Việc khai thác hydro từ sinh khối để sản xuất năng lượng có thể giúp giảm đáng kể lượng khí thải carbon

Việc khai thác hydro từ sinh khối để sản xuất năng lượng có thể giúp giảm đáng kể lượng khí thải carbon

Đại học Yale

Sơ đồ khung mô hình LCA-IAM trong nghiên cứu này. Nguồn: Kỷ yếu của Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia (2025). DOI: 10.1073/pnas.2519606122

Hình trên là sơ đồ mô tả mô hình dự báo và đánh giá vai trò của hydrogen (H₂) trong giảm phát thải khí nhà kính (GHG). Dưới đây là bản dịch và giải thích chi tiết bằng tiếng Việt:

Thiết kế kịch bản (Scenario Design)

Bao gồm bốn yếu tố chính:

1. Chính sách hỗ trợ sản xuất H₂

2. Khả năng cung cấp Bio-H₂ (hydro sinh học)

3. Phát triển công nghệ điện phân nước (Electrolysis)

4. Giá carbon (Carbon prices)

Nguồn cung H₂ (H₂ Supply)

Các nguồn sản xuất hydrogen được mô phỏng trong mô hình:

• Khí hóa sinh khối (Biomass gasification) có thu hồi carbon (CCS)

• Khí hóa than (Coal gasification) có thu hồi carbon (CCS)

• Cải tạo hơi nước từ khí tự nhiên (Natural gas SMR) có thu hồi carbon (CCS)

• Điện phân nước (Water electrolysis)

• Phân tách nhiệt hạt nhân (Nuclear thermal splitting)

Tổng hợp các nguồn này tạo thành tỷ lệ pha trộn nguồn cung H₂ (H₂ supply mix), được sử dụng để thay thế nhiên liệu truyền thống (Traditional energy fuels).

Các lĩnh vực tiêu thụ (Demand sectors)

Hydrogen được sử dụng để thay thế nhiên liệu truyền thống trong các lĩnh vực sau:

• Công nghiệp (Industrial)

• Giao thông vận tải (Transportation)

• Dân dụng (Residential)

• Thương mại (Commercial)

Khung mô hình (Model Framework)

Mô hình sử dụng hai công cụ chính:

• IAM – GCAM (Integrated Assessment Model – Global Change Assessment Model): mô phỏng kinh tế – năng lượng – môi trường ở quy mô toàn cầu.

• LCA – GREET (Life Cycle Assessment – Greenhouse gases, Regulated Emissions, and Energy use in Technologies): đánh giá vòng đời phát thải carbon của các công nghệ năng lượng.

Các công cụ này giúp tính toán:

• Sản lượng H₂ (H₂ production, EJ)

• Phát thải carbon từ sản xuất H₂ (Mt CO₂e EJ⁻¹ H₂)

• Lượng H₂ tiêu thụ và nhiên liệu được thay thế (H₂ consumption / Displaced fuel)

• Phát thải từ nhiên liệu bị thay thế (Displaced fuel emissions, Mt CO₂e EJ⁻¹ H₂)

Kết quả và tác động (Outcomes)

• Phía cung (Supply-side): tăng phát thải GHG từ quá trình sản xuất hydrogen.

• Phía cầu (Demand-side): giảm phát thải GHG nhờ thay thế nhiên liệu truyền thống.
  → Tổng thể là “Giảm phát thải theo từng ngành” (Sectoral mitigation), thể hiện lợi ích ròng của hydrogen trong giảm phát thải khí nhà kính.

Nhiên liệu hydro cung cấp năng lượng mà không tạo ra khí thải carbon dioxide, điều này khiến nó trở thành một lựa chọn đầy hứa hẹn cho việc khử cacbon trong nền kinh tế. Hoa Kỳ là quốc gia sản xuất hydro lớn, đóng góp khoảng 10% sản lượng hàng năm toàn cầu, nhưng lượng khí thải phát sinh khi khai thác hydro phụ thuộc vào phương pháp.

Hầu hết hydro (H2) được sử dụng làm năng lượng có nguồn gốc từ khí tự nhiên, một phương pháp sản xuất phát thải nhiều carbon. Tuy nhiên, một nghiên cứu mới do các nhà nghiên cứu tại Trường Môi trường Yale dẫn đầu đã phát hiện ra rằng hydro có nguồn gốc từ sinh khối (H2 sinh học) là một giải pháp thay thế khả thi, có thể giảm thiểu đáng kể khí thải nhà kính.

Nghiên cứu, được công bố trên Kỷ yếu của Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia Hoa Kỳ, đã xem xét cả khía cạnh cung và cầu của nhiên liệu hydro, các phương pháp sản xuất—bao gồm điện phân nước—và các điều kiện chính sách có và không có khuyến khích trong bối cảnh chính sách liên bang đang thay đổi.

“Hydro có thể giảm phát thải khí nhà kính, nhưng nó chưa được áp dụng rộng rãi trong các lĩnh vực và đây là một cơ hội bị bỏ lỡ”, Yuan Yao, phó giáo sư về sinh thái công nghiệp và hệ thống bền vững, người đứng đầu dự án và là tác giả liên hệ của nghiên cứu, cho biết.

Nhóm nghiên cứu, bao gồm ứng viên tiến sĩ YSE Youyi Xu và Wei Peng, phó giáo sư về quan hệ công chúng và quốc tế tại Đại học Princeton, đã phát triển một khuôn khổ mới cho việc phân tích liên kết đánh giá vòng đời (LCA) với Mô hình Phân tích Thay đổi Toàn cầu (GCAM). Các nhà nghiên cứu lưu ý rằng khuôn khổ của họ có thể được sử dụng trong các nghiên cứu trong tương lai, xem xét các công nghệ mới nổi và so sánh giữa các ngành.

Họ phát hiện ra rằng mặc dù điện phân nước, quá trình phân tách nước thành hydro và oxy bằng dòng điện, có thể tạo ra hydro sạch nếu được cung cấp năng lượng tái tạo, nhưng vẫn có những rào cản đối với việc mở rộng quy mô điện phân H2. Những rào cản này bao gồm chi phí vốn cao và nguồn đất đai cũng như tài nguyên nước hạn chế. Hơn nữa, Đạo luật One Big Beautiful Bill của liên bang mới được ký thành luật vào tháng 7 sẽ loại bỏ các khoản tín dụng thuế sản xuất H2 sạch hiện có bắt đầu từ năm 2027, một thay đổi chủ yếu sẽ ảnh hưởng đến quá trình điện phân nước.

Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng mặc dù Bio-H2 thường tạo ra lượng khí thải cao hơn so với H2 điện phân, nhưng nó vẫn mang lại mức giảm đáng kể so với H2 từ nhiên liệu hóa thạch. Nghiên cứu cho thấy việc đưa Bio-H2 vào thị trường có thể giúp giảm thiểu phát thải gấp 1,6 đến 2 lần từ năm 2025 đến năm 2050 so với các kịch bản không sử dụng nó.

"Trong trường hợp không có các biện pháp khuyến khích, các giải pháp ngắn hạn là rất quan trọng để giảm phát thải. Đây chính là lúc Bio-H2 có thể đóng vai trò quan trọng như một giải pháp tiết kiệm chi phí và dễ triển khai", Yao nói.

Có nhiều loại sinh khối có thể được sử dụng để sản xuất hydro, bao gồm các loại cây trồng năng lượng như cỏ switchgrass và cỏ miscanthus, cũng như các phế phẩm nông nghiệp và lâm nghiệp. Việc sử dụng phế phẩm rừng để sản xuất hydro giúp giảm thiểu tình trạng dư thừa, vốn có thể gây ra hỏa hoạn, đồng thời hỗ trợ nền kinh tế sinh học tuần hoàn.

Trong trường hợp không có chính sách định giá carbon quốc gia, điều mà các nhà nghiên cứu lưu ý là rất khó có thể xảy ra ở Hoa Kỳ trong tương lai gần, các ưu đãi dành riêng cho từng ngành, chẳng hạn như trợ cấp cho các nhà máy thép sử dụng phương pháp sản xuất dựa trên hydro, có thể thúc đẩy nhu cầu và tăng cường giảm phát thải, đặc biệt là trong các ngành công nghiệp khó giảm thiểu.

Các tác giả cho biết: "Mặc dù chính sách định giá carbon rộng rãi có thể thúc đẩy việc áp dụng H2, nhưng các khoản trợ cấp hoặc ưu đãi có mục tiêu được thiết kế riêng để giảm chi phí áp dụng H2 trong công nghiệp thậm chí có thể hiệu quả hơn trong việc đẩy nhanh việc triển khai và đạt được mức giảm phát thải lớn hơn".

Thông tin thêm: Youyi Xu và cộng sự, Các chiến lược cung-cầu để đạt được lợi ích khí hậu ngắn hạn từ hydro tại Hoa Kỳ, Kỷ yếu của Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia (2025). DOI: 10.1073/pnas.2519606122

Thông tin tạp chí: Kỷ yếu của Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia

Được cung cấp bởi Đại học Yale