Vấn đề về giá: Tại sao pin nhiên liệu hydro vẫn chưa sẵn sàng
Trong một thế giới được cho là đang chạy đua hướng tới mục tiêu phát thải ròng bằng 0, một yếu tố của kho vũ khí năng lượng sạch vẫn chưa rời khỏi phòng thí nghiệm: pin nhiên liệu hydro. Bất chấp nhiều thập kỷ hứa hẹn, đột phá và tài trợ công, khả năng thương mại hóa vẫn còn khó nắm bắt. Và nó có thể phụ thuộc vào một điều gì đó cơ bản như giới hạn vật liệu.
"Chỉ có khoảng 60.000 tấn bạch kim trên Trái đất", Tiến sĩ Quentin Meyer, Chủ tịch Bộ phận pin nhiên liệu tại Hiệp hội năng lượng hydro quốc tế cho biết. "Con số đó không đủ để hỗ trợ nền kinh tế hydro toàn cầu". Bạch kim, tiêu chuẩn vàng về chất xúc tác của ngành, vừa khan hiếm vừa đắt đỏ. Các chất xúc tác thay thế - thường dựa trên các kim loại rẻ hơn như sắt và carbon - vẫn không ổn định, đặc biệt là trong điều kiện vận hành thực tế.
Thách thức còn lớn hơn nhiều so với hóa học. Pin nhiên liệu là hệ thống phức tạp, nơi thành công phụ thuộc vào kiến trúc cũng như thành phần. Một yếu tố quan trọng là "ranh giới ba pha", nơi các electron, proton và oxy phải đồng thời gặp nhau để phản ứng điện hóa xảy ra. Chất xúc tác có thể hoàn hảo như sách giáo khoa trên lý thuyết nhưng sẽ hỏng nếu không được thiết kế để tạo đủ điểm tiếp xúc ba pha trong thực tế. Meyer giải thích rằng "Bạn có thể có vật liệu phù hợp nhưng tích hợp kém và kết quả là hiệu suất kém".
Không chỉ là về thành phần của pin nhiên liệu mà còn là cách sử dụng pin. Không giống như pin, pin nhiên liệu hoạt động tốt nhất ở trạng thái hoạt động ổn định. Nhu cầu không đều, dao động công suất hoặc cấu hình tải không liên tục - chẳng hạn như từ lưới điện chạy bằng năng lượng gió hoặc năng lượng mặt trời - có thể làm giảm đáng kể tuổi thọ của pin. Meyer cho biết "Độ bền có thể giảm từ hàng nghìn giờ xuống chỉ còn vài chục giờ".
Sự thoái hóa vật liệu, đặc biệt là thông qua quá trình hình thành hydro peroxide, là một kẻ giết người thầm lặng khác. Peroxide đẩy nhanh quá trình ăn mòn carbon và quá trình rò rỉ các ion sắt trong các chất xúc tác rẻ hơn. Meyer cho biết "Điều này giống như đổ xăng vào lửa". Và trong khi các nhà nghiên cứu như ông đang tiến gần hơn đến việc ngăn chặn sự hình thành peroxide thông qua thiết kế chất xúc tác tiên tiến, "Chúng tôi vẫn chưa làm được".
Một bước đột phá tiềm năng? Chất xúc tác kim loại kép liên kết sắt với chất ổn định như mangan. Mangan đóng vai trò như một “vệ sĩ hóa học”, giữ chặt sắt và giảm khả năng bị rò rỉ. Nó có triển vọng, nhưng còn lâu mới sẵn sàng cho công nghiệp. “Quá trình tổng hợp phức tạp và tốn nhiều tài nguyên. Chúng ta đang nói về một thập kỷ nữa—tối thiểu”, Meyer cảnh báo.
Những hạn chế của AI trong không gian này càng làm nổi bật vấn đề. Bất chấp sự cường điệu xung quanh việc học máy cho khoa học vật liệu, Meyer vẫn hoài nghi. “Bạn không thể đào tạo các mô hình đáng tin cậy với 100 bài báo nghiên cứu”, ông nói thẳng thắn. Khối lượng dữ liệu và khả năng biến đổi không có ở đó. AI đang hỗ trợ các ứng dụng thích hợp—như phân tích hình ảnh—nhưng vẫn chưa thiết kế được pin nhiên liệu tốt hơn.
Một rào cản cơ bản khác là sự mất kết nối giữa đổi mới trong phòng thí nghiệm và ứng dụng thương mại. Các nhà nghiên cứu thường tập trung vào các hóa chất thanh lịch, không thể mở rộng quy mô được công bố trên tạp chí Nature nhưng không bao giờ đến được nhà máy. “Đó là khoa học đẹp”, Meyer nói. “Nhưng đó là sự tò mò khoa học—không phải là giải pháp”. Ông lập luận rằng nhiều dự án hơn cần có sự tham gia của các đối tác công nghiệp ngay từ ngày đầu để đảm bảo khả năng tương thích với các kịch bản triển khai trong tương lai.
Ngay cả khi một pin nhiên liệu hoạt động, mô hình kinh doanh thường không hoạt động. Trong số ít các cuộc trình diễn về chất xúc tác gốc sắt, không có cuộc trình diễn nào cung cấp năng lượng cho nhiều hơn một thiết bị nhỏ. Việc mở rộng quy mô đó cho các đội tàu hoặc nhà máy đòi hỏi sự hỗ trợ lâu dài của chính phủ, điều hiện đang thiếu. Hơn nữa, việc tiêu thụ vẫn là nút thắt kinh tế. Người sử dụng hydro công nghiệp - nhiều người vẫn phụ thuộc vào nguồn cung cấp nhiên liệu hóa thạch giá rẻ - không sẵn sàng trả phí bảo hiểm xanh.
Meyer lưu ý rằng "Hiện tại, chuỗi cung ứng nhiều hơn nhu cầu". "Các công ty đang mở rộng quy mô nhanh hơn các dự án". Và đó là một phần của sự thật lớn hơn: hydro sẽ không bao giờ có khả năng cạnh tranh về chi phí cho đến khi các vật liệu như bạch kim và iridi có thể được thay thế hoặc sử dụng ở mức tải cực thấp. Cho đến lúc đó, lời hứa về việc pin nhiên liệu hydro cung cấp năng lượng cho mọi thứ, từ xe tải đến các chuyến bay xuyên lục địa vẫn còn là tham vọng.
Meyer không bi quan - nhưng ông thực tế. "Nó sẽ được thực hiện. Nhưng sẽ tốn kém". Câu hỏi thực sự không phải là làm thế nào để chế tạo được pin nhiên liệu hoàn hảo mà là khi nào chúng ta sẽ đầu tư, phối hợp khoa học với thị trường và giải quyết các chi phí ẩn không phải do công nghệ mà do thời gian.
