Giải pháp sản xuất hydro xanh

Nói chung, hydro có thể được sử dụng làm nhiên liệu theo hai cách chính. Nó có thể được đốt cháy để tạo ra nhiệt hoặc có thể được đưa vào pin nhiên liệu hydro để tạo ra điện. Tin tốt là một khi hydro màu xanh lam hoặc xanh lục được sản xuất, nó sẽ có nhiều ứng dụng khác nhau:
Chuyên chở:Hydro đã được sử dụng làm nhiên liệu cho xe buýt và các phương tiện giao thông công cộng khác, đặc biệt là ở Nhật Bản. Nó cũng có thể được sử dụng để cung cấp năng lượng cho xe tải chở hàng và xe lửa, trong khi nhiên liệu gốc hydro như amoniac có thể được sử dụng trong hàng không và vận tải biển. Việc sử dụng hydro rộng rãi hơn để cung cấp năng lượng cho các phương tiện giao thông sẽ phụ thuộc vào giá pin nhiên liệu hydro trở nên rẻ hơn và các trạm tiếp nhiên liệu hydro trở nên phổ biến hơn.

Sản xuất điện:Hydro có thể được sử dụng để biến các nguồn năng lượng tái tạo thành nhiên liệu, sau đó có thể lưu trữ và vận chuyển trên quãng đường dài. Hydro và amoniac cũng có thể được sử dụng trong tua bin khí và nhà máy điện đốt than để giảm lượng khí thải.

Tòa nhà sưởi ấm:Hydro có tiềm năng rất lớn để thay thế khí đốt tự nhiên để sưởi ấm các tòa nhà thương mại và gia đình thông qua cơ sở hạ tầng khí đốt tự nhiên hiện có. Nồi hơi hydro và pin nhiên liệu hydro nội địa cần được phát triển hơn nữa nhưng có thể đóng một vai trò quan trọng trong tương lai.

Ngành công nghiệp:Hydro hiện đang được sử dụng trong một loạt các quy trình công nghiệp quan trọng. Chúng bao gồm lọc dầu, sản xuất thép, xử lý kim loại và sản xuất nhiều loại hóa chất.

Không giống như hydro xám, hydro xanh hoàn toàn có thể tái tạo được cả về nguyên liệu nguồn và nguồn cung cấp năng lượng. Đối với vật liệu nguồn, hydro xanh ngày nay thường được tạo ra từ nước thông qua một quá trình được gọi là điện phân, sử dụng dòng điện để tách nước thành các phân tử thành phần là hydro và oxy. Điều này được thực hiện bằng cách sử dụng một thiết bị gọi là máy điện phân, sử dụng cực âm và cực dương (các điện cực tích điện dương và âm). Quá trình này chỉ tạo ra oxy – hoặc hơi nước – dưới dạng sản phẩm phụ. Về cung cấp năng lượng, để đủ tiêu chuẩn là “hydro xanh”, nguồn điện dùng cho điện phân phải lấy từ năng lượng tái tạo, như năng lượng gió hoặc năng lượng mặt trời.

Có ba loại máy điện phân chính:Kiềm, màng trao đổi proton (PEM) và oxit rắn. Chúng khác nhau về bản chất của vật liệu điện phân được sử dụng. Máy điện phân kiềm sử dụng dung dịch nước có muối giống kiềm để tạo ra tính dẫn điện, trong khi máy điện phân PEM sử dụng màng polymer rắn (chất điện phân). Máy điện phân oxit rắn sử dụng vật liệu gốm rắn làm chất điện phân, cho phép chúng hoạt động ở hiệu suất điện cao hơn và nhiệt độ cao hơn nhiều. Điều này cho phép sử dụng hơi nước và nhiệt bên ngoài làm nguồn năng lượng thay vì dựa vào điện. Do đó, điện phân oxit rắn cho phép giảm đáng kể chi phí vận hành vì nhiệt thường ít tốn kém hơn và đôi khi được tạo ra một cách tự nhiên như một sản phẩm phụ của một số quy trình công nghiệp nhất định.

Nhiều năm trước, hydro chỉ được coi là giải pháp cho sự phát triển của các phương tiện xanh hơn. Khi xe điện ngày càng có nhiều lực kéo hơn, hydro ngày càng được coi là giải pháp cho các ngành công nghiệp khác.

Nhu cầu về hydro tiếp tục tăng khi việc sử dụng nó mở rộng trong các ngành công nghiệp và sản xuất với nhiều mục đích khác nhau, bao gồm lọc dầu, sản xuất thép và sản xuất xi măng. Tuy nhiên, khi mức độ phổ biến của hydro ngày càng tăng thì tầm quan trọng của hydro xanh không thể bị phóng đại. Điều đáng báo động là 98% hydro được sản xuất từ ​​nhiên liệu hóa thạch mà không có quy định hoặc biện pháp kiểm soát lượng khí thải carbon dioxide. Nhưng hydro xanh có khả năng thay đổi điều đó một cách tốt đẹp.

Từ khói sản xuất của nhà máy thương mại đến khói thải ô tô chạy bằng xăng và dầu diesel, việc sản xuất hydro xanh làm giảm hoặc loại bỏ nhu cầu về các nguồn năng lượng nhiên liệu hóa thạch thải ra một lượng lớn carbon dioxide vào không khí. Trong ngành trung tâm dữ liệu, khi hệ thống lưu trữ phát triển hydro, nó có thể được sử dụng thay cho máy phát điện dự phòng chạy bằng diesel để cung cấp năng lượng cho các trung tâm dữ liệu trong tương lai. Do đó, hydro xanh mang lại rất nhiều lợi ích, cho phép các chính phủ và tổ chức tăng cường an ninh năng lượng quốc gia, tiết kiệm nhiên liệu, giảm lượng khí thải tổng thể và đa dạng hóa các lựa chọn năng lượng vận chuyển từ ô tô đến hệ thống giao thông công cộng mở rộng.

Công nghệ hydro xanh không thể được giới thiệu vào thời điểm tốt hơn. Cơ quan Thông tin Năng lượng Hoa Kỳ dự đoán nhu cầu năng lượng toàn cầu sẽ tăng 47% vào năm 2050. Cách duy nhất để bù đắp nhu cầu đó dưới hình thức sản xuất năng lượng dầu và than là áp dụng các phương pháp xanh hơn, chẳng hạn như hydro xanh.

Và nhờ những đột phá về công nghệ về cơ bản đã khử cacbon trong quá trình sản xuất hydro, nhiều công ty đang chuyển sang sử dụng bù đắp carbon để tận dụng hydro xanh để giảm lượng khí thải carbon và đáp ứng các mục tiêu ESG tích cực.

Quá trình tạo ra hydro xanh có nhiều ưu điểm. Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IEA) tuyên bố rằng hydro xanh giúp tiết kiệm khoảng 830 triệu tấn carbon dioxide thải ra hàng năm so với khi khí được sản xuất bằng phương pháp nhiên liệu hóa thạch truyền thống. Con số này tương đương với lượng khí thải cả năm của Anh và Indonesia cộng lại!

Giống như bất kỳ công nghệ mới nào, có một số thách thức cần vượt qua khi sự bùng nổ hydro xanh diễn ra. Một số vấn đề cần xem xét bao gồm hiệu quả của quy trình và chi phí sản xuất trên quy mô lớn, bên cạnh việc thiết lập các giải pháp lưu trữ điều áp dài hạn. Bỏ qua những thách thức, hydro xanh là một công nghệ mới thú vị có thể giúp cân bằng việc sản xuất năng lượng xanh quy mô lớn rất cần thiết.

Một phần lớn của sự chuyển đổi khỏi nhiên liệu hóa thạch liên quan đến việc điện khí hóa một số máy móc chạy bằng dầu và khí đốt hàng ngày mà chúng ta sử dụng – ví dụ như ô tô và phương tiện giao thông địa phương cũng như sưởi ấm cho các gia đình ở một số quốc gia. Đối với những thiết bị đã có điện khí hóa, như máy tính và thiết bị gia dụng, điện từ hạt nhân và năng lượng tái tạo như gió và mặt trời đang thay thế than.

Nhưng có một số ngành đòi hỏi nhiều năng lượng đến mức năng lượng tái tạo truyền thống không thể đáp ứng được nhu cầu. Đó là một vấn đề, bởi vì những ngành công nghiệp đó nằm trong số những ngành phát thải khí nhà kính hàng đầu.

Đây là nơi các chuyên gia cho rằng hydro xanh có tiềm năng rất lớn.
Một nhà phân tích năng lượng tại tổ chức này cho biết: “Điện từ các nguồn như gió, mặt trời và hạt nhân là cần thiết để khử cacbon trong hệ thống năng lượng của chúng ta - nhưng nó không thể làm được điều đó một mình, và vận tải đường dài và các ngành công nghiệp nặng là nơi có lượng khí thải khó giảm nhất”. Cơ quan Năng lượng Quốc tế.

Remme nói với CNN: “Hydro đủ linh hoạt để lấp đầy một số khoảng trống quan trọng này - trong việc cung cấp nguyên liệu quan trọng cho ngành công nghiệp hóa chất và thép hoặc các thành phần quan trọng cho nhiên liệu carbon thấp cho máy bay và tàu thủy”.

Ví dụ, việc vận hành một chiếc máy bay hoặc một con tàu lớn đòi hỏi nhiều năng lượng đến mức bất kỳ loại pin nào được sử dụng để lưu trữ điện từ năng lượng mặt trời hoặc gió có thể sẽ quá lớn và nặng đối với con tàu. Mặt khác, hydro xanh có thể ở dạng lỏng và nhẹ hơn. Theo Airbus, hãng đang phát triển máy bay thương mại không phát thải, mật độ năng lượng của hydro xanh cao gấp ba lần so với nhiên liệu máy bay chúng ta sử dụng ngày nay.

Mặc dù hydro lỏng màu xanh lá cây sẽ không thải ra carbon nhưng nó có một số hạn chế. Khi đốt ngoài trời, nó giải phóng một lượng nhỏ oxit nitơ, một loại khí nhà kính mạnh. Tuy nhiên, nếu hydro được cung cấp qua pin nhiên liệu, nó sẽ chỉ phát ra nước và không khí ấm.

Một số máy bay nhỏ đã bay được bằng pin nhiên liệu chạy bằng hydro, mặc dù công nghệ này vẫn chưa được mở rộng quy mô thương mại.

Hiện tại tất cả đều đang chung tay để đạt được các mục tiêu về khí hậu. Quá trình chuyển đổi năng lượng thực sự cần một sự thúc đẩy lớn. Hydro có thể đóng góp quan trọng vào việc này. Sự hợp tác là điều cần thiết để có thể sử dụng hydro thành công, chẳng hạn như góp phần giảm lượng khí CO2 trong công nghiệp, nhiên liệu điện tử cho máy bay và sử dụng trong môi trường xây dựng. Nhưng đầu tư là cần thiết và có những câu hỏi.

Hydro là gì?
Hydro là nguyên tố phổ biến nhất trong vũ trụ của chúng ta. Trong trường hợp bình thường, nó ở dạng khí và chúng ta nói đến khí hydro (H2). Hydro cũng là loại khí nhẹ nhất mà chúng ta biết và do đó có mật độ năng lượng thấp trên một đơn vị thể tích (tính bằng m3). Trên mỗi trọng lượng (tính bằng kg), hydro có mật độ năng lượng cao là 120 megajoule (MJ) mỗi kg. Con số này gần gấp ba lần so với khí đốt tự nhiên (45 MJ/kg). Hydro thường được điều áp. Tuy nhiên, việc tạo áp suất (nén) khí hydro cũng cần năng lượng cần thiết (khoảng 10%).

Hydro màu xám và màu xanh là gì?
Hầu như toàn bộ lượng hydro hiện được sản xuất trên toàn thế giới đều được gọi là 'hydro xám'. Việc sản xuất hiện đang diễn ra thông qua Cải cách khí mê-tan (SMR). Ở đây hơi nước áp suất cao (H2O) phản ứng với khí tự nhiên (CH4) tạo ra hydro (H2) và khí nhà kính CO2. Ở Hà Lan, khoảng 0,8 triệu tấn H2 được sản xuất theo cách này, sử dụng bốn tỷ mét khối khí đốt tự nhiên và tạo ra lượng khí thải CO2 là 12,5 triệu tấn.
Thuật ngữ 'hydro xanh' hoặc 'hydro cacbon thấp' được sử dụng khi CO2 thải ra trong quá trình sản xuất hydro xám phần lớn ({1}}%) được thu giữ và lưu trữ. Điều này còn được gọi là CCS: Thu hồi và lưu trữ carbon. Điều này có thể xảy ra ở các mỏ khí trống dưới Biển Bắc. Không nơi nào khác trên thế giới được sản xuất hydro xanh trên quy mô lớn.

Hydro xanh là gì?
Hydro xanh, còn được gọi là 'hydro tái tạo', là hydro được sản xuất bằng năng lượng bền vững. Nổi tiếng nhất là điện phân, trong đó nước (H2O) được tách thành hydro (H2) và oxy (O2) thông qua điện xanh. Một số lượng lớn các bên ở Hà Lan đang thử nghiệm các máy điện phân quy mô megawatt này. Hydro cũng được giải phóng trong quá trình khí hóa sinh khối ở nhiệt độ cao.

Hydro màu ngọc lam là gì?
Hydro được sản xuất từ ​​khí tự nhiên sử dụng công nghệ nhiệt phân kim loại nóng chảy được gọi là 'hydro xanh ngọc' hoặc 'hydro carbon thấp'. Khí tự nhiên được đưa qua kim loại nóng chảy giải phóng khí hydro cũng như carbon rắn. Sau này có thể tìm thấy một ứng dụng hữu ích, chẳng hạn như lốp ô tô. Công nghệ này vẫn đang trong giai đoạn thử nghiệm và sẽ mất ít nhất 10 năm để nhà máy thí điểm đầu tiên được hiện thực hóa.

Sự khác biệt cơ bản hơn nữa giữa màu xanh và màu xanh lá cây là gì?
Ngoài phương thức sản xuất, còn có một số khác biệt chính khác:
Chỉ hydro xanh được sản xuất thông qua điện phân mới đảm bảo rằng một lượng lớn điện bền vững được sản xuất trên biển và trên đất liền mới có thể được tích hợp đúng cách vào hệ thống năng lượng của chúng ta. Chỉ có điện phân mới có thể chuyển đổi điện năng thành hydro một cách linh hoạt (theo yêu cầu) rồi lưu trữ.
Ngoài ra, việc phát triển điện phân quy mô lớn sẽ giúp đáp ứng nhu cầu điện ngày càng tăng và từ đó kích thích sự phát triển của năng lượng bền vững.
Ngoài ra còn có sự khác biệt về chất lượng. Hydro xanh có độ tinh khiết cao hơn và có thể được sử dụng ngay lập tức, chẳng hạn như trong pin nhiên liệu của xe cộ. Hydro xanh có độ tinh khiết thấp hơn, đủ dùng cho ứng dụng công nghiệp.
Sản xuất hydro xanh là một cách để 'khử cacbon' trong ngành công nghiệp, tức là giảm CO2, trên quy mô lớn và với chi phí tương đối thấp.

Hydro trắng từ đất có phải là nguồn năng lượng sạch của tương lai?
Chúng ta đã biết đến hydro màu xám, xanh lam và xanh lục, nhưng hiện tại có vẻ như hydro trắng hoặc hydro tự nhiên cũng có sẵn. Điều đó đến từ đất, giống như khí đốt tự nhiên. Khi đốt cháy hydro bằng oxy chỉ có nước thoát ra. Hydro trắng là hydro tự nhiên từ dưới bề mặt có tiềm năng trở thành nguồn năng lượng quan trọng trong tương lai nếu nó được tạo ra bằng cách điện phân nước bằng năng lượng gió hoặc năng lượng mặt trời (màu xanh lá cây).
Sau đó, nó không được tạo ra từ tro tự nhiên hoặc than đá (màu xám), thậm chí không phải bằng cách thu giữ CO2 (màu xanh) trước tiên. Khí này chủ yếu được sử dụng để làm nóng các quá trình trong công nghiệp hóa chất, sản xuất thép và phân bón. Trong quá trình chuyển đổi từ năng lượng hóa thạch sang năng lượng xanh, nó có thể đóng vai trò là nơi lưu trữ điện trong thời gian không có nắng và gió.

Hydro đóng vai trò gì trong quá trình chuyển đổi năng lượng?
Trong cơ cấu năng lượng hiện tại của chúng ta, khoảng 20% ​​được cung cấp dưới dạng điện và 80% ở dạng khí tự nhiên hoặc nhiên liệu hóa thạch lỏng (xăng, dầu diesel). Các mục tiêu về khí hậu của chúng tôi sẽ thay đổi đáng kể tình trạng này trong tương lai gần. Tỷ trọng điện năng được tạo ra từ năng lượng gió và năng lượng mặt trời sẽ tăng mạnh. Đối với một số ứng dụng như vận tải hạng nặng, các quy trình nhiệt độ cao trong công nghiệp và hàng không, vẫn còn thiếu một giải pháp điện tốt và vẫn cần một loại khí bền vững. Hydro có thể đóng một vai trò hữu ích ở đây. Ngoài ra, hydro rất quan trọng ở dạng lưu trữ quy mô lớn cho những thời điểm trời không có gió và nhiều mây.

Những quốc gia nào cũng đang nghiên cứu về hydro?
Các quốc gia như Na Uy, Úc, Maroc, Chile, Ả Rập Saudi, Trung Quốc và Nhật Bản rất tích cực với hydro xanh, chủ yếu là do có sẵn (tiềm năng) đáng kể năng lượng tái tạo giá rẻ từ gió, mặt trời hoặc thủy điện để sản xuất hydro xanh. Tuy nhiên, một ngoại lệ là Nhật Bản, quốc gia chủ yếu phụ thuộc vào nhập khẩu để cung cấp năng lượng và đã phát triển chiến lược nhập khẩu hydro (xanh) trên quy mô lớn. Vai trò chính của nó nằm ở việc phát triển công nghệ. Hà Lan có được vị thế tốt một phần nhờ vào kiến ​​thức về công nghệ khí đốt và điện phân, tiềm năng lớn về năng lượng gió ở Biển Bắc và ngành công nghiệp sử dụng nhiều năng lượng cần phải cam kết mạnh mẽ về tính bền vững.

Chúng ta sẽ sử dụng hydro để làm gì?
Hydro đặc biệt quan trọng đối với ngành công nghiệp chế biến. Hiện nay nó chủ yếu được sử dụng để sản xuất phân bón nhưng trong tương lai nó cũng có thể được sử dụng cho các quy trình nhiệt độ cao như sản xuất thép sử dụng khí đốt tự nhiên hoặc than đá. Ngoài ra, hydro sẽ đóng một vai trò trong khả năng di chuyển, chẳng hạn như đối với xe buýt liên tỉnh phải di chuyển quãng đường dài hơn và nơi mà lái xe điện không phải là giải pháp.

Hydro có ý nghĩa gì đối với người dân?
Trong ngắn hạn sẽ không có nhiều điều hiển nhiên. Ví dụ, việc sử dụng hydro trong nhà sẽ không còn nữa nếu điều này xảy ra. Đối với phần lớn các gia đình, lưới nhiệt chung hoặc máy bơm nhiệt điện là giải pháp tốt hơn. Trong giao thông, số lượng ô tô chạy hydro (hiện dưới một trăm) và số lượng trạm nạp hydro (năm 2018: 3) sẽ tăng chậm.

Những rủi ro là gì?
Hydro là một loại khí rất nhẹ, rất dễ cháy và được sử dụng trong di động dưới áp suất lên tới 700 bar. Cũng giống như bất kỳ loại khí nào khác, điều quan trọng là phải xử lý nó một cách cẩn thận trong quá trình sản xuất, vận chuyển và sử dụng và để riêng cho các công ty chuyên nghiệp xử lý. Nếu hydro được sử dụng trong các đường ống dẫn khí hiện có, điều quan trọng là phải nghiên cứu sâu hơn xem hydro thực sự “hành xử” như thế nào trong thực tế. Hydro nhẹ hơn khí tự nhiên và có thể thoát ra khỏi van và vòng đệm dễ dàng hơn.

TNO đang làm gì về mặt nghiên cứu hydro?
TNO là một tổ chức độc lập tiến hành nghiên cứu ứng dụng tiên tiến. Nghiên cứu về hydro của nó tập trung vào sản xuất, cơ sở hạ tầng và ứng dụng (chuyển đổi và sử dụng cuối cùng). Năm 2020, TNO đã thực hiện hơn 50 dự án liên quan đến các chủ đề này. Có thể tìm thấy các liên kết tới một số dự án được lựa chọn dưới đây (mục 15).

Sự phát triển của hydro xanh đã đi được bao xa?
Khoảng 230 dự án điện phân đi vào hoạt động từ năm 2000 đến năm 2018 với tổng công suất khoảng 100 MW (nguồn: IEA 2019, The Future of Hydrogen). Năm 2020, công suất lắp đặt toàn cầu là 200 MW và đến cuối năm 2023 là khoảng 2.400 MW. Những số liệu này cho thấy chúng ta chỉ mới bắt đầu và cần phát triển một chuỗi cung ứng hoàn toàn mới.
Chúng ta cần các công ty mới, nhà cung cấp mới và nhà sản xuất mới để phát triển vật liệu và linh kiện cho các hệ thống điện phân thế hệ tiếp theo và lớn hơn. Đây là cơ hội vàng cho ngành công nghệ cao Hà Lan. Mục tiêu của Liên minh Châu Âu là lắp đặt 40 GW công suất điện phân tại Liên minh vào năm 2030 và 40 GW khác ở Bắc Phi. Để đạt được mục tiêu này, chúng tôi sẽ phải đẩy nhanh tốc độ đổi mới công nghệ và các dự án thực tế.

Những thách thức kỹ thuật lớn nhất do điện phân đặt ra là gì?
Về mặt điện phân nước, hiện có bốn công nghệ (AEM, SOE, PEM và Alkaline), mỗi công nghệ đều có những ưu điểm, nhược điểm và mức độ trưởng thành riêng. Hãy xem video của chúng tôi về quá trình sản xuất hydro bằng phương pháp điện phân(mở trong một cửa sổ hoặc tab mới) (tham khảo một trang web khác). Đối với cả bốn công nghệ, ba thách thức nghiên cứu chính là:
để giảm chi phí vốn liên quan đến hệ thống
để nâng cao hiệu quả hệ thống
vượt qua các rào cản đối với việc sản xuất quy mô lớn để có thể đạt được công suất sản xuất máy điện phân hàng năm trên toàn thế giới là 30 GW vào năm 2030.

Sản phẩm được bán ở mọi vùng của Trung Quốc và xuất khẩu sang các nước trên thế giới. Chúng đã được bán ở hơn 20 quốc gia và khu vực bao gồm Hoa Kỳ, Đức, Maroc, Kenya, Ả Rập Saudi, Việt Nam, Algeria, Ấn Độ, Tanzania và Đài Loan. Cung cấp thành công cho các doanh nghiệp nổi tiếng như China Aerospace, PetroChina, China Nuclear Group, BYD, Jiuli Specialty, Tony Electronics, Zheng Energy Group và các doanh nghiệp nổi tiếng khác. Có nhiều trạm hydro hóa hydro xanh như Wulanchabu, Hải Khẩu, Hải Nam, Hải Nam Hải Khẩu, Vân Nam Côn Minh, v.v. cung cấp các dự án sản xuất hydro và xanh.