Hydro xanh là hydro sản xuất bằng cách điện phân nước, dùng điện từ nguồn tái tạo như gió hoặc mặt trời, nên khâu sản xuất gần như không phát thải CO2. Hiện nay phần lớn hydro trên thế giới là hydro “xám”, tách từ khí tự nhiên hoặc than: đi từ khí tự nhiên phát thải khoảng 9–12 kg CO2 cho mỗi kg hydro, đi từ than còn cao hơn nhiều.
Hydro xanh đã được chứng minh về kỹ thuật — điện phân nước có từ thế kỷ 19 — nhưng còn đắt hơn hydro xám nhiều lần và tốn nhiều điện. Vì vậy câu hỏi quan trọng không phải “hydro có tương lai không” mà là dùng hydro xanh vào đâu cho hợp lý: những ngành khó điện khí hoá trực tiếp như phân bón, lọc dầu, thép, nhiên liệu tàu biển, thay vì ô tô con hay sưởi ấm nhà ở.
Bảng màu hydro và vì sao nên đo bằng cường độ phát thải
Các “màu” hydro là cách gọi phổ biến nhưng không chính thức để chỉ nguồn gốc sản xuất.
| Tên gọi | Cách sản xuất | Phát thải |
|---|---|---|
| Xám | Reforming hơi nước khí tự nhiên, tách hydro từ methane | Cao; CO2 thải trực tiếp |
| Nâu, đen | Khí hoá than | Rất cao |
| Lam | Như hydro xám nhưng thu giữ và lưu trữ một phần CO2 | Phụ thuộc tỷ lệ thu giữ và lượng methane rò rỉ ở khâu khai thác khí |
| Xanh | Điện phân nước bằng điện tái tạo | Gần bằng không ở khâu sản xuất; còn phát thải gián tiếp từ chế tạo thiết bị |
| Hồng | Điện phân bằng điện hạt nhân | Thấp |
| Trắng (tự nhiên) | Hydro có sẵn trong lòng đất | Thấp; trữ lượng khai thác được còn đang thăm dò |
Vấn đề của bảng màu là nó mô tả công nghệ chứ không mô tả kết quả. Hydro lam thu giữ 50% CO2 khác hẳn loại thu giữ 95%; hydro gọi là xanh nhưng lấy điện từ lưới nhiều than thì chưa chắc sạch. Vì vậy các tiêu chuẩn mới có xu hướng định nghĩa theo cường độ phát thải trên vòng đời, tính bằng kg CO2 tương đương trên mỗi kg hydro, kèm yêu cầu về thời điểm và địa điểm của nguồn điện tái tạo. Lưu ý thêm: chữ viết tắt SMR trong ngành hydro chỉ quy trình reforming hơi nước methane, không phải lò phản ứng mô-đun nhỏ.
Điện phân nước: vật lý và giới hạn hiệu suất
Điện phân tách nước thành hydro và oxy bằng dòng điện một chiều. Về nhiệt động học, mỗi kg hydro cần tối thiểu khoảng 39,4 kWh nếu tính theo nhiệt trị cao (HHV), hay khoảng 33,3 kWh theo nhiệt trị thấp (LHV). Máy điện phân thương mại hiện tiêu thụ khoảng 50–55 kWh mỗi kg tính cả hệ thống phụ trợ, tức hiệu suất khoảng 60–80% tuỳ cách tính. Đây là giới hạn vật lý: không cải tiến nào đưa mức tiêu thụ xuống dưới mức tối thiểu nhiệt động.
Nước cũng là đầu vào: theo tỷ lượng hoá học, mỗi kg hydro cần khoảng 9 kg nước tinh khiết, thực tế cao hơn khi tính khâu xử lý. Ở vùng ven biển, khử muối nước biển trước khi điện phân chỉ tốn một phần rất nhỏ năng lượng so với chính quá trình điện phân, nên nước thường không phải rào cản chính, dù vẫn cần tính tới ở vùng khô hạn.
Hệ quả là chi phí hydro xanh bị chi phối bởi hai yếu tố: giá điện và số giờ vận hành của máy điện phân. Ví dụ giả định: điện giá 50 USD mỗi MWh và máy tiêu thụ 52 kWh mỗi kg thì riêng tiền điện đã khoảng 2,6 USD mỗi kg hydro, chưa tính khấu hao thiết bị. Nếu máy chỉ chạy khi có nắng, chừng một phần năm thời gian trong năm, chi phí thiết bị chia cho lượng hydro ít ỏi sẽ đội lên rất nhiều. Vì thế dự án hydro xanh tốt nhất thường ở nơi vừa có gió vừa có nắng, cho số giờ vận hành cao.
Bốn công nghệ điện phân
Điện phân kiềm. Công nghệ lâu đời nhất, dùng dung dịch kali hydroxide, được dùng ở quy mô công nghiệp từ đầu thế kỷ 20, chẳng hạn để sản xuất phân bón cạnh các nhà máy thuỷ điện ở Na Uy. Thiết bị rẻ, không cần kim loại quý, nhưng đáp ứng chậm hơn khi công suất điện dao động.
Màng trao đổi proton (PEM). Dùng màng polymer dẫn proton, mật độ dòng cao, đáp ứng nhanh với điện gió và mặt trời biến động. Điểm yếu là cần xúc tác iridi và platin; iridi thuộc nhóm kim loại hiếm nhất trong vỏ Trái Đất, sản lượng toàn cầu chỉ vài tấn mỗi năm, nên giảm lượng iridi là hướng nghiên cứu lớn.
Điện phân oxit rắn (SOEC). Vận hành ở khoảng 700–850°C, lấy một phần năng lượng dưới dạng nhiệt nên tiêu thụ điện ít hơn, đặc biệt khi có nhiệt thải công nghiệp hoặc nhiệt từ lò hạt nhân. Vật liệu xuống cấp nhanh ở nhiệt độ cao, quy mô thương mại còn nhỏ.
Màng trao đổi anion (AEM). Kết hợp ưu điểm của kiềm (không cần kim loại quý) và PEM (màng mỏng, mật độ dòng cao). Độ bền màng còn là vấn đề; công nghệ đang ở giai đoạn thương mại hoá sớm.
Chiếc thang hydro: dùng ở đâu cho đáng
Năm 2021, nhà phân tích năng lượng Michael Liebreich đưa ra “chiếc thang hydro”, xếp các ứng dụng theo mức độ mà hydro sạch là lựa chọn không thể thiếu hay chỉ là một trong nhiều lựa chọn. Bảng dưới tóm tắt logic đó theo nhóm.
| Nhóm | Ứng dụng | Lý do |
|---|---|---|
| Gần như không có lựa chọn thay thế | Phân bón amoniac, lọc dầu, methanol, hydro hoá trong hoá chất | Hydro vốn đã là nguyên liệu; chỉ cần thay hydro xám bằng hydro sạch |
| Có triển vọng lớn | Luyện thép bằng hoàn nguyên trực tiếp, nhiên liệu tàu biển dạng amoniac hoặc methanol, lưu trữ năng lượng dài ngày | Khó điện khí hoá trực tiếp hoặc cần năng lượng dự trữ theo mùa |
| Cạnh tranh, chưa rõ | Xe tải đường dài, nhiệt độ cao trong công nghiệp, nhiên liệu tổng hợp cho hàng không | Pin và điện trực tiếp đang cạnh tranh mạnh; kết quả tuỳ tiến bộ công nghệ |
| Khó cạnh tranh | Ô tô con, xe buýt đô thị, sưởi ấm nhà ở, xe máy | Điện trực tiếp và pin hiệu quả hơn nhiều lần trên mỗi kWh điện ban đầu |
Lý do cốt lõi là hiệu suất chuỗi. Đi từ điện sang hydro, nén, vận chuyển rồi chuyển lại thành điện bằng pin nhiên liệu, chỉ còn khoảng 30–40% năng lượng ban đầu ở điểm sử dụng, trong khi sạc pin rồi chạy động cơ điện giữ lại khoảng 70–90%. Với ô tô con, điều đó có nghĩa là cần lượng điện tái tạo gấp hai đến ba lần để đi cùng quãng đường. Phép so sánh này đến từ vật lý chứ không từ giá, nên không biến mất khi thiết bị rẻ đi.
Lưu trữ và vận chuyển: phân tử nhỏ, vấn đề lớn
Hydro có năng lượng trên mỗi kg rất cao nhưng năng lượng trên mỗi lít rất thấp ở điều kiện thường. Mọi cách lưu trữ đều tốn năng lượng hoặc chi phí:
- Khí nén: ô tô pin nhiên liệu chứa hydro ở 700 bar trong bình composite sợi carbon; nén lên mức đó tiêu tốn cỡ 10% năng lượng của hydro hoặc hơn.
- Hoá lỏng: hydro hoá lỏng ở khoảng −253°C; quá trình hoá lỏng tiêu tốn cỡ 30% năng lượng chứa trong hydro, và hydro lỏng bay hơi dần trong bồn.
- Chất mang hoá học: chuyển hydro thành amoniac, methanol hoặc chất mang hữu cơ lỏng để vận chuyển dễ hơn rồi tách lại ở nơi dùng; mỗi bước chuyển đổi mất năng lượng. Amoniac độc, cần quy trình an toàn chặt.
- Đường ống: hydro gây giòn một số loại thép, và phân tử nhỏ dễ rò qua mối nối; chuyển đường ống khí tự nhiên sang hydro cần đánh giá vật liệu từng đoạn.
- Hang muối ngầm: cách lưu trữ quy mô lớn rẻ nhất, đã dùng ở Anh và Mỹ, nhưng phụ thuộc địa chất.
- Rò rỉ không vô hại: hydro thoát vào khí quyển kéo dài thời gian tồn tại của methane, nên được xem là khí nhà kính gián tiếp; rò rỉ trên chuỗi cung ứng cần được kiểm soát.
Hệ quả thực tế: hydro xanh hợp lý nhất khi được sản xuất gần nơi sử dụng, như cạnh nhà máy phân bón hay trong khu công nghiệp, thay vì chở đường dài dưới dạng hydro tinh khiết.
Những dự án cho thấy hydro xanh đã làm được gì
Ngành thép là ví dụ rõ nhất về một ứng dụng mà hydro có lý do tồn tại. Lò cao truyền thống dùng than cốc vừa làm nhiên liệu vừa làm chất khử để tách oxy khỏi quặng sắt, phát thải khoảng hai tấn CO2 cho mỗi tấn thép. Hoàn nguyên trực tiếp bằng hydro thì tạo ra sắt xốp và hơi nước. Dự án HYBRIT ở Thuỵ Điển, hợp tác giữa công ty thép SSAB, công ty khai thác quặng LKAB và công ty điện Vattenfall, giao lô thép đầu tiên làm từ sắt hoàn nguyên bằng hydro cho khách hàng năm 2021. Từ thử nghiệm tới quy mô hàng triệu tấn vẫn cần đầu tư lớn và nguồn điện sạch rẻ, ổn định.
Ngành phân bón là thị trường lớn sẵn có: tổng hợp amoniac theo quy trình Haber–Bosch, phát triển trong những năm 1910, tiêu thụ phần lớn hydro thế giới. Thay hydro xám bằng hydro xanh không đòi hỏi đổi quy trình tổng hợp, chỉ đổi nguồn hydro, nên đây là thị trường đầu tiên hợp lý. Rào cản là giá: không có trợ giá hay giá carbon, hydro xanh hiện đắt hơn hydro xám nhiều lần ở hầu hết thị trường.
Ở chiều ngược lại, nhiều dự án quảng bá quy mô gigawatt đã bị hoãn hoặc huỷ trong vài năm gần đây khi chi phí máy điện phân, lãi suất và giá điện cao hơn dự kiến, và khách hàng không cam kết mua với giá cao. Đây là dấu hiệu thị trường điều chỉnh kỳ vọng sau giai đoạn hào hứng, không có nghĩa hydro xanh hết tương lai.
Hydro xanh ở Việt Nam: lợi thế và câu hỏi
Việt Nam có tiềm năng điện gió ngoài khơi và điện mặt trời đáng kể ở miền Trung và Nam Trung Bộ, cùng nhu cầu hydro sẵn có từ các nhà máy phân đạm và lọc hoá dầu. Đầu năm 2024, Chính phủ phê duyệt Chiến lược phát triển năng lượng hydro đến năm 2030, tầm nhìn đến năm 2050, đặt mục tiêu phát triển sản xuất hydro từ năng lượng tái tạo. Các mục tiêu sản lượng và cơ chế cụ thể cần đối chiếu văn bản chính thức hiện hành.
Câu hỏi thiết thực cho doanh nghiệp và nhà hoạch định là thứ tự ưu tiên. Hướng có logic kinh tế mạnh nhất là thay dần hydro xám trong sản xuất phân đạm và lọc dầu bằng hydro sạch gắn với nguồn điện tái tạo tại chỗ; sau đó là amoniac xanh cho xuất khẩu hoặc nhiên liệu tàu biển nếu thị trường quốc tế hình thành. Dùng hydro cho xe máy hay ô tô con, vốn là thị trường lớn ở Việt Nam, khó cạnh tranh với xe điện dùng pin vì lý do hiệu suất chuỗi đã nêu.
Rào cản là điện tái tạo phải vừa rẻ vừa ổn định: nếu điện cho máy điện phân lấy từ lưới còn nhiều nhiệt điện than, hydro làm ra có thể phát thải cao hơn cả hydro xám. Ngoài ra, điện tái tạo dành cho hydro cũng cạnh tranh với nhu cầu điện khí hoá trực tiếp khác. Đầu tư hydro hợp lý khi đi kèm nguồn điện sạch mới, không lấy bớt từ lưới.
Câu hỏi thường gặp
Hydro có nguy hiểm hơn xăng không?
Hydro có giới hạn cháy rộng, năng lượng kích cháy rất thấp, ngọn lửa gần như không thấy dưới ánh sáng ban ngày, và dễ rò qua khe nhỏ. Bù lại, hydro rất nhẹ nên khi rò ra ngoài trời sẽ bốc lên và phân tán nhanh, không đọng thành vũng như xăng. Mức nguy hiểm phụ thuộc thiết kế, thông gió và cảm biến; ngành hoá chất đã xử lý hydro an toàn hàng chục năm theo tiêu chuẩn chặt.
Pin nhiên liệu hydro hoạt động thế nào?
Pin nhiên liệu đảo ngược điện phân: hydro ở anode tách thành proton và electron; proton đi qua màng, electron đi qua mạch ngoài tạo dòng điện, rồi gặp oxy ở cathode tạo thành nước. Hiệu suất chuyển hoá thường khoảng 40–60%. Pin nhiên liệu không sạc mà nạp hydro, hợp với ứng dụng cần vận hành liên tục dài hoặc nạp nhanh, nhưng chi phí và hạ tầng nạp vẫn là trở ngại.
Hydro tự nhiên có thể thay hydro xanh không?
Hydro tự nhiên hình thành trong lòng đất qua các phản ứng địa hoá như serpentin hoá đá giàu sắt. Một giếng ở Mali được biết đến vì cung cấp hydro gần như tinh khiết cho một ngôi làng, và nhiều nước đang thăm dò. Tuy nhiên trữ lượng khai thác được về mặt kinh tế còn chưa rõ; lĩnh vực này đang ở giai đoạn thăm dò, chưa đủ cơ sở để tính vào kế hoạch cung ứng.
Có thể trộn hydro vào lưới khí đốt hiện có không?
Có thể trộn một tỷ lệ nhỏ, thường dưới 20% theo thể tích, mà không phải thay nhiều thiết bị, và một số dự án thử nghiệm đã làm. Nhưng hydro có nhiệt trị theo thể tích chỉ khoảng một phần ba methane, nên trộn 20% thể tích chỉ giảm phát thải khoảng 6–7%. Nhiều phân tích cho rằng đây không phải cách dùng hydro sạch hiệu quả.
Vì sao giá máy điện phân chưa giảm nhanh như pin mặt trời?
Máy điện phân có nhiều thành phần chế tạo theo đơn hàng, sản lượng tích luỹ còn nhỏ, và chi phí lắp đặt, phụ trợ chiếm phần lớn tổng vốn. Theo quy luật Wright, giá giảm theo sản lượng tích luỹ; khi sản lượng chưa tăng gấp đôi nhiều lần thì chưa thể kỳ vọng giảm sâu. Một số khoản như nhà xưởng, máy nén và xử lý nước cũng ít chịu tác động của học hỏi.
Amoniac xanh làm nhiên liệu tàu biển có vấn đề gì?
Amoniac không chứa carbon nên đốt không thải CO2, và dễ hoá lỏng hơn hydro. Nhưng nó độc với người và sinh vật biển, khó cháy, và quá trình đốt có thể sinh oxit nitơ cùng N2O, một khí nhà kính mạnh, nếu không kiểm soát. Động cơ tàu chạy amoniac đang ở giai đoạn trình diễn, và quy tắc an toàn quốc tế vẫn đang được xây dựng.