Vấn đề với Hydro Ngọc Lam sản xuất từ Khí Hóa Thạch
Một quy trình phân tách khí mê-tan thành các thành phần của nó, hydro và carbon, được quảng cáo là một cách để tạo ra hydro từ khí hóa thạch mà không phát thải. Tuy nhiên, những tuyên bố rằng nhiệt phân mê-tan không phát thải CO₂ hoặc hiệu quả hơn điện phân nước là rất sai lệch.
Nhà máy Olive Creek 1 của Monolith tại Nebraska, Hoa Kỳ, là nhà máy nhiệt phân mê-tan quy mô công nghiệp duy nhất đang hoạt động. Sản phẩm chính của nhà máy là Carbon Black và Monolith hiện chỉ đốt cháy hydro. (Ảnh: Monolith)
Mặc dù hydro sạch hiện đang có một số tiến triển, ngay cả những người chỉ trích sự cường điệu về hydro cũng thường đồng ý rằng nó có vai trò trong việc giảm phát thải trong các lĩnh vực như ngành công nghiệp thép hoặc sản xuất phân bón.
Hydro là một loại khí không màu, nhưng trong các cuộc thảo luận xung quanh nó, các thuật ngữ như hydro xanh lam, xanh lục hoặc xám thường được sử dụng. Những thuật ngữ này không đề cập đến bất kỳ màu sắc thực tế nào. Chúng chỉ đơn thuần là những quy ước đặt tên để chỉ các phương pháp sản xuất khác nhau.
Ngày nay, phương pháp phổ biến nhất để sản xuất hydro là cải cách metan bằng hơi nước, sử dụng metan từ khí hóa thạch. Phương pháp này thường được gọi là hydro xám và là một quá trình phát thải nhiều. Việc sản xuất hydro hiện nay không phải là giải pháp cho vấn đề biến đổi khí hậu. Nó là một vấn đề khí hậu đáng kể.
Xanh lá cây, xanh dương - hay xanh ngọc lam?
Hydro có thể được tạo ra bằng cách phân tách nước, một quá trình gọi là điện phân. Nếu được cung cấp năng lượng bằng điện tái tạo, phương pháp này được gọi là hydro xanh. Mặc dù hydro xanh là cách sạch nhất để tạo ra hydro nếu có đủ năng lượng tái tạo, nhưng hiện tại nó vẫn chưa được sản xuất với số lượng đáng kể.
Một giải pháp thay thế thường được đề xuất là kết hợp sản xuất hydro từ khí hóa thạch với thu giữ và lưu trữ carbon (CSS). Phương pháp này thường được gọi là hydro xanh. Người ta thường ngụ ý rằng hydro xanh cung cấp một cách nhanh hơn và rẻ hơn để mở rộng quy mô sản xuất hydro sạch, nhưng điều đó vẫn chưa được chứng minh trong thực tế. Hydro xanh sẽ chỉ sạch nếu lượng khí thải đầu nguồn từ khí hóa thạch thấp và tỷ lệ thu giữ carbon cao.
Dự án hydro xanh quy mô lớn duy nhất hiện có, nhà máy Quest của Shell ở Canada, chỉ thu giữ được một phần nhỏ lượng khí thải. Để đạt được tỷ lệ thu giữ cao, có thể cần phải chuyển sang một công nghệ khác gọi là cải cách nhiệt tự động (ATR), giúp thu giữ carbon dễ dàng hơn. Việc trang bị thêm CCS cho các nhà máy cải cách metan bằng hơi nước hiện có để tạo ra hydro xanh lam dường như không khả thi.
Mặc dù hydro xanh lục và xanh lam là những công nghệ hydro sạch được bàn tán nhiều nhất, nhưng vẫn có một số ý tưởng về những cách khác để tạo ra hydro. Một trong số đó thường được gọi là hydro ngọc lam, còn được gọi là nhiệt phân metan hoặc phân tách metan.
Nhiệt phân metan hoạt động bằng cách cho metan tiếp xúc với nhiệt độ cao mà không tiếp xúc với oxy. Điều này gây ra phản ứng phân tách metan thành các thành phần của nó, carbon và hydro. (Nhiệt phân là một khái niệm chung hơn thường xuất hiện như một giải pháp công nghệ sạch. Ví dụ, nó có thể được sử dụng như một phương pháp tái chế nhựa tiên tiến hoặc để tạo ra carbon từ các nguồn nguyên liệu sinh học như gỗ. Tuy nhiên, những công nghệ nhiệt phân khác đó không nên là chủ đề của bài viết này.)
Mêtan là thành phần chính của khí hóa thạch. Do đó, ở dạng đơn giản nhất, hydro ngọc lam vẫn đang dựa vào nhiên liệu hóa thạch. Cũng có thể sử dụng biomethane. Không giống như quá trình cải cách hơi nước truyền thống, nhiệt phân metan không trực tiếp tạo ra CO₂. Thay vào đó, nó tạo ra carbon rắn như một "sản phẩm phụ".
Lần đầu tiên tôi biết đến ý tưởng về hydro ngọc lam và nhiệt phân metan là vào những ngày đầu của cơn sốt hydro mới nhất ở Đức. Các tổ chức và công ty trong ngành công nghiệp khí đốt như BASF và Wintershall Dea đã thúc đẩy ý tưởng rằng hydro ngọc lam có thể trở thành một trong nhiều cách để sản xuất hydro sạch.
Điều quan trọng là phải nhận ra rằng vai trò của hydro ngọc lam - và có lẽ nói chung hơn là mã màu của cầu vồng hydro - không chỉ là một công nghệ tiềm năng. Nó còn là một phần của một câu chuyện nhất định. Đó là một cách để tạo ấn tượng rằng hydro sạch, trung hòa khí hậu không phải là một nguồn tài nguyên khan hiếm, rằng nhu cầu năng lượng sạch khổng lồ cho bất kỳ quá trình sản xuất hydro xanh có ý nghĩa nào không phải là rào cản, và rằng chúng ta sẽ không né tránh những ứng dụng hydro gây tranh cãi hơn - chẳng hạn như nồi hơi gas chạy bằng hydro, hoặc ô tô chạy bằng hydro.
"Với ý tưởng này, xe chạy bằng hydro sẽ ngay lập tức trở thành phương tiện sạch nhất", tờ báo bảo thủ Welt của Đức đã viết trong một bài báo năm 2020, ca ngợi những nỗ lực nghiên cứu của BASF và Wintershall Dea. Bài báo cũng đề cập rằng công ty khí đốt Nga Gazprom đang nghiên cứu nhiệt phân metan tại các phòng thí nghiệm của mình ở Tomsk.
Năm 2019, Hiệp hội Công nghiệp Hóa chất Đức (VCI) đã công bố lộ trình cho ngành hóa học trung hòa khí hậu với kịch bản 30% sản lượng amoniac trong tương lai dựa trên hydro từ nhiệt phân metan. Tuy nhiên, gần đây, họ đã trở nên hoài nghi hơn về những ý tưởng như vậy. Trong bản tin cập nhật
Trong báo cáo được công bố năm 2023, VCI viết: "Chỉ có công nghệ nhiệt phân mêtan không còn được đưa vào các kịch bản nữa, do việc đánh giá lại khí đốt tự nhiên như một công nghệ cầu nối sau cuộc chiến tranh xâm lược của Nga chống lại Ukraine" (dịch từ tiếng Đức).
Wintershall Dea, một công ty dầu khí từng là một trong những đơn vị tiên phong trong công nghệ nhiệt phân mêtan, hiện không còn tồn tại dưới hình thức ban đầu. Do có mối quan hệ chặt chẽ với các công ty Nga như Gazprom, công ty đã gặp rắc rối sau cuộc tấn công của Nga vào Ukraine năm 2022. Năm 2023, các chủ sở hữu của công ty - chủ sở hữu đa số là BASF - đã bán các tài sản dầu khí còn lại của Wintershall Dea ra bên ngoài nước Nga.
BASF vẫn đang tiếp tục nghiên cứu công nghệ này, và một phát ngôn viên của BASF đã viết thư cho tôi rằng các nỗ lực nghiên cứu của Wintershall Dea và BASF hoàn toàn độc lập.
Mê-tan, Khí Nhà Kính
Hydro màu ngọc lam có thể đã mất đi phần nào sức hấp dẫn đối với các ngành công nghiệp Đức, nhưng nó vẫn thường xuyên được nhắc đến, và một số công ty khởi nghiệp đang nghiên cứu nó. Tuy nhiên, thực tế hydro màu ngọc lam sạch đến mức nào? Có hai vấn đề quan trọng cần xem xét: khí thải mê-tan ở thượng nguồn và carbon "sản phẩm phụ".
Mê-tan là một loại khí nhà kính mạnh. Nó gây ra hiện tượng nóng lên toàn cầu gấp 27 lần so với cùng một lượng carbon dioxide trong 100 năm và gấp 80 lần trong 20 năm. Cơ sở hạ tầng dầu khí thải ra một lượng đáng kể khí mê-tan vào khí quyển.
Nhiệt phân mê-tan đòi hỏi lượng khí hóa thạch đầu vào nhiều hơn so với quá trình chuyển đổi mê-tan bằng hơi nước truyền thống trên mỗi đơn vị hydro. Do đó, nếu sử dụng cùng một nguồn khí hóa thạch, lượng khí thải đầu nguồn của hydro màu ngọc lam thậm chí còn cao hơn so với sản xuất hydro truyền thống. (Bối cảnh hóa học cho thấy quá trình cải tạo hơi nước cũng chuyển đổi nước thông qua phản ứng chuyển đổi nước-khí thành hydro, trong khi nhiệt phân metan chỉ sử dụng các nguyên tử hydro từ các phân tử metan.)
Lượng khí thải metan ở thượng nguồn đã đủ để nghi ngờ rằng hydro ngọc lam tự động trung hòa khí hậu hoặc sạch. Nhưng còn một vấn đề lớn hơn nữa: carbon "sản phẩm phụ".
Ba tấn Carbon trên một tấn Hydro
Mêtan là một phân tử được tạo thành từ bốn nguyên tử hydro và một nguyên tử carbon (CH₄). Khi phân tách các phân tử này, carbon rõ ràng không biến mất. Mặc dù nhiệt phân metan thường được quảng cáo là một phương pháp sản xuất hydro, nhưng đầu ra chính của nó là carbon. Do một nguyên tử carbon có khối lượng gấp mười hai lần một nguyên tử hydro, nên quá trình phân tách metan tạo ra khoảng ba tấn carbon trên một tấn hydro.
Cacbon tinh khiết có nhiều ứng dụng trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau, vì vậy có thể dễ dàng cho rằng nó là một sản phẩm phụ có giá trị. "Ví dụ, carbon rắn thu được có thể được sử dụng trong sản xuất thép hoặc nhôm", BASF viết trong thông cáo báo chí năm 2019. "Quá trình nhiệt phân metan này đòi hỏi tương đối ít năng lượng. Nếu nguồn năng lượng này đến từ các nguồn tái tạo, hydro có thể được sản xuất ở quy mô công nghiệp mà không phát thải CO₂."
Tuy nhiên, tuyên bố rằng người ta có thể sản xuất hydro "mà không phát thải CO₂" và đồng thời, "carbon có thể được sử dụng trong sản xuất thép hoặc nhôm" là không tương thích. Tất nhiên, carbon được sử dụng trong ngành công nghiệp thép và nhôm cũng gây ra phát thải CO₂. Suy cho cùng, các phân tử carbon đó không biến mất nếu chúng được bán cho một ngành công nghiệp khác.
Và đây là vấn đề cốt lõi. Trước hết, nhiệt phân metan không phải là một quá trình sản xuất hydro với "sản phẩm phụ" là carbon. Mà ngược lại. Đó là một quá trình sản xuất carbon với sản phẩm phụ là hydro. Nếu một người dựa vào việc bán carbon đó cho các ngành công nghiệp khác mà cuối cùng sẽ thải ra nó, thì việc tuyên bố rằng nó trung hòa khí hậu hoặc "không phát thải CO₂" không chỉ gây hiểu lầm mà về cơ bản còn dựa vào việc không khử cacbon cho các ngành công nghiệp khác đó.
(Có những ứng dụng carbon còn sót lại trong một số ngành công nghiệp không dễ dàng thay thế. Mặc dù hầu hết lượng khí thải trong sản xuất thép có thể được tránh bằng cách chuyển sang các quy trình dựa trên hydro, nhưng vẫn còn nhu cầu về carbon còn sót lại. Lý tưởng nhất là các quy trình cần carbon nên chuyển sang các nguồn carbon không phải hóa thạch, ví dụ như từ các nguồn sinh học. Sản xuất nhôm sử dụng anode carbon. Chúng có thể được thay thế bằng anode trơ, nhưng đó là một công nghệ dường như rất khó triển khai. Tuy nhiên, đó là những chủ đề sẽ được thảo luận sau.)
Liệu carbon từ quá trình nhiệt phân metan có thể được lưu trữ vô thời hạn theo cách không phát thải carbon dioxide, chẳng hạn như bằng cách đưa nó trở lại lòng đất không? Điều đó chắc chắn là có thể, nhưng với khối lượng lớn, điều này dường như không thực tế lắm.
Nhà máy nhiệt phân mêtan lớn nhất hiện có đang đốt cháy hydro.
Hiện tại, chỉ có một nhà máy nhiệt phân mêtan quy mô công nghiệp đang hoạt động. Olive Creek 1, do Monolith vận hành, tọa lạc tại Hallam, Nebraska (Hoa Kỳ). Nhà máy sản xuất muội than, một dạng cacbon tinh khiết đặc biệt với cấu trúc đặc biệt. Công suất sản xuất muội than của nhà máy là 14.000 tấn mỗi năm. Muội than được sử dụng làm chất tạo màu và phụ gia cho nhiều sản phẩm nhựa và cao su.
Ứng dụng này được sử dụng trong lốp xe.
Monolith sử dụng đèn khò plasma điện để cung cấp năng lượng cho quá trình nhiệt phân nhiệt độ cao. Điều này, xét riêng về bản chất, khá thú vị, vì nó là một ví dụ về việc điện khí hóa thành công nhiệt công nghiệp nhiệt độ cao. (Chắc chắn có đôi chút mỉa mai trong thực tế này. Nhiệt công nghiệp nhiệt độ cao thường được coi là một trong những trường hợp mà điện khí hóa là không khả thi - và do đó, cần phải có hydro.)
Nhà máy của Monolith cũng sản xuất hydro nhưng hiện tại không sử dụng. Trong một cuộc phỏng vấn với podcast Climate Now, Giám đốc điều hành của Monolith, Rob Hanson, cho biết: "Trong vài năm tới, chúng tôi thực sự chỉ đốt cháy hydro."
Lý do là hydro "có lẽ là thứ khó vận chuyển nhất trên thế giới", Hansen nói trong podcast. Monolith có kế hoạch mở rộng nhà máy và trong tương lai, muốn xây dựng một nhà máy amoniac để sử dụng hydro phụ phẩm của mình. Ở quy mô hiện tại, việc sản xuất amoniac là không khả thi, vì nhà máy quá nhỏ. (Amoniac là một hóa chất được tạo ra từ hydro và chủ yếu được sử dụng để sản xuất phân bón. Sản xuất amoniac hiện là nguồn tiêu thụ hydro công nghiệp chính.)
Sản xuất muội than truyền thống là một quy trình khá bẩn và phát thải cao. Nó thường được làm từ than đá hoặc dầu mỏ, và quá trình sản xuất này gây ra lượng khí thải CO₂ đáng kể. Có thể lập luận một cách hợp lý rằng những gì Monolith đang làm, thay thế muội than bẩn bằng một quy trình ít phát thải hơn, là một chiến thắng về khí hậu.
Tuy nhiên, điều quan trọng cần nhấn mạnh là muội than vẫn được tạo ra từ nhiên liệu hóa thạch. Mỡ than chủ yếu được sử dụng làm chất phụ gia trong lốp xe ô tô, và lốp xe cũ thường được đốt để làm nguồn năng lượng. Trong nhiều trường hợp, cuối cùng cacbon sẽ chuyển hóa thành CO₂.
Liệu bếp củi có hiệu quả hơn máy bơm nhiệt không?
Trong một video trên trang web của BASF, công ty đã quảng cáo rõ ràng rằng nhiệt phân metan là một quy trình tiết kiệm năng lượng. "Ưu điểm [...] là chúng ta cần ít năng lượng hơn nhiều so với điện phân - khoảng một phần năm."
Những tuyên bố tương tự về hiệu quả năng lượng thường được tìm thấy trong các tài liệu tiếp thị của các công ty theo đuổi công nghệ này. Tuy nhiên, việc sản xuất hydro thông qua nhiệt phân metan và chỉ cần một phần năm năng lượng so với điện phân là điều không thể về mặt vật lý.
Ở những nơi khác trên trang web của BASF, chúng ta có thể tìm thấy câu sau đây chính xác hơn: "So với các quy trình sản xuất hydro không phát thải khác, nhiệt phân metan chỉ cần khoảng một phần năm năng lượng điện." Hãy lưu ý một điểm khác biệt nhỏ nhưng quan trọng: họ đang nói về năng lượng điện.
Đúng là sản xuất hydro thông qua nhiệt phân metan cần ít điện hơn so với sản xuất hydro từ nước thông qua điện phân. Điều này cũng không có gì đáng ngạc nhiên. Mêtan vốn đã là một phân tử giàu năng lượng. Nhiệt phân metan là một cách chuyển đổi một dạng năng lượng hóa học này sang một dạng năng lượng hóa học khác. Mặt khác, điện phân là một cách chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng hóa học, sử dụng nước có năng lượng thấp làm đầu vào.
Do đó, kết luận rằng một quy trình cần ít điện hơn nhưng lại cần các nguồn năng lượng khác là hiệu quả hơn là rất sai lầm. Một chiếc ô tô sử dụng động cơ đốt trong tiêu thụ ít điện hơn một chiếc ô tô điện, và một bếp củi tiêu thụ ít điện hơn một máy bơm nhiệt. Tuy nhiên, không ai khẳng định rằng chúng hiệu quả hơn.
Một trường hợp sử dụng tốt cho khí sinh học?
Cho đến nay, chúng ta đã thảo luận về việc sử dụng nhiệt phân mêtan với nguyên liệu khí hóa thạch. Vậy còn khí sinh học thì sao?
Các vật liệu sinh học có thể được sử dụng để sản xuất khí sinh học thông qua quá trình tiêu hóa kỵ khí. Nó có thể được nâng cấp thành khí sinh học, có thể được sử dụng để thay thế khí hóa thạch. Khí sinh học đôi khi còn được gọi là khí tự nhiên tái tạo (RNG).
Việc sản xuất khí sinh học và khí sinh học tự thân nó là một vấn đề phức tạp với nhiều tranh cãi, và việc thảo luận chi tiết về chúng nằm ngoài phạm vi của bài viết này. Nếu được tạo ra từ nguyên liệu như chất thải nông nghiệp, khí sinh học có thể là một nguồn tài nguyên thân thiện với khí hậu. Giống như bất kỳ dạng năng lượng sinh học nào, ngay khi liên quan đến các loại cây trồng năng lượng như ngô, tác động sử dụng đất và các khí thải đầu nguồn khác cần được xem xét. Hơn nữa, khí thải mêtan có thể là một vấn đề. Khí quyển không quan tâm đến việc mê-tan có nguồn gốc sinh học hay hóa thạch - nó luôn hoạt động như một loại khí nhà kính mạnh.
Có khả năng khí sinh học sẽ có chỗ đứng trong tương lai trung hòa khí hậu. Tuy nhiên, do về cơ bản nó là một sự thay thế tạm thời cho khí hóa thạch, nên việc tất cả các loại người sử dụng khí hóa thạch tuyên bố rằng cuối cùng nó có thể được thay thế bằng khí sinh học là rất thuận tiện. Không có gì ngạc nhiên khi các công ty nhiệt phân mê-tan cũng thường chỉ ra khả năng đó.
Khí sinh học bền vững là một nguồn tài nguyên hữu hạn. Cần phải thảo luận về việc nguồn khí sinh học khan hiếm có tác động lớn nhất đến đâu. Vị trí của nó có lẽ không nằm ở các ứng dụng có nguồn năng lượng tái tạo thay thế hiệu quả. Tuy nhiên, việc sử dụng nó làm nguyên liệu cho các sản phẩm carbon rắn mà nếu không thì khó có thể thay thế - và sản xuất một số hydro sạch như một sản phẩm phụ - chắc chắn không phải là ý tưởng tồi.
Do đó, nó không phải là
Thật không hợp lý khi thấy vai trò của nhiệt phân mê-tan dựa trên khí sinh học trong một ngành công nghiệp trung hòa khí hậu trong tương lai. Tuy nhiên, dường như nhiệt phân mê-tan với khí hóa thạch không tương thích với mục tiêu trung hòa khí hậu. Chắc chắn đây không phải là cách để hiện thực hóa giấc mơ về một nguồn cung cấp hydro sạch, giá rẻ trên quy mô lớn dựa trên khí hóa thạch.
Bạn cũng có thể muốn đọc bài viết của Paul Martin về chủ đề này. Ông đã tham gia xây dựng nhà máy đầu tiên của Monolith.
Tác giả: Hanno Böck
