Thách thức của nền kinh tế HYDRO

Một lý do khác khiến hydro có thể được coi là hấp dẫn hơn so với xăng là vì có số lượng dồi dào chứ không phải là giới hạn hữu hạn như xăng có nguồn gốc từ dầu mỏ. Tuy nhiên, có nhiều thách thức khác nhau đối với ý tưởng và tương lai của nền kinh tế hydro cả về bản chất kỹ thuật và kinh tế.

Nền kinh tế hydro ngày nay

Sản xuất hydro là một ngành công nghiệp đang phát triển và sản xuất khoảng 57 triệu tấn vào năm 2004, 11 triệu tấn trong số đó được sản xuất tại Hoa Kỳ. Trong suốt đầu những năm 2000, giá trị hàng năm của hydro được sản xuất trên toàn thế giới đã tăng lên đều đặn.

Ngày nay, hydro được sử dụng theo hai cách chính trong quy trình Haber để sản xuất amoniac, chất này cuối cùng được sử dụng để sản xuất phân bón hoặc nó được sử dụng để chuyển đổi dầu mỏ thành nhiên liệu được sử dụng phổ biến hơn, thuật ngữ này được gọi là hydrocracking.

Hydrocracking đại diện cho một lĩnh vực tăng trưởng lớn vì với giá dầu ngày càng cao và nhu cầu về dầu mỏ cũng ngày một tăng cao do vậy các công ty khai thác dầu khí buộc phải xác định vị trí, khoan và khai thác từ các nguồn ít tinh chế hơn và cần hydro. Việc sử dụng hydrocracking hiện nay ở Hoa Kỳ là khoảng 4 Mt mỗi năm. Thế giới ước tính rằng nếu Hoa Kỳ sử dụng 37,7 triệu tấn hàng năm thì điều này sẽ đủ để chuyển than trong nước sang dạng lỏng và loại bỏ sự phụ thuộc của Hoa Kỳ vào dầu mỏ nước ngoài, và với khoảng một nửa số lượng này, nó sẽ dần loại bỏ sự phụ thuộc về dầu mỏ của khu vực Trung Đông.

Hiện nay hydro trên toàn thế giới được sản xuất từ bốn nguồn chính từ than, dầu, khí tự nhiên và điện phân nước. Than chiếm khoảng 18% lượng hydro toàn cầu trong khi dầu chiếm khoảng 30%. Khí tự nhiên chiếm khoảng 48% trong khi điện phân nước chỉ cung cấp 4% sản lượng hydro toàn cầu. Trong số bốn phương pháp này, thế giới ước tính rằng một nhà máy điện sử dụng chu trình kết hợp khí tự nhiên (NGCC) tạo ra hydro hiệu quả nhất bằng cách sử dụng một lộ trình hóa học đặc biệt và kết hợp năng lượng nhiệt thải có thể sử dụng được.

Những thách thức đối với nền kinh tế hydro

Hydro với vai trò là nguồn nhiên liệu tốt hơn nhưng lại có một số trở ngại và thách thức hiện đang hạn chế khả năng tồn tại của nó trong vai trò là nguồn nhiên liệu thay thế thiết yếu và quan trọng cho nhiên liệu hóa thạch. Chúng bao gồm nhưng không giới hạn ở các vấn đề về lưu trữ hydro, yêu cầu về độ tinh khiết của hydro (khi được sử dụng trong pin nhiên liệu), cơ sở hạ tầng cần thiết, các mối quan tâm về an toàn và môi trường.

Một trong những thách thức chính đối với hydro là vấn đề lưu trữ nó. Nếu sử dụng nó làm nhiên liệu trực tiếp cho phương tiện, nó phải được lưu trữ trên tàu và phải được điều áp (trong một số trường hợp là năm hoặc mười nghìn psi) hoặc hóa lỏng để có phạm vi lái xe thích hợp. Chúng ta cũng có thể lưu trữ các hang động hydro dưới lòng đất hoặc các mỏ dầu đã cạn kiệt, điều này phần lớn đã được Imperial Chemical Industries thực hiện mà không gặp sự cố trong nhiều năm.

Một vấn đề khác với hydro là khi sử dụng nó như một phần của pin nhiên liệu, chúng ta cần hydro có độ tinh khiết cực cao ở mức lên tới 99,999%. Một trong những thách thức chính đối với nền kinh tế hydro là cơ sở hạ tầng cần thiết để phát triển nó. Các nhà khoa học đưa ra giả thuyết rằng cơ sở hạ tầng hydro sẽ bao gồm các đường ống ngầm và trạm nạp nhiên liệu cỡ công nghiệp trên khắp đất nước, tạo thành cái gọi là "Xa lộ Hydro". Những trạm không nằm gần đường ống sẽ phải nhận hydro từ xe tải và xe kéo giao hàng hoặc tự sản xuất hydro tại chỗ. Mặc dù hiện đã có một mạng lưới đường ống dẫn khí đốt tự nhiên được thiết lập tốt nhưng vẫn cần phải thực hiện các biện pháp xử lý tốn kém để có thể trang bị thêm các đường ống này để sản xuất hydro.

Ở một thành phố như Los Angeles, nơi đã có một số trạm tiếp nhiên liệu hydro, mục tiêu sẽ là cứ khoảng 5 km sẽ có một trạm và đặt chúng trên đường giữa Los Angeles và các thành phố lớn khác ở phía Tây Nam của nước Mỹ. Có thể tưởng tượng rằng chi phí cho việc này sẽ rất lớn và hiện không khả thi.

Một trong những thách thức chính đối với nền kinh tế hydro là những lo ngại về an toàn và môi trường. Hydro cực kỳ dễ cháy và nổ khi có không khí, nếu hydro rò rỉ khi có không khí sẽ dẫn đến nổ khi phát tia lửa điện hoặc bốc cháy. Điều này khiến hydro trở nên cực kỳ nguy hiểm ở những khu vực kín như đường hầm hoặc bãi đậu xe dưới lòng đất. Ngọn lửa hydro gần như không thể nhìn thấy được bằng mắt thường và hydro cũng không có mùi, điều này càng gây ra nhiều thách thức về an toàn và phát hiện ra các sự cố trong lưu trữ và vận chuyển hydro. Cũng có những lo ngại về môi trường vì công nghệ hiện tại hydro được sản xuất chủ yếu từ quá trình cải cách nhiên liệu hóa thạch. Điều này sẽ dẫn đến tỷ lệ phát thải carbon dioxide cao hơn so với việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch trực tiếp.

Ý tưởng sử dụng hydro làm nguồn nhiên liệu nhằm giảm phát thải khí nhà kính là một ý tưởng đầy tham vọng trong thế giới hiện nay. Tuy nhiên, nó không phải là không có những thách thức từ công nghệ và chi phí hiện tại liên quan đến cơ sở hạ tầng và an toàn trong sử dụng. Với sự gia tăng và nhu cầu về dầu, thị trường ngày càng cao hơn và mối quan tâm lớn hơn đến các phương tiện thay thế, rẻ hơn và an toàn hơn để sản xuất hydro và hiện nay các nhà nghiên cứu trên thế giới đang thực hiện nhiều giải pháp tối ưu để tìm ra những cách sản xuất hydro rẻ tiền và an toàn nhằm nhân rộng giấc mơ về nền kinh tế hydro cho thế giới./.

[1] S. P. S. Badwal, S. Giddey, and C. Munnings, "Hydrogen Production Via Solid Electrolytic Routes," WIREs Energy Environ. 2, 473 (2013).

 [2] U. Eberle, B. Müller, and R von Helmolt, "Fuel Cell Electric Vehicles and Hydrogen Infrastructure: Status 2012," Energy Environ. Sci. 5, 8780 (2012).

 [3] "Hydrogen Production Cost Estimate Using Biomass Gasification," U.S. National Renewable Energy Laboratory, NREL/BK-6A10-51726, October 2011.