Hydro, nhiên liệu tương lai cho giao thông vận tải?

Hiểu một cách trực tiếp chính là giảm lượng khí thải nhà kính (thán khí CO2, khí metan CH4, khí gây cười N2O,...) đến giữa năm 2050 và 2060 về “không”, bằng lượng thải của năm 1990.

Báo cáo “Emissions GAP Report” của UNEP (UN Environment Programme) vào tháng 12-2020 cho thấy sau 5 năm hiệp ước vẫn chưa có một dấu hiệu nào chứng tỏ rằng lượng CO2 tương đương (CO2e) của khí thải nhà kính trong tất cả những khu vực kinh tế đã được giảm thiểu (hình 1). Những nhận định bi quan cho rằng với đà không phanh này nhiệt độ Trái đất sẽ tăng lên đến 3 độ C!

Ta có thể nói rằng nền kinh tế toàn cầu trong thế kỷ qua là một nền “kinh tế carbon”, đã hầu như hoàn toàn đặt trên nền tảng nguồn năng lượng hóa thạch (dầu mỏ, than, khí thiên nhiên), mà quá trình sử dụng nó lại giải phóng carbon độc hại.

Giảm thiểu khí nhà kính không gì khác hơn là một sự “chuyển đổi năng lượng” toàn cầu để trước tiên, quá độ qua một nền “kinh tế carbon thấp”, tiến đến một nền “kinh tế không carbon” đặt trên nền tảng nguồn năng lượng tái tạo (mặt trời, gió, nước) và năng lượng hydro. Những nước kỹ nghệ tiên tiến đã bắt đầu đi vào chuỗi giá trị sáng tạo, đặt nền móng cho một nền “kinh tế hydro”: sản xuất và sử dụng khí hydro làm nguyên liệu và nhiên liệu trong mọi khu vực kinh tế thay thế nguyên liệu và nhiên liệu hóa thạch.

Đối với những quốc gia đã ký kết hiệp ước Paris 2015, để hoàn thành cam kết, việc chuyển đổi năng lượng đòi hỏi không những phải có một chiến lược về năng lượng tái tạo mà còn phải có một chiến lược về hydro. Nhưng ghi nhận vào tháng 8-2020 chỉ có vài quốc gia đã có chiến lược hydro rõ ràng (Đức, Pháp, Na Uy, Tây Ban Nha, Úc, Nhật, Hàn Quốc). Nhiều nước khác đang dự thảo (Nga, Trung Quốc, Canada, ...) hoặc đang vận hành những dự án hydro thí điểm (Mỹ, Ấn Độ, Brazil, Nam Phi). Có thể nói rằng nền kinh tế hydro đang còn đi những bước chập chững.

Lượng hydro có trong tự nhiên hầu như vô tận, nhưng lại ở dạng năng lượng thứ cấp (secondary) vì chỉ “xuất hiện” khi được tách ra từ những vật chất khác. Từ những phương pháp sản xuất ta có thể phân biệt được:

Hydro xám (grey): sản xuất từ nguyên liệu hóa thạch, do đó phát thải CO2.

Hydro lam (blue): sản xuất như hydro xám nhưng CO2 phát thải được thu và lưu trữ.

Hydro xanh (green): sản xuất bằng phương pháp điện phân nước. Nếu dòng điện được cung cấp từ năng lượng tái tạo thì quá trình sản xuất hydro xanh không phát thải CO2. Một nền kinh tế hydro, không carbon phải dựa trên nền tảng công nghệ của chuỗi sản xuất này: năng lượng tái tạo và hydro xanh từ điện phân nước!

Như thế câu hỏi đặt ra là thế giới có và đến khi nào sản xuất đủ lượng điện từ năng lượng tái tạo để đáp ứng, một mặt cho nhu cầu trong dân dụng, trong kỹ nghệ và mặt khác cho sản xuất hydro xanh? Hơn nữa giá thành của điện năng lượng tái tạo và hydro xanh trong tương lai phải cạnh tranh được với thành phẩm từ năng lượng hóa thạch.

Căn cứ vào thống kê nhu cầu sử dụng dầu mỏ toàn thế giới theo những khu vực kinh tế trong năm 2014 thì khu vực giao thông và vận tải đã chiếm đến 55% tổng số lượng (Nguồn: IEA World Energy Outlook 2015). Trong nhóm này, riêng giao thông đường bộ chiếm đến 42% tổng số lượng dầu mỏ và phát thải hơn 18% lượng CO2 toàn cầu. Do đó, động cơ đốt trong (xăng/diesel) không có tương lai và sẽ phải được thay thế dần bằng động cơ điện. Sự chuyển đổi trong khu vực kinh tế này sẽ diễn ra trong vài thập niên vì cả một nền kỹ nghệ sản xuất ô tô và phụ trợ ở các quốc gia tân tiến - phải chuyển đổi chuỗi sản xuất, chuỗi cung ứng, chuỗi tiêu thụ của một nền kỹ nghệ xương sống đang dựa vào động cơ đốt trong - sang động cơ điện.

Nguyên tắc của động cơ điện vận hành trong ô tô đã có vào khoảng năm 1832-1839, trước cả động cơ Otto (động cơ xăng - động cơ đốt trong bốn thì). Nguồn điện cung cấp cho động cơ điện đến từ một pin, qua hai kỹ thuật khác biệt (hình 2).

Pin Li-Ion cho ô tô điện BEV (battery electric vehicles, Hình 2a): Nguồn năng lượng đến trực tiếp từ pin đã trữ điện lượng. Nhờ những tiến bộ vượt bậc của kỹ thuật pin Li-Ion trong thập niên qua, nâng mật độ năng lượng lên rất cao so với pin chì, BEV mới có khả năng cạnh tranh với ô tô động cơ đốt trong.

Pin nhiên liệu hydro cho ô tô điện (FCEV- fuel cell electric vehicles, hình 2b) cũng đã được biết đến từ năm 1839. Pin này cung cấp điện trong một quá trình ngược lại với điện phân nước ra hydro. Ở đây khí hydro đưa vào phản ứng với khí trời qua những màng phủ platin (stack) sẽ sinh ra điện, thải nước và nhiệt. Vì thế khi vận hành FCEV phải cần có một pin Li-Ion nhỏ để khởi động và thu lại điện khi giảm tốc (recuperation).

Hình 3 so sánh lượng phát thải CO2e của ô tô với các loại động cơ khác nhau trong vòng đời (life cycle). Khi vận hành BEV và FCEV không phát thải CO2, môi trường nơi sử dụng không bị ô nhiễm. Nhưng khi chỉ sử dụng 30% điện từ năng lượng tái tạo (BEV) và hydro xám (FCEV), dấu vết carbon của 2 loại ô tô này so với ô tô xăng/diesel không hề nhỏ. Chỉ với dòng điện từ 100% năng lượng tái tạo thì BEV và FCEV mới thật sự giảm phát thải CO2 đáng kể.

Trên thị trường ô tô, FCEV so với BEV đang có nhiều bất lợi vì sinh sau đẻ muộn. Hiện tại chỉ có hai dòng xe Mirai/Toyota và Nexo/Hyundai được sản xuất và bán với một số lượng rất khiêm nhường. Tất cả những hãng sản xuất ô tô truyền thống đang phải dồn hết nỗ lực vào BEV để chiếm lại thị phần, đảm bảo cho sự sống còn trong quá trình chuyển đổi sang nền kinh tế carbon thấp trước khi thật sự vào nền kinh tế hydro. Trong quá trình này, FCEV sẽ cạnh tranh với BEV. Cả hai loại ô tô này, về kỹ thuật, còn rất nhiều khả năng tiến triển và hơn thua nhau. Trong bối cảnh hiện tại, dựa vào tính năng tải trọng và cự ly di chuyển (hình 4), BEV và FCEV sẽ cạnh tranh bổ sung. FCEV sẽ trụ từ mảng vận tải nặng trước và lấn xuống vào vùng ô tô nhỏ cá nhân (đường cong vàng).

Tùy vào chiến lược hydro của các quốc gia tiên tiến, dưới điều kiện chính trị thuận lợi hydro sớm hay muộn sẽ là nhiên liệu tương lai cho giao thông vận tải và là nguồn nguyên liệu, năng lượng cho những khu vực kinh tế khác. n

^(*)Munich, CHLB Đức