Cách Năng lượng Hydro Được Sử dụng trong Sản xuất Điện

Việc phát điện bằng hydro chủ yếu diễn ra thông qua hai phương pháp: pin nhiên liệu và tuabin đốt đã được cải tiến để sử dụng hydro. Công nghệ pin nhiên liệu hoạt động bằng cách tạo ra điện năng thông qua các quá trình điện hóa, và khi kết hợp với hệ thống thu hồi nhiệt, hiệu suất có thể đạt khoảng 60%. Nhiều tuabin đốt hiện có ban đầu được xây dựng để vận hành bằng khí tự nhiên nay có thể xử lý được hỗn hợp hydro hoặc thậm chí là hydro tinh khiết, mang lại sự linh hoạt cần thiết cho các đơn vị vận hành lưới điện trong việc duy trì nguồn cung cấp điện ổn định. Sản xuất hydro xanh bao gồm việc phân tách các phân tử nước bằng các nguồn năng lượng tái tạo như gió và mặt trời thông qua một quá trình gọi là điện phân. Loại hydro xanh này được lưu trữ cho đến khi nguồn năng lượng tái tạo giảm sút, lúc đó nó có thể được chuyển đổi trở lại thành điện năng. Lấy ví dụ tại Đức, nơi một số dự án điện gió ngoài khơi đang sản xuất hydro xanh. Các dự án này đã giúp giảm sự phụ thuộc vào các nhà máy than khoảng 40% ở một số khu vực thử nghiệm, mặc dù kết quả có thể khác nhau tùy theo điều kiện địa phương và chi tiết triển khai.

Tích hợp Hydro vào Lưới điện Hiện tại

Hydro giúp làm sạch lưới điện đồng thời duy trì sự ổn định cho hệ thống. Khi có lượng năng lượng tái tạo dư thừa, hydro sẽ lưu trữ lại và sau đó giải phóng trở lại khi nhu cầu tăng cao. Ví dụ như ở Đan Mạch, các dự án thí điểm của họ đã phát hiện ra rằng việc lưu trữ hydro trong các hang muối giúp giảm lượng năng lượng bị lãng phí từ khoảng 15 đến thậm chí 20 phần trăm mỗi năm. Chúng ta đang chứng kiến sự xuất hiện ngày càng nhiều các hệ thống lai ghép, nơi các trang trại năng lượng mặt trời hoạt động song song với thiết bị điện phân, mặc dù để mọi thứ vận hành trơn tru đòi hỏi hệ thống quản lý năng lượng khá tinh vi do dòng năng lượng chạy theo cả hai hướng trong hệ thống. Hãy xem xét những gì California đang thực hiện với Dự án Mạng lưới Hydro Tái tạo — họ thực sự sử dụng hydro để giữ cho lưới điện vận hành ổn định trong những đợt nắng nóng gay gắt gần đây thường xuyên làm gián đoạn hoạt động bình thường.

Nghiên cứu điển hình: Các Nhà máy Chạy bằng Hydro tại Đức và Nhật Bản

Energiepark Mainz tại Đức kết hợp một bộ điện phân 6 megawatt với các nguồn năng lượng gió để tạo ra khoảng 200 tấn hydro mỗi năm. Cơ sở này thực tế có thể cung cấp điện cho khoảng 2.000 hộ gia đình khi xảy ra mất điện thông qua hệ thống pin nhiên liệu 1,4 MW của nó. Vượt qua Thái Bình Dương, Nhật Bản đã phát triển một dự án còn lớn hơn mang tên Khu Nghiên cứu Năng lượng Hydro Fukushima, hay viết tắt là FH2R. Với công suất 10 MW, đây là nhà máy hydro xanh lớn nhất thế giới. Dự án không chỉ giúp cung cấp điện cho một phần Tokyo mà các nhà nghiên cứu còn sử dụng nó để thử nghiệm việc vận chuyển hydro qua đại dương. Điều làm nên sự nổi bật của những dự án này là tỷ lệ hiệu suất ấn tượng lên tới khoảng 95%. Họ đạt được hiệu suất cao này vì họ điều chỉnh lượng hydro được sản xuất dựa trên nhu cầu thực tế của lưới điện tại bất kỳ thời điểm nào.

Những thách thức trong việc mở rộng quy mô hydro cho nguồn điện nền

Ba rào cản chính hạn chế vai trò của hydro trong nguồn điện nền:

• Chi phí : Chi phí vốn cho thiết bị điện phân vẫn cao gấp khoảng ba lần so với tuabin khí tự nhiên.
• Tổn thất hiệu suất : Quá trình chuyển đổi điện thành hydro và sau đó trở lại điện gây tổn thất năng lượng từ 30–35%.
• Hạ tầng : Ít hơn 15% đường ống dẫn khí toàn cầu có thể vận chuyển an toàn hỗn hợp hydro trên 20%.

Một đánh giá ngành công nghiệp năm 2021 nhấn mạnh độ bền của pin nhiên liệu và hiện tượng giòn hóa đường ống là những ưu tiên nghiên cứu và phát triển chính, ước tính cần 1,2 nghìn tỷ USD để nâng cấp cơ sở hạ tầng vào năm 2040. Mặc dù hydro bổ trợ cho năng lượng tái tạo, nhưng hiện tại nó chưa đạt được mức tương đương về chi phí để triển khai rộng rãi làm nguồn cung cấp tải cơ bản.

Hydrogen cho sưởi ấm: Khử carbon trong các hệ thống công nghiệp và dân dụng

Vai trò của năng lượng hydro trong việc khử carbon các hệ thống sưởi ấm

Khoảng 40 phần trăm lượng khí thải CO2 từ tiêu thụ năng lượng trên toàn thế giới đến từ việc sưởi ấm, theo số liệu của IEA từ năm ngoái, vì vậy nhiều chuyên gia coi hydro là yếu tố thay đổi cuộc chơi thực sự để thay thế nhiên liệu hóa thạch trong cả lò công nghiệp và nồi hơi gia đình. Việc hydro cháy ở nhiệt độ lên tới gần 2800 độ C khiến nó đặc biệt phù hợp với các ngành công nghiệp nặng như sản xuất thép. Một số thử nghiệm với hệ thống pin nhiên liệu vi kết hợp phát điện và nhiệt cũng cho kết quả ấn tượng, đạt hiệu suất khoảng 90 phần trăm khi sử dụng cho mạng lưới sưởi ấm khu vực. Điều thú vị là hydro thực tế hoạt động khá tốt trong khoảng 20% đường ống dẫn khí hiện tại mà không cần thay đổi cơ sở hạ tầng, điều này có thể thúc đẩy đáng kể tốc độ áp dụng công nghệ này trên các lĩnh vực khác nhau.

Pha trộn hydro với khí tự nhiên trong đường ống

Việc pha trộn hydro vào mạng lưới khí đốt hiện có cung cấp một lộ trình chuyển tiếp:

Các thử nghiệm tại châu Âu cho thấy hỗn hợp 20% có thể giảm phát thải 6 triệu tấn mỗi năm trong khi vẫn duy trì hoạt động an toàn. Tuy nhiên, do mật độ năng lượng theo thể tích của hydro thấp hơn, lưu lượng phải tăng thêm 15–25% ở các mức pha trộn cao hơn.

Các dự án thí điểm tại Vương quốc Anh và Hà Lan sử dụng hydro để sưởi ấm gia đình

Chương trình HyDeploy tại Vương quốc Anh đã thành công trong việc pha trộn hydro vào nguồn cung cấp khí đốt cho khoảng 300 hộ gia đình với tỷ lệ khoảng 20%, và phần lớn mọi người dường như hài lòng - khoảng 8 trên 10 người tham gia báo cáo là họ cảm thấy hài lòng. Tại Hà Lan, tình hình còn thú vị hơn với thí nghiệm H2Stad, nơi họ thực sự chuyển hoàn toàn 1.500 hộ gia đình sang sử dụng các lò hơi chạy bằng hydro. Kết quả cũng rất ấn tượng vì cách làm này đã giảm lượng phát thải liên quan đến sưởi ấm gần 90% so với các hệ thống khí tự nhiên thông thường. Mặc dù những chương trình thử nghiệm này cho thấy hydro có thể hoạt động ở quy mô lớn hơn, vẫn có một số lo ngại đáng chú ý. Các bài kiểm tra về vật liệu cho thấy rằng nếu đường ống dẫn vận hành hoàn toàn bằng hydro trong thời gian dài, tuổi thọ hữu ích của chúng có thể giảm từ khoảng 12% đến 18%. Đây không phải là tin tốt, nhưng vẫn có thể quản lý được nếu lên kế hoạch phù hợp.

Các lo ngại về hiệu suất và an toàn trong hệ thống sưởi dựa trên hydro

Các nồi hơi hydro hoạt động ở hiệu suất khoảng 85 đến 90 phần trăm, thực tế thấp hơn một chút so với khí tự nhiên, vốn đạt khoảng 94%. Điều đặc biệt về hydro là nó bắt lửa dễ dàng hơn nhiều vì chỉ cần 0,02 mJ so với 0,3 mJ của methane. Điều này có nghĩa là chúng ta cần các hệ thống phát hiện rò rỉ cực kỳ tốt, có thể phát hiện cả những lượng rất nhỏ, có thể chỉ ở nồng độ 1%. Theo một số nghiên cứu gần đây từ DNV năm 2023, hydro có xu hướng thấm qua ống polyethylene nhanh hơn khoảng 30 lần so với khí đốt thông thường. Do vấn đề này, hầu hết các mạng ống cũ sẽ cần phải được lắp thêm lớp lót composite đặc biệt ở đâu đó dọc theo tuyến ống. Và cũng đừng quên thông gió đầy đủ. Khi các tòa nhà được cải tạo đúng cách, riêng biện pháp đơn giản này có thể giảm nguy cơ nổ gần tới 92%.

Hydro trong Giao thông vận tải: Từ Pin nhiên liệu đến Hàng không

Phương tiện sử dụng pin nhiên liệu hydro như một giải pháp giao thông sạch

Xe điện tế bào nhiên liệu hoạt động bằng cách tạo ra năng lượng thông qua các phản ứng hóa học bên trong tế bào, và về cơ bản chúng chỉ thải ra hơi nước. Điểm cộng lớn là việc nạp đầy nhiên liệu mất ít hơn năm phút, và những chiếc xe này có thể đi được hơn 500 kilômét trước khi cần nạp thêm. Đối với các phương tiện như xe tải đường dài và tàu chở hàng, điều này khiến chúng vượt trội hơn so với pin thông thường vì chúng tích hợp nhiều năng lượng hơn vào không gian nhỏ hơn mà không làm giảm đáng kể diện tích chứa hàng. Các công ty như Toyota và Hyundai gần đây đã bắt đầu đầu tư mạnh vào công nghệ hydro cho nhu cầu vận chuyển quy mô lớn của họ.

Việc áp dụng xe buýt và xe tải chạy bằng hydro tại California và Hàn Quốc

Dự án H2 Frontier của California đã triển khai hơn 50 xe buýt sử dụng năng lượng hydro trên 12 khu vực giao thông kể từ năm 2023, giúp giảm phát thải 1.200 tấn mỗi năm. Tại Hàn Quốc, cảng Ulsan chuyên về khí hydro vận hành 120 xe tải tế bào nhiên liệu để vận chuyển container, được hỗ trợ bởi các bộ điện phân sử dụng năng lượng gió ngoài khơi ở gần đó.

Tàu chạy bằng hydro ở Đức và Pháp

Các tàu Coradia iLint của Đức đã hoàn thành 220.000 km không phát thải vào năm 2023. Tuyến TER Occitanie của Pháp đã thay thế 15 đầu máy diesel bằng các tàu lai ghép hydro, sử dụng pin nhiên liệu lắp trên nóc để mở rộng phạm vi hoạt động trên các tuyến đường chưa được điện khí hóa.

Ứng dụng mới nổi trong lĩnh vực hàng hải và hàng không

Các đơn vị vận tải biển đang sử dụng amoniac sản xuất từ hydro để cung cấp nhiên liệu cho bốn tàu chở hàng tại Biển Bắc, giảm lượng khí thải CO2 85% so với dầu nhiên liệu nặng. Trong lĩnh vực hàng không, các máy bay khu vực không phát thải sử dụng động cơ đốt cháy hydro dạng lỏng dự kiến sẽ đi vào hoạt động vào năm 2035, với các nguyên mẫu hiện tại đã hoàn thành các chuyến bay thử nghiệm 750 km.

Thách thức về cơ sở hạ tầng mạng lưới trạm tiếp nhiên liệu hydro

Hiện có ít hơn 1.000 trạm tiếp nhiên liệu hydro trên toàn cầu, trong đó 42% nằm ở châu Âu và 38% ở châu Á. Chi phí lưu trữ ở áp suất cao vẫn còn đắt đỏ—vào khoảng 1.800 USD mỗi kg vào năm 2024—và hiện tượng giòn vật liệu ống dẫn đặt ra thách thức cho việc phân phối quy mô lớn.

Sản Xuất Hydro Xanh: Thúc Đẩy Các Phương Pháp Bền Vững

Hydro xám so với hydro xanh và hydro xanh da trời: Các điểm đánh đổi về môi trường và kinh tế

Có khá nhiều cách khác nhau để sản xuất hydro, và mỗi cách đều có tác động môi trường và mức giá riêng. Hydro xám được tạo ra từ quá trình cải tạo hơi metan (SMR) và thải ra từ 9 đến 12 kg CO2 cho mỗi kg hydro sản xuất. Chi phí? Vào khoảng 1,50 đến 2,80 USD mỗi kg theo Cơ quan Năng lượng Quốc tế năm 2023. Tiếp đến là hydro xanh lam, về cơ bản sử dụng cùng quy trình SMR nhưng bổ sung công nghệ thu giữ carbon. Cách này giảm phát thải khoảng 80 đến 90 phần trăm, dù làm tăng chi phí lên khoảng 2,50 đến 4 USD mỗi kg. Và cuối cùng là hydro xanh, được tạo ra khi điện từ các nguồn năng lượng tái tạo cung cấp năng lượng cho thiết bị điện phân. Phương pháp này không thải ra khí thải trực tiếp và hiện đang có mức giá từ 3 đến 5 USD mỗi kg. Thực tế, mức giá này đã giảm đáng kể so với vài năm trước đây khi giá dao động khoảng 4 đến 6 USD mỗi kg.

Những tiến bộ trong điện phân đang thúc đẩy sản lượng năng lượng hydro xanh

Các bộ điện phân màng trao đổi proton (PEM) hiện nay đạt hiệu suất 75–83%, tăng từ mức 60% vào năm 2010. Các hệ thống kiềm hoạt động ở hiệu suất 65–70% với tuổi thọ vượt quá 60.000 giờ. Các bộ điện phân oxit rắn (SOEC), hoạt động ở nhiệt độ 700–900°C, đã đạt được hiệu suất 85% trong các thử nghiệm, cho thấy tiềm năng lớn trong sản xuất hydro xanh quy mô công nghiệp (ScienceDirect 2024).

Xu hướng chi phí và khả năng mở rộng quy mô sản xuất hydro sử dụng năng lượng tái tạo

Chi phí sản xuất hydro thông qua điện phân năng lượng mặt trời đã giảm mạnh, khoảng 62% kể từ năm 2015. Hiện nay, chúng ta đang chứng kiến mức giá dao động từ 3 đến 4,50 USD mỗi kilogram vào năm 2024. Xa hơn xuống phía dưới Úc, các trang trại gió đang sản xuất hơn 1.000 tấn hydro xanh mỗi năm với giá khoảng 3,80 USD/kg. Trong khi đó tại Trung Quốc, các hệ thống điện phân quy mô lớn đang làm cho chi phí sản xuất ngày càng rẻ hơn mỗi năm, giảm chi phí khoảng 18% hàng năm. Nhìn về tương lai, BloombergNEF dự đoán rằng hydro xanh có thể đạt mức chỉ 1,50 USD mỗi kg vào năm 2030. Điều này sẽ xảy ra khi các nguồn năng lượng tái tạo tiếp tục mở rộng nhanh chóng, dự kiến sẽ chiếm gần 85% tổng công suất phát điện mới trên toàn thế giới.

Câu hỏi thường gặp

Các phương pháp chính để phát điện sử dụng hydro là gì? Các phương pháp chính là thông qua pin nhiên liệu và tuabin đốt cháy được điều chỉnh để dùng hydro.
Hydro đóng góp như thế nào vào sự ổn định của lưới điện? Hydrogen lưu trữ năng lượng tái tạo dư thừa, giải phóng nó trong các đợt nhu cầu tăng cao để đảm bảo độ ổn định của lưới điện.
Một số thách thức hiện tại khi sử dụng hydrogen cho nguồn điện phụ tải cơ bản là gì? Chi phí cao, tổn thất hiệu suất trong quá trình chuyển đổi năng lượng và những hạn chế về cơ sở hạ tầng là những thách thức lớn.
Hydrogen được sử dụng trong hệ thống sưởi ấm như thế nào? Hydrogen có thể thay thế nhiên liệu hóa thạch trong các hệ thống sưởi ấm công nghiệp và dân dụng, mang lại một phương án thay thế bền vững.
Những tiến bộ nào đã đạt được trong sản xuất hydrogen xanh? Các phát triển trong công nghệ điện phân và các hệ thống quy mô lớn đã giảm đáng kể chi phí và nâng cao hiệu quả.