Hydrogen là nguồn năng lượng sạch, được đánh giá là tương lai của ngành năng lượng, vì có tiềm năng ứng dụng đa dạng trong các lĩnh vực giao thông, lưu trữ năng lượng tái tạo, cung cấp nhiệt. Tuy nhiên, một trong những rào cản chính cho sự phát triển của năng lượng hydrogen chính là chi phí sản xuất, vận chuyển, lưu trữ và phân phối cao. Do vậy, giảm chi phí các khâu sản xuất là một thách thức lớn cần được giải quyết để tăng tính cạnh tranh cho nguồn năng lượng này. (Tổng hợp của chuyên gia PECC2 và Tạp chí Năng lượng Việt Nam).
Mục tiêu phát triển năng lượng hydrogen tại Hoa Kỳ
Nhìn thấy tầm quan trọng của năng lượng hydrogen, Hoa Kỳ đã xây dựng chiến lược và lộ trình phát triển từ đầu những năm 2000, sau đó liên tục lấy ý kiến và cập nhật ít nhất một lần trong vòng 3 năm. Năm 2021, Hoa Kỳ đề ra một mục tiêu đầy tham vọng: Giảm 80% chi phí sản xuất hydrogen trong thập kỷ tới mà họ gọi là mục tiêu “1 1 1” (1 USD cho 1 kg hydrogen trong 1 thập kỷ) – Hình 2 [1].
Sáng kiến “Hydrogen Shot” được khởi động bởi Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE) đóng vai trò then chốt trong việc thúc đẩy đột phá công nghệ, hướng tới một tương lai năng lượng sạch dồi dào, giá cả phải chăng và đáng tin cậy. DOE được chấp thuận gói ngân sách 9,5 tỷ USD cho phát triển hydrogen sạch vào năm 2021, cùng với những chính sách và ưu đãi bổ sung năm 2022 bao gồm cả ưu đãi về thuế sản xuất hydrogen [2].
Ba trụ cột trong chiến lược phát triển hydrogen của Hoa Kỳ
“Chiến lược và lộ trình quốc gia về hydrogen sạch” mới nhất xuất bản năm 2023 của DOE cũng nêu chi tiết ba trụ cột của chiến lược là tập trung vào các lĩnh vực sử dụng có tác động cao, giảm chi phí sản xuất hydrogen sạch và hình thành các mạng lưới khu vực. Các hoạt động trên đòi hỏi sự phối hợp chặt chẽ giữa DOE và tổ chức khác để thúc đẩy các nguồn lực lao động, chính sách hỗ trợ, tiêu chuẩn an toàn, đầu tư tư nhân và đảm bảo cho mọi người cùng được hưởng lợi từ chương trình hydrogen (Hình 3).
1. Nhắm vào các lĩnh vực chiến lược và có tác động lớn:
Chiến lược này đảm bảo hydrogen sạch được sử dụng với giá trị cao nhất – nơi mà các phương án giảm thiểu phát thải carbon khác có hạn chế. Các ứng dụng của hydrogen trong công nghiệp có thể kể đến như hóa chất, thép và nhiệt công nghiệp. Trong vận tải, hydrogen có thể làm nhiên liệu cho vận tải hạng nặng, tàu biển, đường sắt, hàng không. Trong ngành điện, hydrogen có khả năng lưu trữ năng lượng trong thời gian dài và phát lại lên lưới để đảm bảo lưới điện an toàn, tin cậy [3]. Một số cơ hội ứng dụng hydrogen sạch tại các lĩnh vực trong dài hạn được thể hiện ở (Hình 4). Một số lĩnh vực sử dụng hydrogen sẽ trở nên phổ biến hơn như: Sản xuất nhiên liệu lỏng, lưu trữ năng lượng, nhiên liệu sinh học… Trong khi đó, lĩnh vực truyền thống là lọc hóa dầu sẽ dần biến mất [2].
2. Giảm chi phí sản xuất hydrogen sạch:
Sáng kiến “Hydrogen Shot” đã và sẽ thúc đẩy cả đổi mới, cũng như quy mô, kích thích đầu tư tư nhân, thúc đẩy phát triển trên toàn bộ chuỗi cung ứng hydrogen và giảm đáng kể chi phí sản xuất hydrogen sạch. Các nỗ lực cũng sẽ giải quyết các lỗ hổng quan trọng về vật liệu, chuỗi cung ứng, đồng thời thiết kế hướng tới hiệu quả, độ bền và khả năng tái chế. Cùng với đầu tư vào cơ sở hạ tầng trung gian (lưu trữ, phân phối), các sáng kiến này có thể giảm không chỉ chi phí sản xuất mà còn cả chi phí phân phối của hydrogen sạch.
Mục tiêu cần hướng tới là sản xuất hydrogen bằng phương pháp điện phân với mức 2 USD/kg năm 2026 và 1 USD/kg năm 2031.
Theo đánh giá sơ bộ năm 2023 của DOE: Chi phí sản xuất hydrogen theo các phương pháp chuyển đổi sử dụng nhiệt đang ở mức dưới 1,7 USD/kg (đã bao gồm chi phí thu hồi carbon). DOE sẽ tiếp tục đưa ra các đánh giá cho phương pháp điện phân và các phương pháp tiên tiến khác trong các báo cáo tiếp theo. Chi phí lưu trữ, phân phối phải đạt mức tương ứng là 9 USD/kWh và 2 USD/kg năm 2030.
Ngoài ra, cấu thành giá cho các quá trình cũng được DOE chỉ ra như trong (Hình 5). Theo đó, vốn đầu tư ban đầu và điện chiếm tới 80% chi phí sản xuất; máy nén, làm mát, trụ bơm hydrogen và lưu trữ chiếm 90% chi phí cho hạ tầng trạm nạp nhiên liệu; 85% chi phí lưu trữ tới từ sợi carbon và các quá trình liên quan [4]. Việc chỉ ra các thành phần chiếm tỉ trọng lớn trong chi phí giúp tập trung nguồn lực nghiên cứu để giảm giá thành của hydrogen theo mục tiêu trong “Hydrogen Shot”.
3. Phát triển các mạng lưới khu vực:
Chiến lược thứ ba tập trung vào việc triển khai hydrogen sạch quy mô lớn, khả thi thương mại bằng cách kết nối quy mô sản xuất với nhu cầu ngày càng tăng ở các khu vực. Đầu tư và mở rộng các trung tâm hydrogen sạch gần những nơi có nhu cầu lớn và cho phép chia sẻ các hạ tầng. Điều này cũng thúc đẩy sản xuất, phân phối và lưu trữ tạo thuận lợi cho sự khởi sắc của thị trường.
Ngoài ra, các trung tâm này sẽ tạo ra nhiều cơ hội việc làm và khả năng phát triển bền vững cho khu vực (Hình 6).
Những nền tảng hỗ trợ cần được xây dựng gồm nguồn nhân lực, cơ chế chính sách, sự tham gia của các bên liên quan… Những yếu tố này thúc đẩy sự phát triển của ba trụ cột chính trong trung tâm hydrogen sạch đó là: Đơn vị sản xuất, hạ tầng kết nối và đơn vị tiêu thụ. Sự kết hợp hài hòa của ba trụ cột này sẽ kiến tạo nên một hệ sinh thái hydrogen sạch hoàn chỉnh, mở ra tiềm năng to lớn cho phát triển kinh tế, xã hội của khu vực.
Ba con đường hướng tới mục tiêu “1 1 1”
Hoa Kỳ đang đồng thời triển khai ba con đường để mang hydrogen tới gần người dùng hơn. Năm 2021, hơn 3.200 người tham dự hội nghị thượng đỉnh về hydrogen đã thảo luận để đưa ra những phương án này [5].
1. Điện phân:
DOE đang rót vốn vào nghiên cứu và phát triển các hệ thống điện phân hiệu quả và tiết kiệm chi phí với mục tiêu giảm chi phí sản xuất hydrogen từ điện phân xuống còn 1 USD/kg. Việc tích hợp năng lượng tái tạo: DOE thúc đẩy việc tích hợp điện phân với các nguồn năng lượng gió, mặt trời, tạo ra hệ thống sản xuất hydrogen sạch và bền vững.
2. Các quá trình chuyển đổi nhiệt:
DOE chú trọng hỗ trợ nghiên cứu các hệ thống khí hóa và nhiệt phân tiên tiến có khả năng thu giữ, lưu trữ carbon để sản xuất hydrogen sạch và nâng cao hiệu quả chuyển đổi năng lượng.
3. Các phương pháp tiên tiến khác:
Các phương pháp sản xuất hydrogen mới sử dụng ít, hoặc không cần điện năng được khuyến khích nghiên cứu, mở ra tiềm năng đột phá trong tương lai. Ví dụ như quang điện hóa, nhiệt hóa, sinh học v.v… Các phương pháp này hứa hẹn mang đến giải pháp sản xuất hydrogen sạch với chi phí thấp hơn nữa.
Tác động của chiến lược phát triển hydrogen ở Hoa Kỳ
Chiến lược phát triển hydrogen của Hoa Kỳ không chỉ tập trung vào mục tiêu giảm chi phí sản xuất mà còn hướng đến tạo ra các việc làm mới, giảm thiểu phát thải khí nhà kính và đảm bảo an ninh năng lượng. DOE ước tính việc đạt được mục tiêu hydrogen sạch sẽ tạo thêm 100.000 việc làm mới năm 2030 và lượng phát thải giảm 10% vào năm 2050 (so với mốc năm 2005). Phát triển hydrogen giúp đa dạng hóa nguồn năng lượng, giảm phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch và tăng cường an ninh năng lượng.
Việc giảm giá thành sản xuất có tác động khác nhau ở các lĩnh vực. Một số lĩnh vực như nhiên liệu cho xe nâng, xe tải, xe bus… sẽ chấp nhận mức giá cao hơn và nhiên liệu hydrogen sẽ dễ tiếp cận hơn. Trong khi đó, đa phần các ứng dụng trong công nghiệp và xuất khẩu yêu cầu mức giá dưới 2 USD/kg (Hình 4) [2].
Hoa Kỳ đang trên đà thực hiện mục tiêu đầy tham vọng trong việc sản xuất hydrogen sạch với chi phí 1 USD/kg. Sáng kiến “Hydrogen Shot”, cùng với “Chiến lược và lộ trình quốc gia về hydrogen sạch” đóng vai trò quan trọng trong việc thúc đẩy đổi mới công nghệ, phát triển cơ sở hạ tầng và tạo ra thị trường hydrogen cạnh tranh.
Với những nỗ lực này, hydrogen hứa hẹn sẽ trở thành một nguồn năng lượng sạch, dồi dào và giá cả phải chăng, góp phần vào một tương lai năng lượng bền vững của Hoa Kỳ, cũng như trên toàn thế giới.
Lộ trình phát triển công nghiệp hydrogen của Việt Nam
Đầu năm 2024, Việt Nam cũng đã phê duyệt chiến lược phát triển năng lượng hydrogen đến năm 2030, với các mục tiêu [6]:
Thứ nhất: Từng bước phát triển thị trường năng lượng hydrogen phù hợp và đồng bộ với lộ trình chuyển đổi nhiên liệu trong các lĩnh vực sử dụng năng lượng của nền kinh tế, bao gồm sản xuất điện, giao thông vận tải (đường bộ, đường sắt, đường thủy, đường hàng không), công nghiệp (thép, xi măng, hóa chất, lọc dầu, công nghiệp khác), thương mại và dân dụng.
Thứ hai: Triển khai áp dụng thử nghiệm năng lượng có nguồn gốc hydrogen trong một số lĩnh vực có khả năng tận dụng cơ sở hạ tầng hiện hữu phù hợp với khả năng đảm bảo an toàn của hệ thống và giá thành hợp lý. Cụ thể:
1. Sản xuất điện: Nghiên cứu triển khai thí điểm đồng đốt khí với hydrogen và than với ammoniac tại các nhà máy điện khí, điện than để chuẩn bị cho việc thực hiện lộ trình chuyển đổi nhiên liệu sang năng lượng có nguồn gốc hydrogen.
2. Giao thông vận tải: Nghiên cứu triển khai thí điểm áp dụng năng lượng hydrogen cho các phương tiện giao thông vận tải công cộng và vận tải đường dài.
3. Công nghiệp: Nghiên cứu triển khai thí điểm sử dụng năng lượng hydrogen xanh thay thế hydrogen xám trong sản xuất phân bón, lọc hóa dầu; thí điểm sử dụng hydrogen và nhiên liệu nguồn gốc hydrogen trong sản xuất thép xanh, xi măng… ít phát thải.
Còn giai đoạn đến năm 2050, chiến lược của Việt Nam hướng đến các mục tiêu như sau:
Thứ nhất: Hình thành và phát triển thị trường tiêu thụ năng lượng có nguồn gốc hydrogen theo cơ chế thị trường, cạnh tranh lành mạnh với các dạng năng lượng khác.
Thứ hai: Phấn đấu tỷ trọng năng lượng hydrogen và nhiên liệu nguồn gốc hydrogen đạt khoảng 10% nhu cầu năng lượng tiêu thụ cuối cùng.
Thứ ba: Đẩy mạnh ứng dụng năng lượng hydrogen xanh và nhiên liệu có nguồn gốc hydrogen trong tất cả các lĩnh vực sử dụng năng lượng để khử các bon nền kinh tế và đóng góp quan trọng vào thực hiện mục tiêu đạt mức phát thải dòng bằng “0” vào năm 2050. Trong đó:
– Sản xuất điện: Thực hiện chuyển đổi nhiên liệu cho các nhà máy điện khí và điện LNG sang sử dụng hydrogen, các nhà máy điện than sang sử dụng ammoniac theo Quy hoạch phát triển điện lực quốc gia thời kỳ 2021 – 2030, tầm nhìn đến năm 2050.
– Công nghiệp: Thực hiện chuyển đổi sang sử dụng năng lượng hydrogen trong sản xuất phân bón, công nghiệp lọc hóa dầu, thép và xi măng để khử các bon lĩnh vực công nghiệp.
– Giao thông vận tải: Thực hiện chuyển đổi sang sử dụng năng lượng hydrogen và nhiên liệu có nguồn gốc hydrogen cho các phương tiện giao thông vận tải phù hợp với lộ trình chuyển đổi xanh ngành giao thông vận tải.
Như vậy, Việt Nam cũng có những định hướng tương đối rõ cho lộ trình phát triển công nghiệp hydrogen. Tuy nhiên, để đạt được các mục tiêu của chiến lược này, còn rất nhiều công việc nghiên cứu, thử nghiệm… Và quan trọng nhất là giá thành sản xuất hydrogen phải giảm xuống mức cạnh tranh với các dạng nhiên liệu khác. Đó sẽ là điều kiện tiên quyết để hiện thực hóa chiến lược quốc gia về năng lượng hydrogen của Việt Nam.
Để đạt được điều này, trước mắt chúng ta cần xác định mục tiêu cụ thể giảm giá thành sản xuất năng lượng hydrogen sạch tương ứng từng giai đoạn. Và nên chăng, Nhà nước cần có đầu tư vốn ưu đãi ngân sách để thí điểm sản xuất năng lượng hydrogen sạch với quy mô chấp nhận được cho lĩnh vực trụ cột theo mục tiêu giảm giá thành được xác định./.
Hoàng Nghĩa (tổng hợp, biên dịch)
