Các startup chạy đua phát triển công nghệ sản xuất hydrogen sạch, giá rẻ

(KTSG Online) – Các công ty khởi nghiệp (startup) đang chạy đua phát triển các công nghệ mới, có thể giúp sản xuất nhiên liệu hydrogen sạch với chi phí rẻ để hỗ trợ các nỗ lực phi carbon hóa nền kinh tế đang vận hành dựa vào các nhiên liệu ô nhiễm.

• Lối ra của nền kinh tế xanh
• Đông Nam Á cần đầu tư 2.000 tỉ đô la cho nền kinh tế xanh để giảm khí thải nhà kính
• Nền kinh tế khí hậu và thách thức nguyên liệu xanh

Hiện nay, hydrogen chủ yếu được sử dụng trong sản xuất nhiên liệu hóa thạch và sản xuất amoniac, một thành phần trong nhiều loại phân bón. Nhưng nó cũng ngày càng được sử dụng nhiều để làm nhiên liệu để sưởi ấm hoặc vận tải hoặc năng lượng cho các quy trình sản xuất công nghiệp.

Tuy nhiên, một nhược điểm lớn là gần như tất cả hydrogen trên thế giới được sản xuất trong một quy trình phát thải nhiều khí nhà kính: đốt nóng khí metan (CH4), thành phần chính của khí đốt tự nhiên, và hơi nước để phân tách hydrogen (H) và carbon dioxide (CO2). Hydrogen sản xuất theo quy trình này được gọi là hydrogen xám, hoặc đôi khi là hydrogen xanh da trời (blue hydrogen) nếu nhà máy sản xuất sử dụng công nghệ thu giữ carbon.

Chi phí sản xuất hydrogen sạch còn đắt đỏ

Giải pháp phổ biến hiện nay để sản xuất hydrogen sạch, hay còn gọi là hydrogen xanh lá cây (green hydrogen) là truyền điện từ năng lượng tái tạo qua nước bằng cách sử dụng máy điện phân để tách nó thành oxygen và hydrogen. Quy trình này không gây ra khí thải nhưng tiêu thụ nhiều điện và nước.

Ngay cả khi các chính phủ trợ cấp cho hoạt động sản xuất hydrogen sạch, một số chuyên gia vẫn hoài nghi tính hiệu quả về mặt chi phí đối với công nghệ sản xuất hydrogen dựa vào máy điện phân. Công nghệ này bị hạn chế bởi chi phí của điện tái tạo và phụ thuộc vào thời tiết vì điện gió và điện mặt trời chỉ dồi dào vào những ngày thời tiết thuận lợi.

David Cunningham, Giám đốc công nghệ sạch và năng lượng tái tạo tại Công ty tư vấn Gneiss Energy, nói: “Ảnh hưởng lớn nhất của chi phí sản xuất hydrogen là tính hiệu dụng, bao gồm tần suất máy điện phân hoạt động và khả năng tiếp cận nguồn điện tái tạo giá rẻ”.

Theo dữ liệu từ S&P Global, chi phí sản xuất hydrogen xanh hiện tại dao động khoảng 3-26 đô la Mỹ/kg. Bộ Năng lượng Mỹ cho rằng chi phí sản xuất cần phải giảm xuống mức 1 đô la Mỹ/kg để có thể sử dụng nhiên liệu sạch trong nhiều ứng dụng công nghiệp mới. Chi phí điện tái tạo cần phải giảm nhiều để kéo chi phí sản xuất hydrogen sạch về mức đó với công nghệ hiện tại.

Hội đồng Hydrogen thế giới, có trụ sở tại Bỉ, cho biết chi phí sản xuất hydrogen sạch bằng máy điện phân có thể giảm xuống 1,4 đô la/kg vào năm 2030 trong những điều kiện thích hợp, chẳng hạn như điện tái tạo có sẵn với giá chỉ 13 đô la Mỹ cho mỗi MWh.

Dù chi phí sản xuất rẻ hơn trong những năm gần đây, điện tái tạo vẫn cao hơn mức đó rất nhiều. Theo BloombergNEF, trong nửa đầu năm 2022, chi phí sản xuất điện từ các trang trại điện mặt trời và điện gió trên bờ có quy mô lớn ở mức trung bình lần lượt là 45 đô la Mỹ/MWh giờ và 46 đô la Mỹ/MWh. Ngay cả nguồn năng lượng tái tạo rẻ nhất, từ các trang trại điện gió của Brazil, cũng có giá 19 đô la Mỹ/MWh.

Dù vậy, các ngành công nghiệp ô nhiễm và các chính phủ vẫn đặt cược vào hydrogen xanh. Ngân hàng Jefferies dự báo doanh số máy điện phân sử dụng để sản xuất hydrogen sạch có thể vượt 100 tỉ đô la Mỹ trong thập niên này. Đạo luật Giảm lạm phát của Mỹ đã đưa ra ưu đãi thuế lên tới 3 đô la Mỹ/kg cho các phương pháp sản xuất hydrogen mới, tùy thuộc vào mức độ gây ô nhiễm của chúng.

Nâng cao hiệu quả của máy điện phân

Nhưng liệu ngành công nghiệp hydrogen có thể tự đứng vững hay không còn phụ thuộc vào dòng tiền đầu tư để giúp giảm chi phí sản xuất.

Các nhà sản xuất máy điện phân đang cạnh tranh để đưa ra các mẫu thiết kế mới. Sunfire GmbH, một nhà sản xuất của Đức, đã phát triển một máy điện phân sử dụng hơi nước thay vì nước để tận dụng nhiệt tỏa ra từ các quy trình sản xuất công nghiệp. Công ty đã huy động được khoảng 192 triệu đô la Mỹ vào hồi đầu năm nay và sau đó nhận được một khoản đầu tư không được tiết lộ giá trị từ Quỹ Cam kết khí hậu của Amazon.com để giúp mở rộng quy mô sản xuất.

Hysata, startup máy điện phân có trụ sở tại Wollongong, Úc, vừa thuê một nhà máy rộng 8.000 mét vuông, nơi công ty dự kiến sẽ sản xuất các máy điện phân có hiệu quả cao hơn. Các máy điện phân hiện nay thường chuyển đổi khoảng 75% điện năng mà chúng sử dụng thành năng lượng hydrogen.

Hysata cho biết trong một báo cáo đăng trên tạp chí khoa học Nature rằng hệ thống điện phân của công ty có thể nâng tỷ lệ này lên 95%, giúp tiết kiệm chi phí điện tái tạo khoảng 20% so với máy điện phân thông thường.

Sản xuất “hydrogen vàng” từ các giếng dầu già cỗi

Các startup khác, chẳng hạn như Cemvita Factory, đang bỏ qua quy trình điện phân. Cemvita Factory, có trụ sở tại Houston (Mỹ), gọi sản phẩm của mình là “hydrogen vàng”, ám chỉ đến “vàng đen”, từ lóng của dầu mỏ.

Các giếng dầu dừng sản xuất không phải vì chúng cạn kiệt dầu mà là vì áp suất dưới lòng đất giảm xuống. Cemvita muốn tận dụng nguồn dầu vẫn còn sót lại trong lòng đất ở các giếng dầu cũ để sản xuất hydrogen vàng. Công ty sẽ mua các giếng dầu cũ và đưa các vi sinh vật chuyển hóa dầu vào đá chứa dầu dưới lòng đất. Theo Cemvita, các vi sinh vật sẽ chuyển hóa dầu thành carbon và hydrogen. Trong khi carbon vẫn nằm dưới lòng đất, hydrogen sẽ được giải phóng và được đưa lên mặt đất để thu giữ.

Sau khi thử nghiệm các sự kết hợp khác nhau của vi khuẩn và chất dinh dưỡng trong phòng thí nghiệm, hồi tháng 9, Cemvita cho biết đã thực hiện một cuộc thử nghiệm thành công tại một giếng dầu cũ ở bang Texas. Cemvita đang phát triển nhiều sản phẩm nhiên liệu carbon thấp khác nhau nhưng giờ đây đã tách hoạt động sản xuất hydrogen thành một công ty mới, có tên gọi Gold H2 LLC.

Việc nuôi vi sinh vật và bơm chúng xuống giếng dầu chỉ đòi hỏi các thiết bị hoặc điện ít tốn kém hơn so với chi phí của một máy điện phân. Cemvita cho biết công ty có thể sản xuất hydrogen carbon thấp với chi phí dưới 1 đô la Mỹ mỗi kg.

Charles Nelson, Giám đốc kinh doanh của Cemvita, ước  tính có khoảng 100.000 giếng dầu già cỗi ở Mỹ, nơi công nghệ của công ty ông có thể sử dụng được.

Hydrogen vàng không phải là đổi mới duy nhất nhận được sự chú ý của các nhà đầu tư trong lĩnh vực hydrogen sạch.

Nhiệt phân metan để thu “hydrogen ngọc lam”

Trong mùa hè này, Monolith, một startup có trụ sở tại bang Nebraska, đã huy động được hơn 300 triệu đô la Mỹ từ các nhà đầu tư, bao gồm Quỹ đầu tư nhà nước Singapore Temasek để thương mại hóa một phương pháp sản xuất hydrogen gọi là nhiệt phân metan.

Quá trình nhiệt phân này bắt đầu với metan, thành phần chính trong khí đốt tự nhiên. Nhưng thay vì đốt khí metan để tạo ra hydrogen và CO2, quy trình này sử dụng điện để tạo ra nhiệt trong lò phản ứng và biến khí metan thành hydrogen và muội than (black carbon), một sản phẩm có thể sử dụng để làm chất độn lốp xe.

Người phát ngôn của Monolith cho biết hệ thống của công ty chỉ sử dụng một phần nhỏ lượng điện năng tiêu thụ cần thiết của một máy điện phân điển hình để sản xuất cùng một lượng hydrogen.

Hydrogen được được tạo ra theo cách này được gọi rộng rãi là hydrogen ngọc lam (turquoise hydrogen). Hydrogen ngọc lam có thể không chứa carbon nếu được sản xuất bằng điện tái tạo và khí metan thu được từ chất thải phân hủy.

Molten Industries, một startup khác có trụ sở ở bang California, cũng đang phát triển quy trình điện phân metan. Startup này dự báo vài năm nữa khí metan từ chất thải nông nghiệp sẽ được đưa đến các nhà máy sản xuất hydrogen của họ thông qua các đường ống dẫn dầu và khí đốt. Đồng thời, các nhà máy của Molten cũng sẽ phát triển nguồn cung điện tái tạo riêng.

Kevin Bush, người đồng sáng lập Molten, cho biết công ty ông cuối cùng có thể sản xuất hydrogen với chi phí dưới 2 đô la Mỹ/kg dù cho giá điện tái tạo ở mức trên 50 đô la Mỹ/MWh.

Theo WSJ