Thép chịu áp lực, thiếu nhu cầu: Xương sống hydro của Đức trong dòng chảy năng lượng
23 tháng 1 năm 2026
Tác giả: Michael Barnard
Xương sống hydro của Đức, không có khách hàng hay nhà cung cấp—một đường ống từ hư không đến hư không—thực chất là thép nằm sâu dưới lòng đất, chịu áp lực và được bảo vệ như một điều tất yếu, nhưng nó đang được xây dựng cho một hệ thống năng lượng không cần đến nó. Tuyên bố đó nghe có vẻ khiêu khích cho đến khi dòng chảy năng lượng được trình bày đầy đủ. Khi hệ thống năng lượng của Đức được xem xét thông qua ba biểu đồ Sankey hoàn chỉnh, lập luận về một xương sống năng lượng hydro quốc gia tan biến thành vấn đề về những giả định không phù hợp hơn là thiếu tham vọng. Xương sống này tồn tại bởi vì hydro được coi là chất mang năng lượng ưu tiên và giả định việc duy trì các trường hợp sử dụng công nghiệp hàng hóa ở Đức, thay vì duy trì ngành công nghiệp có tay nghề cao và giá trị gia tăng. Dòng chảy cho thấy, ở mức tốt nhất, nó là một nguyên liệu đầu vào chuyên biệt và ở mức tệ nhất, là một đường vòng tốn kém.
Dòng chảy năng lượng của Đức năm 2024 tính bằng TWh, theo tác giả.
Biểu đồ Sankey đầu tiên mô tả hệ thống năng lượng của Đức như nó thực sự vận hành vào năm 2024. Tổng lượng năng lượng sơ cấp đầu vào đạt khoảng 2.900 TWh. Nhiên liệu hóa thạch chiếm ưu thế, với dầu, khí đốt và than đá cung cấp phần lớn năng lượng đó. Việc sản xuất điện chuyển đổi một phần lớn các nhiên liệu này thành điện năng, thải ra một phần đáng kể năng lượng dưới dạng nhiệt tại các nhà máy điện và động cơ. Riêng ngành giao thông vận tải đã thải ra hơn 500 TWh dưới dạng nhiệt thải từ động cơ đốt trong. Các tòa nhà đốt khí đốt và dầu trực tiếp, thải nhiệt qua ống khói và lớp vỏ cách nhiệt kém. Ngành công nghiệp kết hợp đốt nhiên liệu, nhiệt trong quá trình sản xuất và điện năng với tổn thất lớn ở mỗi bước. Đặc điểm chính của biểu đồ Sankey này không phải là quy mô của bất kỳ dòng chảy nào mà là độ rộng của dòng năng lượng bị thải ra. Hơn một nửa năng lượng sơ cấp chưa bao giờ được sử dụng cho các dịch vụ hữu ích.
Biểu đồ đầu tiên này rất quan trọng vì nó xác định những gì quá trình khử carbon phải thay đổi. Nó không chỉ đơn thuần là việc thay thế nhiên liệu. Nó là về việc thu hẹp các con đường thất thoát. Biểu đồ Sankey hiện trạng cho thấy vấn đề khí hậu của Đức phần lớn là vấn đề hiệu quả nằm ở quá trình đốt cháy và chuyển đổi nhiệt. Bất kỳ lộ trình nào duy trì các chuỗi chuyển đổi đó đều sẽ gặp khó khăn, bất kể nhiên liệu đầu vào có vẻ "xanh" đến mức nào.
Dòng chảy năng lượng của Đức trong kịch bản chỉ sử dụng năng lượng tái tạo và hạn chế hydro, theo tác giả.
Biểu đồ Sankey thứ hai thể hiện trạng thái cuối cùng hoàn toàn dựa trên điện khí hóa và năng lượng tái tạo, cung cấp các dịch vụ năng lượng tương tự như năm 2024 mà không sử dụng nhiên liệu hóa thạch. Năng lượng sơ cấp giảm mạnh do gió, năng lượng mặt trời, thủy điện, địa nhiệt và nhiệt môi trường thay thế quá trình đốt cháy. Điện trở thành nguồn năng lượng chủ đạo. Máy bơm nhiệt chuyển nhiệt môi trường vào các tòa nhà và các quy trình công nghiệp nhiệt độ thấp với hệ số hiệu suất khoảng 3, nghĩa là 1 kWh điện cung cấp khoảng 3 kWh nhiệt. Giao thông vận tải chuyển sang xe điện chạy bằng pin, trong đó khoảng 80% lượng điện đầu vào được sử dụng để chuyển động thay vì 20% đối với xăng. Lò hồ quang điện sử dụng phế liệu chiếm ưu thế trong sản xuất thép, với một số quá trình khử trực tiếp bằng khí sinh học và nhập khẩu sắt xanh từ quặng sắt và các khu vực giàu năng lượng tái tạo như Úc, Brazil và Thụy Điển. Hệ thống sưởi điện trực tiếp bao gồm các quy trình nhiệt độ cao nếu có thể.
Trong biểu đồ Sankey này, tổng dịch vụ năng lượng vẫn không đổi ở mức khoảng 1.050 TWh. Nhu cầu điện năng cho hộ gia đình vẫn duy trì ở mức khoảng 410 TWh, thương mại khoảng 183 TWh, công nghiệp khoảng 326 TWh và giao thông vận tải khoảng 135 TWh. Điều thay đổi chính là lượng năng lượng bị lãng phí. Nó giảm mạnh từ hơn 1.200 TWh xuống dưới 400 TWh. Lưới điện được mở rộng, nhập khẩu và xuất khẩu tăng lên để làm giảm sự biến động, nhưng hệ thống trở nên đơn giản hơn. Có ít bước chuyển đổi hơn, ít nơi thất thoát năng lượng hơn và ít tài sản cần được thiết kế cho sản lượng nhiệt cao điểm hơn. Sơ đồ này đã đáp ứng các mục tiêu khí hậu của Đức mà không cần hydro đóng vai trò quan trọng như một chất mang năng lượng.
Các dự báo trong thời kỳ chiến lược hydro của Đức giả định tổng nhu cầu trong nước khoảng 110-130 TWh trên các lĩnh vực lọc dầu, hóa dầu, amoniac, thép, giao thông vận tải, sản xuất điện và nhiên liệu điện tử, nhưng một đánh giá thực tế về trạng thái cuối cùng cho thấy con số đó có thể giảm xuống còn khoảng 4-14 TWh, có khả năng gần hơn với mức thấp nhất trong phạm vi đó. Nhu cầu lọc dầu khoảng 25-30 TWh biến mất hoàn toàn khi hoạt động lọc nhiên liệu giảm. Lượng hydro sử dụng trực tiếp hoặc gián tiếp thông qua nhiên liệu điện tử, dự kiến tổng cộng từ 25–40 TWh, sẽ bị loại bỏ khi điện khí hóa trực tiếp chiếm ưu thế. Ngành thép trong nước, từng được cho là cần gần 30 TWh, giảm xuống còn 0 khi nguồn cung phế liệu, lò hồ quang điện và các nhà máy sản xuất sắt sạch nhập khẩu thay thế quá trình khử trực tiếp bằng hydro, với bất kỳ quá trình khử còn lại nào nhiều khả năng sẽ dựa vào khí sinh học trước khi sử dụng hydro. Sản lượng điện giảm từ dự kiến 10–20 TWh xuống tối đa 0–1 TWh như một hình thức bảo hiểm công suất hạn chế hơn là một nguồn năng lượng thực chất, nhưng trên thực tế, điều này được phục vụ tốt hơn bởi quá trình chuyển hóa sinh khối thành khí sinh học trong các đơn vị phát điện khí hiện có được bảo trì cho mục đích này.
Những gì còn lại chủ yếu là hóa dầu, có lẽ khoảng 4–8 TWh cho quá trình hydro hóa và tinh chế.
Trong đó, hydro là yếu tố không thể tránh khỏi về mặt hóa học, và một lượng nhỏ sản xuất amoniac trong nước trong các trường hợp đặc thù, có thể lên đến 5 TWh, với việc nhập khẩu các mặt hàng như amoniac xanh, sắt và methanol đáp ứng hầu hết nhu cầu. Kết quả là, có một khoảng cách lớn giữa khối lượng hydro mà Đức đã lên kế hoạch cho hệ thống năng lượng cốt lõi của mình và khối lượng mà hệ thống công nghiệp của nước này có khả năng cần, cho thấy việc quy mô cơ sở hạ tầng đã vượt xa nhu cầu thực tế.
(Hình ảnh minh họa: Dòng năng lượng của Đức giả định chiến lược tối đa hóa hydro được thực hiện, do tác giả vẽ.)
Mô hình Sankey thứ ba đưa hydro vào hệ thống đã được khử carbon. Điều này là có chủ ý. Hydro ở đây không thay thế nhiên liệu hóa thạch. Nó thay thế quá trình điện khí hóa hiệu quả. Khoảng 98 TWh hydro được đưa vào sử dụng, không bao gồm nhu cầu của nhà máy lọc dầu và các tòa nhà. Việc sản xuất hydro đó đòi hỏi khoảng 152 TWh điện năng bổ sung với hiệu suất điện phân hiện tại. Riêng quá trình điện phân đã thải ra khoảng 54 TWh. Sau đó, hydro được sử dụng trong nguyên liệu công nghiệp, vận tải, nhiên liệu điện tử và sản xuất điện.
Đối với nguyên liệu công nghiệp, hydro hoạt động như dự định. Ngành hóa dầu, amoniac và một số quy trình sản xuất thép cần hydro làm nguyên liệu đầu vào. Trong mô hình Sankey, khoảng 54 TWh hydro được sử dụng làm nguyên liệu công nghiệp và trực tiếp chuyển vào dịch vụ năng lượng mà không có năng lượng bị thải bỏ thêm. Đây là trường hợp hẹp mà hydro có ý nghĩa, giả sử nó là năng lượng xanh và giá thành hydro rẻ, điều này sẽ không xảy ra ở Đức. Ở đây, hydro không phải là chất mang năng lượng, mà là một phân tử cần thiết cho phản ứng hóa học. Trong mỗi trường hợp, nguyên liệu đầu vào mà hydro được sử dụng để sản xuất đều được sản xuất rẻ hơn nhiều ở những nơi khác và được vận chuyển dưới dạng hàng hóa số lượng lớn đến Đức, giống như quặng sắt thô, dầu mỏ và khí đốt tự nhiên hiện nay.
Ở những nơi khác, tổn thất tích lũy rất nhanh. Hydro dùng để sản xuất điện được chuyển hóa qua các pin nhiên liệu với hiệu suất khoảng 60%. Từ khoảng 22 TWh điện gió và điện mặt trời được chuyển đổi thành 14 TWh hydro, chỉ khoảng 8 TWh cuối cùng được trả lại lưới điện. Phần còn lại bị thải bỏ. Nhiên liệu điện tử còn tệ hơn. Hydro kết hợp với CO2 thu được thông qua phương pháp Fischer-Tropsch hoặc các phương pháp tương tự chỉ cung cấp khoảng 40% năng lượng hydro dưới dạng nhiên liệu lỏng. Quá trình đốt cháy trong động cơ chuyển hóa khoảng 20% năng lượng đó thành chuyển động. Mô hình Sankey thể hiện điều này rất rõ ràng. Hydro được chuyển hóa thành điện năng, sau đó thành nhiên liệu, rồi thành nhiệt năng, với năng lượng bị thải bỏ ở mỗi bước.
Trong mô hình Sankey điện khí hóa, vận tải cần khoảng 132 TWh điện năng cộng với 25 TWh nhiên liệu sinh học từ sinh khối cho hàng không và vận tải biển để cung cấp 135 TWh dịch vụ vận tải, với khoảng 22 TWh bị thải bỏ. Trong mô hình Sankey tối đa hóa hydro, điện năng được chuyển hướng sang điện phân, hydro được nén và vận chuyển, sau đó được chuyển đổi trở lại thành điện năng hoặc đốt cháy trong động cơ. Cùng một lượng dịch vụ vận tải 135 TWh đó giờ đây đòi hỏi nhiều năng lượng sơ cấp hơn và tạo ra nhiều năng lượng bị thải bỏ hơn. Không có lợi ích gì ngoài khả năng tương thích với các khái niệm nhiên liệu truyền thống.
