Những cảnh báo về thay đổi khí hậu đã tạo cơ hội chưa từng có cho loại nhiên liệu mới chứa hydrogen, nhưng thực tế cho thấy không hẳn như thế. Trở ngại lớn nhất vẫn là chi phí sản xuất và cơ sở hạ tầng khả dụng cho hệ thống mới.
Năng lượng xanh của thế kỷ 21
Khí tự nhiên (natural gas) trộn với hydrogen được xem là “hỗn hợp xanh” (green mix) và thế giới đặt rất nhiều kỳ vọng vào tốc độ phát triển của nó. Dẫn chứng cho “cuộc cách mạng hydrogen” (hydrogen revolution) đang diễn ra trong khuân viên đại học Keele University ở gần thị trấn Stoke-on-Trent của Anh Quốc khi những tia lửa nhỏ bắn ra từ hỗn hợp khí tự nhiên trộn với 20% hydrogen dùng để đun nấu bữa tiệc Giáng sinh 2019 truyền thống.
Nhiên liệu hydrogen được “tôn vinh” là một thay thế tương đối sạch so với các nhiên liệu thay thế vẫn phát tán khí thải độc hại gây hiệu ứng nhà kính khác. “Hydroden giúp giảm lượng CO2 đưa vào môi trường từ sưởi ấm và đun nấu” – một người ủng hộ hydrogen nói. Thống kê mới nhất cho thấy nhiên liệu tự nhiên đóng góp đến 2/3 tổng lượng khí thải nhà kính của nước Anh.
Nguyên liệu duy nhất để chiết xuất hydrogen là nước. Vì là nhiêu liệu, các nghiệp vụ của hydrogen cũng giống các loại nhiên liệu tự nhiên khác. Nhóm thí nghiệm tại đại học Keele University khẳng định đun nấu bằng hỗn hợp 20% hydrogen không khác biệt với chế độ đun nấu bình thường, nhưng khí thải CO2 ít hơn nhiều. Cuộc thử nghiệm có tên HyDeploy là thí nghiệm trực tiếp đầu tiên của nước Anh trong hệ thống cung cấp khí đốt đến các gia đình. Keele chọn hệ thống cung cấp khí đốt biệt lập của tư nhân để bảo đảm an toàn. Hệ thống này sản xuất hydrogen trong chiếc máy điện tử (electrolyser) tách nước (H2O) thành hydrogen và oxygen.
Hydrogen được giữ trong một bồn chứa (container) mầu xanh đặt tại sân thi đấu thể thao của đại học. Công ty cung cấp khí đốt Cadent chủ trì cuộc thử nghiệm cho biết nếu đưa 20% hydrogen vào toàn bộ mạng lưới cung cấp khí đốt của nước Anh nó sẽ giúp giảm lượng khí thải CO2 đến 6 triệu tấn, tương đương số khí thải của 2,5 triệu xe hơi đang lưu thông. Một nhà quan sát đặt câu hỏi: “Nếu hydrogen tốt như thế tại sao chúng ta không tăng tỉ lệ trong hỗn hợp lên hơn 20%?”. Giới hạn 20% được giải thích là để có hỗn hợp xanh lý tưởng nhất mà không ảnh hưởng đến an toàn của đường ống và các linh kiện của hệ thống.
Hiện nước Anh chỉ mới cung cấp được một lượng nhỏ hydrogen, nhưng Cadent cho biết sản lượng sẽ tăng lên để đáp ứng yêu cầu giảm CO2 từ sưởi ấm và nấu nướng. Kỹ sư cố vấn Ed Syson nhận định: “Chi phí sản xuất hydrogen không phải là trở ngại lớn nếu chúng ta nhìn lại bước phát triển nhanh hơn dự báo của năng lượng gió. Công nghệ cải tiến sẽ giúp hỗn hợp xanh hydrogen sớm trở thành hiện thực trên diện rộng. Ngoài ra, người dùng không nhận thấy được sự khác biệt của hệ thống họ đang sử dụng vì mọi thao tác vẫn như cũ”.
Khi nào hydrogen sẽ đi vào tận hộ gia đình?
Vậy thì bao lâu nữa con người mới được chứng kiến việc sưởi ấm và nấu nướng sẽ dùng 100% hydrogen mà không cần thêm gì khác? Hiện nay một số công ty đã bắt đầu sản xuất bếp đun có thể dùng 100% nhiên liệu hydrogen. Ví dụ công ty Worcester Bosch đã hoàn tất chiếc nồi nấu có khả năng chuyển đổi từ dùng khí tự nhiên sang dùng 100% hydrogen. Công ty muốn chính phủ ra qui định đến năm 2025, toàn bộ bếp nấu mới sản xuất đều có hai tính năng song song này. “Người dùng sẽ không gặp khó khăn khi thay loại bếp cũ bằng bếp mới thân thiện với môi trường. Chi phí thêm cho bếp mới chỉ khoảng 50 bảng Anh” – thông báo của công ty viết.
Nói vậy để thấy, cuộc cách mạng hydrogen là không thể tránh khỏi. Hiện có khoảng 85% hộ gia đình Anh vẫn sưởi ấm bằng khí thiên nhiên. Các chuyên viên tin rằng việc thay bếp nấu cũ bằng bếp dùng hydrogen là rất tiết kiệm. Một nghiên cứu mới đây từ chính phủ Anh đã nêu câu hỏi về khả năng mỗi gia đình sẽ được sưởi ấm bằng “hệ thống lai”, vừa dùng khí đốt vừa dùng hydrogen.
Nhưng, trong khi những fan công nghệ này đặt nhiều hy vọng vào hydrogen thì một số người lo rằng hydrogen quá đắt để phổ biến thương mại. Một trở ngại là CO2 vẫn xuất hiện trong quá trình tách hydrogen bằng máy dùng khí đốt hay các nhiên liệu tái tạo. Chúng được thu gom vào những hầm ngầm (CCS). Sản xuất hydrogen sẽ không gây ô nhiễm nếu chúng ta dùng năng lượng gió vào ban đêm dể tách các phần tử nước.
Vào thời điểm này, hydrogen dùng cho hệ thống sưởi và nấu nướng tốn kém hơn nhiều so với khí tự nhiên. Nhưng khoảng cách sẽ rút ngắn khi thuế đánh vào khí thải carbon tăng trong cuộc chiến chống nóng lên toàn cầu thời gian sắp tới. Công ty nghiên cứu môi trường E3G ra tuyên bố viết: “Nhiên liệu hydrogen có điểm yếu về chi phí xây dựng cơ sở hạ tầng cao nên chưa hấp dẫn lắm so với các nhiên liệu thay thế tái tạo được khác”.
Richard Black thuộc tổ chức theo dõi năng lượng và khí hậu Energy and Climate Intelligence Unit (ECIU) nhận định: “Chúng ta sẽ và nên có hydrogen trong danh sách các loại năng lượng thay thế. Tuy nhiên, vào thời điểm này, hydrogen không phải là giải pháp dễ thực hiện nhất. Nghe thì ấn tượng nhưng đừng hy vọng quá nhiều vào nó”. Trong khi những tranh cãi chưa có hồi kết, tại sân thể thao Đại học Keele, chiếc container của niềm hy vọng chỉ cấp đủ hydrogen để nấu 20% bữa ăn đêm Giáng sinh. Nói thế để thấy, giấc mơ hydrogen thay hoàn toàn khí thiên nhiên vẫn còn rất xa vời.
Nhìn từ Nhật Bản
Năm 2014, chúng ta bắt đầu chứng kiến quá trình sản xuất và sử dụng năng lượng hydrogen (hydrogen energy). Hội đồng chiến lược Hydrogen và Tế bào nhiên liệu (fuel cell) thuộc Bộ Kinh tế, Thương mại và Công nghệ Nhật Bản đã soạn thảo kế hoạch “Lộ trình chiến lược cho Hydrogen và Fuel Cells”.
Tháng 11-2014 chứng kiến bước nhảy lớn của cuộc cách mạng hydrogen khi chính quyền thành phố Tokyo xác định: “Xã hội hydrogen (hydrogen society) sẽ được hình thành vào thời điểm diễn ra Tokyo Olympics và Paralympics 2020” đồng thời công bố danh sách những biện pháp cụ thể và ngân sách dành cho mục tiêu này. Cùng lúc đó, hai hãng chế tạo xe hơi Honda và Toyota Motors lên kế hoạch đưa loạt xe dùng tế bào nhiên liệu hydrogen đầu tiên ra thị trường. Hai công ty khác, Iwatani Corporation và JX Nippon Oil & Energy Corporation công bố giá bán ước tính hydrogen tại những trạm cung cấp.
Có vẻ như tất cả mọi yếu tố đã trong tư thế sẵn sàng để biến cuộc cách mạng hydrogen thành hiện thực. Nhật Bản là quốc gia đi đầu thế giới về công nghệ tế bào nhiên liệu hydrogen (hydrogen fuel cell technology). Năm 2009 công ty Panasonic hợp tác với công ty xăng dầu Tokyo Gas thành lập liên doanh Ene-Farm để sản xuất các tế bào nhiên liệu hoá-điện từ (electrochemical fuel cell) đều tiên dùng cho gia đình.
Tháng 12-2014 Toyota cho biết chiếc xe hơi dùng tế bào nhiên liệu đầu tiên sẽ được bán đại trà trên thế giối. Lập tức, báo chí tập trung viết về sự kiện này với nhiều kỳ vọng.
Lợi ích tiềm năng của nhiên liệu hydrogen có thể quy vào 5 điểm chính: trước hết, nó không cho ra CO2 hay các khí thải nhà kính khác (chất thải duy nhất là nước nên được xem là “năng lượng xanh), thân thiện với môi trường (dĩ nhiên, quá trình sản xuất ra nó củng có thể phát sinh một chất thải xấu, trừ sản xuất bằng năng lượng gió).
Thứ 2, tế bào nhiên liệu hydrogen có hiệu năng cao nên giảm được tiêu hao năng lượng trong tình hình hiệu năng sử dụng nhiên liệu tại các nhà máy điện tại Nhật Bản chỉ đạt hơn 40%.
Thứ 3, khi xảy ra động đất hay các thảm hoạ khác, nhà và xe trang bị tế bào nhiên liệu hydrogen sẽ có nguồn năng lượng thay thế nên việc vận chuyển và sinh hoạt không bị ảnh hưởng nhiều.
Thứ 4, hydrogen có thể sản xuất bằng nhiều cách khác nhau, hydrogen không chỉ là nguồn năng lượng riêng rẽ mà còn bổ sung cho các nguồn năng lượng khác, giải quyết được nạn khan hiếm năng lượng.
Thứ 5, hydrogen khi được phổ biến đại trà sẽ giúp trẻ hoá nền kinh tế và tạo thêm công ăn việc làm, điều mà nước Nhật đang cần. Nhật Bản hiện dẫn đầu thế giới về số bằng sáng chế các thiết bị cho công nghệ liên quan đến tế bào nhiên liệu hydrogen. Các công ty nhất cũng đi đầu sản xuất các bồn chứa hydrogen.
Tuy nhiên, để năng lượng hydrogen được sử dụng rộng rãi, vấn đề lớn nhất vẫn là phí tổn sản xuất. Vấn đề thứ hai là tăng ý thức cho công chúng về một “xã hội hydrogen” (hydrogen society), đặc biệt là lợi ích cho môi trường và giảm lãng phí năng lượng. Ngoài ra mạng lưới trạm nhiên liệu hydrogen phải hoàn thiện để đáp ứng sự đội ngũ xe hơi dùng loại nhiên liệu này ngày càng tăng.
Dù Nhật Bản đi đầu trong việc phát triển và sử dụng hydrogen, nhưng cơ sở ha tầng lại đi sau nhiều nước khác. Olympic và Paralympic Games 2020 ở Tokyo là cơ hội để Nhật Bản rút ngắn cách biệt với nhiều trạm hydrogen mới được xây dựng. Nhưng sự hấp dẫn lớn nhất của năng lượng hydrogen vẫn là khả năng thay đổi bản chất của việc cung cấp năng lượng toàn cầu.
