Giấc mơ nền kinh tế năng lượng hydro sạch và những hiện thực trong dự luật khí hậu

Một khoản tín dụng thuế được đưa vào Đạo luật Giảm lạm phát có thể thúc đẩy ngành công nghiệp hydro sạch non trẻ và biến nó thành một ngành kinh doanh tỷ đô la trong những thập kỷ tới.

Tín dụng thuế sẽ thúc đẩy các nhà sản xuất hydro phát triển các phương pháp “xanh” hơn để tổng hợp hydro. Bên cạnh đó, đề xuất này cũng có thể thúc đẩy một loạt các công ty hoàn toàn mới tìm cách sử dụng hydro sạch để lưu trữ và vận chuyển năng lượng cũng như để thay thế cho nhiên liệu hóa thạch trong các lĩnh vực như vận tải biển, hàng không, công nghiệp nặng.

Theo Trung tâm Chính sách Năng lượng Toàn cầu tại Đại học Columbia, hiện nay, 98% hydro được sản xuất bằng việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch. Nhưng Elina Teplinsky, một luật sư, người phát ngôn của “Sáng kiến ​​Hydrogen Hạt nhân” thúc đẩy sự phát triển của ngành hydro hạt nhân, giải thích “tất cả các nhà sản xuất hydro hiện tại đều đang tìm cách sản xuất hydro sạch”,

Theo đó, dự luật này hứa hẹn đưa việc sử dụng công nghệ thu giữ và lưu trữ carbon trở nên khả thi hơn về mặt kinh tế nhằm giảm lượng khí thải carbon từ việc tạo ra hydro. Điều này cũng mở ra cánh cửa cho toàn bộ các công ty đang tìm kiếm những phương pháp sạch hơn để tạo ra hydro và sử dụng hydro thay thế cho nhiên liệu hóa thạch.

Theo một báo cáo của Hội đồng Hydrogen/McKinsey & Co, vào năm 2050, từ 60 đến 80% sản lượng hydro sẽ được cung cấp bởi năng lượng tái tạo. Dự đoán này đã được công bố trước khi dự luật thuế tín dụng đã được thông qua.

Ngày nay, hydro được sử dụng để làm gì và nó có thể chống lại biến đổi khí hậu như thế nào?

Theo Trung tâm Chính sách Năng lượng Toàn cầu, hiện nay, khoảng một nửa lượng hydro được sử dụng để phục vụ sản xuất phân bón và amoniac, phần còn lại được dùng trong các nhà máy lọc hóa dầu hoặc sản xuất. Việc khuyến khích hydro sạch ngày càng được đẩy mạnh do nhu cầu sử dụng hydro ngày càng lớn và mục tiêu khử cacbon trong các quy trình hiện tại ngày càng được đề cao.

Hydro chứa năng lượng cao và không thải ra bất kỳ khí thải carbon nào khi đốt cháy hoặc chuyển thành điện trong pin nhiên liệu. Các doanh nhân và những người ủng hộ tin rằng hydro là nguyên liệu hữu ích để khử cacbon trong một số lĩnh vực lớn của nền kinh tế như vận tải đường dài và các quy trình công nghiệp bao gồm sản xuất sắt thép, vận chuyển hàng hóa hàng hải và hàng không.

Theo báo cáo của Hội đồng Hydrogen / McKinsey, mục đích sử dụng lớn nhất đối với hydro vào năm 2050 là khả năng lưu động, bao gồm vận tải đường bộ hạng nặng, các chuyến bay tầm xa và tàu container. Trong những trường hợp này, hydro sẽ sản xuất điện thông qua pin nhiên liệu, trong đó các nguyên tử hydro và nguyên tử oxy được kết hợp trong một phản ứng điện hóa để tạo ra điện, nhiệt và nước.

Trong khi đó, các phương tiện chạy bằng pin điện hiện nay không thể đáp ứng được nhu cầu này vì pin có thể tích trữ đủ năng lượng cho những chuyến đi đường dài sẽ quá nặng và mất quá nhiều thời gian để sạc lại. Một bình chứa hydro và pin nhiên liệu sẽ có trọng lượng nhẹ hơn, chiếm ít không gian hơn và có thời gian tiếp nhiên liệu tương tự như khí đốt hoặc dầu diesel.

Hydro cũng có thể được đốt cháy để sản xuất điện trong tuabin, tương tự như khí tự nhiên. Hiện tại, có thể pha trộn tới 20% hydro với khí đốt tự nhiên trong các tuabin khí đốt tự nhiên thông thường mà không cần thực hiện bất kỳ thay đổi cơ sở hạ tầng nào. Đối với hỗn hợp hydro cao hơn hoặc hydro tinh khiết, chúng ta có thể sẽ cần điều chỉnh các tuabin và cơ sở hạ tầng. Ngoài ra, đã có những doanh nghiệp vận hành trên cơ sở hạ tầng sẵn sàng 100% hydro, nơi hydro tinh khiết có thể được đốt cháy trong tuabin để sản xuất điện.

Hiện nay, vấn đề lớn nhất của năng lượng tái tạo như gió và mặt trời là sự bất ổn định nên đòi hỏi khả năng lưu trữ tốt để đảm bảo nguồn cung cấp tin cậy. Hydro có thể là một giải pháp lưu trữ năng lượng, mang lại ý nghĩa to lớn khi năng lượng tái tạo như gió và mặt trời được tăng cường và triển khai trên khắp thế giới.

Hydro được sản xuất sạch đang được coi là chất thay thế than cốc - một phần quan trọng của quá trình sản xuất thép, một ngành công nghiệp phát thải nặng được coi là một thách thức để khử cacbon. Ngoài ra, hydro sạch sẽ cần thiết cho các quy trình công nghiệp đòi hỏi nhiệt đặc biệt cao, nhiệt độ trên 752 độ F, như các nhà máy xi măng, sản xuất thủy tinh và nấu chảy nhôm.

Hydro sạch là gì?

Hydro là nguyên tố phong phú nhất trong vũ trụ, nhưng trên Trái đất, nó chỉ tồn tại ở dạng hợp chất với các nguyên tố khác - đặc biệt với oxy là một phần của nước. Tách hydro khỏi các nguyên tử khác đòi hỏi các quy trình công nghiệp và năng lượng.

Hiện nay, theo Trung tâm Nghiên cứu Chiến lược và Quốc tế (CSIS), một tổ chức nghiên cứu chính sách phi lợi nhuận, Trung Quốc là nhà sản xuất hydro lớn nhất. CSIS cho biết trong số hydro mà Trung Quốc sản xuất, 60% được sản xuất từ ​​than đá và khoảng 25% đến từ việc sử dụng khí tự nhiên. Ngoài Trung Quốc, các nhà sản xuất hydro lớn nhất là các công ty khí công nghiệp như Linde và AirProducts.

Theo Trung tâm Năng lượng Toàn cầu, 70% hydro được sản xuất trên toàn cầu và 95% ở Hoa Kỳ được sản xuất bằng một quy trình mang tên cải tạo metan bằng hơi nước, trong đó một nguồn metan, giống như khí tự nhiên, phản ứng với hơi nước ở nhiệt độ rất cao. 22% (và 4% ở Hoa Kỳ) được thực hiện bằng quy trình mang tên khí hóa than, trong đó than phản ứng với oxy và hơi nước ở nhiệt độ nóng và áp suất cao.

Một số công ty đã thu giữ lượng khí thải carbon dioxide từ các quá trình này và trữ nó trong các bể chứa dưới lòng đất. Hydro được tạo ra theo cách này đôi khi được gọi là “hydro lam”.

Có triển vọng hơn từ góc độ khí thải, một máy điện phân có thể được sử dụng để tách phân tử nước thành hydro và oxy. Nhà máy này vận hành bằng các nguồn năng lượng táo tạo - bao gồm các nguồn không phát thải như năng lượng mặt trời hoặc gió, tạo ra thành phẩm được gọi là “hydro xanh lá”.

Ngày nay, 2% hydro được sản xuất trên toàn cầu và 1% ở Hoa Kỳ được sản xuất bằng máy điện phân.

Do phần lớn chi phí sản xuất hydro bằng điện phân là chi phí điện được sử dụng, nên việc sản xuất hydro bằng năng lượng hạt nhân và hơi nước thực sự có thể có đóng góp to lớn trong việc giảm chi phí sản xuất hydro sạch.

Chi phí sản xuất hydro bằng các phương pháp khác nhau này rất khác nhau và dao động dựa trên chi phí đầu vào, như khí tự nhiên và nguồn điện. Một báo cáo được công bố bởi tổ chức phi lợi nhuận Tài nguyên cho Tương lai vào tháng 12 năm 2020 cho biết một kg hydro được tạo ra từ quá trình chuyển hóa khí mê-tan hơi nước có giá từ 1 đến 2 đô la (bao gồm cả chi phí thu giữ một số carbon). Hydro được tạo ra bằng phương pháp điện phân được cung cấp bởi gió và mặt trời có giá dao động từ 3 đến 7 đô la một kg.

Dự luật mới giúp ích như thế nào?

Tín dụng thuế trong IRA có hiệu lực trong 10 năm và quy mô tùy thuộc vào mức độ sạch của quá trình sản xuất hydro. Nếu hydro được sản xuất mà không giải phóng bất kỳ lượng khí thải carbon nào, thì khoản tín dụng thuế tối đa là 3 đô la cho mỗi kg hydro được sản xuất. Sau đó, quy mô giảm dần theo tỷ lệ dựa trên lượng khí thải thải ra, miễn là nó ít hơn các kỹ thuật sản xuất hiện tại.

Nếu hydro được sản xuất với một số lượng khí thải carbon, nhưng ít hơn lượng được thải ra trong các kỹ thuật sản xuất hiện tại, thì khoản tín dụng thuế sẽ nhỏ hơn dần dần, tỷ lệ thuận với mức giảm phát thải.

Khoản tín dụng 3 USD / kg khiến hydro hạt nhân có tính cạnh tranh cao với hydro được sản xuất từ ​​nhiên liệu hóa thạch. Mục tiêu của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ, một trong những Sáng kiến ​​Ảnh hưởng Trái đất về Năng lượng, là giảm chi phí hydro sạch xuống 1 đô la cho mỗi kg trong một thập kỷ.

Đối với nhiều trường hợp sử dụng hydro sạch đang phát triển này, khoản tín dụng thuế được đưa vào dự luật khí hậu sẽ giúp các doanh nghiệp có cơ hội tham gia thị trường sản xuất hydro sạch mà không bị thua lỗ. Họ không cần phải dự đoán lỗ trong 5 năm tới để thâm nhập thị trường này.