Vận hội tít trùng khơi của nhiên liệu hydro

Giữa một ngày tháng 6 nắng oi, một chiếc tàu đậm đặc màu phim viễn tưởng cập cảng Sài Gòn - tương phản rõ rệt với nhà hàng nổi hình con cá mập "một ngàn chín trăm hồi đó" đang đậu sát bên. Với 2 thân nổi nằm song song, được nối liền bởi một boong tàu duy nhất và 2 bộ cánh dài hình chữ nhật hướng thẳng lên trời, nó trông giống một món đồ chơi khổng lồ (và đắt tiền), hơn là một chiếc thuyền.

Hơn 200m² tấm quang năng phủ khắp con tàu, hắt hơi nóng lên toàn bộ thân thể người viết suốt chuyến tham quan. Nhưng Energy Observer (EO) không phải là tàu quang điện, mà nổi tiếng đó đây với danh hiệu "con tàu hydro đầu tiên không phát thải". Vòng quanh thế giới từ năm 2017, EO muốn chứng minh rằng việc sử dụng rộng rãi nhiên liệu hydro - mảnh ghép của "một tương lai khác cho năng lượng" - là khả dĩ.

Từ khóa ở đây là "sử dụng rộng rãi". Ý tưởng về nhiên liệu hydro đã xuất hiện từ đầu thế kỷ 19, nhưng sau 200 năm, hydro vẫn đóng một vai trò không đáng kể trong kỷ nguyên năng lượng sạch. Thế giới vẫn đang tìm cách cân bằng các ưu, nhược điểm của nhiên liệu hoàn toàn vắng bóng carbon này.

Tàu EO tận dụng tối đa mọi chỗ có thể đặt tấm quang năng. Ảnh: Energy Observer Production/Mélanie De Groot Van Embden

Sắc màu hydro

Hydro là nguyên tố hóa học phong phú nhất vũ trụ, nhưng trên Trái đất, nó rất hiếm khi tồn tại ở dạng tinh khiết. Vì vậy, muốn sử dụng khí H₂, trước tiên chúng ta phải tách hydro khỏi các hợp chất, tức là cần có nguyên liệu đầu vào và sẽ tiêu tốn năng lượng.

Ứng viên số 1 chính là nước (H₂O). Nếu ta sử dụng 100% năng lượng tái tạo để điện phân nước thành hydro và oxy, ta sẽ có nguồn hydro sạch, được đặt tên là "hydro xanh lá", vì cả quá trình không phát thải khí nhà kính. Khi đó, H₂ có thể được đốt cháy để giải phóng năng lượng (tương tự dầu hỏa hay khí đốt), hoặc được đưa qua pin nhiên liệu để tạo ra dòng điện. Dù chọn cách nào, chất thải duy nhất chỉ là hơi nước vô hại.

Tuy nhiên, giống như nhiều công nghệ sạch khác, giải pháp hydro cũng có những sắc thái phức tạp, đặc biệt là khi bàn đến mức độ "sạch" của nó. Một nhược điểm lớn của hydro xanh là chi phí sản xuất cao. Trên thực tế, chưa đến 0,1% sản lượng hydro chuyên dụng trên toàn cầu thuộc nhóm "xanh lá", theo báo cáo The Future of Hydrogen của Cơ quan Năng lượng quốc tế (IEA) vào tháng 6-2019.

Ngược với hydro xanh, "hydro xám" là bẩn nhất vì xuất thân từ nhiên liệu hóa thạch. Thật không may, nó cũng là loại hydro phổ biến nhất và rẻ nhất hiện nay, thải ra 830 triệu tấn CO₂ mỗi năm, bằng tổng dấu chân carbon của Anh và Indonesia cộng lại.

Gần đây, các tiến bộ công nghệ và tình trạng tăng giá của nhiên liệu hóa thạch đã giúp tăng tính cạnh tranh cho hydro xanh. Trong Hydrogen Forecast to 2050, dự báo mới nhất về hydro đến năm 2050, công ty kiểm nghiệm và tư vấn năng lượng DNV cho biết: đến 2050, 72% khí hydro và các dẫn xuất mang năng lượng của nó sẽ được sản xuất dựa vào điện.

Đồ họa: VOX

Một cách làm khả dĩ

Ngay cả với cách sản xuất "xanh lá", nhiên liệu hydro vẫn đắt và kém hiệu quả khi so với việc sử dụng điện trực tiếp. Nguyên nhân là vì quá trình tạo ra H2 thường "nuốt" nhiều năng lượng đầu vào hơn lượng năng lượng đầu ra mà ta sử dụng được (tương tự sự thất thoát của pin xe điện: lượng điện xả ra ít hơn lượng điện sạc vào).

Dùng nhiều điện để tạo ra ít điện hơn, như vậy có nên xem hydro là giải pháp cuối cùng? Tuổi Trẻ Cuối Tuần đặt câu hỏi đó với các thuyền viên EO. Kỹ sư Luc Bourserie nói: "Chúng tôi sản xuất hydro với lượng điện dư thừa khi đã sạc đầy pin. Phần điện dư thừa này dù sao bạn cũng không sử dụng, nên bạn chẳng bận tâm".

Loại pin mà Bourserie nhắc đến là pin Li-Ion, dùng để dự trữ 100 KWh điện mặt trời trong ngắn hạn. Khi pin đã đầy mà ánh sáng mặt trời vẫn còn dồi dào, tàu sẽ chuyển sang điện phân H2O trong nước biển để thu về H₂, được dự trữ dài hạn ở dạng khí nén trong 8 bình chứa. Tổng cộng 62kg khí hydro, khi chạy qua pin nhiên liệu của Hãng Toyota, có thể cung cấp đến 1 MWh điện năng (gấp 10 lần pin Li-Ion) để tàu duy trì hoạt động vào ban đêm hay những ngày không nắng, cùng lúc đó là 1 MWh nhiệt năng cho sưởi ấm và nước nóng.

Nói cách khác, tuy không thể "tắt nắng đi" hay "buộc gió lại" như Xuân Diệu, tàu EO có thể để dành một lượng lớn năng lượng tái tạo dưới dạng nhiên liệu hydro. Vì thế, hydro và các dẫn xuất của nó, bao gồm amoniac (NH₃), có thể trở thành nguồn nhiên liệu sạch cho lĩnh vực vận tải biển, nơi mà việc sử dụng điện trực tiếp là không khả thi. (2 lĩnh vực tiềm năng khác là hàng không và các quy trình công nghiệp cần nhiệt độ cao như luyện kim).

(Trái) Bình dự trữ khí hydro nén trên tàu EO. Ảnh: Lê My

Duyên nợ mới của ngành hàng hải?

Ngày nay, 80% hàng hóa của chúng ta, xét về khối lượng, được vận chuyển bằng đường biển, từ quần áo, ôtô đến thực phẩm. Nhằm trình diễn một giải pháp cắt giảm CO2 trong giao thông hàng hải, ý tưởng "tàu chở hàng không phát thải" Energy Observer 2 đã được trình làng hồi tháng 2-2022.

Khác với mô hình đầu tiên dùng hydro dạng khí, EO2 sử dụng hydro lỏng, cũng được sản xuất từ năng lượng tái tạo. Xét về năng lượng, mỗi ký hydro lỏng tương đương với 3kg dầu. Các bình chứa của EO2 có thể dự trữ tới 70 tấn hydro lỏng (1.000m3).

Thế nhưng, việc ứng dụng nhiên liệu hydro ở quy mô tàu chở hàng làm lộ ra 2 nhược điểm khác. Đầu tiên là rảo cản về kho chứa, bởi vì 1kg hydro lỏng chiếm nhiều không gian hơn 1kg diesel tàu biển (khoảng 4,3 lần). Mà không gian đối với các tàu chở hàng chính là tiền.

Nhưng thách thức lớn hơn cả là phải giữ hydro lỏng ở âm 253oC, đồng thời ra sức bảo vệ các bộ phận của tàu khỏi hỏng hóc. Để "cảm" được độ khó của bài toán, ta cần biết rằng độ không tuyệt đối - nhiệt độ lạnh nhất có thể là âm 273,15^oC.

Nhưng có một số tin tức rất khả quan. Tháng 3-2022, Reuters đưa tin một dự án trị giá 364 triệu USD do chính phủ Úc và Nhật hợp tác đã chứng minh việc dùng tàu chở khí hydro hóa lỏng (như tàu chở dầu) là khả thi về mặt kỹ thuật. Con tàu Suiso Frontier của Hãng Kawasaki Heavy Industries rời Victoria vào ngày 25-1, mang theo 75 tấn hydro lỏng tạo ra từ than nâu của Úc, và cập cảng Kobe một tháng sau đó. Chỗ hàng - được duy trì ở âm 253oC suốt hải trình - được dỡ thành công vào cuối tháng 2. 

"Các khâu từ sản xuất và vận chuyển đến vận tải và lưu trữ được minh họa trong dự án này cho thấy đã có nền tảng công nghệ cho việc sử dụng hydro trong tương lai như một nguồn năng lượng giống như khí thiên nhiên hóa lỏng (LNG)" - Motohiko Nishimura, giám đốc điều hành của Kawasaki Heavy Industries, tuyên bố với báo giới.

Tàu chở Amoniac.

Bên cạnh đó, các ngành công nghiệp cũng lạc quan về việc sử dụng amoniac - một hợp chất của hydro và nitơ - làm loại nhiên liệu không hoặc ít phát thải. Mặc dù không hề thơm tho và khá độc hại, NH3 rất dễ hóa lỏng, vốn đã được vận chuyển ngang dọc các đại dương với quy mô lớn, và có mật độ năng lượng gần gấp đôi hydro lỏng.

Theo DNV, nhìn chung "hydro có khả năng chỉ đáp ứng 5% nhu cầu năng lượng toàn cầu vào năm 2050", tức chỉ bằng 1/3 so với mức cần thiết. Rõ ràng là thế giới cần có các chính sách mạnh mẽ hơn để thúc đẩy nhiên liệu hydro đáp ứng các mục tiêu của Thỏa thuận Paris về biến đổi khí hậu.

Đồng thời, bản thân việc sản xuất hydro phải 100% xanh sạch, trước khi nó có thể góp sức loại bỏ carbon khỏi hệ thống năng lượng. Bất kỳ ai tìm ra cách sản xuất hydro sạch hơn, ở quy mô lớn hơn và chi phí thấp hơn có thể sẽ dẫn đầu trong cuộc đua năng lượng tái tạo toàn cầu.■