Hydrogen – “nguồn năng lượng” lấp đầy mạng lưới năng lượng tái tạo

Mối quan hệ giữa hydro (H2) và năng lượng kéo dài hàng thế kỷ, qua các giai đoạn phát triển từ việc cung cấp năng lượng cho các động cơ đốt cháy đầu tiên trở thành một phần quan trọng của ngành công nghiệp lọc dầu hiện đại. Theo đó, H2 cũng là nguyên tố phong phú nhất của trái đất. Với đặc tính khí đốt sạch, nhẹ, nhiều năng lượng, hydro được xem là mắt xích còn thiếu trong hành trình duy trì sự ổn định và liên tục trong các lưới năng lượng sử dụng 100% năng lượng tái tạo.

Những thách thức về hydro

Một trong những thách thức lớn nhất khi nói đến các nguồn năng lượng tái tạo, như năng lượng mặt trời và gió, là tính bất ổn định, không thể đoán trước. Do tính bất ổn định này của đa phần các nguồn năng lượng tái tạo, nhiều người cho rằng năng lượng tái tạo không thể trở thành một lưới điện đáng tin cậy.

Năm 2000, khi California trải qua tình trạng mất điện trên diện rộng, các chuyên gia cho biết đó là do tính chất “không ổn định” của năng lượng tái tạo. Điều này khiến việc quản lý và duy trì ổn định của lưới điện năng lượng trở lên khó khăn. Ứng dụng của hydro tạo năng lượng xanh chính là phần đáp án cho điểm yếu trên của các nguồn năng lượng tái tạo.

Pin nhiên liệu hydro có thể lưu trữ một lượng điện sạch cao hơn so với pin và tụ điện thông thường. Tuy nhiên, các phương pháp đang được sử dụng để chiết xuất H2 để chế tạo pin nhiên liệu vẫn phụ thuộc phần lớn vào công nghệ thải CO2. Nếu chúng ta phải chuyển sang sử dụng than, dầu và khí tự nhiên để tách hydro khỏi oxy, nó sẽ làm suy yếu tiềm năng xanh của H2.

Tạo ra hydro hiệu quả

Ngoài việc sử dụng các nguồn năng lượng truyền thống để tách hydro khỏi oxy, hiện nay quá trình điện phân được thực hiện theo phương pháp “xanh”, không tạo ra khí thải nhà kính. Theo đó, lượng điện tái tạo dư thừa được sản xuất trong giờ thấp điểm được sử dụng để cung cấp năng lượng cho các máy điện phân tạo ra hydro. Từ đó quá trình lưu trữ theo cách 100% không có carbon. Sử dụng điện tái tạo để sản xuất hydro, sau đó lưu trữ và tạo ra điện, là một quá trình được gọi là điện hóa khí thành năng lượng, hoặc P2G2P.

Một ví dụ của việc này là sử dụng các tấm pin mặt trời để cung cấp năng lượng cho một thiết bị điện phân để sản xuất hydro. Hydro sau đó có thể được nén và lưu trữ trong một bình tích áp. Sau khi được lưu trữ, nó có thể tạo thành điện bằng cách sử dụng pin nhiên liệu được đưa vào lưới điện, lấp đầy những thời điểm bất ổn định từ các nguồn năng lượng tái tạo khác như mặt trời, gió.  

Tuy nhiên, P2G2P hiện tại khá đắt và để đảm bảo tính xanh- sạch, phương pháp này cũng kém hiệu quả hơn. Nó mất năng lượng mỗi khi liên kết phân tử giữa hydro và oxy bị phá vỡ, và cũng mất năng lượng khi hydro mới tách ra được đốt cháy trong tuabin. Theo Dharik Mallapragada, một nhà khoa học nghiên cứu tại Viện Công nghệ Massachusetts (MIT), “chuyến đi khứ hồi” thông qua P2G2P chỉ giữ lại khoảng 40% điện năng so với thời điểm bắt đầu quy trình.

Đạt được lợi ích của hydro

Để phát huy hết tiềm năng của P2G2P, quy trình này cần được tối ưu hóa cao. Điều đó có nghĩa là quy trình này cần được đánh giá chu kỳ về hiệu suất, lưu trữ, an toàn và chi phí. Ngoài quá trình điện phân, các nhà nghiên cứu cần quan tâm đến toàn bộ dây chuyền công nghiệp hydro nhằm đánh giá nơi nên tập trung nỗ lực để thu được lợi ích tối đa từ hydro.

Nền tảng MYRTE thử nghiệm của Đại học Corsica hiện đang dẫn đầu nghiên cứu về lĩnh vực này. Mục tiêu cuối cùng của dự án là triển khai việc kết hợp năng lượng mặt trời với chuỗi hydro làm chất trữ năng lượng với lượng phát thải ít nhất. Cho đến nay, nền tảng này đã đạt được những bước tiến lớn, thử nghiệm các giải pháp cung cấp năng lượng mặt trời gián đoạn, trực tiếp vào một lưới năng lượng nhỏ. Tuy nhiên, vẫn còn nhiều khâu cần phải cải tiến khi sản xuất, lưu trữ và phân phối hydro để biến hydro trở thành một giải pháp toàn cầu, hữu ích hơn.

Ví dụ, cần có các đường ống chịu hydro cho phép vận chuyển trên một quãng đường dài. Hydro chảy qua nhựa và làm suy yếu kim loại theo thời gian. Điều này có nghĩa là các mạng lưới thép truyền thống, mặc dù hữu ích trong ngắn hạn, nhưng sẽ không khả thi về lâu dài. Về mặt lưu trữ, amoniac là một chất mang hydro rất hiệu quả, nhưng nó vẫn cần rất nhiều năng lượng để giải phóng H2 khỏi nó sau khi nó được lưu trữ. Đây là tất cả những thách thức cần được giải quyết để tối ưu hóa chuỗi hydro theo cách xanh-sạch và hiệu quả.

Một báo cáo năm 2021 từ Viện nghiên cứu Capgemini về chuyển đổi năng lượng đã xem xét sự sẵn sàng của doanh nghiệp đối với các mô hình năng lượng mới. Báo cao phát hiện ra rằng 34% tổ chức đang sử dụng hoặc đang tìm cách sử dụng các mô hình mới cho hydro.

Với tất cả những lợi thế mà nó mang lại, vai trò của hydro trong việc làm cho lưới năng lượng mạnh mẽ và bền vững hơn có thể được cho là có giá trị nhất vào thời điểm các nhà nghiên cứu, tổ chức và nhà hoạch định chính sách tìm kiếm năng lượng tái tạo 100% đáng tin cậy. Tuy nhiên, để đạt được 100% năng lượng tái tạo, quy trình P2G2P cần được tối ưu hóa và mô hình hóa chính xác hơn. Đây là thời điểm để khai phá tiềm năng thực sự của hydro và giải phóng sức mạnh của nó cho năng lượng tái tạo.