Hình 1. Sử dụng hydro sạch để giảm phát thải carbon trong các lĩnh vực (Nguồn: DOE)

Mục tiêu phát triển năng lượng hydro tại Mỹ

Nhìn thấy tầm quan trọng của năng lượng hydro, Mỹ đã xây dựng chiến lược và lộ trình phát triển từ đầu những năm 2000, sau đó liên tục lấy ý kiến và cập nhật ít nhất một lần trong vòng 3 năm. Năm 2021, nước Mỹ đề ra một mục tiêu đầy tham vọng: giảm 80% chi phí sản xuất hydro trong thập kỷ tới mà họ gọi là mục tiêu “1 1 1” (1 USD cho 1 kg hydro trong 1 thập kỷ) (Hình 2) [1]. Sáng kiến "Hydrogen Shot" được khởi động bởi Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE) đóng vai trò then chốt trong việc thúc đẩy đột phá công nghệ, hướng tới một tương lai năng lượng sạch dồi dào, giá cả phải chăng và đáng tin cậy. DOE được chấp thuận gói ngân sách 9,5 tỷ USD cho phát triển hydro sạch vào năm 2021, cùng với những chính sách và ưu đãi bổ sung năm 2022 bao gồm cả ưu đãi về thuế sản xuất hydro [2].

Hình 2. Mục tiêu sản xuất hydro ở mức 1 USD/kg vào năm 2031 của Mỹ (Nguồn: DOE)

Ba trụ cột trong chiến lược phát triển hydro của Mỹ

"Chiến lược và lộ trình quốc gia về hydro sạch” mới nhất xuất bản năm 2023 của DOE cũng nêu chi tiết ba trụ cột của chiến lược là tập trung vào các lĩnh vực sử dụng có tác động cao, giảm chi phí sản xuất hydro sạch và hình thành các mạng lưới khu vực. Các hoạt động trên đòi hỏi sự phối hợp chặt chẽ giữa DOE và tổ chức khác để thúc đẩy các nguồn lực lao động, chính sách hỗ trợ, tiêu chuẩn an toàn, đầu tư tư nhân, và đảm bảo cho mọi người cùng được hưởng lợi từ chương trình hydro (Hình 3).

Hình 3. Chiến lược và những nhân tố đóng góp cho phát triển hydro sạch tại Mỹ (Nguồn: DOE)

1. Nhắm vào các lĩnh vực chiến lược và có tác động lớn.

Chiến lược này đảm bảo hydro sạch được sử dụng với giá trị cao nhất, nơi mà các phương án giảm thiểu phát thải carbon khác có hạn chế. Các ứng dụng của hydro trong công nghiệp có thể kể đến như hóa chất, thép và nhiệt công nghiệp. Trong  vận tải, hydro có thể làm nhiên liệu cho vận tải hạng nặng, tàu biển, đường sắt, hàng không. Trong ngành điện, hydro có khả năng lưu trữ năng lượng trong thời gian dài và phát lại lên lưới để đảm bảo lưới điện an toàn và tin cậy [3]. Một số cơ hội ứng dụng hydro sạch tại các lĩnh vực trong dài hạn được thể hiện ở Hình 4. Một số lĩnh vực sử dụng hydro sẽ trở nên phổ biến hơn như: Sản xuất nhiên liệu lỏng, lưu trữ năng lượng, nhiên liệu sinh học… Trong khi đó lĩnh vực truyền thống là lọc hóa dầu sẽ dần biến mất [2].

Hình 4. Cơ hội ứng dụng hydro sạch trong các lĩnh vực (Nguồn: DOE)

2. Giảm chi phí sản xuất hydro sạch.

Sáng kiến “Hydrogen Shot” đã và sẽ thúc đẩy cả đổi mới và quy mô, kích thích đầu tư tư nhân, thúc đẩy phát triển trên toàn bộ chuỗi cung ứng hydro và giảm đáng kể chi phí sản xuất hydro sạch. Các nỗ lực cũng sẽ giải quyết các lỗ hổng quan trọng về vật liệu và chuỗi cung ứng, đồng thời thiết kế hướng tới hiệu quả, độ bền và khả năng tái chế. Cùng với đầu tư vào cơ sở hạ tầng trung gian (lưu trữ, phân phối), các sáng kiến này có thể giảm không chỉ chi phí sản xuất mà còn cả chi phí phân phối của hydro sạch.

Mục tiêu cần hướng tới là sản xuất hydro bằng phương pháp điện phân với mức 2 USD/kg năm 2026 và 1 USD/kg năm 2031. Theo đánh giá sơ bộ năm 2023 của DOE, chi phí sản xuất hydro theo các phương pháp chuyển đổi sử dụng nhiệt đang ở mức dưới 1,7 USD/kg (đã bao gồm chi phí thu hồi carbon). DOE sẽ tiếp tục đưa ra các đánh giá cho phương pháp điện phân và các phương pháp tiên tiến khác trong các báo cáo tiếp theo. Chi phí lưu trữ và phân phối phải đạt mức tương ứng là 9 USD/kWh và 2 USD/kg năm 2030. Ngoài ra, cấu thành giá cho các quá trình cũng được DOE chỉ ra như trong Hình 5. Theo đó, vốn đầu tư ban đầu và điện chiếm tới 80% chi phí sản xuất; máy nén, làm mát, trụ bơm hydro và lưu trữ chiếm 90% chi phí cho hạ tầng trạm nạp nhiên liệu; 85% chi phí lưu trữ tới từ sợi carbon và các quá trình liên quan [4]. Việc chỉ ra các thành phần chiếm tỉ trọng lớn trong chi phí giúp tập trung nguồn lực nghiên cứu để giảm giá thành của hydro theo mục tiêu trong “Hydrogen Shot”.

Hình 5. Cấu thành giá trong sản xuất, phân phối và lưu trữ hydro (Nguồn: DOE)

3. Phát triển các mạng lưới khu vực.

Chiến lược thứ ba tập trung vào việc triển khai hydro sạch quy mô lớn, khả thi thương mại bằng cách kết nối quy mô sản xuất với nhu cầu ngày càng tăng ở các khu vực. Đầu tư và mở rộng các trung tâm hydro sạch gần những nơi có nhu cầu lớn và cho phép chia sẻ các hạ tầng. Điều này cũng thúc đẩy sản xuất, phân phối và lưu trữ tạo thuận lợi cho sự khởi sắc của thị trường. Ngoài ra các trung tâm này sẽ tạo ra nhiều cơ hội việc làm và khả năng phát triển bền vững cho khu vực (Hình 6).

Những nền tảng hỗ trợ cần được xây dựng gồm nguồn nhân lực, cơ chế chính sách, sự tham gia của các bên liên quan… Những yếu tố này thúc đẩy sự phát triển của ba trụ cột chính trong trung tâm hydro sạch đó là: đơn vị sản xuất, hạ tầng kết nối và đơn vị tiêu thụ. Sự kết hợp hài hòa của ba trụ cột này sẽ kiến tạo nên một hệ sinh thái hydro sạch hoàn chỉnh, mở ra tiềm năng to lớn cho phát triển kinh tế và xã hội của khu vực.

Hình 6. Xây dựng các mạng lưới khu vực qua các trung tâm hydro sạch (Nguồn: DOE)

Ba con đường hướng tới mục tiêu “1 1 1”

Mỹ đang đồng thời triển khai ba con đường để mang hydro tới gần người dùng hơn. Năm 2021, hơn 3.200 người tham dự hội nghị thượng đỉnh về hydro đã thảo luận để đưa ra những phương án này [5].

Hình 7. Những con đường hướng tới mục tiêu “1 1 1” (Nguồn: DOE)

1. Điện phân

DOE đang rót vốn vào nghiên cứu và phát triển các hệ thống điện phân hiệu quả và tiết kiệm chi phí với mục tiêu giảm chi phí sản xuất hydro từ điện phân xuống còn 1 USD/kg. Việc tích hợp năng lượng tái tạo: DOE thúc đẩy việc tích hợp điện phân với các nguồn năng lượng tái tạo như gió và mặt trời, tạo ra hệ thống sản xuất hydro sạch và bền vững.

2. Các quá trình chuyển đổi nhiệt

DOE chú trọng hỗ trợ nghiên cứu các hệ thống khí hóa và nhiệt phân tiên tiến có khả năng thu giữ và lưu trữ carbon để sản xuất hydro sạch và nâng cao hiệu quả chuyển đổi năng lượng.

3. Các phương pháp tiên tiến khác

Các phương pháp sản xuất hydro mới sử dụng ít hoặc không cần điện năng được khuyến khích nghiên cứu, mở ra tiềm năng đột phá trong tương lai. Ví dụ như quang điện hóa, nhiệt hóa, sinh học, v.v.. Các phương pháp này hứa hẹn mang đến giải pháp sản xuất hydro sạch với chi phí thấp hơn nữa.

Tác động của chiến lược phát triển hydro tại Mỹ

Chiến lược phát triển hydro của Mỹ không chỉ tập trung vào mục tiêu giảm chi phí sản xuất mà còn hướng đến tạo ra các việc làm mới, giảm thiểu phát thải khí nhà kính và đảm bảo an ninh năng lượng. DOE ước tính việc đạt được mục tiêu hydro sạch sẽ tạo thêm 100.000 việc làm mới năm 2030 và lượng phát thải giảm 10% vào năm 2050 (so với mốc năm 2005). Phát triển hydro giúp đa dạng hóa nguồn năng lượng, giảm phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch và tăng cường an ninh năng lượng.

Việc giảm giá thành sản xuất có tác động khác nhau ở các lĩnh vực. Một số lĩnh vực như nhiên liệu cho xe nâng, xe tải, xe bus, … sẽ chấp nhận mức giá cao hơn và nhiên liệu hydro sẽ dễ tiếp cận hơn. Trong khi đó, đa phần các ứng dụng trong công nghiệp và xuất khẩu yêu cầu mức giá dưới 2 USD/kg (Hình 4) [2].

Hình 8. Ngưỡng chấp nhận chi trả cho nhiên liệu hydro ở một số lĩnh vực. Lưu ý: Mức giá sản xuất hiện tại chưa bao gồm các ưu đãi của chính phủ (Nguồn: DOE)

Nước Mỹ đang trên đà thực hiện mục tiêu đầy tham vọng trong việc sản xuất hydro sạch với chi phí 1 USD/kg. Sáng kiến "Hydrogen Shot", cùng với "Chiến lược và lộ trình quốc gia về hydro sạch", đóng vai trò quan trọng trong việc thúc đẩy đổi mới công nghệ, phát triển cơ sở hạ tầng và tạo ra thị trường hydro cạnh tranh. Với những nỗ lực này, hydro hứa hẹn sẽ trở thành một nguồn năng lượng sạch, dồi dào và giá cả phải chăng, góp phần vào một tương lai năng lượng bền vững của Mỹ và trên toàn thế giới.

Thực hiện: Hoàng Nghĩa

Nguồn tham khảo:

DOE. 2021. Hydrogen Shot. https://www.energy.gov/eere/fuelcells/hydrogen-shot

DOE. 2023. U.S. National Clean Hydrogen Strategy and Roadmap. https://www.hydrogen.energy.gov/library/roadmaps-vision/clean-hydrogen-strategy-roadmap

NREL. 2024. Hydrogen & Fuel Cells. https://www.nrel.gov/hydrogen/

NETL. 2023. Hydrogen Shot Technology Assessment: Thermal Conversion Approaches. https://www.netl.doe.gov/energy-analysis/details?id=38898e1c-4e2a-4677-81dd-4fa5812c73f3

DOE. 2022. U.S. Department of Energy Hydrogen Activities and Hydrogen Shot Overview. https://www.energy.gov/eere/fuelcells/hydrogen-and-fuel-cell-technologies-office-program-publications