Năng lượng Nhật Bản [Kỳ 33]: Vai trò của hydro trong xã hội không có carbon

Cho đến nay, nhiên liệu hóa thạch là nguồn năng lượng chính được dùng trực tiếp, hoặc tinh luyện để làm nhiên liệu phát điện, nhiệt và nhiên liệu cho động cơ. Còn với năng lượng sạch như: Điện hạt nhân, hoặc năng lượng tái tạo thì sản phẩm tạo ra chủ yếu là điện. Tuy nhiên, điện không thể được lưu trữ nếu không có các thiết bị như pin lưu trữ, thủy điện tích năng. Các nhiên liệu tạo ra nguồn nhiệt có nhiệt độ cao là không thể thiếu trong các ngành sản xuất như luyện thép. Hơn nữa, rất khó để thay thế tất cả năng lượng tiêu thụ thông thường bằng điện. Từ đây đã xuất hiện vai trò của hydro - một chất mang nguồn năng lượng.

Hydro khi đốt cháy chỉ tạo ra nước và có ưu điểm là nhiệt lượng lớn trên khối lượng. Nhưng nó rất dễ cháy và bị hấp thụ bởi các vật liệu kim loại nên dễ gây ra hiện tượng giòn hóa (nứt vỡ) hydro, vì vậy cần phải rất cẩn trọng khi lưu giữ, vận chuyển và sử dụng.

Nhu cầu hydro tại Nhật Bản hiện nay vào khoảng 15 tỷ Nm3 (1,34 triệu tấn/năm) chủ yếu trong ngành sản xuất như ngành thép và dầu khí, nhưng hầu như chưa sử dụng cho các ngành liên quan đến năng lượng. Điều này một phần là do tính kinh tế. Trong tương lai, ngoài điện năng thì có khả năng cao là ngành sản xuất và ngành giao thông vận tải cũng sẽ chuyển sang dùng năng lượng sạch như hydro để đạt trung hòa carbon vào năm 2050. Do đó, hydro có vai trò chiến lược trên thế giới.

Theo Bộ Kinh tế, Thương mại và Công nghiệp Nhật Bản: Trong tương lai, hydro sẽ được sử dụng chủ yếu trong các lĩnh vực:

(1) Sản xuất điện: Sản xuất nhiệt điện với mức carbon thấp bằng cách phát điện hydro và lưu trữ điện cần thiết khi tăng tỷ lệ năng lượng tái tạo.

(2) Giao thông vận tải: Thay thế dần nhiên liệu cho ô tô chở khách và xe chở hàng đang chiếm phần lớn (85%) lượng khí thải CO2 trong giao thông vận tải.

(3) Thay thế nhiên liệu hóa thạch trong sản xuất nhiệt và trong quá trình sản xuất ở các lĩnh vực công nghiệp (thép, lọc dầu, v.v...).

Do đó, dự đoán nhu cầu hydro sẽ tăng cao.

Theo "Chiến lược tăng trưởng xanh cùng với trung hòa carbon vào năm 2050" của Chính phủ, Nhật Bản đặt mục tiêu sẽ cung cấp khoảng 20 triệu tấn hydro vào năm 2050. Con số này gấp khoảng 15 lần so với mức cung cấp hiện tại là 1,34 triệu tấn. Để xây dựng một hệ thống sản xuất hydro quy mô lớn như vậy trong điều kiện không thải carbon thì cần phải chuẩn bị đầu tư khối lượng trang thiết bị khổng lồ.

Hiện tại, hydro sản xuất trong nước một phần là sản phẩm phụ từ các nhà máy thép, nhà máy lọc dầu và một phần lớn từ phương pháp chuyển hóa hơi nước bằng cách cho nhiên liệu hóa thạch phản ứng với hơi nước ở nhiệt độ cao. Tuy nhiên, sản phẩm hydro này được gọi là hydro xám vì sử dụng nhiên liệu hóa thạch làm nguyên liệu thô và thải ra CO2 trong quá trình sản xuất.

Mặt khác, để trung hòa carbon vào năm 2050 thì yêu cầu hydro sạch không thải ra CO2 trong quá trình sản xuất. Phương pháp này bao gồm phương pháp điện phân, trong đó dòng điện được truyền qua dung dịch kiềm để tạo ra hydro, phương pháp nhiệt phân trong đó hydro được tạo ra ở nhiệt độ cao (900 độ C) bằng cách kết hợp phản ứng hóa học giữa iốt (I) và lưu huỳnh (S). Ngoài ra, còn có phương pháp sử dụng chất xúc tác quang học để tách hydro từ nước.

Về chi phí sản xuất, hydro dưới dạng sản phẩm phụ của các nhà máy thép và nhà máy hóa chất hiện có giá từ 20 - 30 Yên/Nm3, bằng phương pháp chuyển hóa hơi nước của nhiên liệu hóa thạch có giá từ 31 - 58 Yên/Nm3, còn bằng phương pháp có nguồn gốc từ nhiên liệu hóa thạch có giá từ 20 - 60 Yên/Nm3.

Mặt khác, trong phương pháp điện phân, không chỉ chi phí điện mà chi phí thiết bị cũng chiếm tỷ trọng lớn, hydro có giá 84 Yên/Nm3 cho sử dụng điện lưới, có giá 76 - 136 Yên/Nm3 nếu sử dụng năng lượng tái tạo không ổn định như điện gió, hoặc điện mặt trời. Chi phí này đắt hơn từ hai đến ba lần so với chi phí của phương pháp chuyển hóa nhiên liệu hóa thạch thông thường.

Với phương pháp nhiệt phân sử dụng nguồn nhiệt nhiệt độ cao, theo đánh giá của Cơ quan Năng lượng Nguyên tử Nhật Bản (JAEA): Đây là phương pháp nhiệt phân sử dụng quá trình IS (Iốt và lưu huỳnh) trong "lò phản ứng khí nhiệt độ cao" có giá 25 Yên/Nm3, so với phương pháp chuyển hóa hơi nước của nhiên liệu hóa thạch thì giá hydro rẻ hơn nên có thể dùng để sản xuất hydro mà không thải carbon.

Hiện tại, Tập đoàn Mitsubishi đã bắt đầu phát triển công nghệ gọi là “điện phân hơi nước nhiệt độ cao (SOEC)”. Điện phân hơi nước nhiệt độ cao là một loại điện phân nước có thể tạo ra hydro thông qua phân tách nước mà không thải CO2 trong quá trình sản xuất. Trong quá trình điện phân nước, nhiệt độ càng cao thì hiệu suất thu hydro về càng lớn. Nhiệt độ hơi nước được tạo ra từ lò phản ứng hạt nhân "lò phản ứng làm mát bằng khí nhiệt độ cao (HTGR)" là 950 độ C, cao hơn nhiều so với đầu ra lò phản ứng hạt nhân thông thường. Với nhiệt độ cao này, công suất sản xuất hydro khi chạy 1 tổ máy của lò phản ứng khí nhiệt độ cao là 25 tấn/giờ, cao gấp 100 lần so với các lò phản ứng hiện có. Nghiên cứu đặt ra mục tiêu chi phí sản xuất là 30 Yên/Nm3 vào năm 2030.

Gần đây, các công ty châu Âu đã bắt đầu chuyển sang sản xuất hydro từ năng lượng tái tạo. Điều này là do chi phí sản xuất có thể được giảm xuống vì có nhiều địa điểm thuận lợi cho điện mặt trời và điện gió. Tuy nhiên, năng lượng tái tạo là nguồn điện phụ thuộc vào điều kiện thời tiết. Như điện mặt trời thì cần diện tích rộng lớn. Châu Âu cũng đang xem xét phương án sản xuất và nhập khẩu hydro từ Úc, nhưng bất lợi về chi phí vì nó đòi hỏi các quy trình hóa lỏng, vận chuyển và lưu trữ hydro.

Ngoài ra, ở Nhật Bản rất khó để sản xuất ổn định hydro với khối lượng lớn bằng phương pháp điện phân sử dụng điện từ năng lượng tái tạo, việc phụ thuộc vào mạng lưới cung cấp từ bên ngoài cũng là rủi ro an ninh.

Trong bối cảnh này, sản xuất hydro bằng lò phản ứng hạt nhân làm mát bằng khí nhiệt độ cao có thể có tiềm năng trong tương lai./.

(Đón đọc kỳ tới...)

NGUYỄN HOÀNG YẾN (TỔNG HỢP, BIÊN DỊCH)