Hydrogen (Hiđrô) là nguyên tố hóa học nhẹ nhất và cũng là chất hóa học dồi dào nhất trong vũ trụ. Bằng cách sử dụng nhiên liệu hóa thạch hoặc điện sạch, chúng ta có thể sản xuất ra khí hydrogen – loại khí có thể lưu trữ, vận chuyển và đốt cháy để cung cấp năng lượng. Không giống như hầu hết các loại nhiên liệu khác, hydrogen không sinh ra khí nhà kính carbon dioxide (CO2) khi cháy, thay vào đó, nó tạo ra nước. Điều này có nghĩa là việc đốt cháy nhiên liệu hydrogen không góp phần gây ra biến đổi khí hậu.

I. Phân biệt 3 loại chính của Hydrogen

Trong lĩnh vực năng lượng, hydro được phân loại theo nguồn nguyên liệu sản xuất và lượng khí CO₂ phát thải trong suốt vòng đời sản xuất. Ba nhóm hydro phổ biến nhất hiện nay gồm hydro xám, hydro xanh dương và hydro xanh lá, đại diện cho các cấp độ khác nhau về tính bền vững và mức độ thân thiện với môi trường. Các loại hydro này hiện đóng vai trò trung tâm trong quá trình chuyển dịch sang hệ thống năng lượng phát thải thấp và phát triển kinh tế hydro trên phạm vi toàn cầu.

1. Hydro xám

Hiện nay, hydro xám chủ yếu được sử dụng như một nguyên liệu đầu vào trong các ngành công nghiệp hơn là một nguồn năng lượng trực tiếp cho phát điện hoặc vận tải. Đây là loại hydro được sản xuất phổ biến nhất trên thế giới nhờ chi phí thấp và hạ tầng cung ứng đã phát triển hoàn thiện.

• Ứng dụng thực tế:

Sản xuất phân bón: Hydro xám được sử dụng để tổng hợp amoniac (NH₃), nguyên liệu quan trọng trong sản xuất phân đạm phục vụ ngành nông nghiệp.

Lọc hóa dầu: Trong các nhà máy lọc dầu, hydro được dùng để khử lưu huỳnh trong xăng và dầu diesel, đồng thời tham gia quá trình hydrocracking nhằm chuyển hóa các phân tử hydrocacbon nặng thành các sản phẩm nhiên liệu có giá trị cao hơn.

• Lợi ích:

Giá thành rẻ nhất: Chi phí sản xuất rất thấp (chỉ khoảng 1–2 USD/kg), nguồn cung cực kỳ dồi dào và ổn định nhờ hạ tầng khí tự nhiên toàn cầu đã quá hoàn thiện.

2. Hydro xanh dương

Hydro xanh lam (blue hydrogen) được xem là giải pháp chuyển tiếp quan trọng trong quá trình khử carbon của ngành năng lượng và công nghiệp nặng. Loại hydro này cho phép các doanh nghiệp giảm đáng kể lượng phát thải khí nhà kính trong khi vẫn tận dụng được cơ sở hạ tầng, công nghệ và nguồn nguyên liệu hiện có, từ đó hạn chế nhu cầu đầu tư thay thế toàn bộ hệ thống sản xuất.

• Ứng dụng thực tế:

Thay thế trực tiếp cho hydro xám trong sản xuất phân bón và lọc dầu để “xanh hóa” các ngành này.

Trộn vào lưới điện khí tự nhiên hiện tại để đốt phát điện, giúp giảm hàm lượng carbon của các nhà máy điện khí.

• Lợi ích:

Giảm phát thải trong ngắn hạn: Nhờ công nghệ thu giữ, sử dụng và lưu trữ carbon (CCUS), hydro xanh lam có thể giảm khoảng 70–90% lượng khí CO₂ phát thải so với hydro xám, trong khi vẫn sử dụng khí tự nhiên làm nguyên liệu đầu vào.

Tận dụng hạ tầng cũ: Giúp các nước tận dụng được các mỏ dầu khí đã cạn kiệt để làm nơi chôn lấp CO2.

3. Hydro xanh lá

Hydro xanh lá được xem là giải pháp hydro bền vững nhất hiện nay và đóng vai trò quan trọng trong lộ trình chuyển đổi năng lượng toàn cầu. Loại hydro này được sản xuất thông qua quá trình điện phân nước sử dụng nguồn điện từ năng lượng tái tạo như điện gió, điện mặt trời hoặc thủy điện, nhờ đó hầu như không phát sinh khí nhà kính trong suốt quá trình sản xuất. Trong tương lai, hydro xanh lá được kỳ vọng sẽ thay thế dần các nhiên liệu hóa thạch như than đá, dầu mỏ và khí tự nhiên trong nhiều lĩnh vực khó giảm phát thải carbon.

• Ứng dụng thực tế:

Giao thông vận tải nặng: Hydro xanh lá được sử dụng làm nhiên liệu cho xe tải đường dài, tàu thủy, tàu hỏa và hàng không, đặc biệt trong những lĩnh vực mà pin điện truyền thống gặp hạn chế về trọng lượng, dung lượng lưu trữ hoặc thời gian sạc.

Lưu trữ năng lượng: Khi các nguồn điện gió hoặc điện mặt trời tạo ra sản lượng vượt quá nhu cầu tiêu thụ, phần điện dư thừa có thể được sử dụng để sản xuất hydro xanh lá. Hydro sau đó được lưu trữ và chuyển đổi ngược thành điện năng khi cần thiết, góp phần nâng cao tính ổn định của hệ thống điện.

Sản xuất thép xanh: Trong ngành luyện kim, hydro xanh lá có thể thay thế than cốc làm tác nhân khử quặng sắt, giúp giảm đáng kể hoặc loại bỏ hoàn toàn lượng khí CO₂ phát sinh trong quá trình sản xuất thép.

• Lợi ích:

Sạch tuyệt đối (Zero Emission): Không phát thải carbon trong suốt vòng đời từ sản xuất đến tiêu thụ.

Tự chủ năng lượng: Quốc gia nào có nắng và gió đều có thể tự sản xuất được năng lượng cho mình, không còn phụ thuộc vào các quốc gia có mỏ dầu.

II. Hydro – Nguồn năng lượng bền vững hướng tới mục tiêu phát thải thấp

Hydrogen là nguyên tố phổ biến nhất trên vũ trụ, chúng tồn tại rất nhiều trong nước (H₂O), sinh khối và các chất hữu cơ. Nước đến từ đại dương, và đại dương chiếm 71% bề mặt Trái Đất, nên nguồn nước để tách lấy Hydrogen là cực kỳ lớn.

So với nguồn năng lượng là tài nguyên hữu hạn như than đá hay dầu mỏ, khí đốt thì Hydrogen được coi là nguồn năng lượng vô hạn. Do có lợi thế được sinh ra từ nước, ánh sáng mặt trời và gió tự nhiên liên tục được bổ sung. Đồng thời, có thể dùng nguồn năng lượn tái tạo để sản xuất hydrogen nên về lâu dài nguồn cung hydrogen được xem là dồi dào.

Vai trò của hydro trong việc giảm phát thải được thể hiện rõ thông qua các ứng dụng thực tiễn dưới đây:

1. Pin nhiên liệu (Hydrogen fuel cells)

Trong pin nhiên liệu, hydrogen phản ứng hóa học với oxy để tạo ra điện năng. Bản chất phản ứng này hoàn toàn không giải phóng carbon.

Pin nhiên liệu hydro tạo ra điện năng thông qua một phản ứng hóa học. Mỗi pin nhiên liệu gồm hai điện cực: cực âm (anode) và cực dương (cathode). Phản ứng tạo ra điện diễn ra tại các điện cực này, với chất điện phân làm nhiệm vụ vận chuyển các hạt mang điện giữa chúng, đồng thời chất xúc tác giúp tăng tốc độ phản ứng.

Hydro đóng vai trò là nhiên liệu chính trong pin nhiên liệu hydro, nhưng hệ thống cũng cần oxy để hoạt động. Một trong những ưu điểm lớn nhất của loại pin này là khả năng tạo ra điện năng với mức độ ô nhiễm rất thấp, vì hydro và oxy kết hợp với nhau để tạo ra điện, đồng thời sinh ra nước như một sản phẩm phụ. Các pin nhiên liệu sử dụng hydro tinh khiết hoàn toàn không phát thải carbon.

Pin nhiên liệu hoạt động tương tự như pin điện hóa, nhưng khác với pin thông thường ở chỗ chúng không bị cạn năng lượng và không cần sạc lại. Chúng có thể tiếp tục sản xuất điện miễn là được cung cấp nhiên liệu (trong trường hợp này là hydro).

Với những ưu điểm nổi bật về hiệu quả vận hành và tính thân thiện với môi trường, pin nhiên liệu hydro đang được ứng dụng chủ yếu trên ô tô, xe buýt, xe tải và tàu hỏa. Các phương tiện sử dụng công nghệ này được gọi là FCEV (Fuel Cell Electric Vehicles), tức phương tiện điện vận hành bằng pin nhiên liệu hydro. Đây được xem là một trong những hướng phát triển đầy tiềm năng cho ngành giao thông vận tải phát thải thấp trong tương lai.

2. Động cơ đốt trong Hydrogen

Động cơ đốt trong hydrogen là loại động cơ có cấu tạo và nguyên lý hoạt động rất giống với động cơ xăng hoặc diesel truyền thống. Tuy nhiên, thay vì đốt cháy nhiên liệu hóa thạch, nó sử dụng khí hydrogen làm nhiên liệu để tạo ra công cơ học giúp xe chuyển động.

Ưu điểm của Động cơ đốt trong Hydrogen:

• Thân thiện với môi trường (Không phát thải CO2)

Vì phân tử hydro không chứa bất kỳ nguyên tử carbon nào, nên khi cháy trong buồng đốt, phản ứng hóa học chính sẽ không tạo ra khí nhà kính, khí độc  hay các hydrocacbon chưa cháy hết. Sản phẩm phụ chủ yếu của quá trình cháy chỉ là nước.

• Chi phí chuyển đổi công nghệ thấp cho ngành công nghiệp

Động cơ H2 ICE kế thừa đến 80% – 90% linh kiện và dây chuyền sản xuất của động cơ xăng/diesel hiện tại (như khối động cơ, pít-tông, trục khuỷu, hệ thống làm mát). Các hãng xe không cần phải đập đi xây lại toàn bộ nhà máy như khi chuyển sang xe điện pin (BEV), giúp tiết kiệm hàng tỷ USD chi phí chuyển đổi.

• Phù hợp cho vận tải nặng và hoạt động khắc nghiệt

Khác với xe điện pin sợ thời tiết quá lạnh hoặc quá nóng (làm giảm tuổi thọ và dung lượng pin), động cơ đốt trong hydro hoạt động rất bền bỉ trong môi trường khắc nghiệt. Khả năng chịu tải cao giúp nó cực kỳ phù hợp cho xe đầu kéo container, máy xúc, máy ủi trên công trường hoặc tàu hỏa.

• Thời gian nạp nhiên liệu cực nhanh

Thay vì phải chờ đợi từ 30 phút đến vài tiếng để sạc pin điện, các phương tiện sử dụng hydro có thể được nạp đầy nhiên liệu chỉ trong khoảng 3–5 phút, tương đương với việc đổ xăng truyền thống. Điều này tạo ra lợi thế đáng kể so với xe điện dùng pin, vốn thường cần thời gian sạc dài hơn, đặc biệt đối với các phương tiện vận tải đường dài và hoạt động với cường độ cao.

III. Kết luận

Với những đặc tính này, hydro được kỳ vọng sẽ đóng vai trò quan trọng trong quá trình thay thế dần các nguồn nhiên liệu hóa thạch truyền thống như than đá, dầu mỏ và khí tự nhiên – những nguồn năng lượng đang gây ra lượng lớn khí nhà kính và các tác động tiêu cực đến môi trường.

Mặc dù chi phí sản xuất, vận chuyển và lưu trữ hydro hiện vẫn là những rào cản đáng kể đối với việc triển khai trên quy mô lớn, sự phát triển nhanh chóng của công nghệ cùng xu hướng chuyển dịch năng lượng toàn cầu đang từng bước cải thiện tính cạnh tranh của loại nhiên liệu này. Vì vậy, hydro được xem là một trong những lĩnh vực năng lượng sạch có tiềm năng đầu tư dài hạn và triển vọng tăng trưởng lớn trong tương lai.

Với vai trò là đối tác chiến lược với Valmet, chúng tôi cùng đối tác Valmet mang đến giải pháp trọn gói từ tư vấn thiết kế, tích hợp hệ thống cho đến dịch vụ bảo trì vòng đời. Sự kết hợp giữa kinh nghiệm quốc tế của Valmet và năng lực triển khai địa phương của chúng tôi sẽ là bệ phóng vững chắc giúp nhà máy của bạn tự tin dẫn đầu trong làn sóng năng lượng xanh.