Vấn đề với Hydro Turquoise làm từ Khí hóa thạch
Một quy trình phân tách mêtan 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, tuyên bố rằng nhiệt phân mêtan không phát thải CO₂ hoặc hiệu quả hơn điện phân nước là rất gây hiểu lầm.
Ngày 20 tháng 12 năm 2024
Nhà máy Olive Creek 1 của Monolith ở Nebraska, Hoa Kỳ, là nhà máy nhiệt phân mêtan quy mô công nghiệp duy nhất đang hoạt động. Sản phẩm chính của nhà máy là Carbon Black và hiện tại Monolith chỉ đốt cháy hydro. (Ảnh: Monolith)
Mặc dù hydro sạch hiện đang có một số tiến triển, ngay cả những người chỉ trích cơn sốt 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 đó không đề cập đến bất kỳ màu sắc thực tế nào. Chúng chỉ đơn thuần là các quy ước đặt tên để chỉ các phương pháp sản xuất khác nhau.
Ngày nay, cách phổ biến nhất để tạo ra hydro là cải cách hơi nước mêtan, sử dụng mêtan từ khí hóa thạch. Quá trình này thường được gọi là hydro xám và là một quá trình phát thải nhiều. Quá trình sản xuất hydro hiện tại này không phải là giải pháp cho vấn đề khí hậu. Đây là một vấn đề khí hậu đáng kể.
Xanh lá cây, xanh lam - hay 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, thì đây 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 không 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). Nó 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 ở thượng 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 của mình. 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 lại các nhà máy cải cách khí mê-tan bằng hơi nước hiện có với CCS và tỷ lệ thu giữ cao để tạo ra hydro xanh có vẻ không khả thi.
Mặc dù hydro xanh và xanh lam là những công nghệ hydro sạch được nhắc đến nhiều nhất, nhưng 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 mê-tan hoặc phân tách mê-tan.
Nhiệt phân mê-tan hoạt động bằng cách cho mê-tan tiếp xúc với nhiệt độ cao mà không tiếp cận được với oxy. Điều này gây ra phản ứng phân tách mê-tan thành các thành phần của nó, cacbon và hydro. (Nhiệt phân là một khái niệm chung hơn thường xuất hiện dưới dạng 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 đầu vào sinh học như gỗ. Nhưng các công nghệ nhiệt phân khác đó không phải là chủ đề của bài viết này.)
Mê-tan là thành phần chính của khí hóa thạch. Do đó, ở dạng đơn giản nhất, hydro ngọc lam vẫn 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 methane 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 màu ngọc lam và nhiệt phân methane trong những ngày đầu của cơn sốt hydro mới nhất ở Đức. Các tổ chức và công ty trong ngành khí đốt như BASF và Wintershall Dea đã thúc đẩy ý tưởng rằng hydro màu 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 màu ngọc lam - và có lẽ nói chung là mã màu của cầu vồng hydro - không chỉ là công nghệ tiềm năng. Nó cũng 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 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 cách sử dụng hydro gây tranh cãi hơn - như lò hơi đốt gas sẵn sàng sử dụng hydro hoặc ô tô chạy bằng hydro.
"Với ý tưởng này, ô tô chạy bằng hydro sẽ ngay lập tức trở thành loại xe 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 quá trình nhiệt phân mêtan trong các phòng thí nghiệm của mình tại 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 liên quan đến 30 phần trăm sản lượng amoniac trong tương lai dựa trên hydro từ quá trình nhiệt phân mêtan. Tuy nhiên, gần đây, họ trở nên hoài nghi hơn về những ý tưởng như vậy. Trong
các kịch bản cập nhật được công bố vào năm 2023, VCI viết: "Chỉ có nhiệt phân mêtan không còn được đưa vào các kịch bản nữa, vì có sự đánh giá lại khí đốt tự nhiên như một công nghệ bắc cầu sau cuộc chiến tranh xâm lược của Nga chống lại Ukraine" (dịch từ tiếng Đức).
Wintershall Dea, một công ty dầu khí là một trong những đơn vị ủng hộ chính của nhiệt phân mêtan, 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 vào năm 2022. Vào năm 2023, 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 tiếp tục nghiên cứu công nghệ này và một người phát ngôn 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 một số sức hấp dẫn đối với các ngành công nghiệp của Đức, nhưng nó vẫn thường xuyên xuất hiện và một số công ty khởi nghiệp đang nghiên cứu về nó. Tuy nhiên, hydro màu ngọc lam thực sự sạch đến mức nào? Có hai vấn đề quan trọng cần xem xét: khí thải mê-tan ở thượng nguồn và cacbon "sản phẩm phụ".
Mê-tan là một loại khí nhà kính mạnh. Nó gây ra hiện tượng nóng lên toàn cầu nhiều gấp 27 lần so với lượng khí cacbon dioxide tương đương trong 100 năm và nhiều gấp 80 lần trong 20 năm. Cơ sở hạ tầng dầu khí thải ra một lượng lớn mê-tan vào khí quyển.
Nhiệt phân mê-tan đòi hỏi lượng khí hóa thạch đầu vào nhiều hơn so với quá trình cải tạo 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 ở thượng nguồn của hydro màu ngọc lam thậm chí còn cao hơn so với quá trình sản xuất hydro thông thường. (Bối cảnh hóa học là quá trình cải tạo hơi nước cũng chuyển đổi nước thông qua phản ứng chuyển đổi khí-nước thành hydro, trong khi nhiệt phân mê-tan chỉ sử dụng các nguyên tử hydro từ các phân tử mê-tan.)
Lượng khí thải mê-tan ở thượng nguồn đã đủ để nghi ngờ rằng hydro màu 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 Hydrogen
Methane là một phân tử bao gồm bốn nguyên tử hydro và một nguyên tử carbon (CH₄). Khi phân tách các phân tử đó, rõ ràng là carbon không biến mất. Mặc dù quá trình nhiệt phân methane thường được quảng cáo là phương pháp sản xuất hydro, nhưng đầu ra chính của nó là carbon. Vì một nguyên tử carbon có khối lượng gấp mười hai lần một nguyên tử hydro, nên quá trình phân tách methane tạo ra khoảng ba tấn carbon trên một tấn hydro.
Carbon tinh khiết có nhiều ứng dụng trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau, vì vậy có thể bạn sẽ nghĩ rằng đây là một sản phẩm phụ có giá trị. BASF đã viết trong một thông cáo báo chí năm 2019 rằng "Carbon rắn thu được có khả năng được sử dụng trong sản xuất thép hoặc nhôm". "Quá trình nhiệt phân methane này đòi hỏi tương đối ít năng lượng. Nếu 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 khả năng 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. Rốt cuộc, 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 và quan trọng nhất, nhiệt phân mêtan 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 phát thải nó, thì 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 công dụng còn sót lại của carbon trong một số ngành công nghiệp không dễ gì thay thế. Trong khi hầu hết khí thải trong sản xuất thép có thể tránh được bằng cách chuyển sang các quy trình dựa trên hydro, thì vẫn còn nhu cầu về carbon còn sót lại. Về mặt lý tưởng, 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 anot carbon. Chúng có thể được thay thế bằng anot trơ, nhưng đó là một công nghệ có vẻ khó triển khai. Tuy nhiên, đó là những chủ đề của một thời điểm khác.)
Liệu carbon từ quá trình nhiệt phân mêtan có thể được lưu trữ vô thời hạn theo cách không thải ra carbon dioxide, chẳng hạn như đưa nó trở lại lòng đất không? Chắc chắn là có thể, nhưng xét đến khối lượng lớn, thì phương pháp này có vẻ 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, nằm ở Hallam, Nebraska (Hoa Kỳ). Nhà máy này sản xuất ra carbon đen, một dạng carbon tinh khiết đặc biệt có cấu trúc cụ thể. Năng lực sản xuất than đen của công ty là 14.000 tấn mỗi năm. Than đen được sử dụng làm chất tạo màu và phụ gia cho nhiều sản phẩm nhựa và cao su
Công dụng chính của nó là trong lốp xe.
Monolith sử dụng đèn khò plasma điện để cung cấp năng lượng cho quá trình nhiệt phân nhiệt độ cao. Bản thân điều đó đã thú vị, vì đây là một ví dụ về quá trình điện khí hóa thành công nhiệt công nghiệp nhiệt độ cao. (Chắc chắn có một số sự thật trớ trêu trong thực tế này. Nhiệt công nghiệp nhiệt độ cao thường được coi là một trong những trường hợp mà quá trình điện khí hóa là không khả thi - và do đó, cần phải có hydro.)
Nhà máy của Monolith cũng sản xuất hydro nhưng hiện 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 cho biết trong podcast. Monolith có kế hoạch mở rộng nhà máy của mình và trong tương lai, muốn xây dựng một nhà máy amoniac để sử dụng hydro sản phẩm phụ của mình. Ở quy mô hiện tại, việc sản xuất amoniac là không khả thi vì nhà máy sẽ quá nhỏ. (Amoniac là một loại 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 chính trong công nghiệp.)
Sản xuất than đen truyền thống là một quy trình khá bẩn và thải ra nhiều khí thải. Nó thường được tạo ra từ than hoặc dầu, và quá trình sản xuất này gây ra lượng khí thải CO₂ đáng kể. Người ta có thể lập luận hợp lý rằng những gì Monolith đang làm, thay thế than đen bẩn bằng một quy trình ít thải ra hơn, là một chiến thắng về khí hậu.
Tuy nhiên, điều quan trọng cần nhấn mạnh là nó vẫn là than đen được tạo ra từ nhiên liệu hóa thạch. Than đen 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 carbon sẽ trở thành CO₂.
Bếp củi có hiệu quả hơn máy bơm nhiệt không?
Trong một video trên trang web của BASF, công ty này quảng cáo rõ ràng rằng nhiệt phân mêtan 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 có thể được tìm thấy trong các tài liệu tiếp thị từ các công ty theo đuổi công nghệ này. Tuy nhiên, việc sản xuất hydro thông qua nhiệt phân mêtan 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 khác để sản xuất hydro không phát thải, nhiệt phân mêtan chỉ cần khoảng một phần năm năng lượng điện". Lưu ý sự khác biệt nhỏ nhưng quan trọng: họ đang nói về năng lượng điện.
Đúng là sản xuất hydro thông qua nhiệt phân mêtan 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 là một phân tử giàu năng lượng. Nhiệt phân mêtan là một cách chuyển đổi một dạng năng lượng hóa học thành 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 cần các đầu vào năng lượng khác là hiệu quả hơn là rất sai lầm. Một chiếc ô tô sử dụng động cơ đốt trong cần ít điện hơn một chiếc ô tô điện, và một bếp lò đốt củi cần 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 Biomethane?
Cho đến nay, chúng ta đã thảo luận về việc sử dụng nhiệt phân mêtan với nguyên liệu khí hóa thạch. Nhưng còn biomethane thì sao?
Có thể sử dụng vật liệu sinh học để sản xuất khí sinh học thông qua quá trình tiêu hóa kỵ khí. Nó có thể được nâng cấp thành biomethane, có thể được sử dụng để thay thế khí hóa thạch. Biomethane đôi khi cũng được gọi là khí thiên nhiên tái tạo (RNG).
Bản thân việc sản xuất biogas và biomethane là một vấn đề phức tạp với nhiều tranh cãi khác nhau và bài viết này không đề cập chi tiết đến chúng. Nếu được tạo ra từ nguyên liệu như chất thải nông nghiệp, biomethane có thể là một nguồn tài nguyên thân thiện với khí hậu. Giống như bất kỳ hình thức năng lượng sinh học nào, ngay khi các loại cây trồng năng lượng như ngô được đưa vào sử dụng, cần phải xem xét tác động sử dụng đất và các khí thải thượng nguồn khác. Hơn nữa, khí thải mêtan có thể là một vấn đề. Khí quyển không quan tâm đến việc mê-tan có nguồn gốc từ 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, vì về cơ bản nó là sự thay thế tạm thời cho khí hóa thạch, nên rất thuận tiện cho tất cả các loại người sử dụng khí hóa thạch khi tuyên bố rằng cuối cùng nó có thể được thay thế bằng khí sinh học. 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 hạn chế. Cần phải thảo luận về nơi mà các nguồn khí sinh học khan hiếm có tác động lớn nhất. Vị trí của nó có lẽ không phải là trong các ứng dụng có các giải pháp thay thế tái tạo hiệu quả. Tuy nhiên, sử dụng nó làm nguyên liệu cho các sản phẩm cacbon rắn mà nếu không thì khó có thể thay thế - và sản xuất một số hydro sạch làm sản phẩm phụ - chắc chắn không phải là ý tưởng tồi tệ nhất.
Đúng là như vậy do đó, không phải là vô lý khi thấy vai trò của nhiệt phân mêtan dựa trên khí sinh học trong một ngành công nghiệp trung hòa khí hậu trong tương lai. Tuy nhiên, có vẻ như nhiệt phân mêtan với khí hóa thạch không tương thích với tính trung hòa khí hậu. Chắc chắn đây không phải là cách để biến những tưởng tượng về nguồn cung cấp hydro sạch, giá rẻ trên quy mô lớn dựa trên khí hóa thạch thành hiện thực.
Bạn cũng có thể muốn đọc quan điểm của Paul Martin về chủ đề này. Ông đã tham gia xây dựng nhà máy đầu tiên của Monolith.
Tác giả: Hanno Böck
