Liệu Hydro có phải là năng lượng sạch của tương lai không?

Hydro là một giải pháp thay thế sạch cho nhiên liệu hóa thạch vì nó không thải ra khí nhà kính hoặc chất gây ô nhiễm. Tuy nhiên, sản xuất hydro trên quy mô lớn và triển khai nó trong nhiều lĩnh vực khác nhau là một nhiệm vụ dài và đầy thách thức. Cuộn xuống để tìm hiểu về thị trường năng lượng hydro, các ứng dụng đa dạng của nó và các dự báo trong tương lai.

Mục lục
Thị trường sản xuất hydro toàn cầu
Công dụng của hydro
Tương lai của hydro

Thị trường sản xuất hydro toàn cầu

Toàn cầu khinh khí thị trường thế hệ dự kiến ​​sẽ tăng trưởng ở tốc độ CAGR là 10.5% lên 263.5 tỷ đô la vào năm 2027. Nhu cầu ngày càng tăng về hydro cho pin nhiên liệu trong xe điện và tên lửa trong ngành hàng không vũ trụ đang thúc đẩy thị trường phát triển.

Hơn nữa, các chính sách kinh tế mà các quốc gia cam kết đạt được mục tiêu phi cacbon hóa toàn cầu vào năm 2050 đã thúc đẩy tăng trưởng thị trường. Năm 2020, Liên minh Châu Âu đã thiết lập một khinh khí chính sách hỗ trợ các sáng kiến ​​sản xuất hydro xanh.

Châu Á Thái Bình Dương được ước tính là thị trường lớn nhất cho khinh khí thế hệ vào năm 2022, với Trung Quốc chiếm thị phần lớn nhất. Siemens Energy (Đức), ENGIE (Pháp) và Linde plc (Ireland) là những công ty toàn cầu lớn trong lĩnh vực này.

Bài viết này đề cập đến mọi thông tin mà các nhà đầu tư cần biết về hydro như một nguồn năng lượng, ứng dụng của nó và tương lai của nó.

Hydro là gì?

Hydro là một loại khí tự nhiên và là một trong những nguyên tố hóa học phổ biến nhất, chiếm 75% khối lượng của vũ trụ. Đây là một giải pháp thay thế thân thiện với môi trường hơn so với mêtan. Nước, động vật, thực vật và con người đều chứa khinh khí nguyên tử. Mặc dù có trong hầu hết mọi sinh vật sống, hydro ở dạng khí lại rất khan hiếm.

Hydro có thể được sản xuất từ ​​các nguồn tài nguyên khác nhau, bao gồm năng lượng hạt nhân, khí sinh học, khí thiên nhiên và năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời và gió. Nhưng thách thức lớn nhất là khai thác hydro dưới dạng khí trên quy mô lớn để cung cấp nhiên liệu cho doanh nghiệp.

Tại sao hydro được coi là cần thiết cho tương lai?

Trong nhiều năm, khí đốt tự nhiên đã được sử dụng để cung cấp nhiệt và điện trong nhà và doanh nghiệp. Tại Hoa Kỳ, 47% trong số các ngôi nhà sử dụng khí đốt tự nhiên và 36% sử dụng điện, trong khi 85% hộ gia đình ở Anh sử dụng khí đốt.

Mê-tan là thành phần chính của khí thiên nhiên có nguồn gốc từ các mỏ dầu và khí đốt. Các ngành công nghiệp vẫn tiếp tục sử dụng khí thiên nhiên vì nó dễ kiếm, tiết kiệm chi phí và là giải pháp thay thế sạch hơn cho than đá, loại nhiên liệu hóa thạch bẩn nhất mà nhiều quốc gia vẫn dựa vào để sưởi ấm và phát điện.

Khi khí đốt tự nhiên được đốt cháy, nó tạo ra năng lượng có giá trị; tuy nhiên, nó thải ra carbon dioxide vào khí quyển, góp phần gây ra biến đổi khí hậu. Ngược lại, hydro chỉ thải ra hơi nước như một sản phẩm phụ.

Hydro xanh khác với hydro xám và hydro xanh lam như thế nào?

Hydro xanh được sản xuất bằng cách sử dụng các nguồn tài nguyên không tái tạo thông qua hai phương pháp khác nhau. Phương pháp phổ biến nhất là cải cách khí mê-tan bằng hơi nước, tạo ra hydro khối lượng lớn và chiếm phần lớn sản lượng toàn cầu. Một bộ cải cách được sử dụng trong phương pháp này để phản ứng hơi nước ở nhiệt độ và áp suất cao với mê-tan và chất xúc tác niken.

Phương pháp thứ hai là cải cách nhiệt tự động, trong đó oxy, carbon dioxide hoặc hơi nước phản ứng với mêtan để tạo ra hydro. Nhược điểm của hai phương pháp này là chúng có carbon như một sản phẩm phụ, đòi hỏi phải thu giữ và lưu trữ carbon để bẫy và lưu trữ carbon này.

Ngoài ra, hydro xanh cũng có thể được sản xuất bằng cách sử dụng điện để cung cấp năng lượng cho máy điện phân, tách hydro khỏi các phân tử nước. Điều này tạo ra hydro tinh khiết và không giải phóng bất kỳ sản phẩm phụ nào. Một lợi ích bổ sung của việc sử dụng điện là nó cho phép chuyển hướng điện dư thừa sang điện phân, do đó, nó được sử dụng để sản xuất khí hydro có thể được lưu trữ cho nhu cầu năng lượng trong tương lai.

Cuối cùng, hydro xám được sản xuất từ ​​nhiên liệu hóa thạch, tương đối rẻ và thường được sử dụng để làm phân bón. Thật không may, cứ mỗi 1 kg hydro xám được sản xuất, 10 kg carbon dioxide được thải vào khí quyển. Do đó, nó được coi là dạng hydro ít tái tạo nhất.

Công dụng của hydro

Hydro có nhiều ứng dụng khác nhau và được sử dụng trong các quy trình công nghiệp khác nhau. Tại Hoa Kỳ, hầu như tất cả hydro được sử dụng để lọc dầu, chế biến thực phẩm, sản xuất phân bón và xử lý kim loại. Các nhà máy lọc dầu trong nước sử dụng hydro để giảm hàm lượng lưu huỳnh trong nhiên liệu.

Được sử dụng để thám hiểm không gian bên ngoài

Cơ quan Hàng không và Vũ trụ Quốc gia (NASA) đã sử dụng hydro làm nhiên liệu tên lửa từ những năm 1950. NASA là cơ quan đầu tiên cung cấp năng lượng cho hệ thống điện của tàu vũ trụ bằng pin nhiên liệu hydro.

Pin nhiên liệu hydro tạo ra điện

Bằng cách kết hợp các nguyên tử oxy và hydro, khinh khí Pin nhiên liệu tạo ra điện. Giống như pin, hydro phản ứng với oxy trong pin điện hóa để tạo ra điện. Có nhiều loại pin nhiên liệu khác nhau cho các ứng dụng khác nhau.

Pin nhiên liệu nhỏ có thể cung cấp năng lượng cho điện thoại di động và máy tính. Ngược lại, pin nhiên liệu lớn có thể cung cấp năng lượng cho lưới điện, cung cấp điện khẩn cấp trong các tòa nhà và cung cấp điện cho những khu vực không được kết nối với lưới điện.

Tính đến năm 2021, có khoảng 166 máy phát điện chạy bằng pin nhiên liệu đang hoạt động tại 113 cửa hàng ở Hoa Kỳ, với tổng công suất khoảng 260 megawatt (MW). Với công suất phát điện khoảng 16 MW, Pin nhiên liệu Bridgeport (Connecticut) là cơ sở phát điện bằng pin nhiên liệu đơn lẻ lớn nhất.

Cơ sở lớn tiếp theo, Trung tâm năng lượng Red Lion ở Delaware, có công suất phát điện là 6 MW. Hầu hết các pin nhiên liệu đang hoạt động này đều sử dụng khí đốt tự nhiên từ đường ống làm nguồn hydro, trong khi những cơ sở khác sử dụng khí bãi rác và khí sinh học.

Dùng trong các nhà máy điện

Có một sự quan tâm ngày càng tăng trong việc sử dụng khinh khí trong các nhà máy điện tại Hoa Kỳ. Một số nhà máy điện đã công bố mong muốn vận hành hỗn hợp nhiên liệu khí đốt tự nhiên-hydro trong tua bin khí đốt. Ví dụ, cơ sở Long Ridge Energy Generation công suất 485 MW tại Ohio, có tua bin đốt khí đốt chạy bằng hỗn hợp nhiên liệu khí đốt tự nhiên 95%/5% hydro, có kế hoạch sử dụng 100% hydro xanh được sản xuất bằng các nguồn tài nguyên tái tạo.

Một ví dụ khác là nhà máy Intermountain Power Agency ở Utah, nơi có kế hoạch chuyển đổi một cơ sở điện chạy bằng than hiện có thành một cơ sở điện chạy bằng khí đốt kết hợp, ban đầu sẽ sử dụng tới 30% hydro và sau đó sẽ sử dụng 100% hydro xanh.

Được sử dụng trong xe cộ

Theo Đạo luật Chính sách Năng lượng năm 1992, khinh khí được coi là một giải pháp thay thế cho nhiên liệu xe. Người ta ngày càng quan tâm đến hydro vì nó có thể cung cấp năng lượng cho pin nhiên liệu trong các loại xe không phát thải, có tiềm năng đạt hiệu suất cao và có tiềm năng đầy hứa hẹn cho sản xuất trong nước.

Pin nhiên liệu có thể hiệu quả hơn động cơ đốt trong chạy bằng nhiên liệu hóa thạch từ 2 đến 3 lần. Hydro cũng có thể được sử dụng để làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong, nhưng nó giải phóng nitơ oxit.

Xe chạy bằng nhiên liệu hydro hiện nay ít hơn vì pin nhiên liệu đắt tiền và số lượng trạm tiếp nhiên liệu hydro có hạn. Có khoảng 48 trạm hydro tại Hoa Kỳ và hầu hết đều ở California.

Các quốc gia chuyển đổi sang nền kinh tế hydro xanh

Châu Úc:Mặc dù có sự hiện diện không đáng kể trên thị trường hydro xanh, Úc đã hợp tác với nhiều tổ chức khác nhau để phát triển các dự án năng lượng mặt trời và gió nhằm thúc đẩy sản xuất hydro tái tạo.

Canada: Canada có một phân khúc hydro và pin nhiên liệu phát triển mạnh nhờ vào các quan hệ đối tác chung và đầu tư từ khu vực tư nhân và công cộng. Các công ty toàn cầu trong phân khúc này, chẳng hạn như Ballard Power Systems và Hydrogenics, cũng có trụ sở tại Canada.

Trung Quốc: Xe chạy bằng hydro được miễn thuế ở quốc gia này và hydro được coi là phương tiện tiềm năng để khử cacbon cho giao thông. Hơn nữa, Vũ Hán được coi là thành phố hydro vì thành phố này có kế hoạch mở ít nhất 100 trạm tiếp nhiên liệu trạm cho xe chạy bằng pin nhiên liệu bởi 2025.

Nhật Bản:Nhật Bản là nước dẫn đầu thế giới về sản xuất pin nhiên liệu hydro nhờ các nhà sản xuất ô tô Toyota và Honda. Quốc gia này cũng mong muốn chuyển từ khí thiên nhiên hóa lỏng sang hydro xanh.

Tương lai của hydro

Nhu cầu hydro

Trong thời gian ngắn, khinh khí sẽ được sử dụng trong các lĩnh vực có áp lực xã hội về việc khử cacbon. Các công ty hàng tiêu dùng ở EU ngày càng quan tâm đến các nguồn năng lượng tái tạo.

Hydro dự kiến ​​sẽ khử cacbon cho nguyên liệu công nghiệp và sản xuất điện trong tương lai gần. Về lâu dài, việc sản xuất amoniac và nhiên liệu hydrocarbon tổng hợp có nguồn gốc từ hydro sẽ cho phép khử cacbon cho các ngành khó giảm thiểu nhất, chẳng hạn như hàng không.

Cung cấp hydro

Việc sử dụng khinh khí sẽ chỉ trở nên phổ biến hơn nếu chi phí hydro xanh giảm đáng kể. Hydro xanh rất có thể sẽ được sử dụng để đáp ứng nhu cầu nếu giá cao trong ngắn hạn.

Phân phối hydro

Một hệ thống phân phối hiệu quả sẽ được đưa vào sử dụng để cung cấp hydro, bao gồm đường ống được kết nối tốt và tàu thuyền và xe tải. Bởi vì một khinh khí mạng lưới sẽ không được phân phối rộng rãi như mạng lưới khí đốt tự nhiên hiện tại, việc phân phối hydro thông qua xe tải sẽ là cần thiết. Nhập khẩu qua đường ống và tàu sẽ rất quan trọng trong việc đáp ứng nhu cầu trong nước.

Với chi phí vận chuyển cao, hydro địa phương được sản xuất từ ​​điện tái tạo giá rẻ sẽ vẫn có sức cạnh tranh so với hydro nhập khẩu. Khi nhu cầu về hydro tăng lên, sản xuất tập trung thông qua cấu trúc đường ống đến kho lưu trữ quy mô lớn sẽ trở nên hấp dẫn hơn.

Quan điểm chính sách

Châu Âu có nhiều khả năng sẽ thúc đẩy ngành công nghiệp hydro, mở ra những cơ hội mới ở các khu vực khác, chẳng hạn như sản xuất máy điện phân và pin nhiên liệu ở Châu Á và xuất khẩu các nguồn tài nguyên tái tạo từ Trung Đông và Bắc Mỹ.

Chi phí của máy điện phân và pin nhiên liệu phải được giảm để cung cấp hydro trong thời gian ngắn. Tuy nhiên, hydro sẽ luôn đắt hơn nhiên liệu hóa thạch, đòi hỏi các chính sách khuyến khích phải có tính cạnh tranh.