Nền kinh tế hydro - Hiện thực hay giấc mơ?

Trong những năm gần đây, hydro được quảng bá như một ứng viên tiềm năng cho một nền kinh tế phát thải thấp với hydro là nguồn năng lượng chủ đạo, trụ cột hay “Nền kinh tế hydro”.

Những người có tư duy lãng mạn thường nói rằng: Hydro là nguyên tố cấu tạo nên nước (H2O), mà nước là vô tận ở các đại dương, muốn có hydro xanh chỉ việc điện phân nước bằng điện mặt trời, nguồn năng lượng cũng vô tận trong thiên nhiên. Hydro có nhiệt trị 120MJ/kg, cao gấp ba lần so với xăng (45 MJ/kg).

Ngoài ra, hydro còn có một một điểm mạnh tuyệt đối nữa là, khi cháy chỉ tạo ra nước chứ không phát thải khí nhà kính như các nhiên liệu khác…

Nói như vậy nghĩa là chỉ cần có “nước và nắng” là chúng ta sẽ có nền kinh tế hydro trong tương lai!

Giấc mơ là như vậy, song ta thấy rằng con đường dẫn đến nền kinh tế hydro vẫn còn nhiều khó khăn, cản trở rất khó vượt qua. Bài viết này hy vọng sẽ cùng bạn đọc phân tích thật kỹ càng những điều đó.

Hydro được quảng bá như một ứng viên tiềm năng cho một nền kinh tế phát thải thấp với hydro là nguồn năng lượng chủ đạo. Ảnh: TTXVN

Hydro được sản xuất và sử dụng như thế nào?

Tuy chiếm một tỷ lệ rất lớn trên trái đất nhưng hydro chủ yếu có trong các hợp chất thiên nhiên và chỉ một phần vô cùng nhỏ hydro tự do tồn tại ở những tầng cao của khí quyển vì chúng quá nhẹ.

Hiện nay, mỗi năm toàn thế giới sản xuất được khoảng 100 triệu tấn hydro, trong đó có khoảng 35 triệu tấn được sản xuất từ Trung Quốc. Cũng cần chú ý rằng, hiện tại khoảng 99% hydrogen trên thế giới được sản xuất từ khí methane (CH4) qua quá trình reforming với hơi nước ở nhiệt độ khoảng 8000C - 9000C với chất xúc tác là niken. Phương trình của quá trình này như sau:

Ban đầu: CH4 + H2O = CO + 3H2 và sau đó CO tiếp tục phản ứng với hơi nước để tạo thêm hydro : CO + H2O = CO2 + H2

Căn cứ vào lượng phát thải khí nhà kính CO2 trong từng công nghệ, người ta gán cho mỗi sản phẩm hydro một “màu” tương ứng. Trong đó, hydro sản xuất bằng giải pháp refoming methane tức là tạo hydro bằng cách tách nó ra khỏi methane (CH4) phát thải nhiều CO2 được gọi là hydro xám (Grey Hydrogen), hydro sản xuất bằng giải pháp refoming methane nhưng CO2 được thu giữ, được gọi là hydro xanh da trời (Blue Hydrogen) và hydro được sản xuất từ điện phân nước với điện tái tạo (điện sạch) được gọi là hydro xanh lá (Green Hydrogen). (Hình 1). Ta tạm gọi các loại hydro trên là hydro nhân tạo.

Màu của hydro.

Hydro nhân tạo được sử dụng vào các việc:

- Lọc hóa dầu. Bản chất của quá trình này là dùng hydro phản ứng với phân tử hydrocarbon (dầu thô) để bẻ gẫy (cracking) các kết nối C-C trong mạch hydrocarbon để tạo ra các sản phẩm nhiên liệu như xăng, dầu diesel, xăng máy bay…

- Chế tạo amoniac (NH3) để làm phân đạm.

- Luyện thép: Bản chất của quá trình là khử Fe trong các o xít sắt thành sắt kim loại. Hai phương trình của chúng là:
+ Khử Hematit: Fe2O3 + 3H2 = 2Fe + 3H2O

+ Khử Magnetit: Fe3O4 + 4H2 = 3Fe + 4H2O
- Hóa rắn để làm nhiên liệu cho tên lửa đẩy trong công nghiệp hàng không vũ trụ…

Việc sử dụng hydro làm nhiên liệu cho ô tô, tàu hỏa, thậm chí máy bay mới chỉ ở mức thử nghiệm chứ chưa phải đã được thương mại hóa.

Thế thì, đến đây, một câu hỏi cần được đặt ra là: Tại sao hydro xanh lá vẫn có tỷ phần khiêm tốn như vậy, mặc dù tại thời điểm này điện mặt trời đang dư thừa, công nghệ điện phân đã được phổ biến và nước thì vô tận? Câu trả lời nằm ở những điểm yếu “chí mạng” của hydro nói chung và hydro xanh lá nói riêng.

Các nhược điểm của hydro

Thứ nhất: Chi phí sản xuất, lưu trữ, vận chuyển cầu kỳ tốn kém.

Trước hết, muốn điện phân người ta phải tạo ra nước tinh khiết. Theo lý thuyết, muốn tạo ra 1 kg hydro cần 9 kg nước tinh khiết và đây cũng là cũng là một vấn đề phải tính đến khi cần sản xuất lượng hydro lớn. Các thiết bị điện phân nước thường rất đắt tiền và cồng kềnh. Vì hydro rất nhẹ nên phải nén hoặc hóa lỏng để có thể vận chuyển đi xa. Muốn nén hóa lỏng hydro ta phải tạo ra áp suất rất lớn (khoảng 730 Bar) và nhiệt độ rất thấp (khoảng -2530C).

Đây là những công đoạn kỹ thuật vô cùng tốn kém cả về thiết bị và năng lượng để thực hiện. Hydro có đặc tính làm giòn dẫn đến nứt vỡ sắt và một số kim loại khác nên bình chứa hoặc ống dẫn chúng phải được chế tạo từ những vật liệu đặc biệt, đắt tiền. Những chi phí trên đã làm tăng đáng kể giá thành của hydro.

Thứ hai: Nhiệt trị theo thể tích rất thấp so với các nhiên liệu khác.

Ta hãy làm phép so sánh giữa xăng và hydro:

Nhiệt trị của hydro theo khối lượng vào khoảng 120MJ/kg là rất cao, đứng đầu trong các nhiên liệu trong tự nhiên. Tuy nhiên, do khối lượng riêng của hydro lỏng lại rất thấp, vào khoảng 70,8 kg/m3 nên nhiệt trị theo thể tích của hydro là 8.496MJ/m3.

Trong khi đó nhiệt trị theo khối lượng của xăng vào khoảng 45MJ/kg, khối lượng riêng của xăng vào khoảng 750 kg/m3, cho nên nhiệt trị theo thể tích xăng là 33.750MJ/m3. Phép tính này cho thấy mật độ nhiệt trị theo thể tích của xăng lớn gấp xấp xỉ 4 lần hydro. Điều đó có nghĩa là, cùng đi được đoạn đường như nhau nhưng xe ô tô chạy hydro phải có bình xăng lớn gấp 4 lần xe chạy xăng. Điều này khó chấp nhận vì bất tiện đối với đa số các phương tiện muốn sử dụng hydro làm nhiên liệu

Thứ ba: Hiệu suất chuyển đổi năng lượng thấp.

Để làm rõ điều này. Ta hãy so sánh hiệu suất năng lượng khi xe ô tô sử dụng điện bằng pin lithium, nạp pin bằng điện mặt trời và xe chạy bằng hydro khi chúng cùng sử dụng một điện năng từ điện mặt trời: Trường hợp này ta chọn hai xe tương đương là xe điện VF e34 của VinFast và xe xăng Vios với các thông tin đã được kiểm chứng là:

- Xe điện VF e34 nạp 42kWh và chạy được 318 km.
- Xe Vios tiêu hao 6 kg xăng/100km.

Ta tính được:

- 42kWh điện mặt trời sẽ điện phân được 0,84 kg hydro.

- 0,84 kg hydro ứng với nhiệt lượng: 0,84 kg x 120 MJ/kg = 100,8 MJ
- Nhiệt lượng này tương đương với: 100,8MJ/45MJ/kg = 2,24 kg xăng.

(Ở đây ta đã không tính năng lượng để nén hóa lỏng hydro).

Ta cũng tính ngay được, lượng hydro trên chỉ giúp xe đi được quãng đường: (2,24kg/6 kg) x 100 km = 37,3 km.

Sau phép tính, ta sẽ giật mình khi thấy rằng cùng một năng lượng thì xe điện chạy được 318km, trong khi xe chạy bằng hydro chỉ được 37,3 km (tức là chỉ bằng khoảng 12% hay thấp hơn khoảng 8 lần so với xe chạy bằng pin lithium). Phép tính này cho thấy rằng, trong ngắn hạn, xe chạy bằng hydro không có “cửa” cạnh tranh với xe điện. Ngay trong trường hợp xe chạy bằng hydro qua pin nhiên liệu (không trình bày ở đây) thì hiệu suất cũng thấp hơn rất nhiều so với xe điện.

Thứ tư: Hydro xanh cũng chưa chắc đã “xanh”.

Để sản xuất ra hydro người ta phải làm ra pin mặt trời, chế tạo thiết bị điện phân, nén hóa lỏng hydro, chế tạo hệ thống lưu trữ, vận chuyển… Tất cả các công đoạn trên đều phải sử dụng nhiều năng lượng nên cũng phát thải (thậm chí là nhiều) khí nhà kính.

Phản ứng cháy của hydro thường có nhiệt độ rất cao. Khi nhiệt độ cao khí Ni tơ (chiếm 78% trong không khí) dễ bị oxy hóa thành NOx là nhóm khí độc hại, trong đó NO2 là một loại khí nhà kính mạnh do có hệ số GWP = 280 lần so với CO2. (GWP: Global Warming Potential (Tiềm năng làm nóng toàn cầu).

Ngoài ra, nói chung quá trình nào hiệu suất thấp đều phát thải nhiều khí nhà kính hơn.

Thứ năm: Dễ cháy nổ và cháy nổ nguy hiểm.

Hydro có năng lượng kích cháy nổ 0,02mJ - 0,1 mJ thấp hơn nhiều so với xăng (0,8mJ), hay methane (0,28mJ), nghĩa là nó dễ bắt lửa hơn so với xăng hay methane. Chỉ cần có một tia lửa rất nhỏ năng lượng dưới 0,1 mJ là có thể bắt cháy. Hydro cháy thành ngọn lửa không có màu nên khó được phát hiện. Ngoài ra do hydro nhẹ nên đám cháy hydro thường phát tán rất nhanh và khó dập tắt.

Trong khi đó hydro lại dễ làm giòn kim loại thì đây là một là một mối nguy trong sản xuất, lưu trữ bảo quản và vận chuyển hydro. Vì vậy hydro có tiêu chuẩn an toàn cao hơn đối với các nhiên liệu khác

Kết luận

Hydro xanh được kỳ vọng là nhiên liệu của tương lai, nhưng hiện thực lại đầy thách thức, đó là chi phí sản xuất cao, hiệu suất thấp, yêu cầu hạ tầng phức tạp, tốn kém và phụ thuộc vào nguồn năng lượng tái tạo vốn dĩ không ổn định. Những thực tế có vẻ phũ phàng trên khiến hydro chưa thể trở thành giải pháp phổ biến trong một tương lai gần.

Chúng tôi cho rằng, giấc mơ nền kinh tế hydro xanh có thể sẽ đến, nhưng chắc chắn là sẽ cần thời gian để con người tìm ra những công nghệ đột phá nhằm khắc phục những nhược điểm của nó, mà quan trọng nhất là một nền tảng kinh tế vững chắc. Và chỉ có nền kinh tế vững chắc mới có thể nâng đỡ giấc mơ ấy thành sự thật.

TS Lê Hải Hưng, Đại học Bách khoa Hà Nội