng trống nếu cả PEM và E-TAC đều không thực tế.
Điện phân kiềm là một công nghệ điện phân hoàn thiện hơn đã có từ những năm 1920. IEA cho biết công nghệ này có chi phí vốn thấp, mặc dù công nghệ hiện tại một lần nữa đòi hỏi một lượng lớn niken để hoạt động - khoảng một tấn trên mỗi megawatt (MW), IEA cho biết. Một nhược điểm khác là điện phân kiềm đòi hỏi nguồn điện liên tục để hoạt động hiệu quả và cần nhiều không gian để sản xuất hydro với công suất.
Tế bào điện phân oxit rắn (SOEC) là một phương pháp khác và hiện đang được thử nghiệm ở quy mô nhỏ hơn. SOEC có hiệu suất cao và chi phí vật liệu thấp (hiện cần 150–200kg niken trên mỗi MW), mặc dù giống như điện phân kiềm, chúng yêu cầu nguồn điện liên tục và giống như E-TAC, công nghệ này vẫn đang ở giai đoạn phát triển ban đầu.
Với tất cả các công nghệ này, rất có thể nhu cầu về khoáng sản sẽ giảm khi công nghệ trưởng thành. Ví dụ, tập đoàn Toshiba của Nhật Bản gần đây đã thông báo rằng họ đã phát triển một công nghệ sản xuất điện phân PEM quy mô lớn có thể giảm 90% nhu cầu sử dụng iridi.
Sức mạnh thông qua sự đa dạng: các khoáng chất quan trọng không có khả năng giữ hydro xanh
Sau đó, những gì chúng ta có là một ngành công nghiệp đang phát triển với đầy những công nghệ và đổi mới cạnh tranh khác nhau. Sự đa dạng của các giải pháp này có nghĩa là các khoáng chất quan trọng dường như không phải là vấn đề lớn mà một số người hoài nghi về hydro xanh cho rằng chúng có thể là vấn đề lớn.
“Tất cả các công nghệ máy điện phân đều có điểm mạnh và điểm yếu, nghĩa là mỗi công nghệ có thể (theo thời gian) tìm ra các ứng dụng phù hợp nhất”, một nhà phân tích từ S&P Global Commodity Insights nói với Energy Monitor. “Các công ty phải xem xét chi phí vốn, độ bền, hiệu quả năng lượng, yêu cầu đầu vào nhiệt, tính linh hoạt trong vận hành, quy mô hệ thống, hợp đồng bảo trì. Sẽ có nhiều người chiến thắng trong lĩnh vực này.”
Peter Collins, từ nhóm vận động hành lang Hydrogen Europe, đồng ý rằng “tất cả các công nghệ sẽ cần thiết để phù hợp với nhiều lĩnh vực cũng như nhu cầu và hạn chế cụ thể của chúng.
“Chúng tôi hoan nghênh và khuyến khích các khái niệm đột phá và đầy hứa hẹn như H2Pro – nhưng có vẻ như còn quá sớm trước khi tuyên bố bất kỳ công nghệ cụ thể nào sẽ là công nghệ của tương lai.” Ông nói thêm rằng “việc tái chế nguyên liệu thô sẽ là một biện pháp hỗ trợ đáng kể trong việc giảm thiểu tình trạng khan hiếm tài nguyên”, trong khi các công nghệ khác như chuyển hóa chất thải thành hydro sử dụng năng lượng nhiệt có “tiềm năng rất lớn”.
Ian Lange, từ Trường Mỏ Colorado, nói rằng sự phát triển công nghệ luôn gặp phải tắc nghẽn do nguồn cung cấp khoáng sản, nhưng “luôn có sự thay thế – và nếu không, các công nghệ mới sẽ phát triển”. Tuy nhiên, ông nói thêm rằng có những lĩnh vực khác có lẽ cần được quan tâm nhiều hơn đối với ngành công nghiệp, chẳng hạn như sự cạnh tranh từ các công nghệ khác hoặc những khó khăn trong việc phát triển cơ sở hạ tầng đáng tin cậy có thể vận chuyển hàng hóa chất lượng cao. khí dễ cháy, rò rỉ và không màu.
