Định hướng phát triển năng lượng sạch Hydro: phân tích thực trạng và đánh giá các phương pháp sản xuất Hydro trong công nghiệp. – Viện Nghiên cứu Phát triển Kinh tế tuần hoàn ICED

Trần Thiện Khánh, Tiến sĩ

Phòng phát triển kinh tế tuần hoàn trong năng lượng và vật liệu mới

Viện nghiên cứu phát triển Kinh Tế Tuần Hoàn (ICED), Đại Học Quốc Gia, TpHCM

I. Phát triển nguồn năng lượng hydrogen: thực trạng và triển vọng

Năng lượng hoá thạch là một nguồn nguyên liệu quan trọng và đóng vai trò chủ đạo trong nhiều hoạt động từ đời sống đến sản xuất trong nhiều thập kỷ qua [1]. Hiện tại, những nhiên liệu hóa thạch như: than, dầu thô và khí đốt tự nhiên cung cấp gần 80% của nhu cầu năng lượng toàn cầu. Theo báo cáo đánh giá lần thứ tư (Fourth Assessment Report – AR4) của Ủy ban liên chính phủ về biến đổi khí hậu của Liên hợp quốc (Intergovernmental Panel on Climate Change – IPCC), kể từ giữa thế kỷ 20, nồng độ khí nhà kính do con người gây ra (Greenhouse gas – GHG) là nguyên nhân chính gây ra sự nóng lên toàn cầu (Global warming – GW). Trên tinh thần đó, việc tận dụng nguồn nguyên liệu hoá thạch gây ra nhiều ảnh hưởng tiêu cực lên hoạt động sản xuất, sức khoẻ con người và các sinh vật khác, trực tiếp gây ra những tác hại lâu dài về môi trường.

Với mức tiêu thụ như hiện nay, trữ lượng dầu thô được dự đoán là sẽ cạn kiệt trong vòng 50 năm tới [2]. Do đó, năng lượng Hydro được xem như là một nguồn năng lượng thứ cấp hứa hẹn có thể đáp ứng được các nhu cầu sử dụng năng lượng của thế giới và giảm thiểu được lượng khí thải độc hại ra môi trường thông qua các công nghệ và phương pháp sản xuất tiên tiến.

Hình 1. Tổng quan về chi phí sản xuất Hydro cho từng phương pháp [3]

Chi phí cho việc sản xuất Hydro từ các biện pháp trên vẫn còn khá cao vì nó chịu sự tác động từ rất nhiều yếu tố khác nhau, chi phí sản xuất nguồn năng lượng này được mô tả vào khoảng từ 0.96 USD/kg cho đến 6.64 USD/Kg trong nghiên cứu của Balat H và các cộng sự [3].

Hiện nay, có khoảng 75 cơ sở sản xuất nhiên liệu hydro trên thế giới đang hoạt động và 150 cơ sở đang trong các giai đoạn lập kế hoạch phát triển trên toàn thế giới (chủ yếu tại Hoa Kỳ). Sản lượng Hydro hàng năm ở Mỹ là khoảng 9 triệu tấn, đủ để cung cấp năng lượng cho 20–30 triệu chiếc ô tô hoặc 5–8 triệu ngôi nhà. Nhưng như vậy chỉ mới đáp ứng khoảng 18% nhu cấu về năng lượng của thế giới.

Nguồn nguyên liệu hoá thạch vẫn đang là lựa chọn hàng đầu cho các quy mô sản xuất lớn trong công nghiệp nhờ vào các đặc điểm như dễ khai thác và giá thành đầu tư hợp lý; như vậy, trên khía cạnh chi phí sản xuất năng lượng – nguồn năng lượng từ Hydro vẫn chưa thể cạnh tranh được với năng lượng truyền thống. Đây cũng chính là lý do và động lực để các nhà nghiên cứu tập trung vào phát triển và hoàn thiện các phương pháp mới nhắm tới một tương lai không xa có thể thay thế được nguồn nguyên liệu hóa thạch, từ đó duy trì được môi trường xanh và sạch.

II. Các phương pháp sản xuất Hydrogen hiện hành

2.1.Sản xuất từ quá trình điện phân

Nước được tách thành khí Hydro và Oxy dựa vào quá trình điện phân và được dùng cho các quy trình đốt hoặc tạo ra dòng điện trong pin nhiên liệu Hydro (Hydrogen fuel cell – HFC) [4]. Vì chi phí của nước là không đáng kể nên mọi chi phí trong quá trình sản xuất đều phụ thuộc chủ yếu vào chi phí điện năng. Để tăng hiệu suất của hệ thống, chất xúc tác được hòa tan vào trong nước để tăng khả năng dẫn điện từ đó tăng cường sản lượng Hydro sinh ra. Mặc dù sản xuất Hydro bằng phương pháp điện phân nước đem lại nhiều hứa hẹn nhưng công nghệ này vẫn đang đối mặt với những thách thức mới [5].

2.2. Sản xuất từ năng lượng gió

Một phương pháp khác để sản xuất Hydro mà không gây ảnh hưởng đến môi trường, đó là dựa vào gió để sản xinh ra dòng điện (WTH) và kết hợp với thiết bị điện phân, từ đó sinh ra Hydro [6]. Lượng điện thặng dư được lưu trữ dưới dạng hydro và nó có thể được chuyển hóa trở lại thành điện năng trong trường hợp gió yếu hoặc khi tắc nghẽn lưới điện. Ngoài khả năng lưu trữ, hệ thống (WTH) còn có khả năng ứng dụng lớn trong các phương tiện vận tải hạng nhẹ như một loại nhiên liệu sạch để giảm thiểu tỷ lệ phát thải khí nhà kính đang có chiều hướng ngày càng tăng [7].

2.3. Sản xuất từ năng lượng mặt trời.

Mặt trời là nguồn năng lượng lớn nhất của hành tinh, nhưng chưa đến 0,06% nhu cầu điện toàn cầu được cung cấp bởi nguồn năng lượng này [8]. Để chấm dứt tình trạng thiếu hụt năng lượng trong tương lai và cũng góp phần làm tăng sản lượng tiêu thụ năng lượng mặt trời thì một biện pháp được đề xuất, hệ thống chuyển đổi năng lượng mặt trời thành Hydro (Solar to hydrogen system –  SHS). Tuy nhiên, trở ngại của hệ thống (SHS) là hiệu suất làm việc vẫn còn chưa tối ưu (khoảng 8 – 14% năng lượng của các tế bào quang điện được dùng để điện phân nước) và chi phí để lặp đặt hệ thống pin quang điện vẫn còn chưa phù hợp để triển khai thành các hoạt động thương mại [9].

2.4. Sản xuất từ các phương pháp sinh học

Các nguồn rác thải công-nông nghiệp, thực phẩm, nước thải và chất thải rắn đô thị vẫn đang là một mối quan tâm hàng đầu trên thế giới. Nhằm giải quyết các vấn đề về chất thải kể trên, công nghệ biohydrogen đã được áp dụng [10]. Công nghệ biohydrogen cho phép xử lý các rác thải môi trường thông qua các vi sinh vật kỵ khí như: vi khuẩn lên men, vi khuẩn kỵ khí và vi khuẩn cyano, để thu được khí hydro sinh học. Lượng Hydro được sinh ra phụ thuộc chủ yếu vào sản phẩm đầu vao và con đường lên men của vi khuẩn. Phương pháp biohydrogen được xem là thân thiện với môi trường và có thể áp dụng đối với nhiều chủng loại chất thải hữu cơ, tuy nhiên sản lượng Hydro sinh ra trong quá trình này vẫn còn hạn chế [11].

2.5. Sản xuất từ phương pháp nhiệt phân nhanh

Quá trình nhiệt phân nhanh xảy ra ở nhiệt độ cao (300 – 700oC) với hiệu suất gia nhiệt vào khoảng 10-200oC/giây) và thời gian lưu ngắn nên được ưu tiên để sản xuất Hydro [12]. Trong quá trình nhiệt phân nhanh, nguyên liệu sinh khối được làm nóng nhanh chóng trong điều kiện không có không khí (đặc biệt là Oxy) để tạo thành hơi và ngưng tụ thành chất lỏng sinh học màu nâu sẫm. Các sản phẩm của quá trình nhiệt phân nhanh bao gồm các sản phẩm khí (CH4, H2, CO, CO2 và các khí khác dựa trên bản chất hữu cơ của nguyên liệu sinh khối). Để tăng hiệu suất Hydro hóa, cơ chế phân loại sản phẩm được áp dụng vào trong quy trình để phân tách các sản phẩm ra thành hai loại: các sản phẩm tan trong nước được sử dụng sản xuất Hydro, còn các sản phẩm không tan trong nước được sử dụng để sản xuất chất kết dính [13].

2.6. Sản xuất từ phương pháp khí hóa nước siêu tới hạn (SCWG)

Ở điều kiện thường, nước không thể hòa tan các vật liệu sinh khối nên trong phương pháp này, nước sẽ được chuyển hóa thành trạng thái siêu tới hạn. Phương pháp SCWG đóng một vai trò quan trọng đối với các phản ứng hóa học trong quá trình khí hóa nhờ vào sự tăng cường khả năng phản ứng giữa các chất hữu cơ với nhau [14]. Các phân tử của nước siêu tới hạn tham gia vào các bước phản ứng cơ bản với vai trò như tác chất hoặc chất xúc tác. Nước siêu tới hạn phản ứng với sinh khối sẽ tạo thành hỗn hợp khí CO và H2 trong quá trình khí hóa [15].

III. Kết luận

Trước tình hình cả thế giới đang gánh chịu những thiệt hại to lớn từ đại dịch COVID 19, nhiệm vụ giải quyết các vấn đề về năng lượng để bảo đảm hậu phương vững chắc cho cuộc chiến chống dịch được xem là cực kỳ quan trọng và cấp thiết. Việt Nam cần phải đưa ra những quyết định phát triển phù hợp trong thời kỳ đổi mới nhằm phát triển mạng lưới hệ thống năng lượng quốc gia dựa trên những lợi thế về địa lý, đặc điểm ngành nông nghiệp phát triển và những đổi mới đúng đắn trong thời gian qua. Trên tinh thần đó, việc khơi dậy nhận thức về một nguồn nguyên liệu mới, có khả năng ứng dụng mạnh mẽ, và ít phát thải sẽ tạo ra tiền đề to lớn cho đất nước trong con đường phát triển bền vững. Những chỉ đạo đúng đắn của Đảng và Nhà Nước trong thời gian qua mà gần nhất là thông qua nghị quyết đại hội Đảng lần thứ 13 về việc vận dụng kinh tế tuần hoàn trong phát triển đất nước đã bước đầu đặt nền móng cho đưa Việt Nam trở thành một quốc gia được định hướng phát triển xanh, sạch và bền vững.

TS. TRẦN THIỆN KHÁNH

Chuyên gia cấp cao – Trưởng nhóm Kinh tế tuần hoàn năng lượng tái tạo, vật liệu

Viện nghiên cứu phát triển Kinh Tế Tuần Hoàn (ICED), Đại Học Quốc Gia, TpHCM

Lĩnh vực nghiên cứu:

• Sustainable Energy Development and Management
• Material Sciences and Engineering
• Chemical Engineering
• Wastewater Treatment

Thông tin liên hệ: https://iced.org.vn/ts-tran-thien-khanh/

Tài liệu tham khảo

[1] Hosseini SE, Andwari AM, Wahid MA, Bagheri G. A review on green energy potentials in Iran. Renew Sustain Energy Rev 2013;27:533–45.

[1] Hosseini SE, Andwari AM, Wahid MA, Bagheri G. A review on green energy potentials in Iran. Renew Sustain Energy Rev 2013;27:533–45.

[2] Hosseini SE, Wahid MA. Feasibility study of biogas production and utilization as a source of renewable energy in Malaysia. Renew Sustain Energy Rev 2013;19:454–62

[2] Hosseini SE, Wahid MA. Feasibility study of biogas production and utilization as a source of renewable energy in Malaysia. Renew Sustain Energy Rev 2013;19:454–62

[3] Balat H, Kırtay E. Hydrogen from biomass – Present scenario and future prospects. Int J Hydrogen Energy 2010;35:7416–26.

[3] Balat H, Kırtay E. Hydrogen from biomass – Present scenario and future prospects. Int J Hydrogen Energy 2010;35:7416–26.

[4] Barbaro P, Bianchini C, editors. Catalysis for Sustainable Energy Production. Weinheim, Germany: Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA; 2009.

[4] Barbaro P, Bianchini C, editors. Catalysis for Sustainable Energy Production. Weinheim, Germany: Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA; 2009.

[5] Kanan MW, Nocera DG. In situ formation of an oxygen-evolving catalyst in neutral water containing phosphate and Co2þ. Science (New York, NY) 2008;321:1072–5.

[5] Kanan MW, Nocera DG. In situ formation of an oxygen-evolving catalyst in neutral water containing phosphate and Co2þ. Science (New York, NY) 2008;321:1072–5.

[6] Denholm P, Kulcinski GL, Holloway T. Emissions and energy efficiency assessment of baseload wind energy systems. Environ Sci Technol 2005;39:1903–11.

[6] Denholm P, Kulcinski GL, Holloway T. Emissions and energy efficiency assessment of baseload wind energy systems. Environ Sci Technol 2005;39:1903–11.

[7] Wallington TJ, Grahn M, Anderson JE, Mueller SA, Williander MI, Lindgren K. Low-CO(2) electricity and hydrogen: a help or hindrance for electric and hydrogen vehicles? Environ Sci Technol 2010;44:2702–8.

[7] Wallington TJ, Grahn M, Anderson JE, Mueller SA, Williander MI, Lindgren K. Low-CO(2) electricity and hydrogen: a help or hindrance for electric and hydrogen vehicles? Environ Sci Technol 2010;44:2702–8.

[8] Zhang H, Shen PK. Advances in the high performance polymer electrolyte membranes for fuel cells. Chem Soc Rev 2012;41:2382–94.

[8] Zhang H, Shen PK. Advances in the high performance polymer electrolyte membranes for fuel cells. Chem Soc Rev 2012;41:2382–94.

[9] Kelly NA, Gibson TL, Cai M, Spearot JA, Ouwerkerk DB. Development of a renewable hydrogen economy: Optimization of existing technologies. Int J Hydrog Energy 2010;35:892–9.

[9] Kelly NA, Gibson TL, Cai M, Spearot JA, Ouwerkerk DB. Development of a renewable hydrogen economy: Optimization of existing technologies. Int J Hydrog Energy 2010;35:892–9.

[10] Wu TY, Hay JXW, Kong LB, Juan JC, Jahim JM. Recent advances in reuse of waste material as substrate to produce biohydrogen by purple non-sulfur (PNS) bacteria. Renew Sustain Energy Rev 2012;16:3117–22.

[10] Wu TY, Hay JXW, Kong LB, Juan JC, Jahim JM. Recent advances in reuse of waste material as substrate to produce biohydrogen by purple non-sulfur (PNS) bacteria. Renew Sustain Energy Rev 2012;16:3117–22.

[11] Das D. Hydrogen production by biological processes: a survey of literature. Int J Hydrog Energy 2001;26:13–28.

[11] Das D. Hydrogen production by biological processes: a survey of literature. Int J Hydrog Energy 2001;26:13–28.

[12] Bridgwater A. Renewable fuels and chemicals by thermal processing of biomass. Chem Eng J 2003;91:87–102.

[12] Bridgwater A. Renewable fuels and chemicals by thermal processing of biomass. Chem Eng J 2003;91:87–102.

[13] Bridgwater AV. Principles and practice of biomass fast pyrolysis processes for liquids. J Anal Appl Pyrolysis 1999;51:3–22.

[13] Bridgwater AV. Principles and practice of biomass fast pyrolysis processes for liquids. J Anal Appl Pyrolysis 1999;51:3–22.

[14] Minowa T, Inoue S. Hydrogen production from biomass by catalytic gasification in hot compressed water. Renew Energy 1999;16:1114–7.

[14] Minowa T, Inoue S. Hydrogen production from biomass by catalytic gasification in hot compressed water. Renew Energy 1999;16:1114–7.

[15] Ni M, Leung DYC, Leung MKH, Sumathy K. An overview of hydrogen production from biomass. Fuel Process Technol 2006;87:461–72.

[15] Ni M, Leung DYC, Leung MKH, Sumathy K. An overview of hydrogen production from biomass. Fuel Process Technol 2006;87:461–72.