Hydro

Hydro có thể thay đổi cuộc chơi. Nó có tiềm năng biến đổi hành tinh bằng cách cung cấp và lưu trữ năng lượng xanh. Nó có thể dùng để vận hành xe tải, tàu biển, máy bay và cả thành phố. Nhưng để biến cuộc cách mạng hydro thành hiện thực, loài người phải vượt qua nhiều thách thức về kỹ thuật và kinh tế. Vậy hãy sẵn sàng đi xuống cấp độ nguyên tử để xem hydro có đủ sức thay đổi thế giới không!

Nếu mở cuốn sách về vũ trụ, bạn sẽ thấy hydro ngay ở chương đầu tiên. Đó là vì nó là một trong những viên gạch xây nên vũ trụ. Nó chiếm 90% số nguyên tử trong các ngôi sao ^[1-4] và trên Trái Đất, hydro là một thành phần chính của nước, cây cối và cả ADN của mọi sinh vật ^[4-7].

Nó cũng là một loại nhiên liệu cực giàu năng lượng, nên NASA dùng nó để phóng tên lửa khám phá không gian ^[8,9,10]. Rõ ràng, hydro đã đưa loài người lên những tầm cao mới. Hay nhất là, nó không tạo ra CO₂!

Vậy sao nó chưa là lựa chọn năng lượng hàng đầu trên toàn thế giới? À, không đơn giản vậy đâu.

Hydro rất khó tách khỏi Trái Đất ở dạng tinh khiết, dù các mỏ tự nhiên có tồn tại ^[11-17]. Nó thường kết hợp với các nguyên tố khác để tạo thành hợp chất. Ví dụ, khi kết hợp với oxy, nó tạo thành nước hay H₂O. Nó cũng có thể kết hợp với carbon để tạo thành khí hóa thạch, còn gọi là methane hay CH₄.

Vì thế, để lấy được hydro tinh khiết, phải tách nó khỏi các nguyên tố mà nó liên kết cùng. Khi lấy hydro từ nước, oxy sẽ được giải phóng. Khi tách nó khỏi khí hóa thạch, carbon sẽ được giải phóng. Vậy nên việc dùng hydro làm nhiên liệu tốt hay xấu cho hành tinh phụ thuộc vào cách hydro đó được sản xuất.

Hiện nay, có ba cách chính để sản xuất nhiên liệu hydro, được phân loại là xám, xanh dương và xanh lá: ^[18-21]

Ngày nay, phần lớn hydro được làm từ nhiên liệu hóa thạch ^[22-28] và loại phổ biến nhất là hydro xám, làm từ khí hóa thạch. Nhưng dù dùng khí, than hay dầu, sản xuất hydro từ nhiên liệu hóa thạch đều thải rất nhiều CO₂ vào khí quyển ^{[19,26,27,28]}. Đáng buồn là, các dạng này chiếm hơn 99% tổng sản lượng hydro ^[23,24,28]. Đau đấy!

Thực tế, riêng việc sản xuất hydro xám đã thải ra nhiều CO₂ hơn cả Vương quốc Anh và Australia cộng lại ^[28,29]!

Những năm gần đây, các tiến bộ của công nghệ gọi là thu giữ và lưu trữ carbon đã cho phép các nhà máy điện thu CO₂ phát thải và lưu nó dưới lòng đất ^[30,31,32]. Khi kết hợp với sản xuất hydro, kết quả được gọi là hydro xanh dương ^[33,34].

Nhưng dù phương pháp này giảm phát thải CO₂, hiện nó dễ bị rò rỉ methane (CH₄) ^[34-37] vốn có thể gây hại cho khí quyển gấp hơn 80 lần trong khoảng 20 năm ^[38,39,40]. Một nghiên cứu còn cho thấy nếu làm sai, lượng CH₄ tăng thêm có thể cao đến mức ngay từ đầu cứ đốt nhiên liệu hóa thạch còn hơn ^[35].

Điều các nhà khoa học thực sự tìm kiếm, El Dorado của năng lượng sạch, được gọi là hydro xanh lá. Nó được sản xuất từ nước trong một quá trình hóa học gọi là điện phân: ^[41-45]

Hãy hình dung một bể nước lớn, hay H₂O. Để lấy hydro, trước hết bạn cần phá vỡ liên kết của nó với oxy. Để làm được vậy, bạn dùng điện phá vỡ các liên kết trong phân tử nước, tạo ra khí hydro quý giá. Đơn giản!

Toàn bộ quá trình này có thể chạy bằng năng lượng tái tạo như mặt trời và gió với lượng phát thải gần bằng không ^[41-45].

Hydro xanh lá này có tiềm năng định hình lại thế giới ^{[21,28,43,44,45]}. Các ngành như sản xuất hóa dầu và luyện thép ^[44-47], chiếm khoảng 3,6% và 7,2% lượng phát thải toàn cầu ^[48], đang bắt đầu sạch hơn nhờ dùng hydro xanh lá thay cho nhiên liệu hóa thạch. Một số nước đang đầu tư vào nó để khử carbon trong sản xuất amoniac, một hợp chất dùng trong phân bón, qua đó giảm thêm 1-2% lượng phát thải toàn cầu ^{[44-46,49-53]}.

Các chuyên gia cũng đang nghiên cứu việc dùng nó trong hệ thống giao thông. Ô tô không được ưu tiên nhiều vì xe điện đã quá hiệu quả, nhưng xe tải đường dài, vận tải biển quốc tế và máy bay tầm xa thì được ưu tiên hơn. Vì không thể dùng pin nặng để vận hành, hydro xanh lá là một lựa chọn thay thế lý tưởng ^{[21,28,44,45,54]}.

Về lý thuyết (và miễn là nó được sản xuất bền vững), phát thải trực tiếp duy nhất khi dùng nhiên liệu hydro là nước. Thực tế, nước này còn được dùng trên tàu con thoi của NASA, nơi các phi hành gia thật sự uống nó! ^[55,56]

Vậy điểm trừ là gì?

À, nếu bạn chỉ đốt hydro, nó cũng có thể khiến nitơ trong không khí phản ứng và tạo ra các oxit nitơ, là những chất gây ô nhiễm không khí có hại ^[57-61].

Dù vẫn sạch hơn đốt nhiên liệu hóa thạch, lựa chọn sạch nhất là không đốt nó chút nào mà dùng pin nhiên liệu hydro, thứ chuyển trực tiếp năng lượng hóa học của hydro thành điện ^[62-65]. Cách này không chỉ hiệu quả hơn mà còn không phát thải oxit nitơ và dĩ nhiên không có CO₂! ^{[57-59,63-65]}

Nghe hay đấy, đúng không? Vậy sao chưa đến 1% hydro được sản xuất hiện nay là xanh lá? ^[23,24,28] Sao ai cũng không đổ xô chọn phiên bản thân thiện với môi trường này?

Hiện tại, hydro đắt và cần rất nhiều điện để sản xuất ^[66-69]. Nếu bạn muốn cấp điện cho điện thoại bằng hydro xanh lá thay vì sạc trực tiếp bằng năng lượng tái tạo, trước tiên bạn phải chuyển điện từ nguồn tái tạo thành hydro rồi dùng pin nhiên liệu chuyển nó trở lại thành điện. Làm vậy có thể mất đến 70% năng lượng mà bạn đã nhận được nếu ngay từ đầu sạc điện thoại trực tiếp bằng tấm pin mặt trời! ^[70,71,72]

Có vẻ xanh lá hydro không thật sự đáng đồng tiền. Vậy tại sao mọi người nên dùng nó để cấp điện cho nhà cửa và thành phố?

Câu trả lời nằm ở một trong những đặc tính mạnh nhất của hydro… Khả năng lưu trữ lượng lớn năng lượng để dùng sau này.

Vì tua-bin gió cần gió và tấm pin mặt trời cần ánh nắng, khí và than thường phải vào cuộc trong những ngày tối trời, lặng gió để duy trì điện. Nhưng đây là một ý tưởng xanh hơn:

Bạn cấp điện cho các ngôi nhà bằng năng lượng tái tạo qua một lưới điện thông minh linh hoạt, rồi xây đủ các trang trại gió và mặt trời để tạo ra lượng năng lượng dư thừa. Điện dư sau đó có thể được đưa đến các nhà máy hydro xanh lá để sản xuất hydro. Hydro này sau đó có thể được lưu trữ và dùng để tạo điện khi mặt trời và gió không đáp ứng đủ nhu cầu ^[73-76].

Và chưa hết, hydro có thể được lưu trữ với lượng khổng lồ dưới lòng đất trong thời gian dài, ở các mỏ cũ, hang muối hay cả những mỏ dầu khí đã cạn ^[77-80]. Điều này nghĩa là có thể dùng nó quanh năm, kể cả trong những tháng mùa đông lạnh giá.

Đây gọi là lưu trữ liên mùa và nhiều nước đã đang đầu tư vào nó ^{[23,81,82,83]}. Một ngày nào đó, nó thậm chí có thể giúp xóa bỏ sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch. Tuyệt hơn nữa, những nguồn dự trữ hydro khổng lồ này giúp các nước độc lập hơn về năng lượng, ít phụ thuộc vào nhập khẩu năng lượng hơn để không phải dựa vào nước khác mới giữ được đèn sáng ^[84,85,86].

Nhưng pin chẳng thể làm điều tương tự sao?

Không hẳn. Lượng pin cần để lưu trữ năng lượng dự phòng cho cả thành phố trong nhiều tuần hoặc nhiều tháng sẽ đắt hơn rất, rất nhiều ^[87-90]. Còn hydro có thể lưu trữ với quy mô lớn với chi phí rất rẻ và có thể giải quyết vấn đề lưu trữ năng lượng này ^[91,92].

Vậy hydro có thể góp phần khử carbon cho hành tinh không? À, chỉ khi đó là hydro xanh lá được làm từ năng lượng tái tạo ^[93], và chỉ khi chi phí hợp lý ^[66-69]. Để làm được thế cần mở rộng và nâng cấp hạ tầng, đồng thời triển khai năng lượng tái tạo ở quy mô lớn.

Nhưng có tin vui! Điện gió và điện mặt trời giờ rẻ hơn nhiên liệu hóa thạch ^[27,94-97]. Và nhờ những tiến bộ công nghệ gần đây trong thiết bị điện phân, giá sản xuất hydro xanh lá cũng đang giảm nhanh ^[98-102].

Vậy miễn là loài người ủng hộ công nghệ đang phát triển này, hydro xanh lá có thể là một trong những ngôi sao sáng mà chúng ta vẫn chờ đợi.