Tổng quan mã màu nhiên liệu hydro - Cơ hội, chiến lược phát triển ở Việt Nam

Hydrogen - Ứng viên sáng giá cho quá trình chuyển đổi năng lượng sạch Khi thế giới chạy đua hướng tới năng lượng sạch, hydro nổi lên như một “ứng viên đầy tiềm năng chiến thắng”. Theo giới phân tích dự báo, thị trường hydro có thể đạt ngưỡng 1 nghìn tỷ USD mỗi năm vào năm 2050.

‘Hydrogen xanh’ cần có tên trong ‘chiến lược quốc gia’ của Việt Nam Quá trình chuyển đổi năng lượng không phải là điều gì đó đang chờ đợi chúng ta trong thập kỷ tới. Ngược lại, đó là một quá trình mà chúng ta đã có nhiều nghiên cứu rất sâu và nó đang diễn ra. Mục tiêu hướng tới là tạo ra một xã hội trung tính với các-bon bằng việc phát triển các nguồn năng lượng tái tạo để thay thế cho nhiên liệu hóa thạch. Tuy nhiên, do tính chất không liên tục của nguồn tái tạo, việc lưu trữ năng lượng có một vai trò thiết yếu trong quá trình chuyển đổi này. Công nghệ hydrogen với nhiều tiến bộ của nó đã được công nhận là sự lựa chọn hứa hẹn nhất. Chuyên gia của Tạp chí Năng lượng Việt Nam xin chia sẻ một số thông tin về vấn đề này để bạn đọc cùng tham khảo.

Về hydro:

Hydro (có nguồn gốc từ tiếng Pháp Hydrogène), nhìn trong bảng tuần hoàn ta thấy hydrogen nằm trong nhóm đầu tiên hay thành phần đầu tiên của bảng. Nó là nguyên tố nhẹ nhất, bay lên trong không khí và hiếm khi tìm được nó ở dạng tinh khiết. Trước đây còn được gọi là khinh khí là do hydro là nguyên tố nhẹ nhất và tồn tại ở thể khí, với trọng lượng nguyên tử 1,00794 đvC. Hydro là nguyên tố phổ biến nhất trong vũ trụ, tạo nên khoảng 75% tổng khối lượng vũ trụ và tới trên 90% tổng số nguyên tử. Ở nhiệt độ và áp suất tiêu chuẩn hydro là một khí hai nguyên tử có công thức phân tử H2, không màu, không mùi, dễ cháy, có nhiệt độ sôi 20,27 K (-252,87 °C) và nhiệt độ hóa lỏng 14,02 K (-259,14 °C). Tinh thể hydro có cấu trúc lục phương. Hydro có hóa trị 1 và có thể phản ứng với hầu hết các nguyên tố hóa học khác.

Hydro là nhóm nhiên liệu không phát thải khi đốt bằng phản ứng với oxy, và nước không được coi là chất phát thải. Hydro thường sử dụng các tế bào điện hóa, hoặc đốt trong động cơ đốt trong, để tạo nguồn điện cho xe điện và các thiết bị điện. Ngoài ra, nó còn được sử dụng trong việc phóng tàu vũ trụ và được thương mại hóa cho các phương tiện vận chuyển hành khách, máy bay.

Mặc dù hydro có rất nhiều trên trái đất như là một phần tử, nhưng nó lại luôn luôn được tìm thấy như là một phần của hợp chất khác. Chẳng hạn như nước (H₂O), và phải được tách ra khỏi các hợp chất có chứa nó trước khi nó có thể được sử dụng trong xe cộ. Một khi tách ra, thông qua một quá trình điện hóa, hydro có thể được sử dụng cùng với oxy từ không khí trong một tế bào nhiên liệu để tạo ra điện.

Sản xuất hydro rất đa dạng, từ ​​các nguồn tài nguyên có sẵn như hóa thạch, sinh khối và điện phân nước. Các phương pháp sản xuất bao gồm từ khí thiên nhiên như khí tổng hợp, hỗn hợp của hydro, carbon monoxide, và một lượng nhỏ carbon dioxide. Bằng cách phản ứng khí tự nhiên với hơi nước nhiệt độ cao, bằng điện phân, bằng thay đổi chất lỏng tái tạo, bằng quá trình lên men. Riêng sản xuất nhiên liệu hydro, một số kỹ thuật mới hiện đang được phát triển, công nghệ nhiệt phân nước, phân tách nước bằng photobiological và phân tách nước như trong các hệ thống quang điện hóa tạo ra hydro từ nước bằng chất bán dẫn đặc biệt và năng lượng từ ánh sáng mặt trời.

Mã màu hydro nói lên điều gì?

Chúng ta cần đến năng lượng để tạo ra hydro phân tử. Nguồn năng lượng và phương pháp sản xuất được sử dụng để tạo ra hydro phân tử chính là tiêu chí để xác định màu của hydro. Bản thân hydro là một chất khí không màu nhưng có khoảng chín mã màu để xác định hydro. Các mã màu của hydro đề cập đến nguồn hoặc quá trình được sử dụng để tạo ra hydro. Các mã này là xanh lá (green), xanh dương (blue), xám (grey), nâu (brown) hoặc đen (black), ngọc lam (turquoise), tím (violet), hồng (purple), đỏ và trắng (red and white). Hydro xanh được sản xuất thông qua quá trình điện phân nước bằng cách sử dụng điện từ năng lượng tái tạo. Sở dĩ nó được gọi là xanh là do không thải ra khí CO₂ trong quá trình sản xuất. Điện phân nước là một quá trình sử dụng điện để phân hủy nước thành khí hydro và oxy.

Hydro xanh dương có nguồn gốc từ nhiên liệu hóa thạch, tuy nhiên, CO₂ được thu giữ và lưu trữ dưới lòng đất (hấp thụ carbon). Nhiều doanh nghiệp hiện đang cố gắng sử dụng carbon thu giữ CCUS (Carbon capture, utilisation and storage) để làm nhiên liệu. Vì không thải ra khí CO₂, nên quá trình sản xuất hydro xanh dương được phân loại là carbon trung tính. Việc thu giữ và lưu trữ carbon dioxide thay vì giải phóng nó vào khí quyển cho phép hydro dương trở thành một loại nhiên liệu carbon thấp. Hai phương pháp sản xuất chính là cải tạo khí metan bằng hơi nước và khí hóa than, cả hai đều có thu giữ và lưu trữ cacbon. Hydro xanh dương là một chất thay thế sạch hơn cho hydro xám, nhưng đắt tiền vì phải sử dụng công nghệ thu giữ carbon.

Hydro xanh lá là hydro được sản xuất bằng cách sử dụng điện từ các nguồn năng lượng sạch. Hydro xanh lá được coi là hydro ít phát thải, hoặc phát thải bằng không vì nó sử dụng các nguồn năng lượng như gió và năng lượng mặt trời nên không thải ra khí nhà kính trong quá trình sản xuất điện. Hydro xanh được tạo ra khi nước (H₂O) bị tách thành hydro (H₂) và oxy (O₂). Tách nước còn được gọi là điện phân, và cần một năng lượng đầu vào. Phương pháp cung cấp điện để tách nước là một quá trình tốn kém, nhưng thân thiện với môi trường hơn nhiều so với việc sản xuất hydro xám.

Hydro xám được sản xuất từ ​​nhiên liệu hóa thạch và thường sử dụng phương pháp cải tạo khí mêtan (SMR) bằng hơi nước. Trong quá trình này, CO₂ được tạo ra và cuối cùng được giải phóng vào không khí. Nói ngắn gọn hơn, hydro xám là hydro được sản xuất bằng nhiên liệu hóa thạch như khí đốt tự nhiên hoặc than đá, chiếm khoảng 95% lượng hydro được sản xuất trên thế giới ngày nay. Hai phương pháp sản xuất chính là cải tạo metan bằng hơi nước và khí hóa than. Cả hai quá trình này đều giải phóng khí cacbonic (CO₂). Nếu CO₂ được thải vào khí quyển, thì hydro được tạo ra gọi là hydro xám. Hydro xám không được coi là nhiên liệu carbon thấp.

Hydro đen, hoặc nâu được sản xuất từ ​​than đá. Màu đen và nâu dùng để chỉ loại than bitum (đen) và than non (nâu). Khí hóa than (gasification) là một phương pháp được sử dụng chính để sản xuất hydro. Tuy nhiên, đây là một quá trình rất ô nhiễm, CO₂ và carbon monoxide-CO được tạo ra dưới dạng sản phẩm phụ và thải vào khí quyển.

Hydro màu ngọc lam có thể được chiết xuất bằng cách sử dụng nhiệt phân tách khí metan thông qua quá trình nhiệt phân metan. Quy trình, mặc dù ở giai đoạn thử nghiệm, loại bỏ cacbon ở dạng rắn thay vì khí CO₂. Hydro tím được tạo ra bằng cách sử dụng năng lượng hạt nhân và nhiệt thông qua quá trình điện phân nhiệt hóa trị kết hợp tách nước.

Hydro đỏ được tạo ra từ sinh khối. Sinh khối có thể được chuyển đổi để sản xuất hydro thông qua quá trình khí hóa. Tùy thuộc vào loại sinh khối và việc sử dụng công nghệ thu giữ và lưu trữ carbon, hydro đỏ có thể có lượng khí thải CO₂ thấp hơn hydro xám. Nếu CO₂ được thu giữ hoàn toàn và không có các khí thải khác, nó có thể được coi là hydro xanh.

Hydro hồng được tạo ra thông qua quá trình điện phân nước bằng cách sử dụng điện từ nhà máy điện hạt nhân. Hydro đỏ được tạo ra thông qua quá trình tách nước bằng chất xúc tác ở nhiệt độ cao bằng cách sử dụng nhiệt điện hạt nhân làm nguồn năng lượng. Hydro hồng đề cập đến hydro được tạo ra thông qua quá trình điện phân chạy bằng năng lượng hạt nhân. Hydro màu hồng đôi khi được coi là màu xanh lá vì nó không tạo ra và thải ra CO₂ trong quá trình hoạt động.

Màu vàng đôi khi cho thấy hydro được tạo ra thông qua quá trình điện phân thông qua năng lượng mặt trời. Tuy nhiên, nó cũng được sử dụng để chỉ ra rằng điện được sử dụng cho quá trình điện phân đến từ các nguồn hỗn hợp. Sự kết hợp các nguồn này đến từ lưới điện và dựa trên tính sẵn có và có thể bao gồm từ năng lượng tái tạo đến nhiên liệu hóa thạch.

Một màu sắp được ra mắt của hydro là hydro màu ngọc lam như đề cập ở trên, mặc dù nó vẫn chưa được chứng minh ở quy mô lớn. Hydro màu ngọc lam được tạo ra bằng cách sử dụng một quá trình gọi là nhiệt phân metan để tạo ra hydro phân tử và carbon rắn. Trong tương lai, hydro màu xanh ngọc có thể được đánh giá là hydro phát thải thấp, phụ thuộc vào quá trình nhiệt được cung cấp năng lượng tái tạo và carbon được lưu trữ hoặc sử dụng vĩnh viễn.

Ngoài ra, còn có thứ được gọi là hydro trắng, hay hydro có trong tự nhiên. Trong tự nhiên, chúng ta tìm thấy hydro ở thể khí (H₂) và nó không màu. Đó là lý do tại sao lại nghe thấy nói đến "hydro trắng", đề cập đến hydro địa chất tự nhiên có thể (hiếm) được tìm thấy trong các trầm tích dưới lòng đất. Hiện không có bất kỳ chiến lược khả thi nào để sử dụng những mỏ này, đó là lý do tại sao con người đang áp dụng các quy trình khác nhau để tạo ra nó một cách nhân tạo (khí hóa, điện phân, hay nhiệt phân metan, v.v...).

Cơ hội, chiến lược phát triển năng lượng hydro ở Việt Nam:

Nắm bắt xu hướng và cơ hội chuyển dịch năng lượng xanh, Tập đoàn Dầu khí Việt Nam (PVN) đã bắt đầu xây dựng chiến lược phát triển năng lượng hydro. Hydro được coi là nguồn năng lượng không phát thải có thể thay thế hiệu quả cho các nguồn nhiên liệu hóa thạch đang ngày càng cạn kiệt.

Theo Chủ tịch HĐTV PVN - ông Hoàng Quốc Vượng: Mặc dù lĩnh vực hydro “xanh” còn nhiều thách thức, đặc biệt là vấn đề giá thành, nhưng được xác định là nguồn nhiên liệu quan trọng cho các lĩnh vực hoạt động của nền kinh tế và cho các hoạt động sản xuất, kinh doanh của Tập đoàn. Chính vì vậy, chủ trương của PVN là tập trung nghiên cứu, hoàn thiện công nghệ nhằm khai phá các tiềm năng phát triển của ngành. Mục tiêu hướng tới có thể sản xuất quy mô thương mại từ sau năm 2030.

Theo nội dung trao đổi tại tọa đàm về xu hướng phát triển và triển vọng ngành công nghiệp hydro, trong quá trình khai thác thăm dò đã xác định một số khu vực có tiềm năng khai thác hydro tự nhiên. Trong đó đáng kể nhất là các khu vực quanh vùng hoạt động núi lửa, bể trầm tích tạo than, thành tạo móng granite… Ngoài ra, tổng hợp từ nguyên liệu hydrocacbon trong quá trình sản xuất công nghiệp (khí tự nhiên, than, sinh khối…) cũng là một nguồn sản xuất hydro cần tận dụng.

Theo PVN, các nhiệm vụ trước mắt (gồm nhanh chóng tham gia vào quá trình hoạch định chiến lược, chính sách tạo khung pháp lý cho việc phát triển năng lượng hydro). Bên cạnh đó, đẩy mạnh các chương trình nghiên cứu khoa học, công nghệ, tiếp cận các công nghệ mới trong chuỗi sản xuất, vận chuyển, lưu trữ và sử dụng hydro. Đồng thời, nghiên cứu xu thế phát triển hydro trên cơ sở đặc thù ngành và lợi thế sẵn có của Việt Nam. Đặc biệt là tập trung xác định có hay không các mỏ/vỉa hydro tự nhiên; nghiên cứu phát triển chuỗi giá trị hydro, nhất là chuỗi năng lượng tái tạo - hydro - pin nhiên liệu/sản xuất điện - sản xuất các sản phẩm hóa dầu (đạm, amoniac, methanol...). Trước mắt, PVN tập trung triển khai các dự án điện gió ngoài khơi nhằm tạo tiền đề để phát triển năng lượng hydro.

Trong dự thảo Quy hoạch điện VIII đang chuẩn bị trình Chính phủ phê duyệt, nhiên liệu Hydro, cùng với sinh khối - biomass, Amoniac - một chế phẩm từ Hydro được dự kiến là những thành phần quan trọng trong Kịch bản chuyển đổi năng lượng, thay thế dần nhiên liệu hóa thạch trong các nhà máy nhiệt điện từ sau năm 2030, nhằm giảm tối đa lượng phát thải khí nhà kính CO₂./.

KHẮC NAM - CHUYÊN GIA TẠP CHÍ NĂNG LƯỢNG VIỆT NAM (THEO: HBC/EEC/SCP - 4/2022)

Link tham khảo:

1/ https://www.h2bulletin.com/knowledge/hydrogen-colours-codes/

2/ https://energyeducation.ca/encyclopedia/Types_of_hydrogen_fuel

3/ https://scp.gov.vn/tin-tuc/t12271/trien-vong-nganh-cong-nghiep-hydro-va-buoc-di-cua-petrovietnam.html