Tăng cường hydro xanh bằng các tế bào điện phân oxit rắn
Mục lục
Các loại điện phân khác nhau hiện nay là gì?Ưu điểm của SOEC là gì?Quá trình thương mại hóa SOEC đã tiến triển đến đâu?Mở rộng hỗn hợp công nghệ điện phân
Hydro được ca ngợi là một trong những phương pháp chính để khử cacbon trong ngành công nghiệp và vận tải, với số lượng sáng kiến hydro mới tăng nhanh trong những năm gần đây. Mặc dù vậy, Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IEA) cho biết cần phải hành động nhanh hơn để đạt được mức phát thải ròng bằng 0 vào năm 2050 và đáp ứng các mục tiêu của Thỏa thuận Paris.
Mặc dù có nhiều công nghệ không phát thải CO2 và ít carbon để sản xuất hydro, nhưng tuyến sản xuất 'sạch' chính là điện phân. Trong quá trình này, các phân tử nước được phân tách thành hydro và oxy bằng các nguồn tái tạo như năng lượng mặt trời và gió.
Bloomberg dự đoán rằng nguồn cung cấp hydro carbon thấp hàng năm có thể tăng gấp 30 lần vào năm 2030. Trong khi 'hydro xanh' sử dụng tổng hợp nhiên liệu hóa thạch truyền thống và thu giữ carbon sẽ đóng vai trò quan trọng, các nhà phân tích kỳ vọng hơn một nửa trong số này sẽ đến từ quá trình điện phân.
Sản xuất hydro phát thải thấp đang tăng lên trên toàn cầu
Trong số các công nghệ hiện có, điện phân kiềm hiện chiếm tỷ trọng lớn nhất trong công suất lắp đặt ở mức 60%, tiếp theo là máy điện phân màng trao đổi proton (PEM), hiện chiếm khoảng 30%, theo Đánh giá hydro toàn cầu mới nhất của IEA.
Tuy nhiên, gần đây, các ô điện phân oxit rắn (SOEC) đã thu hút sự chú ý ngày càng tăng như một con đường bổ sung để tạo ra hydro không carbon. Vậy, SOEC là gì và chúng có thể giúp mở rộng năng lực sản xuất hydro như thế nào?
Có những loại điện phân nào hiện có?
Phương pháp sản xuất phổ biến nhất, điện phân kiềm, bao gồm hai điện cực – một cực dương và một cực âm – với một màng ngăn xốp (màng chắn) ở giữa. Chất điện phân được sử dụng rộng rãi nhất để sản xuất hydro là dung dịch kiềm kali hydroxit (KOH) trong nước. Khi điện được đưa vào các điện cực, các phân tử nước tách ra ở cực âm tích điện âm, giải phóng hydro. Điện phân kiềm được biết đến là một kỹ thuật nhiệt độ thấp và thường hoạt động ở nhiệt độ 50-80°C.
Mặc dù là một công nghệ trưởng thành với thành tích lâu dài trong các lĩnh vực như sản xuất natri hydroxit, nhưng máy điện phân kiềm có thể gặp khó khăn về hiệu quả khi tổng hợp hydro vì khí không được chứa hoàn toàn bởi bộ tách xốp.
PEM sử dụng một phương pháp công nghệ tương tự, ở nhiệt độ thấp, nhưng với màng polyme làm màng ngăn, có thể chứa tốt hơn các khí thoát ra từ phản ứng.
Cuối cùng, SOEC áp dụng cùng một quy trình cơ bản nhưng yêu cầu nhiệt độ cao hơn nhiều. Hệ thống SOEC thường cần ở nhiệt độ 800-1.000°C để hoạt động bình thường, mặc dù một số bắt đầu ở 600°C. Để đối phó với nhiệt độ cao này, chúng sử dụng các ô gốm làm bộ tách.
Ưu điểm của SOEC là gì?
Khi phản ứng trong pin nhiên liệu SOEC diễn ra, nhu cầu điện giảm và một số năng lượng cần thiết có thể được cung cấp bởi nhiệt độ hoạt động cao. Điều này có nghĩa là công nghệ hiện có thể đạt hiệu suất lên tới 85%, theo Goldman Sachs Research; Mục tiêu phát triển SOEC của MHI là hiệu suất 90%. Đối với điện phân kiềm và PEM, hiệu suất điện vào khoảng 70-75% ở mức cao nhất.
Tiến sĩ Kenichiro Kosaka giải thích: "Do hiệu suất cao này, về mặt lý thuyết, SOEC có thể sản xuất nhiều hydro hơn trên mỗi kW so với bất kỳ loại máy điện phân nào khác". Ông là Kỹ sư trưởng và Giám đốc cấp cao tại Bộ phận Chiến lược Công nghệ về Hệ thống Năng lượng của Mitsubishi Heavy Industries và là người đứng đầu bộ phận phát triển máy điện phân của MHI.
Theo truyền thống, các chất điện phân kiềm và PEM được phát hiện có tuổi thọ dài hơn SOEC. Tuy nhiên, Kosaka chỉ ra rằng, về mặt lý thuyết, không có khoảng cách lớn giữa SOEC và các công nghệ khác, nhưng phụ thuộc rất nhiều vào vật liệu điện phân được sử dụng.
Kosaka giải thích rằng zirconia ổn định bằng yttria được sử dụng trong SOEC của MHI có độ dẫn điện thấp hơn các chất điện phân khác, chẳng hạn như ceria pha gadolinium, nhưng không bị phân hủy ở cùng mức độ do nhiệt độ cao khi hoạt động.
MHI đang phát triển công nghệ SOEC tại Công viên trung tính carbon Nagasaki và vận hành một mô-đun thử nghiệm tại Công viên hydro Takasago, cơ sở xác thực tích hợp đầu tiên trên thế giới cho các công nghệ từ sản xuất hydro đến phát điện. Công trình nghiên cứu SOEC của công ty chủ yếu dựa trên kinh nghiệm của công ty với pin nhiên liệu oxit rắn (SOFC), sử dụng cùng các quy trình điện hóa, nhưng ngược lại.
Việc thương mại hóa SOEC đã tiến triển đến đâu?
IEA cho biết, vào năm 2023, chỉ có khoảng 1% hydro xanh được tổng hợp bởi SOEC. Tuy nhiên, quá trình thương mại hóa đang diễn ra, bao gồm việc triển khai một cơ sở hydro xanh tại một nhà máy lọc dầu ở Hà Lan và một hệ thống tại một trung tâm nghiên cứu của NASA ở California.
MHI đặt mục tiêu đưa ra thị trường các SOEC mô-đun lớn với hiệu quả tổng thể
hiệu suất 90%, được thiết kế cho các nhà máy sản xuất hàng trăm megawatt vào cuối thập kỷ này.
Quang cảnh Công viên Hydrogen Takasago, nơi MHI đang vận hành mô-đun thử nghiệm SOEC
Việc tiếp cận các nguyên tố hiếm là một yếu tố quan trọng trong quá trình thương mại hóa điện phân. Một lần nữa, Kosaka chỉ ra rằng SOEC có một lợi thế. PEM dựa vào hai kim loại quý, bạch kim và iridi, được coi là một trong những kim loại quý hiếm nhất trên thế giới. SOEC không yêu cầu những kim loại này và tác động đến nhu cầu đối với các kim loại hiếm khác - như niken và zirconi - được dự đoán là không đáng kể do hiệu suất cao hơn của SOEC, Goldman Sachs Research cho biết.
“Nhìn chung, chúng tôi tin rằng SOEC là công nghệ phù hợp nhất cho các nhà máy sản xuất hydro quy mô lớn. Mặc dù vẫn đang trong giai đoạn phát triển, nhưng điều đáng nói ở SOEC là hiệu suất cao và thực tế là chúng bắt nguồn từ SOFC, có thể được coi là công nghệ đã hoàn thiện ở giai đoạn này”, Kosaka nói.
Mở rộng hỗn hợp công nghệ điện phân
IEA cho biết cũng có các công nghệ điện phân khác đang ở nhiều giai đoạn phát triển khác nhau, bao gồm máy điện phân màng trao đổi anion (AEM). Với các công ty như MHI và các công ty khác tham gia chuẩn bị AEM cho các triển khai thương mại, những công nghệ này cũng có khả năng sẽ trưởng thành trong những năm tới.
Tuy nhiên, sản xuất hydro xanh sẽ không phải là cuộc đua một ngựa và việc lựa chọn giữa các công nghệ khác nhau sẽ phụ thuộc vào hoàn cảnh cụ thể của từng dự án.
Ví dụ, SOEC đặc biệt phù hợp với các ứng dụng quy mô lớn với nguồn cung cấp điện ổn định, Kosaka giải thích. Nguồn điện này có thể đến từ các nguồn không liên tục như địa nhiệt, thủy điện hoặc năng lượng hạt nhân, hoặc kết hợp các nguồn này với năng lượng tái tạo.
McKinsey dự đoán rằng hydro sạch có thể chiếm tới 73-100% tổng nhu cầu hydro vào năm 2050 nếu các kịch bản khử cacbon đầy tham vọng nhất được thực hiện. Để đạt được điều này, các ngành công nghiệp thải ra nhiều CO2 như thép, xi măng và vận tải hạng nặng, cũng như các nhà sản xuất năng lượng xanh, sẽ cần tất cả các công nghệ mà họ có thể có được.
Con đường hướng đến quá trình khử cacbon rất đầy thách thức và trong khi hydro xanh mang lại một lộ trình khả thi để tiến về phía trước, thì nó sẽ cần phải được triển khai với tốc độ nhanh hơn nhiều để hoàn thành các cam kết về năng lượng bền vững.
