Pin nhiên liệu hydro

Ưu điểm của năng lượng H₂

Năng lượng hóa học là tiềm năng của một chất hóa học trải qua quá trình biến đổi thông qua phản ứng hóa học hay phản ứng hạt nhân để hình thành nên các chất hóa học khác mà quá trình biến đổi này có thể hấp thụ hoặc sản sinh ra năng lượng. H₂ là nguyên tố hóa học phổ biến, cấu thành đến 90% vật chất của vũ trụ và chiếm đến 75% theo trọng lượng, tồn tại chủ yếu dưới dạng hợp chất với các nguyên tố hóa học phổ biến khác như ôxy tạo thành nước (H₂O), với carbon thành các hợp chất hữu cơ và sự sống trên toàn trái đất.

Năng lượng H₂ được coi là một dạng năng lượng hóa học có nhiều ưu điểm vì sản phẩm của quá trình này chỉ là nước tinh khiết và năng lượng mà không có chất thải nào gây hại đến môi trường, không phát thải khí CO­₂ gây biến đổi khí hậu toàn cầu, là nguồn năng lượng gần như vô tận hay có thể tái sinh được. Bên cạnh đó, năng lượng H₂ có thể giải quyết được nhiều vấn đề khác nhau, góp phần đảm bảo vấn đề về an ninh năng lượng, có thể được sản xuất từ nhiều nguồn sẵn có khác nhau, đặc biệt là từ các nguồn năng lượng tái tạo như gió, mặt trời mà không phụ thuộc vào các nguồn nhập khẩu từ nước ngoài; không phát thải carbon trong một số ngành khó giảm như giao thông, hóa chất, luyện kim, giúp cải thiện chất lượng môi trường không khí và sức khỏe cộng đồng. Đặc biệt, với tính chất không độc và không ăn mòn, nếu H₂ bị thoát ra, chúng sẽ bay hơi gần như hoàn toàn và không để lại nguy hại nào; thiết bị sử dụng nhiên liệu H₂ chạy êm, không gây ra tiếng động, chấn động như động cơ đốt trong.

Xu hướng chung

Với các ưu điểm và tiềm năng phát triển, năng lượng H₂ đang thu hút được sự quan tâm mạnh mẽ của các Chính phủ và doanh nghiệp như một năng lượng thế hệ mới. Hội nghị Bộ trưởng Năng lượng Hydrogen lần thứ 2 tại Tokyo ngày tháng 9/2019 vừa qua đã cho thấy sự tiến bộ của các công nghệ liên quan đến hydrogen tại nhiều nước trên thế giới, đặc biệt là các nước phát triển. Việc Hội nghị thu hút lãnh đạo cấp cao và chuyên gia hàng đầu về năng lượng từ trên 30 quốc gia cho thấy mối quan tâm toàn cầu trong chia sẻ thông tin về các chính sách nhằm tăng cường sử dụng Hydrogen trên toàn cầu. Sự quan tâm đến nguồn năng lượng này không chỉ nhằm vào các mục tiêu về an ninh năng lượng, mà còn là sự quan tâm của các nước, các doanh nghiệp đến các mục tiêu về giảm phát thải khí nhà kính, chuyển đổi năng lượng bền vững.

Qua các thông tin từ các diễn đàn năng lượng thời gian qua, có thể thấy sự cam kết của chính phủ nhiều nước trong các chính sách thúc đẩy sử dụng năng lượng H₂, sự tiên phong của giới nhà khoa học, các doanh nghiệp trong nghiên cứu, triển khai các dự án phát triển các thiết bị sản xuất H₂ công nghiệp, các hệ thống lưu trữ, vận chuyển, phân phối và sử dụng năng lượng H₂.

Hiện nay, khoảng 90% lượng H₂ đều được sản xuất chủ yếu từ dầu mỏ và khí thiên nhiên, việc này đồng nghĩa với việc vẫn sẽ phát thải khí CO₂ gây hiệu ứng nhà kính nhà kính và không phải là xu hướng được khuyến khích phát triển. Do vậy, việc ứng dụng công nghệ sử dụng năng lượng tái tạo để điện phân nước sản xuất H₂ là mô hình đã được nghiên cứu, áp dụng thử nghiệm thành công ở nhiều quốc gia. Giải pháp này đang tiếp tục được Chính phủ các nước khuyến khích, các nhà khoa học và các doanh nghiệp quan tâm phát triển, hoàn thiện và nâng cao quy mô, công suất và giảm giá thành.

Sự phát triển của hạ tầng lưu trữ, vận chuyển, phân phối hiện nay còn rất hạn chế, điều này đã gây cản trở cho việc ứng dụng rộng rãi năng lượng H₂ ở nhiều quốc gia. Giá của H₂ cho người tiêu dùng phụ thuộc rất nhiều vào số lượng trạm tiếp nhiên liệu, mức độ thường xuyên sử dụng và lượng H₂ được cung cấp mỗi ngày. Giải quyết vấn đề này đòi hỏi phải có một kế hoạch tổng thể và cơ chế phối hợp giữa các Chính phủ, các ngành công nghiệp và các nhà đầu tư trong nước và quốc tế.

Theo Cơ quan năng lượng quốc tế (IEA) đánh giá, để phát triển năng lượng H₂ cần thực hiện đồng thời 4 giải pháp trước mắt gồm: 1) Khuyến khích, khởi tạo các ngành công nghiệp, khu công nghiệp đi tiên phong trong việc chuyển đổi sử dụng năng lượng H₂; 2) Chuyển đổi, xây dựng cơ sở hạ tầng cho việc lưu trữ, vận chuyển, phân phối nhiên liệu H₂ cạnh tranh hơn; 3) Triển khai các dự án cung cấp, vận chuyển, thương mại quốc tế về H₂; và 4) Tăng cường hợp tác quốc tế, chia sẻ kiến thức, kinh nghiệm, thực tiễn tốt nhất để phổ biến, tiêu chuẩn hóa và thúc đẩy thương mại hóa.

Trong tầm nhìn dài hạn, IEA cũng đưa ra 6 khuyến cáo gồm: 1) Xác định mục tiêu dài hạn đối với năng lượng H₂ trong chiến lược phát triển năng lượng quốc gia, bao gồm cả mục tiêu về sản xuất và mục tiêu về sử dụng trong các lĩnh vực, ngành sử dụng năng lượng; 2) Khuyến khích nghiên cứu, phát triển, sản xuất và thương mại hóa nhiên liệu H₂ có nguồn gốc từ năng lượng tái tạo, sạch và carbon thấp; 3) Có chính sách, cơ chế chia sẻ, giảm thiểu rủi ro cho các dự án đầu tư, sản xuất, phát triển liên quan đến năng lượng H₂ cho các nhà đầu tư; 4) Hỗ trợ nghiên cứu và phát triển (R&D) nhằm giảm chi phí năng lượng H₂ từ công nghệ sản xuất, lưu trữ, vận chuyển, phân phối và các thiết bị, sản phẩm ứng dụng; 5) Tạo hành lang pháp lý đủ mạnh để quản lý, cơ chế hỗ trợ và thúc đẩy đủ hấp dẫn để thu hút sự quan tâm của các nhà đầu tư; 6) Hợp tác quốc tế, tăng cường trao đổi thông tin về kỹ thuật, công nghệ, tiêu chuẩn nhằm kết nối và tăng cường hỗ các nhà đầu tư phát triển thị trường liên kết.

Tuyên bố chung tại Hội nghị Bộ trưởng Năng lượng Hydrogen lần thứ 2 tại Tokyo (Tuyến bố Tokyo) đã đưa ra 4 nội dung sau:

i) Hợp tác về công nghệ để hài hòa và thống nhất về các quy định, tiêu chuẩn chung giữa các quốc gia và các nền kinh tế.

ii) Thúc đẩy việc chia sẻ thông tin, cùng hợp tác nghiên cứu nhằm phát triển hạ tầng chuỗi cung ứng H₂ an toàn và hiệu quả.

iii) Nghiên cứu và đánh giá tiềm năng ứng dụng H₂ trong các ngành, lĩnh vực, bao gồm cả việc giảm CO₂ và các chất ô nhiễm khác.

iv) Truyền thông, giáo dục và phổ biến về năng lượng H₂ cho cộng đồng.

Sử dụng năng lượng H₂ tại một số nền kinh tế

Việc ứng dụng năng lượng H₂ được các quốc gia phát triển chủ yếu trong lĩnh vực giao thông, cụ thể trong một báo cáo năm 2017 của IEA đã thống kê: Đối với các loại xe điện cá nhân dùng pin nhiên liệu (H₂): Trên toàn cầu đã bán được trên 2 triệu xe điện cá nhân sử dụng pin nhiên liệu các loại trong năm 2016 và đã tăng trưởng 60% so với năm 2015. Nhật Bản có kế hoạch sản xuất 3.000 xe điện pin nhiên liệu vào năm 2017, 40.000 xe vào năm 2020, 200.000 xe vào năm 2025 và 800.000 xe vào năm 2040. Tại California, riêng trong tháng 4/2017 đã có trên 1.600 xe điện pin nhiên liệu được đăng ký, tăng 1.300 xe so với tháng trước đó. Ở Đan Mạch mới chỉ có 75 và Anh Quốc mới có 49 xe điện pin nhiên liệu chạy trên đường.

Đối với các loại xe điện công cộng dùng pin nhiên liệu (chủ yếu là xe bus): Tại Châu Âu, năm 2016, sau 6 năm thử nghiệm đã có 56 xe bus được vận hành và tại California cũng có 12 chiếc từ năm 2013. Tại Quảng Đông, Trung Quốc, hai thành phố Phật Sơn và Vân Phù tại tỉnh đã có kế hoạch đặt hàng sản xuất 300 xe bus dùng pin nhiên liệu với khoản đầu tư là 17 triệu USD. Hàn Quốc đặt mục tiêu thay thế khoảng 26.000 xe Bus chạy CNG hiện nay bằng xe Bus dùng pin nhiên liệu. Đến năm 2017, EU đã có 139 xe bus và Vương quốc Anh có 42 xe bus chạy bằng pin nhiên liệu.

Đối với các thiết bị, phương tiện vận tải hạng nặng: Đến tháng 10/2016, Hoa Kỳ đã bán được 11.600 thiết bị nâng sử dụng pin nhiên liệu, các thiết bị nâng này rất phổ biến trong các doanh nghiệp bán lẻ như Walmart hay như tại Pháp nhà bán lẻ Carrefour cũng sở hữu 150 thiết bị nâng sử dụng pin nhiên liệu. Đối với các phương tiện vận tải hạng nặng cũng đã được triển khai tại Na Uy (4 chiếc), Thụy Sĩ (1 chiếc) và Hà Lan.

Các phương tiện giao thông khác: Năm 2002, tầu điện vận chuyển hành khách sử dụng pin nhiên được phát triển đầu tiên tại Quebec, Canada. Đến nay đã có một số các hợp đồng, thỏa thuận hợp tác nghiên cứu và thử nghiệm các hệ thống tàu điện sử dụng pin nhiên liệu tại Châu Âu, Đức và Trung Quốc. Năm 2006, tầu thủy chạy bằng pin nhiên liệu cũng được thử nghiệm đầu tiên tại Nhật Bản, tiếp theo đó đã có một số dự án phát triển, trình diễn các phương tiện tầu thủy sử dụng năng lượng H₂ tại Pháp, Na Uy, Thụy Sĩ, Ý... Bản thân IEA cũng đặt ra một nhiệm vụ thúc đẩy phát triển năng lượng H₂ trong hàng hải để nghiên cứu và trình diễn. Các loại máy bay và thiết bị không người lái cũng đã được một số quốc gia như Pháp, Đức, Hoa Kỳ và Trung Quốc nghiên cứu ứng dụng đối với loại năng lượng này.

Ngoài ra, ứng dụng năng lượng H₂ còn được phát triển cho nhu cầu về nhiệt năng (sưởi ấm), như là Nhật Bản đặt ra mục tiêu kết nối 1,4 triệu hệ thống năng lượng đồng phát vào năm 2020, và đạt khoảng 5,3 triệu năm 2030 tại các cơ sở công nghiệp và thương mại và hướng tới thay thế dần hệ thống đường ống dẫn khí thiên nhiên bằng ống dẫn khí H₂ trong tương lai. Các quốc gia khác như Vương quốc Anh, Úc đều đã có những nghiên cứu và kế hoạch thay thế nguồn nhiên liệu sưởi ấm từ khí thiên nhiên sang H₂.

Như vậy, mặc dù năng lượng H₂ chưa được sử dụng rộng rãi vì giá khá cao và chưa phù hợp trong điều kiện thiếu cơ sở hạ tầng để hỗ trợ, tuy nhiên, các nhà nghiên cứu vẫn nhận định đây là nguồn năng lượng vô tận, có thể tái sinh được và là nguồn năng lượng giữ vai trò chủ đạo thay thế nhiên liệu hóa thạch, không gây ô nhiễm môi trường và là nguồn năng lượng của tương lai.