Trong tương lai, hydro nên được sản xuất ở đâu?
Các nhà nghiên cứu tại Viện Paul Scherrer PSI đã phân tích những khu vực nào trên thế giới có thể sản xuất hydro hiệu quả nhất về mặt chi phí để xây dựng nền kinh tế dựa trên nguồn năng lượng thay thế này thay vì các nguồn năng lượng thay thế dựa trên nhiên liệu hóa thạch. Một trong những phát hiện của họ là việc chỉ đơn giản thay thế nhiên liệu hóa thạch bằng điện và hydro sẽ không chấm dứt được lượng khí thải nhà kính. Nghiên cứu này đang được công bố trên tạp chí Nature Communications ngày hôm nay .
Thụy Sĩ đặt mục tiêu trở thành quốc gia trung hòa khí hậu vào năm 2050. Điều này có nghĩa là từ năm nay trở đi, không có khí nhà kính bổ sung ròng nào được thải vào khí quyển để làm chậm quá trình biến đổi khí hậu. Việc điện khí hóa giao thông, công nghiệp và hộ gia đình, đồng thời chuyển sang các nguồn điện tái tạo, chẳng hạn như thủy điện, năng lượng gió và năng lượng mặt trời, là một trong những nền tảng chính để đạt được mục tiêu này. Tuy nhiên, điện không thể được sử dụng ở mọi nơi như một nguồn năng lượng - đối với các ứng dụng cụ thể, mật độ lưu trữ năng lượng của nó là không đủ. Khi nhu cầu cao hơn cần được đáp ứng, hydro sẽ tăng lên. Ví dụ, hàng không, nông nghiệp và ngành công nghiệp thép đại diện cho các ứng dụng có thể giảm đáng kể tác động của chúng đến khí hậu bằng cách sử dụng hydro - đôi khi được chuyển đổi thêm để sản xuất phân bón hoặc hydrocarbon tổng hợp.
Các nhà nghiên cứu, do tác giả chính Tom Terlouw và trưởng nhóm dự án Christian Bauer từ Phòng thí nghiệm Phân tích Hệ thống Năng lượng tại PSI dẫn đầu, đã thu thập dữ liệu và dự báo về địa lý và kinh tế để mô tả sự phát triển của nền kinh tế hydro trong bốn kịch bản khác nhau. Tùy thuộc vào kịch bản, họ dự đoán rằng nhu cầu về hydro sẽ nằm trong khoảng từ 111 đến 614 megaton mỗi năm vào năm 2050. Trong kịch bản đầu tiên, thế giới tiếp tục hoạt động kinh doanh như thường lệ, vẫn dựa vào nhiên liệu hóa thạch. Trong kịch bản thứ tư và lạc quan nhất, thế giới áp dụng các biện pháp bảo vệ khí hậu nghiêm ngặt và có thể đạt được mục tiêu 1,5 độ. Hiện tại, khoảng 90 megaton hydro được sản xuất trên toàn thế giới mỗi năm.
Nơi nào có đủ không gian cho quá trình điện phân?
Hydro có thể được sản xuất bằng nhiều quy trình khác nhau. Quá trình cải cách khí mê-tan bằng hơi nước, trong đó nguyên tố này được chiết xuất từ khí thiên nhiên, dầu hoặc than – tức là nhiên liệu hóa thạch – trong điều kiện áp suất và nhiệt độ cao, hiện là phương pháp chủ đạo. Các kịch bản lạc quan hơn cho rằng các máy điện phân PEM sẽ ngày càng được sử dụng thay thế. Các thiết bị này sử dụng điện và màng điện phân polyme để phân tách nước thành hydro và oxy. Nếu chỉ sử dụng điện xanh từ các nguồn tái tạo, quá trình này có thể chạy mà không cần nhiên liệu hóa thạch. Quá trình này tạo ra ít hơn tới 90 phần trăm khí nhà kính so với quá trình cải cách khí mê-tan bằng hơi nước.
Tuy nhiên, câu hỏi chính là nơi nào trên thế giới có thể sản xuất hydro bằng công nghệ này.
Tom Terlouw đã nói:
Chúng tôi chủ yếu áp dụng các tiêu chí kinh tế.
“nói cách khác, chúng tôi đã xem xét nơi nào sản xuất sẽ rẻ nhất.” Hai yếu tố đã chứng minh là quyết định: Nhu cầu lớn về điện xanh cần thiết cho quá trình điện phân có thể được đáp ứng hiệu quả nhất ở đâu – nhờ vào sự phong phú của các nguồn năng lượng thay thế, chẳng hạn như gió và mặt trời? Và nơi nào có đủ đất thích hợp để xây dựng các cơ sở sản xuất cần thiết?
Canada là lý tưởng, Thụy Sĩ thì không lý tưởng
Ví dụ, phần lớn lãnh thổ Canada đã trở thành một trong những khu vực tốt nhất để sản xuất hydro trong tương lai.
Terlouw đã nói:
“Có rất nhiều không gian mở có nhiều gió và do đó lý tưởng để lắp đặt tua bin gió,”
“Ngoài ra, có rất nhiều nước xung quanh và tình hình chính trị ổn định – mặc dù chúng tôi không xem xét hai tiêu chí này một cách chi tiết trong nghiên cứu của mình. Nhưng tất nhiên, tính khả dụng của nước để điện phân cũng đóng một vai trò, cũng như câu hỏi liệu quốc gia liên quan có phải là quốc gia có thể nhập khẩu hydro một cách đáng tin cậy hay không.”
Bỏ qua những tiêu chí này, miền trung Hoa Kỳ cũng có những điều kiện tốt, cũng như một số vùng của Úc, sa mạc Sahara, miền bắc Trung Quốc và tây bắc châu Âu. Hoặc là vì có nhiều ánh nắng mặt trời cho năng lượng mặt trời hoặc nhiều gió và không gian mở để xây dựng các tua-bin gió – và các nhà máy hydro. Các nước công nghiệp hóa Trung Âu, chẳng hạn như Thụy Sĩ hoặc Đức, ít phù hợp hơn cho sản xuất hydro vì hầu như không có đất cho tua-bin gió và mức bức xạ mặt trời tương đối thấp. Các khu vực và quốc gia đông dân khác, chẳng hạn như Nhật Bản hoặc các vùng ven biển rộng lớn của Hoa Kỳ và Trung Quốc, chỉ có thể sản xuất hydro với chi phí tương đối cao.
Terlouw kết luận:
“Chúng tôi đã xác định được một sự khác biệt nhất định giữa các khu vực có nhu cầu hydro cao và các khu vực có năng lực sản xuất hydro hiệu quả cao,”
Nền kinh tế hydro sẽ phải vượt qua sự khác biệt này thông qua thương mại toàn cầu, nhưng điều này đòi hỏi thêm năng lượng – cũng như sự hợp tác chính trị. Cuối cùng, nhu cầu năng lượng phát sinh vì hydro thường được vận chuyển dưới dạng hợp chất – ví dụ, dưới dạng amoniac hoặc methanol. Thể tích của khí nguyên chất quá lớn, trong khi dạng lỏng nhỏ gọn hơn nhiều đòi hỏi phải làm mát lớn.
Những mặt trái về mặt sinh thái của hydro xanh
Nghiên cứu này cũng xem xét các tác động phụ khác về môi trường của nền kinh tế hydro tiềm năng, thường bị công chúng bỏ qua.
Terlouw đã nói:
“Đầu tiên, điều quan trọng là phải nhấn mạnh rằng ngay cả nền kinh tế hydro đang hoạt động cũng sẽ tiếp tục tạo ra khí thải nhà kính còn sót lại,”
Nghiên cứu đưa ra lượng khí thải còn lại này ở mức gần một gigaton CO 2 tương đương mỗi năm. Tổng lượng khí thải hiện tại vào khoảng 40 gigaton.
Christian Bauer xác nhận:
Sẽ không thể giảm tác động đến khí hậu xuống mức bằng không.
Nguyên nhân chủ yếu là do bản thân quá trình sản xuất và phân phối hydro có liên quan đến khí thải. Một mặt, ước tính có khoảng 2,5 phần trăm hydro được thải ra khí quyển thông qua rò rỉ, qua đó bản thân hydro hoạt động gián tiếp như một loại khí nhà kính bằng cách thúc đẩy sự hình thành các loại khí nhà kính mạnh như mêtan và ôzôn. Mặt khác, các hệ thống điện phân thể hiện cái gọi là khí thải tích hợp, xảy ra trong quá trình sản xuất và vận chuyển các vật liệu cần thiết, ngay cả khi các hệ thống cuối cùng chạy bằng điện xanh. Terlouw báo cáo rằng "Nhiều hệ thống và máy móc được sử dụng trong nền kinh tế hydro được sản xuất tại các quốc gia mà trong tương lai gần, hoạt động sản xuất của chúng sẽ phần lớn dựa vào nhiên liệu hóa thạch". "Ví dụ, hầu hết các tấm pin mặt trời hiện nay đều đến từ Trung Quốc, nơi phần lớn điện vẫn được sản xuất từ các nhà máy điện chạy bằng than".
Bất kỳ ai nghiêm túc muốn trở thành trung hòa khí hậu đều cần phải bù đắp lượng khí thải còn lại bằng cách thu giữ và loại bỏ lượng carbon dioxide tương đương khỏi khí quyển. Các công nghệ như thu giữ không khí trực tiếp, trong đó thiết bị đặc biệt loại bỏ CO 2 khỏi không khí, có thể được sử dụng cho mục đích này. Hoặc tái trồng rừng, trong đó việc trồng thêm cây sẽ liên kết một lượng carbon nhất định từ không khí.
Vật liệu quan trọng
Theo Terlouw và Bauer, các tác động môi trường khác của nền kinh tế hydro cũng cần được xem xét ngoài tác động của nó đối với khí hậu của chúng ta. Các máy móc và hệ thống sử dụng một loạt các vật liệu có hại cho môi trường hoặc sản xuất ra chúng có hại cho môi trường. Ví dụ, tua bin gió chứa nam châm vĩnh cửu dựa trên đất hiếm, kim loại mà việc khai thác ở Trung Quốc không đáp ứng các tiêu chuẩn môi trường của châu Âu. Chất xúc tác được sử dụng trong quá trình điện phân PEM là iridi, một kim loại được coi là có vấn đề chỉ vì nó rất hiếm. Và lượng lớn đất và nước cần thiết để sản xuất hydro cũng có thể tạo thành một yếu tố môi trường tiêu cực.
Tom Terlouw chỉ ra:
“Cuối cùng nhưng không kém phần quan trọng, đó là vấn đề lớn về sự chấp nhận của xã hội,”
“Liệu mọi người có chấp nhận cảnh quan ven biển bị chiếm đóng bởi các nhà máy sản xuất hydro lớn không?” Ở những khu vực khan hiếm nước, trước khi điện phân, nước biển sẽ phải được khử muối, điều này đòi hỏi thêm năng lượng và đất đai.
Christian Bauer cho biết:
“Trong nghiên cứu hiện tại, chúng tôi vẫn chưa tính đến những yếu tố như vậy,”
“Các nghiên cứu tiếp theo sẽ được thực hiện. Chúng tôi muốn chỉ ra các phương tiện khả thi để đạt được quá trình chuyển đổi năng lượng. Liệu chúng ta có tiếp tục theo đuổi chúng hay không và chúng ta thực hiện nghiêm ngặt như thế nào, cuối cùng là một câu hỏi chính trị xã hội.”
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
