Công nghệ sản xuất hydrogen phát thải thấp - So sánh chi phí và tiềm năng phát triển

Triển vọng và thách thức của hydrogen phát thải thấp trong chiến lược chuyển đổi năng lượng toàn cầu Để bạn đọc có cái nhìn tổng thể và thông tin chuyên sâu về hydrogen phát thải thấp trong chiến lược chuyển đổi năng lượng toàn cầu, Tạp chí Năng lượng Việt Nam giới thiệu chùm bài viết của TS. Phùng Quốc Huy - Trung tâm Nghiên cứu Năng lượng châu Á - Thái Bình Dương (APERC). Bài viết đầu tiên của chuyên đề, tác giả sẽ phân tích tổng quan về tình hình nhu cầu, cũng như sản xuất hydrogen; đánh giá tiến triển trong các lĩnh vực then chốt; xem xét thách thức hiện tại và đề xuất giải pháp chính sách để thúc đẩy vai trò của hydrogen trong chiến lược chuyển đổi năng lượng toàn cầu.

Phân tích vai trò hydrogen trong quá trình khử carbon ngành lọc hóa dầu và công nghiệp nặng Nối tiếp “Triển vọng và thách thức của hydrogen phát thải thấp trong chiến lược chuyển đổi năng lượng toàn cầu”, Tạp chí Năng lượng Việt Nam giới thiệu bài viết tiếp theo của chuyên gia APERC [*] dưới đây. Dựa trên dữ liệu Báo cáo Global Hydrogen Outlook 2024 của IEA, tác giả đánh giá tình hình hiện tại của việc sử dụng hydrogen trong chiến lược khử carbon cho ngành công nghiệp nặng và lọc hóa dầu, các dự án thí điểm tiên tiến, cũng như phân tích triển vọng, thách thức trong quá trình chuyển đổi từ hydrogen truyền thống sang hydrogen phát thải thấp.

I. Giới thiệu chung:

Sản xuất hydrogen toàn cầu đạt 97 triệu tấn (Mt) vào năm 2023. Tuy nhiên, sản lượng hydrogen phát thải thấp vẫn còn rất khiêm tốn, đạt chưa đến 1 Mt trong năm 2023.

Trong những năm gần đây, số lượng dự án hydrogen phát thải thấp đã có quyết định đầu tư cuối cùng (Final Investment Decision - FID) đang tăng lên mạnh mẽ. Các dự án đã có FID có thể sản xuất 3,4 triệu tấn/năm (Mtpa) hydrogen phát thải thấp vào năm 2030, tăng gấp đôi so với mức ước tính trong Báo cáo Global Hydrogen Review 2023. Điều này cho thấy sự chuyển dịch dần từ giai đoạn công bố dự án sang giai đoạn thực hiện đầu tư.

Trung Quốc đang tiếp tục củng cố vị trí dẫn đầu, đặc biệt trong lĩnh vực điện phân. Quốc gia này chiếm hơn 40% tổng công suất thiết bị điện phân đã có FID trong 12 tháng qua và là nơi có 60% công suất sản xuất thiết bị điện phân toàn cầu (IEA, 2024). Việc Trung Quốc tiếp tục mở rộng công suất sản xuất dự kiến sẽ góp phần giảm chi phí điện phân, tương tự như những gì đã xảy ra với ngành sản xuất pin mặt trời và pin lưu trữ trong quá khứ.

Để đưa thế giới vào quỹ đạo phù hợp với mục tiêu phát thải ròng bằng không vào năm 2050, sản xuất hydrogen phát thải thấp cần tăng từ dưới 1 Mt hiện nay lên khoảng 70 Mt vào năm 2030 trong kịch bản Net Zero Emissions (NZE). Điều này đòi hỏi tốc độ tăng trưởng bình quân gần 100% mỗi năm (IEA, 2024).

II. Các công nghệ sản xuất hydrogen phát thải thấp:

1. Công nghệ điện phân nước:

Điện phân là một quá trình dùng điện năng để phân tách nước thành hydrogen và oxy, và là phương pháp quan trọng để sản xuất hydrogen phát thải thấp khi sử dụng nguồn điện từ năng lượng tái tạo. Hiện có ba công nghệ điện phân chính:

1.1. Điện phân kiềm (ALK- alkaline electrolysers): Công nghệ truyền thống đã được thương mại hóa từ lâu, chiếm khoảng 70% tổng công suất điện phân toàn cầu năm 2023. Công nghệ này sử dụng dung dịch điện phân là kali hydroxide (KOH), hoặc natri hydroxide (NaOH) có chi phí thấp, nhưng hoạt động kém linh hoạt hơn so với các công nghệ khác.

1.2. Điện phân màng trao đổi proton (PEM - proton exchange membrane electrolysers): Công nghệ mới hơn, có khả năng vận hành linh hoạt và đáp ứng nhanh với sự biến động của nguồn điện tái tạo, chiếm khoảng 30% công suất toàn cầu. PEM sử dụng màng polymer dẫn proton làm chất điện phân, cho phép vận hành ở mật độ dòng cao hơn và hiệu suất tốt hơn, nhưng có chi phí cao hơn do sử dụng vật liệu quý hiếm như platin và iridium.

1.3. Điện phân màng trao đổi ion oxy rắn (SOEC - solid oxide electrolyser): Công nghệ mới nhất, vận hành ở nhiệt độ cao (700-900°C), có hiệu suất cao hơn, nhưng vẫn đang trong giai đoạn phát triển ban đầu. SOEC có tiềm năng giảm chi phí đáng kể do không sử dụng vật liệu đắt tiền, nhưng còn nhiều thách thức về độ bền và độ ổn định.

Hình 1: Công suất thiết bị điện phân đã lắp đặt theo công nghệ và khu vực, giai đoạn 2020-2024 (hình trái) và công suất theo khu vực, quy mô nhà máy và tình trạng dựa trên các dự án đã công bố, đến năm 2030 (hình phải). (Nguồn: IEA, 2024).

Tổng công suất thiết bị điện phân toàn cầu đã lắp đặt đạt 1,4 GW vào cuối năm 2023, gần gấp đôi so với công suất lắp đặt vào cuối năm 2022. Con số này có khả năng sẽ tiếp tục tăng: Dựa trên các dự án đã được công bố và ít nhất đã đạt quyết định đầu tư cuối cùng (FID) hoặc đang trong quá trình xây dựng, tổng công suất lắp đặt toàn cầu dự kiến đạt 5 GW vào cuối năm 2024 (xem hình 1). Tuy nhiên, tính đến tháng 9 năm 2024, chỉ có 205 MW công suất mới đi vào hoạt động.

Trung Quốc chiếm 80% công suất được đưa vào vận hành trong năm 2023 (bao gồm cả dự án thiết bị điện phân lớn nhất thế giới) - Nhà máy Kuqa, công suất 260 MW của Sinopec. Khoảng 12% trong gần 700 MW được đưa vào hoạt động trong năm 2023 nằm ở châu Âu (xem hình 1). Trung Quốc dự kiến sẽ chiếm ba phần tư trong tổng công suất mới có thể đi vào hoạt động trong năm 2024, nâng tỷ trọng so với công suất toàn cầu từ 55% vào năm 2023 lên gần 70%.

Châu Âu và Hoa Kỳ có thể lần lượt đạt tỷ lệ 15% và 6% tổng công suất lắp đặt toàn cầu vào cuối năm, nếu tất cả các dự án được triển khai đúng tiến độ. Riêng trong Liên minh châu Âu, nếu các dự án hoàn thành đúng kế hoạch, tổng công suất lắp đặt có thể đạt 0,7 GW vào cuối năm 2024 - vẫn còn cách rất xa so với mục tiêu tạm thời 6 GW đã được đặt ra trong Chiến lược Hydrogen của EU vào năm 2020 (IEA, 2024).

Về khía cạnh công nghệ, điện phân kiềm tiếp tục chiếm tỷ trọng lớn nhất, với hơn 60% tổng công suất thiết bị điện phân đã lắp đặt trong năm 2023, theo sau là công nghệ màng trao đổi proton với 22%. Mặc dù tỷ trọng hiện tại của PEM còn thấp, nhưng trong vài tháng qua đã có một số dự án sử dụng thiết bị điện phân PEM quy mô trung bình bắt đầu đi vào hoạt động. Đầu năm 2024, công ty Plug đã đưa vào vận hành các nhà máy với tổng công suất khoảng 50 MW: Nhà máy ở hạt Camden (Hoa Kỳ) sử dụng hydro cho lĩnh vực giao thông vận tải và một thiết bị điện phân công suất 10 MW tại Nhà máy Lọc dầu Százhalombatta (Hungary).

2 Sản xuất hydrogen từ nhiên liệu hóa thạch với CCUS:

Hiện có khoảng 15 cơ sở sản xuất hydrogen trên thế giới được trang bị công nghệ CCUS, với tổng công suất thu giữ khoảng 12 triệu tấn CO₂ mỗi năm (Mtpa). Phần lớn các cơ sở này là các đơn vị sản xuất hydrogen trong ngành lọc hóa dầu và sản xuất phân bón ở Bắc Mỹ đã được cải tạo lại. Trong số đó, chỉ khoảng 1 triệu tấn CO₂ mỗi năm được bơm vào nơi lưu trữ chuyên dụng (tại cơ sở Quest ở Canada), phần còn lại được bơm để tăng cường thu hồi dầu (EOR), hoặc sử dụng trong các ứng dụng như ngành thực phẩm và đồ uống, hoặc để tăng năng suất trong nhà kính (xem hình 2).

Ngoài ra, hầu hết các cơ sở chỉ được cải tạo để thu giữ một phần khí thải (chỉ thu giữ khí thải từ quy trình) - nơi có nồng độ CO₂ cao. Do đó, chỉ khoảng 0,6 triệu tấn hydrogen mỗi năm đủ tiêu chuẩn là hydrogen phát thải thấp, trong tổng số 0,9-1,2 triệu tấn được sản xuất. Trong đó, 0,35 triệu tấn từ quá trình chuyển hóa khí tự nhiên (thu giữ 4 triệu tấn CO₂ mỗi năm) và 0,3 triệu tấn từ quá trình khí hóa than và dầu (thu giữ 8 triệu tấn CO₂ mỗi năm).

Ghi chú: CCUS = thu giữ, sử dụng và lưu trữ carbon; FID = quyết định đầu tư cuối cùng; 2024e = ước tính cho năm 2024; FID đề cập đến các dự án đang được xây dựng, hoặc ít nhất đã đưa ra quyết định đầu tư cuối cùng.

Hình 2: Sản xuất hydrogen phát thải thấp từ nhiên liệu hóa thạch kết hợp công nghệ CCUS. (Nguồn: IEA, 2024).

Trong những năm qua, công nghệ này đã được sự quan tâm của nhiều quốc gia và nhiều dự án lớn đã đạt FID (chủ yếu tại châu Âu và Bắc Mỹ). Nếu tất cả các dự án đã được công bố trở thành hiện thực, sản lượng hydrogen phát thải thấp sản xuất từ nhiên liệu hóa thạch kết hợp với CCUS có thể tăng gấp 18 lần, từ khoảng 0,6 triệu tấn hydrogen mỗi năm vào năm 2023 lên 11 triệu tấn mỗi năm vào năm 2030, hoặc khoảng 8 triệu tấn mỗi năm nếu không tính các dự án đang ở giai đoạn đầu phát triển (xem hình 2). Phần lớn trong số này đến từ quá trình chuyển hóa khí tự nhiên và chưa tới 1 triệu tấn hydrogen mỗi năm đến từ khí hóa than đá, hoặc dầu mỏ (IEA, 2024).

3. Các phương pháp sản xuất mới nổi:

Ngoài các phương pháp chính kể trên, nhiều công nghệ sản xuất hydrogen mới đang được phát triển:

3.1. Nhiệt phân methane: Phân tách methane thành hydrogen và carbon rắn, giảm phát thải CO₂. Phương pháp này có tiềm năng cao do cho phép sản xuất hydrogen mà không tạo ra CO₂ trực tiếp, thay vào đó tạo ra carbon dạng rắn có thể được sử dụng trong các ứng dụng công nghiệp.

3.2. Khí hóa sinh khối: Sử dụng sinh khối để sản xuất hydrogen với phát thải carbon âm khi kết hợp với CCUS. Phương pháp này có thể đóng góp vào việc đạt được phát thải âm, đặc biệt là ở các khu vực có nhiều tài nguyên sinh khối.

3.3. Sản xuất hydrogen quang điện hóa: Sử dụng ánh sáng mặt trời trực tiếp để phân tách nước. Công nghệ này còn ở giai đoạn nghiên cứu ban đầu, nhưng có tiềm năng giảm chi phí đáng kể trong tương lai.

3.4. Sản xuất hydrogen từ vi sinh vật: Sử dụng vi tảo, hoặc vi khuẩn để sản xuất hydrogen qua quá trình quang sinh học. Mặc dù hiệu suất hiện tại còn thấp, công nghệ này đang được nghiên cứu tích cực vì tiềm năng sản xuất hydrogen trực tiếp từ ánh sáng mặt trời và nước.

Các công nghệ này đang ở các giai đoạn phát triển khác nhau (từ nghiên cứu trong phòng thí nghiệm đến thử nghiệm thực tế) và có thể đóng vai trò quan trọng trong việc đa dạng hóa nguồn cung hydrogen phát thải thấp trong tương lai.

III. So sánh các công nghệ sản xuất hydrogen:

1. Phát thải khí nhà kính:

Phát thải khí nhà kính khác nhau đáng kể giữa các phương pháp sản xuất hydrogen. Sản xuất hydrogen từ nhiên liệu hóa thạch có trang bị CCUS có cường độ phát thải khoảng 1-4 kg CO₂-eq/kg H₂. Trong khi sản xuất hydrogen từ điện phân nước sử dụng điện tái tạo có cường độ phát thải dưới 3 kg CO₂-eq/kg H₂, phụ thuộc vào nguồn điện sử dụng (IEA, 2024).

Cường độ phát thải thực tế của hydrogen sản xuất từ điện phân phụ thuộc rất nhiều vào nguồn điện sử dụng. Nếu sử dụng điện từ nguồn tái tạo như năng lượng gió, mặt trời, hoặc thủy điện, phát thải có thể gần như bằng không. Ngược lại, nếu sử dụng điện từ lưới điện với tỷ lệ nhiên liệu hóa thạch cao, cường độ phát thải có thể tương đương, hoặc thậm chí cao hơn so với phương pháp sản xuất từ khí tự nhiên với CCUS.

2. Nhu cầu nước:

Nhu cầu nước cũng là một yếu tố quan trọng khi so sánh các phương pháp sản xuất:

2.1. Điện phân: Cần khoảng 9 lít nước/kg H₂ (không bao gồm nước làm mát).

2.2. Nhiên liệu hóa thạch: Nhu cầu nước thấp hơn cho quá trình sản xuất trực tiếp, nhưng cần nhiều nước hơn, nếu tính cả nước trong toàn bộ chuỗi cung ứng.

Điều quan trọng là phải xem xét tính sẵn có của nước khi lựa chọn địa điểm cho các dự án hydrogen, đặc biệt là ở những khu vực có nguy cơ khan hiếm nước. Các khu vực như Trung Đông - nơi có nguồn năng lượng tái tạo dồi dào (năng lượng mặt trời), nhưng khan hiếm nước, cần cân nhắc kỹ lưỡng về việc sử dụng nước cho sản xuất hydrogen.

3. Hiệu suất và tính linh hoạt:

Các công nghệ sản xuất hydrogen khác nhau có hiệu suất và tính linh hoạt khác nhau:

3.1. Điện phân kiềm (ALK): Hiệu suất khoảng 50-68%, ít linh hoạt trong vận hành, yêu cầu tải tối thiểu cao.

3.2. Điện phân màng trao đổi proton (PEM): Hiệu suất 50-68%, rất linh hoạt, có thể hoạt động với tải thấp và đáp ứng nhanh với sự biến động của nguồn điện.

3.3. Điện phân màng trao đổi ion oxy rắn (SOEC): Hiệu suất có thể đạt 75-85%, nhưng yêu cầu nhiệt độ cao và thời gian khởi động lâu.

3.4. Chuyển hóa khí methane với CCUS: Hiệu suất 65-75%, ít linh hoạt, tốt nhất khi hoạt động ở tải ổn định.

Tính linh hoạt là yếu tố đặc biệt quan trọng khi kết hợp sản xuất hydrogen với nguồn năng lượng tái tạo biến đổi như năng lượng mặt trời và gió. Công nghệ PEM, với khả năng đáp ứng nhanh với sự biến động của nguồn điện, có lợi thế đáng kể trong bối cảnh này.

IV. Chi phí và triển vọng kinh tế:

Hydrogen phát thải thấp vẫn còn đắt đỏ trong ngắn hạn, nhưng chi phí dự kiến sẽ giảm đáng kể trong những năm tới (xem hình 3). Đến năm 2030, việc triển khai quy mô lớn theo kịch bản Net Zero có thể làm giảm chi phí sản xuất hydrogen từ điện phân được cung cấp bởi các nhà máy chuyên dụng xuống còn khoảng 2 USD/kg H₂. Tại Trung Quốc, nhờ vào tài nguyên năng lượng mặt trời rất tốt ở một số địa phương và chi phí đầu tư thiết bị điện phân (CAPEX) thấp hơn, làm giảm chi phí có thể xuống dưới 2 USD/kg H₂.

Sự phát triển chi phí trong tương lai sẽ phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm: Phát triển công nghệ, mức độ, tốc độ triển khai, giá điện và nhiên liệu hóa thạch, cũng như chính sách hỗ trợ và quy mô sản xuất.

Hình 3: Chi phí sản xuất hydro theo loại hình công nghệ. (Nguồn: IEA, 2024).

Mặc dù giá hydrogen phát thải thấp hiện cao hơn so với hydrogen từ nhiên liệu hóa thạch, tác động đến chi phí sản phẩm cuối cùng thường không đáng kể trong nhiều trường hợp. Chi phí bổ sung của hydrogen phát thải thấp giảm dần theo chuỗi giá trị - có nghĩa là người tiêu dùng cuối cùng thường chỉ thấy mức tăng giá khiêm tốn đối với các sản phẩm cuối cùng.

V. Tiềm năng đổi mới công nghệ:

Một số tiến bộ công nghệ quan trọng trong năm qua bao gồm:

1. Điện phân: Cải tiến về hiệu suất và giảm sử dụng vật liệu đắt tiền nhóm Platium trong điện phân màng trao đổi proton (PEM).

2. Động cơ đốt amoniac: Wärtsilä đã ra mắt động cơ đốt amoniac 4 thì đầu tiên của ngành hàng hải, có khả năng đốt 100% amoniac.

3. Sản xuất sắt DRI dựa trên hydrogen: Tháng 2/2024, thử nghiệm sản xuất sắt DRI 100% hydrogen tại Thụy Điển đã đạt được kết quả khả quan, với chất lượng sản phẩm tương đương quy trình truyền thống.

4. Tua bin hydrogen: Các nhà sản xuất thiết bị gốc (OEM) hàng đầu đã phát triển tua bin khí có thể đốt hỗn hợp với tỷ lệ hydrogen lên đến 50-60%.

5. Lưu trữ hydrogen: Đã có tiến bộ trong công nghệ lưu trữ hydrogen lỏng, với các kho lưu trữ lỏng hydro quy mô lớn đang được phát triển.

Những tiến bộ này không chỉ cải thiện hiệu suất và độ tin cậy của công nghệ sản xuất hydrogen, mà còn mở rộng phạm vi ứng dụng của hydrogen trong các lĩnh vực khác nhau.

VI. Thách thức và rào cản:

Mặc dù có nhiều tiến bộ, các công nghệ sản xuất hydrogen phát thải thấp vẫn phải đối mặt với nhiều thách thức kỹ thuật:

1. Độ bền của thiết bị điện phân: Các thiết bị điện phân, đặc biệt là PEM và SOEC, vẫn gặp vấn đề về độ bền khi hoạt động trong thời gian dài, hoặc dưới các điều kiện biến đổi.

2. Hiệu quả thu giữ carbon: Các hệ thống CCUS cần cải thiện hiệu quả thu giữ để giảm hơn nữa lượng phát thải từ sản xuất hydrogen dựa trên nhiên liệu hóa thạch.

3. Quy mô hóa công nghệ mới: Các công nghệ mới như nhiệt phân methane và quang điện hóa cần được quy mô hóa để chứng minh tính khả thi thương mại.

4. Tích hợp với nguồn năng lượng tái tạo biến đổi: Cần phát triển hệ thống tối ưu để tích hợp sản xuất hydrogen với nguồn năng lượng tái tạo biến đổi như năng lượng mặt trời và gió.

Ngoài các thách thức kỹ thuật, còn có các rào cản kinh tế và chính sách:

5. Chi phí cao: Chi phí sản xuất hydrogen phát thải thấp vẫn cao hơn đáng kể so với hydrogen từ nhiên liệu hóa thạch.

6. Cạnh tranh với điện khí hóa trực tiếp: Trong nhiều ứng dụng, điện khí hóa trực tiếp có thể hiệu quả hơn về mặt năng lượng và chi phí so với sử dụng hydrogen.

7. Thiếu cơ chế hỗ trợ thị trường: Cần có các cơ chế hỗ trợ thị trường mạnh mẽ hơn để thúc đẩy nhu cầu hydrogen phát thải thấp.

8. Rào cản quy định: Thiếu các tiêu chuẩn và quy định thống nhất về an toàn, phát thải và chứng nhận hydrogen phát thải thấp.

VII. Kết luận:

Các công nghệ sản xuất hydrogen phát thải thấp đang phát triển nhanh chóng, với sự đa dạng về phương pháp từ điện phân đến sử dụng nhiên liệu hóa thạch cùng với CCUS, cũng như các công nghệ mới nổi. Mỗi công nghệ đều có ưu nhược điểm riêng về phát thải, hiệu suất, tính linh hoạt và chi phí. Việc lựa chọn công nghệ phù hợp phụ thuộc vào nhiều yếu tố như nguồn tài nguyên địa phương, cơ sở hạ tầng hiện có và các ưu tiên chính sách.

Chi phí sản xuất hydrogen phát thải thấp dự kiến sẽ giảm đáng kể trong thập kỷ tới, nhờ vào quy mô sản xuất lớn hơn, cải tiến công nghệ và chính sách hỗ trợ.

Để đạt được mục tiêu tăng sản xuất hydrogen phát thải thấp từ dưới 1 Mt hiện nay lên 70 Mt vào năm 2030 theo Kịch bản Net Zero, cần có hành động mạnh mẽ từ cả khu vực công và tư. Các chính phủ cần đẩy mạnh hỗ trợ R&D, cung cấp các cơ chế tài chính hỗ trợ dự án và thiết lập các chính sách tạo nhu cầu cho hydrogen phát thải thấp. Khu vực tư nhân cần đầu tư vào mở rộng quy mô sản xuất, tối ưu hóa chuỗi cung ứng và phát triển các ứng dụng mới cho hydrogen.

Sự phát triển của các trung tâm hydrogen (hydrogen hubs) - nơi tập trung cả sản xuất và tiêu thụ hydrogen là một mô hình đầy hứa hẹn để thúc đẩy ngành công nghiệp hydrogen phát thải thấp. Các trung tâm này có thể tạo ra quy mô kinh tế, giảm chi phí cơ sở hạ tầng và tạo điều kiện cho sự hợp tác giữa các bên liên quan.

Tương lai của hydrogen phát thải thấp không chỉ phụ thuộc vào sự phát triển công nghệ sản xuất, mà còn phụ thuộc vào sự phát triển của toàn bộ hệ sinh thái, bao gồm cơ sở hạ tầng vận chuyển và lưu trữ, cũng như các ứng dụng cuối cùng. Việc phát triển đồng bộ toàn bộ chuỗi giá trị hydrogen là chìa khóa để đạt được các mục tiêu khí hậu toàn cầu và tạo ra một nền kinh tế hydrogen bền vững, thịnh vượng.

Kỳ tới: Ứng dụng hydrogen trong ngành vận tải - Cơ hội và rào cản đối với xe pin nhiên liệu và nhiên liệu thay thế trong hàng hải

[*] TS. PHÙNG QUỐC HUY - TRUNG TÂM NGHIÊN CỨU NĂNG LƯỢNG CHÂU Á - THÁI BÌNH DƯƠNG (APERC)

Tài liệu tham khảo:

IEA, 2024. International Energy Agency. Global Hydrogen Outlook 2024.

IRENA, 2020. Green Hydrogen Cost Reduction- Scaling up Electrolysers to Meet the 1.5⁰C Climate Goal.