Hiểu rõ về Hydrogen Xanh: Định nghĩa và Các điểm khác biệt chính

Hydro xanh là gì?

Hydrogen xanh được tạo ra khi chúng ta tách các phân tử nước thông qua một quá trình gọi là điện phân, nhưng chỉ khi các nguồn năng lượng tái tạo như ánh sáng mặt trời hoặc gió cung cấp điện cần thiết. Về cơ bản, điều này có nghĩa là cho dòng điện chạy qua nước (H₂O) để phân tách nó thành khí hydro và oxy, đồng thời không thải ra bất kỳ khí carbon dioxide nào trong suốt quá trình. Những phương pháp truyền thống để sản xuất hydro thì không sạch như vậy, thường phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch. Vì lý do này, nhiều chuyên gia coi hydrogen xanh là yếu tố rất quan trọng để giảm lượng khí nhà kính trên toàn cầu, theo nghiên cứu gần đây từ HERO Future Energies năm ngoái.

Hydrogen xanh khác với hydrogen xám và hydrogen xanh dương như thế nào

• Hydro Xám : Được sản xuất từ khí tự nhiên thông qua quá trình cải tạo metan bằng hơi nước, thải ra 10-12 kg CO₂ trên mỗi kg hydro.
• Hydrogen xanh dương : Sử dụng cùng nguồn nhiên liệu hóa thạch nhưng tích hợp công nghệ thu giữ và lưu trữ carbon (CCS) để giảm phát thải khoảng 50%.
• Khí hydro xanh : Không phát thải trực tiếp, vì năng lượng tái tạo cung cấp toàn bộ quá trình điện phân.

Trong khi hydro xám chiếm ưu thế 95% sản lượng hiện nay, lượng phát thải vòng đời của hydro xanh thấp hơn 75-90% so với cả hydro xanh (Visualizing Energy, 2024).

Vai trò thiết yếu của năng lượng tái tạo trong sản xuất hydro xanh

Hydrogen xanh đơn giản là không thể hoạt động nếu không có năng lượng tái tạo hỗ trợ. Quá trình điện phân cần khoảng bốn lần năng lượng so với các phương pháp truyền thống, do đó việc kết nối trực tiếp các hệ thống này với các tấm pin mặt trời hoặc trang trại gió tạo nên sự khác biệt lớn khi nói đến việc mở rộng sản xuất một cách bền vững. Hãy đưa ra con số cụ thể: sản xuất một kilogram hydrogen xanh cần khoảng năm mươi kilowatt giờ điện sạch. Con số này nghe có vẻ nhiều, nhưng chúng ta đang chứng kiến tiến triển thực sự ở đây vì giá pin mặt trời đã giảm mạnh trong thập kỷ qua, riêng kể từ năm 2010 đã giảm gần chín mươi phần trăm. Khi nhìn vào các khả năng trong tương lai, các chuyên gia tin rằng hydrogen xanh cuối cùng có thể chiếm lĩnh từ mười lăm đến hai mươi phần trăm lượng năng lượng hiện đang đến từ nhiên liệu hóa thạch trên toàn thế giới vào giữa thế kỷ này.

Sản Xuất Hydrogen Xanh: Điện Phân, Công Nghệ và Năng Lực Toàn Cầu

Quy Trình Sản Xuất Hydrogen Xanh Thông Qua Điện Phân

Sản xuất khí hydro xanh diễn ra thông qua một quá trình gọi là điện phân, về cơ bản là phá vỡ các phân tử nước (H2O) thành khí hydro và oxy khi có dòng điện đi qua. Hiệu suất ở đây thay đổi khá nhiều, dao động từ khoảng 70% đến có thể lên tới 90%, và tất cả phụ thuộc vào loại hệ thống điện phân đang được sử dụng. Để toàn bộ quá trình này hoạt động hiệu quả, chúng ta cần nguồn nước sạch và nguồn cung cấp điện ổn định. Hầu hết các hệ thống hiện tại sẽ tạo ra khoảng một kilogram hydro cho mỗi năm mươi kilowatt giờ điện tiêu thụ. Điều này không phải là tệ nếu so sánh với lượng năng lượng tiêu tốn trong các quy trình công nghiệp khác.

Các loại điện phân: PEM, Kiềm và Oxit rắn

Các bộ điện phân kiềm chiếm ưu thế trong các dự án hiện tại do chi phí thấp hơn, trong khi các hệ thống PEM đang ngày càng được áp dụng nhiều trong các ứng dụng năng lượng tái tạo biến đổi.

Tích hợp với Năng lượng Mặt trời và Gió để Sản xuất Bền vững

Việc tích hợp nguồn tái tạo giải quyết yếu tố chi phí lớn nhất của hydro xanh: đầu vào năng lượng. Năng lượng mặt trời và gió hiện nay đã giảm chi phí sản xuất xuống còn $3-4/kg (ước tính năm 2024), giảm từ $6/kg vào năm 2018. Các cơ sở tại các khu vực có bức xạ cao và nhiều gió tận dụng hệ thống Hybrid , kết hợp các tấm pin mặt trời với tuabin gió để đảm bảo hoạt động 24/7.

Công suất Sản xuất Toàn cầu Hiện tại và Các Quốc gia Đi đầu

Sản lượng hydro xanh toàn cầu đã vượt quá 1,2 triệu tấn mét khối vào năm 2024, tăng 50% kể từ năm 2022. Trên 80% công suất này đến từ các dự án trọng điểm tại Trung Đông, Úc và Bắc Âu, được hỗ trợ bởi khoản đầu tư toàn cầu trị giá 500 tỷ USD.

Thách thức trong việc mở rộng sản xuất khí hydrogen xanh

Việc mở rộng quy mô đối mặt với các trở ngại như 9 lít nước tinh khiết cho mỗi kilogram hydrogen , đòi hỏi cơ sở hạ tầng khử muối tiên tiến. Các điểm nghẽn trong chuỗi cung ứng đối với các vật liệu hiếm như iridium (được sử dụng trong bộ điện phân PEM) và hệ thống đường ống dẫn hydrogen hạn chế càng làm chậm quá trình áp dụng. Mặc dù có những rào cản này, dự báo chi phí năm 2030 ở mức $1,50/kg cho thấy khả năng khả thi đang gia tăng nhanh chóng cho các ứng dụng công nghiệp.

Lợi ích môi trường và kinh tế của khí hydrogen xanh

Phát thải carbon bằng không trong quá trình sản xuất và sử dụng

Sản xuất khí hydrogen xanh phát thải không phát thải carbon dioxide khi sử dụng điện phân bằng năng lượng tái tạo, khác với khí hydro xám được sản xuất từ quá trình cải chế metan. Loại năng lượng sạch này duy trì trạng thái trung hòa carbon trong suốt quá trình ứng dụng tại các tế bào nhiên liệu hoặc quy trình công nghiệp, loại bỏ phát thải ở mọi giai đoạn vòng đời.

Giảm ô nhiễm không khí và phát thải khí nhà kính

Việc thay thế nhiên liệu hóa thạch bằng khí hydro xanh trong giao thông vận tải và sản xuất giúp giảm oxit nitơ (NOx) tới 45% và oxit lưu huỳnh (SOx) tới 92%, cải thiện đáng kể chất lượng không khí tại các khu đô thị.

Phân tích vòng đời: Tác động môi trường của khí hydro xanh

Một nghiên cứu so sánh năm 2023 cho thấy lượng phát thải trong vòng đời của khí hydro xanh là thấp hơn 96% so với các hệ thống sử dụng khí tự nhiên khi dùng điện gió ngoài khơi. Lượng tiêu thụ nước vẫn thấp hơn 30% so với phương pháp sản xuất hydro từ than.

Tạo Việc Làm trong Các Ngành Năng Lượng Tái Tạo và Hydro

Chuỗi giá trị hydro xanh được dự báo sẽ tạo ra 2,3 triệu việc làm trên toàn cầu vào năm 2035 , đặc biệt trong lĩnh vực sản xuất điện phân và các trang trại lai ghép năng lượng mặt trời-gió. Các quốc gia như Đức và Úc đã ghi nhận mức tăng trưởng lực lượng lao động hàng năm từ 12-15% trong các vị trí liên quan đến hydro.

Xu Hướng Đầu Tư và Đường Chi Phí Giảm Dần

Chi phí điện phân giảm 60% kể từ năm 2015, với giá sản xuất hydro xanh dự kiến đạt 1,50 USD/kg vào năm 2030—một giảm 75% từ mức giá năm 2022. Tổng đầu tư toàn cầu vượt quá 320 tỷ USD vào năm 2023, được thúc đẩy bởi các đối tác công-tư trong khuôn khổ 48 chiến lược quốc gia về hydro.

Độc Lập Năng Lượng và Lợi Thế Địa Chính Trị

Chuyển sang sản xuất khí hydro xanh trong nước có thể giảm chi phí nhập khẩu năng lượng của các quốc gia EU xuống 110 tỷ USD mỗi năm, đồng thời làm giảm thiểu gián đoạn chuỗi cung ứng do biến động thị trường nhiên liệu hóa thạch.

Ứng dụng Công nghiệp và Tiến bộ Công nghệ

Thúc đẩy khử carbon trong các ngành khó giảm phát thải như thép và amoniac

Sự chuyển đổi sang khí hydrogen xanh đang tạo ra những làn sóng trong các ngành công nghiệp vốn lâu nay phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch. Lấy ví dụ ngành sản xuất thép, theo báo cáo năm 2023 của IRENA, ngành này đóng góp khoảng 7% lượng phát thải CO2 toàn cầu. Khi các công ty thay thế phương pháp sử dụng than truyền thống bằng kỹ thuật khử trực tiếp dựa trên hydrogen, họ có thể giảm được khoảng 95% lượng khí thải cho mỗi tấn thép sản xuất. Và không chỉ riêng ngành thép. Các nhà sản xuất amoniac khi chuyển từ khí tự nhiên sang hydrogen xanh sẽ giảm được khoảng 1,8 tấn CO2 cho mỗi tấn amoniac tạo ra. Những con số này không chỉ ấn tượng trên giấy tờ, mà còn đại diện cho những thay đổi thực tế đang diễn ra ngay lúc này tại các nhà máy và cơ sở sản xuất trên toàn thế giới.

Hydrogen xanh trong vận tải hạng nặng và hàng hải

Các tế bào nhiên liệu hydro đang khắc phục những hạn chế của pin đối với xe tải đường dài và tàu chở hàng, mang lại phạm vi hoạt động 600-800 km mỗi lần tiếp nhiên liệu. Các thử nghiệm trên biển cho thấy các phương tiện chạy bằng hydro giảm 35% lượng khí oxit nitơ so với dầu diesel thông thường.

Sử dụng trong phát điện và sưởi ấm dân dụng

Các công ty cấp điện đang pha trộn lên đến 20% hydro với khí tự nhiên trong các đường ống hiện có, với các dự án thí điểm tại châu Âu chứng minh mức giảm 12% lượng phát thải carbon trong các hệ thống kết hợp nhiệt và điện. Dự án ENE-FARM của Nhật Bản đã triển khai 460.000 tế bào nhiên liệu hydro cho mục đích sử dụng tại hộ gia đình kể từ năm 2020.

Đổi mới trong lưu trữ, vận chuyển và công nghệ tế bào nhiên liệu

Các tiến bộ gần đây bao gồm:

• Các bồn chứa hydro dạng lỏng ở nhiệt độ cực thấp đạt hiệu suất lưu trữ 97%
• Các chất mang hữu cơ dạng lỏng cho hydro cho phép vận chuyển an toàn trên biển
• Tế bào nhiên liệu oxit rắn đạt hiệu suất điện 65% (DOE 2023)

Ứng dụng cân bằng lưới điện và lưu trữ năng lượng

Các trang trại gió tại Đức hiện đang sử dụng các bộ điện phân 140 MW để chuyển đổi năng lượng dư thừa thành hydro trong thời gian sản xuất đỉnh, giúp ổn định lưới điện đồng thời sản xuất 2.800 tấn/năm hydro phục vụ mục đích công nghiệp.

Việc áp dụng toàn cầu và triển vọng tương lai đối với hydro xanh

Các thị trường mới nổi và các dự án thí điểm trên toàn thế giới

Các thị trường hydro xanh trên toàn thế giới hiện đang tăng trưởng với tốc độ đáng kinh ngạc, khi các dự án thử nghiệm xuất hiện ở hơn ba mươi lăm quốc gia khác nhau. Lấy ví dụ Ả Rập Xê Út, dự án NEOM của họ muốn sản xuất khoảng sáu trăm năm mươi tấn hydro sạch mỗi ngày vào năm 2026. Ở Úc, Dự án Năng lượng Tái tạo châu Á còn có tham vọng lớn hơn, hướng tới mục tiêu ba phẩy năm triệu tấn mỗi năm vào cuối thập kỷ tới. Các quốc gia kém phát triển hơn về mặt kinh tế cũng đang tham gia vào cuộc chơi này. Những nơi như Chile và Namibia có nguồn năng lượng mặt trời và gió dồi dào nhưng chưa được khai thác, do đó họ đang định vị mình trở thành những nhà xuất khẩu tiềm năng. Riêng công ty HIF Global của Chile lên kế hoạch xây dựng mười bốn gigawatt điện phân vào khoảng năm 2040. Nhìn về tương lai, phần lớn các dự báo cho rằng chúng ta có thể đạt gần năm mươi triệu tấn sản xuất hydro xanh hàng năm vào năm 2030, con số này cao gấp khoảng năm lần so với mức năm 2023.

Hỗ trợ Chính sách và Hợp tác Quốc tế Thúc đẩy Việc Áp dụng

Các nhà hoạch định chính sách trên toàn thế giới đang nỗ lực mạnh mẽ hơn để triển khai các chiến lược hydro của họ. Liên minh Châu Âu đã đặt ra một mục tiêu tham vọng cho Chiến lược Hydrogen của mình, muốn sản xuất ít nhất 10 triệu tấn hydro xanh trong phạm vi lãnh thổ vào năm 2030. Mục tiêu này đi kèm với những ưu đãi khá hậu hĩnh, ví dụ như khoản giảm thuế 3 đô la Mỹ mỗi kilogram được đưa vào Đạo luật Giảm lạm phát của Mỹ. Trong khi đó, ở bên kia Thái Bình Dương, Nhật Bản lại theo đuổi một cách tiếp cận hoàn toàn khác. Chiến lược Cơ bản về Hydrogen của họ tập trung vào việc nhập khẩu nguồn cung từ các nơi như Úc và Brunei thay vì xây dựng các cơ sở sản xuất quy mô lớn trong nước. Hợp tác quốc tế cũng đang gia tăng mạnh mẽ với các nhóm như Hiệp định Hành động về Hydrogen G7 làm việc chặt chẽ cùng các tổ chức như Liên minh Hydrogen Xanh châu Phi. Những hợp tác này nhằm xây dựng cơ sở hạ tầng vượt qua biên giới quốc gia, cuối cùng giúp giảm chi phí sản xuất để chúng ta có thể chứng kiến giá cả giảm xuống dưới 1,50 đô la Mỹ mỗi kilogram vào cuối thập kỷ này nhờ vào quy mô hoạt động lớn hơn.

Khắc Phục Khoảng Trống Cơ Sở Hạ Tầng và Các Thách Thức Ngành

Cơ quan Năng lượng Tái tạo Quốc tế (IRENA) đang đề cập đến một vấn đề khá lớn ở đây. Theo ước tính của họ, sẽ thiếu khoảng 1,5 nghìn tỷ USD cho cơ sở hạ tầng cần thiết vào năm 2030 đối với tất cả các cơ sở sản xuất, đường ống dẫn và trạm tiếp nhiên liệu mà chúng ta cần. Các bộ điện phân vẫn còn quá đắt đối với phần lớn các công ty để có thể chi trả, nhưng tình hình đang được cải thiện. Giá cả thực tế đã giảm đáng kể kể từ năm 2018, giảm khoảng một phần ba xuống mức khoảng 800 USD mỗi kW đối với các hệ thống kiềm hiện nay. Những đối tác lớn trong lĩnh vực này đang tập trung giải quyết các vấn đề lưu trữ bằng những công nghệ khá tiên tiến như hydro lỏng đông lạnh và vận chuyển thông qua amoniac. Việc thống nhất các tiêu chuẩn cũng rất quan trọng. EU hiện có hệ thống Bảo đảm Nguồn gốc (Guarantee of Origin), cần được áp dụng rộng rãi hơn nếu chúng ta muốn đạt được tiến bộ thực sự hướng tới mục tiêu phát thải ròng bằng 0 vào năm 2050 đã được đặt ra tại COP28 năm ngoái. Và đừng quên việc mở rộng các cảng biển để các nhiên liệu xanh này có thể di chuyển xuyên biên giới một cách hiệu quả.

Các câu hỏi thường gặp

Hydro xanh là gì?

Hydrogen xanh được sản xuất bằng các nguồn năng lượng tái tạo, chẳng hạn như gió hoặc năng lượng mặt trời, thông qua quá trình điện phân, tách nước thành hydro và oxy mà không phát thải khí carbon dioxide.

Hydrogen xanh khác gì so với các loại hydrogen khác?

Hydrogen xanh khác với hydrogen xám và hydrogen xanh dương vì nó không tạo ra khí thải carbon trực tiếp. Hydrogen xám được sản xuất từ khí tự nhiên và thải CO2, trong khi hydrogen xanh dương sử dụng công nghệ thu giữ và lưu trữ carbon (CCS) để giảm thiểu lượng khí thải này.

Năng lượng tái tạo đóng vai trò gì trong sản xuất hydrogen xanh?

Năng lượng tái tạo là yếu tố thiết yếu trong sản xuất hydrogen xanh vì nó cung cấp nguồn điện cần thiết cho quá trình điện phân mà không phát sinh khí nhà kính.

Những thách thức chính trong việc tăng sản xuất hydrogen xanh là gì?

Một số thách thức chính bao gồm nhu cầu năng lượng cao cho quá trình sản xuất, cần có cơ sở hạ tầng năng lượng tái tạo quy mô lớn và các vấn đề chuỗi cung ứng đối với các vật liệu hiếm được sử dụng trong bộ điện phân.

Có lợi ích kinh tế nào khi sử dụng khí hydro xanh không?

Có, khí hydro xanh có thể tạo ra việc làm trong các lĩnh vực năng lượng tái tạo và khí hydro, giảm ô nhiễm không khí, cắt giảm phát thải khí nhà kính và mang lại tính độc lập về năng lượng bằng cách giảm sự phụ thuộc vào nhập khẩu nhiên liệu hóa thạch.