Công nghệ sản xuất và quy mô thương mại hydrogen xanh tiên tiến (Kỳ 2)

Ảnh minh họa

4. Hydrogen là nguồn năng lượng tái tạo

70% vật chất của vũ trụ bao gồm hydrogencarbon (oxygen, nitrogen và hydrogen). Một lượng đáng kể hydrogen có thể được tìm thấy trong cả nước và thực vật. Hydrogen có mặt cả trong mặt trời và nó bị bốc hơi khỏi bầu khí quyển Trái đất do bức xạ mặt trời bởi do nó nhẹ. Hydrogen còn là nguyên tố đơn giản nhất gồm chỉ có một protonne và một electron. Thông thường nó được kết hợp với các chất, chẳng hạn như trong nước, có hai phần hydrogen và một phần oxygen. Hydrogen còn có thể là nguồn năng lượng sạch khi được chiết xuất từ nước, khí đốt tự nhiên hoặc sinh khối và có thể được sử dụng để cung cấp năng lượng và sưởi ấm cho các ngôi nhà. Ngoài ra, hydrogen cũng còn được biết đến với tính hiệu quả và khả năng tái tạo và là nguồn năng lượng tốt nhất và là nguyên tố dồi dào trên thế giới. Hydrogen cũng không có tính độc hại và có khả năng tạo ra nhiều cơ hội việc làm trong tương lai.

4.1. Năng lực sản xuất hydrogen, thị trường, tình trạng thương mại hóa

Các nước Châu Âu gần đây đã nổi lên như những nước đi đầu trong việc triển khai các công nghệ tái tạo vì nguồn năng lượng tái tạo dồi dào của chúng. Ông Jean-Claude Juncker, cựu Chủ tịch Ủy ban Châu Âu khi đó, đã đề cập mục tiêu của các nước thành viên Liên minh châu Âu (EU) là trở thành “số một thế giới về năng lượng tái tạo” vào năm 2020 và EU đã đặt ra mục tiêu năng lượng tái tạo cho tất cả các nước EU. Trong khi đó, Cơ quan năng lượng quốc tế (IEA) đưa ra báo cáo việc thay thế năng lượng hydrogen xám của thế giới với hydrogen xanh sẽ cần lượng điện phát ra bình quân đầu người là 3.000 TWh/năm, tương đương với nhu cầu hàng năm hiện tại của Châu Âu là 3.000 TWh/năm về năng lượng tái tạo mới.

Ủy ban Châu Âu (EC) cũng đã tung ra Chiến lược về hydrogen với khoản ngân quỹ trị giá 430 tỷ euro sẽ được phân bổ cho máy điện phân (13%), điện gió ngoài khơi (47%), điện gió trên đất liền (25%) và năng lượng mặt trời (15%), với tổng kinh phí trị giá 96 tỷ euro để sản xuất 4,4 triệu tấn hydrogen xanh, trong khi đó, Ukraine và khu vực Bắc Phi thì lại được phân bổ tới 91,5 tỷ euro chỉ để sản xuất 4 triệu tấn hydrogen xanh nữa.

Khí tự nhiên và than đá chiếm phần lớn sản lượng hydrogen, chiếm 95% tổng sản lượng. Trong khi đó, clorine là sản phẩm phụ của quá trình sản xuất thông qua quá trình điện phân cũng tạo ra khoảng 5% lượng hydrogen trên thế giới.

Với sự tăng trưởng gần đây của lĩnh vực xe điện chạy pin (battery electric vehicle -BEV), điều này có thể khiến người ta hoài nghi về tương lai của xe điện chạy bằng pin nhiên liệu (fuel cell electric vehicles-FCEV) sử dụng hydrogen và chỉ thải ra nước dưới dạng là phụ phẩm. Tuy nhiên, nhu cầu về hydrogen dự kiến ​​sẽ tăng lên 87 triệu tấn (2020) và từ 500 đến 680 triệu tấn (2050). Thị trường sản xuất hydrogen được định giá 130 tỷ USD từ năm 2020 đến năm 2021, và dự kiến ​​sẽ tăng trưởng với tốc độ hàng năm là 9,2% cho đến năm 2030. Theo báo cáo của ông Sushil Gupta là tác giả chính của Chiến lược quốc tế của Liên hợp quốc về giảm thiểu thiên tai và nhóm chuyên gia Ngân hàng thế giới (2010), thị trường sản xuất hydrogen đã vượt qua mốc 140 tỷ USD (2019) và dự kiến ​​sẽ tăng ở mức tốc độ tăng trưởng kép hàng năm (CAGR) trên 6,25% giữa các năm 2020 và 2026. Tiêu thụ dầu thô tăng và đầu tư tăng trong việc mở rộng các cơ sở lọc dầu hiện có ở các nền kinh tế đang phát triển sẽ tạo ra triển vọng tăng trưởng thị trường đáng kể cho các nhà sản xuất hydrogen trên toàn thế giới.

4.2. Ứng dụng của hydrogen

Hiện hydrogen có thể được sử dụng trong nhiều ứng dụng, chẳng hạn như khám phá không gian bên ngoài, quy trình công nghiệp, điện và phương tiện. Sự pha trộn hydrogen cũng đóng một vai trò quan trọng bằng cách cho phép kiểm soát việc trộn hydrogen với các loại khí khác, tối ưu hóa hiệu quả sử dụng năng lượng và giảm phát thải khí nhà kính GHG trên nhiều lĩnh vực khác nhau, từ giao thông vận tải cho đến các quá trình sản xuất công nghiệp. Theo Cơ quan thông tin năng lượng Hoa Kỳ (EIA), ngành công nghiệp hiện đang sử dụng gần như toàn bộ năng lượng hydrogen trong hóa lọc dầu, xử lý kim loại, sản xuất phân bón và chế biến thực phẩm tại Hoa Kỳ. Hydrogen cũng còn được sử dụng trong các nhà máy hóa lọc dầu để cắt giảm hàm lượng lưu huỳnh trong nhiên liệu. Cơ quan hàng không vũ trụ quốc gia (NASA) cũng đã sử dụng hydrogen lỏng làm nhiên liệu tên lửa đẩy vào những năm 1950. Đây là một trong những nơi đầu tiên triển khai pin nhiên liệu hydrogen để cung cấp năng lượng cho những hệ thống điện của đội tàu vũ trụ.

Ngành công nghiệp hóa lọc dầu chịu trách nhiệm sản xuất hầu hết hydrogen và tiêu thụ tại thị trường Hoa Kỳ. Khi nhu cầu thị trường trong ngành này ngày càng mở rộng thì các công ty khí công nghiệp ngày càng hình thành việcxây dựng thêm các nhà máy sản xuất hydrogen tại chỗ hoặc gần các nhà máy hóa lọc dầu. Doanh nghiệp hydrogen, được cung cấp bởi các công ty khí công nghiệp, hiện chiếm phần lớn thị phần sử dụng hydrogen tại các nhà máy hóa lọc dầu với 2,4 triệu Mt (mét tấn-metric tonne) vào năm 2014. Trong những năm gần đây, mối quan tâm đến công nghệ sản xuất hydrogen xanh ngày càng gia tăng. Các ứng dụng tiềm năng đang mở rộng trong nhiều ngành công nghiệp, bao gồm ổn định hệ thống mạng lưới điện, điện lạnh, sản phẩm tẩy rửa, sản xuất amonia xanh cho phân bón, vận tải hạng nặng như vận chuyển, quy trình sản xuất ở các ngành công nghiệp như sản xuất xi măng và sắt thép, sản xuất điện và pin nhiên liệu cho xe điện EV.

Tuy vậy, có thể không dễ để lạc quan về tương lai của những chiếc xe FCEV chạy dựa vào hydrogen và chỉ thải ra nước do sự thành công gần đây của BEV. Tuy nhiên, với chiếc xe chạy bằng pin nhiên liệu hydrogen như dòng xe Toyota Mirai thì các công ty sản xuất xe ô-tô như hãng Toyota của Nhật Bản thể hiện sự cam kết với công nghệ này. Sau đó, trong một buổi họp báo, Chủ tịch kiêm Giám đốc điều hãng Honda Toshihiro Mibe cũng phát biểu cho biết hãng Honda đã lên kế hoạch để tăng dòng sản phẩm mẫu FCEV và EV trong quá trình điện khí hóa lớn tại các thị trường như Hoa Kỳ và Trung Quốc lên 40% vào năm 2030. Kế hoạch này sau đó sẽ được mở rộng để bao phủ 80% thị trường thế giới vào năm 2035 và 100% vào năm 2040.

5. Công nghệ sản xuất hydrogen

Hiện có hai phương pháp khác nhau để sản xuất hydrogen từ nhiên liệu hóa thạch và các nguồn tái tạo. Hydrogen được sản xuất từ ​​nhiên liệu hóa thạch được phân loại là hydrogen xanh và các phương pháp sản xuất có thể được phân loại thành tái tạo hydrogencarbon và nhiệt phân. Các phương pháp tái sinh (reforming) bao gồm reforming hơi nước (steam reforming-SR), oxygen hóa một phần (partial oxidation-POX) và tái tạo nhiệt tự động (autothermal reforming-ATR). Hydrogen được sản xuất từ nguồn tái tạo thì được gọi là hydrogen xanh, và việc sản xuất bằng phương pháp bao gồm các quá trình sinh khối (sinh học hoặc nhiệt hóa) và tách nước (điện phân, nhiệt phân, quang phân). Phương pháp sinh khối sinh học bao gồm quang phân sinh học, lên men tối (bio-photolysis, dark fermentation-DF) và lên men quang học (photo fermentation-PF). Quá trình sinh khối nhiệt hóa học bao gồm nhiệt phân, khí hóa, đốt cháy và hóa lỏng.

Hiện nay, nguồn sản xuất hydrogen chính là nhiên liệu hóa thạch do nó có tiềm năng được tiếp thị như một công nghệ hoàn thiện về mặt thương mại và có thể được sử dụng với chi phí thấp mà vẫn đạt được hiệu quả cao. Hiệu suất tạo hydrogen dao động từ mức 65%–75% khi sử dụng khí methane SR. Trong khi đó, hiệu suất của khí mê-tan của quá trình POX được ước tính đạt khoảng 50%. Quá trình điện phân nước có thể cũng được sử dụng để tổng hợp khí hydrogen từ nước, chiếm khoảng 95% tổng sản lượng hydrogen.

5.1. Công nghệ sản xuất hydrogen dựa trên nhiên liệu hóa thạch

Sự tổng hợp hydrogen từ hydrogencarbon đòi hỏi yêu cầu độ chính xác về năng lượng và nhiệt độ. Phản ứng thu nhiệt được sử dụng trong hoạt động công nghiệp để sản xuất hydrogen, đòi hỏi nhiệt từ nguồn bên ngoài hoặc bên trong. Mặc dù việc sản xuất hydrogen ở áp suất khí quyển có lợi về mặt nhiệt động lực học ở nhiệt độ trên 800◦C song nếu nhiệt độ cao hơn 1000◦C thì cần phải đạt được tỷ lệ chuyển đổi đáng kể trong các hệ thống không sử dụng chất xúc tác. Quá trình sản xuất hydrogen bằng các phương pháp khác nhau từ các công nghệ tiên tiến dựa trên nhiên liệu hóa thạch, bao gồm cả hydrogencarbon tái tạo, tái tạo hơi nước, oxygen hóa một phần, oxygen hóa tự nhiệt và nhiệt phân. Ngoài ra, việc bổ sung thêm chất xúc tác có thể tăng cường sản xuất hydrogen và kiểm soát các thông số quan trọng như nhiệt độ và áp suất.

Điều quan trọng cần lưu ý là các kết quả nghiên cứu trên được công bố giữa các năm 2020 và 2022. Trên cơ sở đó, có thể đưa ra những kết luận sau: (1) việc bổ sung chất xúc tác làm chất phụ gia có thể làm tăng sản lượng hydrogen; (2) chất xúc tác và nhiệt độ khác nhau có thể ảnh hưởng đến quá trình sản xuất hydrogen; (3) việc sử dụng chất oxygen hóa và nhiệt độ cao có thể làm tăng nồng độ hydrogen; (4) nồng độ hydrogen có thể tăng lên khi quá trình được thực hiện không có oxygen trong quá trình nhiệt phân và tái tạo hơi nước trong khí methanetrong quá trình oxygen hóa một phần.

5.1.1. Hydrogencarbon reforming

Việc sử dụng công nghệ tái sinh/tái tạo (reforming) để sản xuất hydrogen từ nhiên liệu hydrogencarbon được giải thích ở đây. Phương pháp reforming bằng hơi nước (SR) hydrogencarbon được coi là phương pháp được sử dụng rộng rãi nhất để sản xuất hydrogen, đặc biệt là trong các nhà máy hóa lọc dầu. Quá trình sản xuất hydrogen sử dụng nhiên liệu hydrogencarbon là được chia thành bốn phương pháp: reforming bằng hơi nước (SR), quá trình oxygen hóa một phần (POX), quá trình reforming bằng hơi nước nhiệt tự động (ATR) và quá trình reforming khô (dry reforming-DR).

Tất cả những phương pháp trên trong quá trình sản xuất hydrogen tạo ra một lượng đáng kể carbon monoxide. Vì vậy, một hoặc nhiều lò phản ứng hóa học được sử dụng ở giai đoạn tiếp theo để chuyển đổi carbon monoxide thành carbon dioxide thông qua quá trình dịch chuyển khí-nước (water-gas shift-WGS) và quá trình methane hóa.

5.1.1.1. Phương pháp nhiệt hóa khí methane (steam methane reforming-SMR).

Hiện nay, SMR là một trong những phương pháp phổ biến và ít tốn kém nhất để sản xuất hydrogen. Lợi ích của SMR bắt nguồn từ hiệu quả hoạt động tuyệt vời với giá cả phải chăng và chi phí hoạt động và sản xuất khá phù hợp. SMR là một quá trình hóa học sản xuất hydrogen, carbon monoxide và các hóa chất có giá trị khác từ khí tự nhiên hoặc các nguyên liệu hydrogencarbon khác. Đây là một phương pháp chính sản xuất hydrogen được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp hóa chất và hóa lọc dầu.

Quy trình SMR thông thường liên quan đến việc sử dụng khí mê-tan và hơi nước để tạo ra sự kết hợp giữa hydrogen và carbon monoxide, thường được thực hiện ở nhiệt độ cao (700–1000◦C) và áp suất (3–25 bar) với sự hỗ trợ của chất xúc tác (phản ứng 1). Chất xúc tác có thể là kim loại phi quý, chẳng hạn như niken hoặc kim loại quý của các nguyên tố thuộc Nhóm VIII như bạch kim hoặc rhodium. Nồng độ khí CO tiếp tục phản ứng với hơi nước trong cái gọi là phản ứng chuyển dịch nước-khí (water-gas shift-WGS) để tạo thành carbon dioxide và hydrogen bổ sung (phản ứng 2).

CH₄+ H₂O →CO+3H₂,Ho298 = 206 kJ/mol (reforming reaction) (1)

CO+ H₂O → CO₂ + H₂,Ho298 = − 41 kJ/mol (water–gas shift reaction) (2)

Phản ứng giải phóng nhiệt dưới dạng sản phẩm phụ (phản ứng 1), thường được sử dụng để tạo ra hơi nước dùng cho phát điện hoặc các ứng dụng công nghiệp khác. Ngoài ra, quy trình này bao gồm một bước loại bỏ carbon dioxide và các nguyên liệu thô khác như hydrogencarbon nhẹ hơn, metanol và hydrogencarbon oxygen hóa cũng có thể được sử dụng. Mạng lưới của các phản ứng cải cách đối với nguyên liệu thô như hydrogencarbon và methane có thể được nhìn thấy trong các phương trình (3) đến (6):

C_mH_n + m H₂O (g) → mCO + (m + 0.5n)H_{2 (3)}

C_mH_{n + 2m} H₂O _{(g) → m} CO₂ _{+ (2m + 0.5n)}H_{2 (4)}

_{CO +} H₂O _{(g) ↔} CO₂ ₊ H_{2 (5)}

CH₃OH + H₂O (g) ↔ CO₂ + 3H₂₍₆₎

Quá trình SMR được chia thành hai giai đoạn. Ở giai đoạn đầu tiên, nguyên liệu hydrogencarbon thô được trộn với hơi nước và đưa vào lò phản ứng, nơi nó tạo ra khí tổng hợp (một loại khí tổng hợp cân bằng chứa hydrogen và carbon dioxide) với hàm lượng carbon dioxide giảm-xem phản ứng (3) và (4). Trong giai đoạn thứ hai, khí sản phẩm được làm mát được chuyển sang bộ chuyển đổi chất xúc tác carbon monoxide, nơi hơi nước giúp chuyển đổi carbon monoxide thành carbon dioxide và hydrogen (phản ứng 5). Các quá trình reforming hơi nước bằng chất xúc tác được sử dụng để tránh chất xúc tác ngừng hoạt động, đòi hỏi một nguyên liệu không chứa hợp chất chứa lưu huỳnh. Tỷ lệ nguyên tử H:C trong nguyên liệu vật liệu rất quan trọng trong việc xác định hiệu quả của quá trình SR, với tỷ lệ cao hơn dẫn đến lượng khí thải carbon dioxide thấp hơn. Một màng lò phản ứng có thể được sử dụng thay cho lò phản ứng truyền thống để hoàn thành phản ứng. Trong các ứng dụng công nghiệp, hiệu suất nhiệt của tổng hợp hydrogen thông qua SMR thường vào khoảng 70–85%.

SMR cũng còn là một quá trình quan trọng để sản xuất hydrogen, có nhiều ứng dụng, bao gồm sản xuất năng lượng pin nhiên liệu, nhiên liệu cho giao thông vận tải và như một nguyên liệu hóa học để sản xuất amoniac và các hóa chất khác. SMR cũng được sử dụng để sản xuất carbon monoxide, có thể được sử dụng làm nguyên liệu cho nhiều hóa chất, bao gồm metanol và acid axetic.

Reforming hơi nước (steam reforming-SR) cũng có tiềm năng để đạt được cả hiệu suất hydrogen khả thi cao nhất và hàm lượng carbon monoxide thấp nhất có thể. Trong khi đó, quá trình cải tạo hơi nước là một quá trình thu nhiệt đòi hỏi nhiều năng lượng. Hiệu suất của các nhà cải cách hơi nước truyền thống bị cản trở bởi chi phí thấp hiệu quả của chất xúc tác dạng viên, thường có hiệu quả hệ số nhỏ hơn 5 % do hạn chế về vận chuyển khối lượng và nhiệt. Kết quả là, động học là một yếu tố hạn chế trong lò phản ứng reforming hơi nước truyền thống, và các chất xúc tác ni-ken rẻ tiền hơn được sử dụng trong công nghiệp.

Mặc dù có tiến bộ đáng kể song SMR công nghiệp vẫn kém hiệu quả liên quan đến tích hợp năng lượng, cường độ và phát thải khí nhà kính do quá trình nhiều bước phức tạp. Vì vậy, có nhu cầu cao về phát triển công nghệ sản xuất hydrogen màu xanh thay vì hydrogen màu xám sử dụng công nghệ CCSU, giúp quá trình này trở nên kinh tế khả thi hơn. Một số công nghệ mới đã được đề xuất để cải thiện hiệu quả của SMR trong khi giảm năng lượng đầu vào và phát thải khí nhà kính GHG.

Đó là những công nghệ tiến tiến, bao gồm: (1) Công nghệ màng: Công nghệ này sử dụng màng để tách hydrogen từ các sản phẩm phản ứng SMR khác, cho phép quy trình hiệu quả cao hơn. (2) Tái sinh reforming khí methane bằng hơi nước tăng cường khả năng hấp thụ (sorption-enhanced steam methane reforming-SESMR), theo đó, công nghệ này sử dụng chất hấp thụ để thu giữ carbon dioxide từ phản ứng SMR, giúp giảm phát thải khí nhà kính GHG. (3) Tái sinh reforming khí methane bằng hơi nước tuần hoàn hóa học (chemical looping steam methane reforming- CL-SMR), theo đó, công nghệ này sử dụng quy trình oxygen hóa và khử tuần hoàn để sản xuất hydrogen từ khi methane đạt hiệu quả hơn và tạo ra ít hơn phát thải khí nhà kính GHG so với SMR thông thường. (4) Tái sinh reforing khí methane bằng hơi nước tăng cường hấp phụ vòng hóa học (chemical looping sorption-enhanced steam methane reforming-CLSESMR), theo đó, công nghệ này kết hợp các lợi ích của CL-SMR và SESMR để nâng cao hơn nữa hiệu quả và giảm phát thải khí nhà kính GHG của SMR. (5) Tái sinh reforming khí methane bằng hơi nước được hỗ trợ bằng năng lượng mặt trời (solar-assisted steam methane reforming- SASMR), theo đó, công nghệ này sử dụng năng lượng mặt trời để cung cấp nhiệt cần thiết cho phản ứng SMR, giúp giảm thiểu nhu cầu về nhiên liệu hóa thạch và phát thải khí nhà kính GHG. (6) Tái sinh reforming khí methane bằng hơi điện khí hóa (electrified steam methane reforming- ESMR), theo đó, công nghệ này sử dụng điện để điều khiển phản ứng SMR, hiệu quả hơn và tạo ra ít phát thải khí nhà kính GHG hơn so với SMR thông thường.

Những công nghệ này vẫn đang được phát triển nhưng chúng có tiềm năng nâng cao hiệu quả và hiệu quả hoạt động môi trường của SMR đáng kể.

5.1.1.2. Quá trình oxygen hóa một phần (POX) và quá trình oxygen hóa một phần có chất xúc tác (CPOX).

Hydrogencarbon POX và CPOX đã được đề xuất để sản xuất hydrogen cho pin nhiên liệu vận tải và các ứng dụng thương mại khác. Các nguyên liệu thô được sử dụng trong các phương pháp này có thể là khí methane hoặc khí sinh học, nhưng chúng chủ yếu là các phân đoạn dầu nặng đang gặp khó khăn trong việc xử lý và sử dụng. POX là một quá trình không chất xúc tác, khí hóa nguyên liệu thô trong sự có mặt của oxygen (phản ứng (7) và (8) và có thể cả hơi nước (9), phạm vi thực trung bình (average true range –ATR) ở nhiệt độ từ 1.300 đến 1.500◦C và áp suất từ 3 ​​đến 8 MPa. Lượng carbon monoxide được tạo ra nhiều hơn (H₂ : CO = 1:1 hoặc 2:1) khi so sánh với SR (H₂ : CO = 3:1). Kết quả là, quá trình được hoàn thành bằng cách chuyển đổi carbon monoxide bằng hơi nước thành hydrogen và carbon dioxide:

CH₄+ O₂ →CO+ 2H₂ (7)

CH₄+ 2O₂→ CO₂+ 2H₂O (8)

CH₄+ H₂O (g) →CO+ 3H₂ (9)

Để giảm nhiệt độ làm việc, thường là trong khoảng 700–1.000◦C, chất xúc tác có thể được đưa vào CPOX. Việc sử dụng chất xúc tác trong quá trình cải cách thường cho phép nhiệt độ hoạt động thấp hơn và sản lượng hydrogen cao hơn, dẫn đến hiệu quả cao hơn và giảm chi phí sản xuất. Việc duy trì kiểm soát nhiệt độ đang gặp khó khăn do tính chất tỏa nhiệt của các phản ứng dẫn đến sự hình thành than cốc và các điểm nóng.

Các sản phẩm chính xác của POX phụ thuộc vào loại hydrogencarbon được oxygen hóa và điều kiện phản ứng. Ví dụ: POX của khí methane tạo ra hỗn hợp carbon dioxide và nước, trong khi POX của propan (C₃H₈) lại tạo ra hỗn hợp carbon dioxit, nước và hydrogen. Nhiệt độ từ 800 đến 1.000◦C, tỷ lệ oxygen-ethanol là 0,6–0,8 và áp suất khí quyển là điều kiện tốt nhất vận hành POX của ethanol (POE) để sản xuất hydrogen. Trong những điều kiện này, quá trình chuyển hóa ethanol hoàn toàn và quá trình hydrogen có thể đạt hiệu suất 86–95% mà không cần hình thành than cốc.

POX còn là một phương pháp được sử dụng rộng rãi để sản xuất hydrogen và nó có một số lợi ích so với các phương pháp khác, chẳng hạn như SR hoặc điện phân. POX có hiệu quả cao, có thể sử dụng nhiều loại nguyên liệu và không tạo ra carbon dioxide như một sản phẩm phụ. Tuy nhiên nó cũng có một số nhược điểm là chẳng hạn như thiết bị đắt tiền, chất xúc tác chuyên dụng và sản phẩm phụ là sản xuất nước, có thể khó tách khỏi khí hydrogen. So với ATR, quá trình POX trong nhiên liệu hóa thạch quá trình tái sinh reforming xảy ra ở áp suất cao. Nhìn chung, POX của hydrogencarbon là một phản ứng hóa học phức tạp và nhiều mặt, đóng một vai trò quan trọng trong nhiều quá trình công nghiệp.

5.1.1.3. Tự động tái sinh reforming nhiệt (autothermal reforming- ATR)

ATR được phát triển để giải quyết vấn đề giảm năng suất hydrogen trong POX và nhiệt thu nhiệt của phản ứng trong kết hợp hai quá trình SR và ATR, điều này làm cho nó trở thành một lựa chọn hấp dẫn cho việc tái sinh reforming nội bộ (onboard) các hydrogencacbon phức tạp như dầu hỏa và dầu diesel để cung cấp hydrogen cho pin nhiên liệu. Như đã đề cập trước đó, hơi nước được thêm vào quy trình chất xúc tác POX trong ATR. ATR là sự kết hợp của phản ứng cả SR (thu nhiệt) và POX (tỏa nhiệt).

Quá trình ATR thường được xác định như sau-Phương trình (10):

C_nH_mO_p + x(O₂ + 3.76 N₂) + (2n — 2x — p)H₂O ↔ nCO₂

+ (2n — 2x — p + m)H + 3.76xN (10)

Tỷ lệ oxygen-nhiên liệu (x) ảnh hưởng đến quá trình sản xuất hydrogen, phản ứng nhiệt và lượng nước cần thiết để chuyển carbon nhiên liệu thành carbon dioxide. Ngay cả sau phản ứng dịch chuyển nước/khí, nồng độ carbon monoxide trong khí do POX tạo ra của nhiên liệu hydrogen carbon thường vượt quá 1% thể tích. Các quá trình khác được cần thiết để giảm mức độ carbon monoxide hơn nữa. POX phải tạo ra đủ nhiệt để sản xuất hydrogen thu nhiệt; do đó, (x) phải sao cho phản ứng tỏa nhiệt.

ATR rất có lợi bởi vì nó không cần thêm nguồn nhiệt, dễ dàng hơn và tiết kiệm chi phí hơn so với SR khí methane. Một số phương thức hoạt động mà nhiên liệu bộ xử lý có thể đi qua để sản xuất hydrogen. Lợi ích chính của quy trình ATR so với SR là nó có thể bị tắt và khởi động lại tương đối nhanh chóng trong khi đồng thời tạo ra nhiều hydrogen hơn POX. Thậm chí, mặc dù quy trình ATR và POX không yêu cầu nguồn cung cấp nhiệt bên ngoài song chúng lại đắt đỏ hơn so với các lựa chọn thay thế khác. Đầu vào oxygen tinh khiết và thiết bị tách, chẳng hạn như hệ thống tách oxygen, đã làm nâng cao chi phí của các quy trình này.

5.1.1.4. Tái sinh reforming khô (dry reforming-DR) (hay còn được gọi là tái sinh carbon dioxide)

DR là một quá trình được sử dụng để sản xuất hydrogen và carbon monoxide từ khí tự nhiên và carbon dioxide. Quá trình này liên quan đến phản ứng methane (thành phần chính của khí tự nhiên) với carbon dioxide để tạo ra khí tổng hợp. Phản ứng chung như sau:

CH₄+ CO₂ →2CO+2H₂,Ho298 = +247,4 kJ/mol (10)

Phản ứng thường được thực hiện ở nhiệt độ cao (700–1.100◦C) và áp suất (1–10 bar) khi có chất xúc tác, chẳng hạn như niken hoặc cobalt. Phản ứng là phản ứng thu nhiệt, nghĩa là nó đòi hỏi một lượng nhiệt đầu vào để tiến hành. Phản ứng này không chỉ giúp quản lý chất thải thông qua quá trình metan hóa mà còn có lợi ích là đốt cháy khí methane và carbon dioxide là cả hai loại khí nhà kính GHG.

Ngoài ra, khí tổng hợp thu được trong phản ứng này, với tỷ lệ hydrogen/carbon monoxide gần bằng 1, rất có giá trị trong ngành công nghiệp hóa chất vì nó được sử dụng trong nhiều loại tổng hợp có tính đặc hiệu cao để tạo ra nhiều loại hợp chất hóa học như formaldehyde, acetic axid và hydrocarbon lỏng. Ethanol cũng có thể được chuyển đổi thành hydrogen thông qua quá trình tái sinh reforming khô song nó ít được biết đến hơn. Phản ứng chung như sau:

C₂H₅OH + CO₂ ↔ 2CO + 2 H₂ + H₂O + C (12)

Nhược điểm chính của quá trình này là lượng carbon dioxide sản sinh trong quá trình tái sinh reforming tạo ra carbon rắn trơ, có thể vô hiệu hóa các chất xúc tác được sử dụng. DR của ethanol để tổng hợp hydrogen là hệ thống đa phản ứng phức tạp với một số phản ứng phụ không mong muốn ảnh hưởng đến việc phân phối sản phẩm. Kết quả là sản lượng hydrogen phụ thuộc phức tạp vào các biến số của quá trình như áp suất, nhiệt độ và tỷ lệ phân tử mol (molar) carbon dioxide-to-ethanol, v.v. Một trong số những lợi ích của DR là nó cho phép sản xuất hydrogen bằng cách sử dụng nguyên liệu dồi dào và tương đối rẻ tiền (khí tự nhiên). Các quá trình này cũng thu giữ và sử dụng carbon dioxide, có thể giúp giảm thiểu phát thải khí nhà kính GHG. Tuy nhiên, DR có thể đắt tiền, tốn nhiều năng lượng, và không phù hợp cho mọi ứng dụng. Nhiệt động lực học của phản ứng DR không thuận lợi như phản ứng ATR hoặc SMR. Tuy nhiên, thực tế là 1 mol carbon dioxide được tiêu thụ trên mỗi mol methane có thể giảm lượng khí thải carbon, làm cho việc tiêu thụ khí đốt tự nhiên (và methane) thân thiện với môi trường hơn.

5.1.2. Phân hủy nhiệt hydrogencarbon (hydrocarbon thermal decomposition-TD)

TD là phương pháp sản xuất hydrogen không chứa carbon dioxide từ khí tự nhiên. Phản ứng có thể được viết như sau:

CH₄→ C+ 2H₂,Ho298 = + 75,6kJ/mol (13)

Nhiệt độ của quá trình nhiệt phân có thể tăng giảm đáng kể bằng cách sử dụng chất xúc tác kim loại chuyển tiếp như (Ni, Fe hoặc Co). Năng lượng cần thiết để tạo ra 1 mol hydrogen (75,6/2 = 37,8kJ/mol H₂) thấp hơn một chút so với quy trình SR. Quá trình này chỉ thu nhiệt hơi, cần ít hơn 10% lượng nhiệt sinh ra bởi đốt khí methane được đẩy về phía trước. Quá trình này cũng tạo ra một sản phẩm phụ có giá trị, carbon nguyên chất, ngoài sản phẩm chính hydrogen. Bởi vì quá trình này chỉ tạo ra một lượng nhỏ carbon dioxid (khoảng 0,05 m³ carbon dioxide cho mỗi m³ hydrogen được sản xuất nếu khí methane được sử dụng làm nhiên liệu) thì không gây hại cho môi trường. Điều đáng chú ý là quá trình này không thể tạo ra carbon dioxide nếu một phần nhỏ (khoảng 14%) lượng hydrogen được tạo ra được sử dụng để thúc đẩy quá trình. Tuy nhiên, bất chấp những lợi ích của quá trình nhiệt phân, vẫn có một khả năng gây ô nhiễm đáng kể từ lượng carbon được tạo ra song có thể giảm thiểu nhẹ bằng cách sử dụng thiết kế lò phản ứng thích hợp.

5.2. Công nghệ sản xuất hydrogen dựa trên nguồn tái tạo

Việc phân loại các phương pháp sản xuất hydrogen có nguồn gốc từ các nguồn tái tạo, tách chúng thành các nguồn liên quan đến sinh khối và quá trình tách nước. Loại này bao gồm các kỹ thuật như điện phân, nhiệt phân và quang phân. Ngược lại, các phương pháp lấy sinh khối làm trung tâm tích hợp cả các quá trình sinh học và nhiệt hóa học. Sự tổng hợp của các công nghệ tiên tiến bắt nguồn từ các nguồn tái tạo tạo ra hydrogen. Những kỹ thuật này bao gồm quá trình lên men tối, lên men quang, nhiệt phân, tách nước quang xúc tác (quang phân), nhiệt phân và điện phân. Đối với mỗi kỹ thuật, bảng liệt kê các tham số được sử dụng trong nghiên cứu, chất nền và vật liệu cấy, các chất phụ gia được kết hợp và đỉnh cao của sản lượng hydrogen quan sát được. Phương pháp tối ưu cho sản xuất hydrogen xanh có thể thể hiện sự thay đổi tùy theo nhu cầu ứng dụng riêng biệt, bao gồm các tham số, thành phần phụ gia và điều kiện hiện hành.

5.2.1. Công nghệ tách nước

Hydrogen, bao gồm hydrogen và oxygen, có thể được tạo ra từ nước, nguồn tài nguyên sẵn có nhất. Vì vậy, nếu đủ năng lượng được sử dụng, phân tử nước có thể bị phân hủy thành phần hydrogen và oxygen. Quá trình tách nước có thể được thực hiện ra bằng cách sử dụng nhiều công nghệ khác nhau. Hydrogen có thể được chiết xuất từ nước sử dụng điện (điện phân), năng lượng quang tử (quang phân), hoặc năng lượng nhiệt (nhiệt phân).

5.2.1.1. Điện phân

Hiện thiết lập khái niệm cho bốn công nghệ điện phân: điện phân dựa trên kiềm, PEM (proton exchange membrane), SOEC (solid oxide electrolysis cells) và AEM (anion exchange membrane). Điện phân là một trong những quá trình đơn giản nhất để tạo ra hydrogen từ nước. Tuy nhiên, phản ứng rất thu nhiệt; kết quả là năng lượng đầu vào cần thiết được thực hiện thông qua điện thu được từ các tấm PV hoặc tua bin hơi nước. Nó là một quá trình trong đó năng lượng điện được chuyển hóa thành năng lượng hóa học trong dạng sản phẩm phụ là H₂ và O₂. Mỗi phản ứng xảy ra hai lần điện cực (cực dương và cực âm). Dải phân cách giữa cực dương và các điện cực cathode đảm bảo rằng các sản phẩm vẫn được tách biệt. Nước tách ra khi có điện, tạo ra H₂ ở cực âm và O₂ ở anode theo phản ứng sau:

2H₂O → 2H₂ + O₂ (14)

Cực âm tạo ra hydrogen, trong khi cực dương tạo ra oxygen. Trong môi trường kiềm, cơ chế phản ứng sau đây có thể xảy ra xem xét:

Cathode : 2H₂O (l) + 2e^— → H₂(g) + 2 OH^— (aq) (15)

Anode : 4 OH^— (aq) → O₂(g) + 2H₂O(l) + 4e^— (16)

Mặc dù điện phân dựa trên kiềm là kỹ thuật điện phân phổ biến nhất, nhưng nhiều máy điện phân màng trao đổi protonne (PEM) hơn, máy điện phân màng trao đổi anion (AEM) và tế bào điện phân oxide rắn (SOEC) đang được phát triển. Nước là được bơm vào máy điện phân PEM ở cực dương. Nó bị tách thành protonne (H+) di chuyển qua màng tới cực âm để tạo ra hydrogen và oxygen còn lại trong nước. Trong môi trường kiềm và SOEC, nước được cung cấp ở cực âm và phân tách thành hydrogen, tách khỏi nước trong bộ phận tách bên ngoài và các ion hydrogenxit (OH− ), chảy qua dung dịch điện phân nước đến cực dương để tạo ra oxygen. Máy điện phân AEM hoạt động trong môi trường kiềm nhưng các màng chắn (amiăng) điển hình trong phương pháp dựa trên kiềm là được thay thế bằng màng trao đổi anion (cố định tích cực các nhóm chức năng tích điện trên chuỗi bên polymer hoặc chuỗi bên polymer mặt dây).

Chất xúc tác và vật liệu cũng đóng một vai trò quan trọng trong sự phát triển và cải tiến máy điện phân. Những đổi mới trong chất xúc tác và vật liệu có thể nâng cao đáng kể hiệu quả, độ bền và hiệu quả chi phí của máy điện phân. Ví dụ, chất xúc tác dựa trên bạch kim đã được nghiên cứu trong máy điện phân PEM. Tuy nhiên, nghiên cứu đã tập trung vào việc giảm hoặc thay thế bạch kim bằng các vật liệu phong phú hơn và tiết kiệm chi phí hơn chẳng hạn như iridium, iridium oxide hoặc các chất xúc tác kim loại không quý như hợp kim nickel-sắt và cobalt-sắt. Trong khi đó, vì SOEC thường hoạt động ở nhiệt độ cao, vật liệu điện phân oxit rắn, chẳng hạn như zirconia ổn định yttria (yttria-stabilised zirconia -YSZ), thường là gốm. Tiến bộ trong khoa học vật liệu hiện đang tập trung vào việc phát triển tính dẫn điện và chất điện phân ổn định, chẳng hạn như vật liệu tế bào được hỗ trợ bằng cực âm. Các chất xúc tác khác nhau, bao gồm cả vật liệu loại perovskite (tên gọi chung của các vật liệu gốm có cấu trúc tinh thể giống với cấu trúc của vật liệu gốm calci titanat-CaTiO₃) và chất chuyển tiếp oxide kim loại, cũng đã được nghiên cứu để cải thiện các phản ứng điện cực trong các SOEC.

5.2.1.2. Tách nước bằng nhiệt phân/nhiệt hóa học (water-splitting technology-TWSC).

TWSC còn được gọi là nhiệt phân, sử dụng ứng dụng trực tiếp của nhiệt năng lượng để khởi động một loạt các phản ứng hóa học lặp đi lặp lại, phá vỡ các phân tử nước. Một trong những điều kiện tiên quyết để sự phân hủy của nước làm cho năng lượng của Gibbs bằng 0 (ΔG = 0), yêu cầu nhiệt độ khoảng 2.500◦C; tuy nhiên, những vật liệu ổn định ở nhiệt độ này và nguồn nhiệt bền vững không dễ dàng có sẵn. Như vậy, chu trình tách nước nhiệt hóa học với hóa chất oxygen hóa/khử được đề xuất để hạ nhiệt độ. Nhiều quy trình khả thi về mặt công nghệ như đồng-clo (Cu–Cl), iốt-lưu huỳnh (I–S), xeri-clo (Ce–Cl), magie-clo (Mg–Cl), magie-iodine (Mg–I), vanadi-clo (V–Cl), sắt-clo (Fe–Cl), clo lai, lưu huỳnh lai (HyS) và đồng sunfat (Cu– SO₄) gần đây đã được đã nghiên cứu. Một nhược điểm đáng kể của hầu hết các chu kỳ đã nêu là sự cần thiết của chúng đối với nhiệt độ xử lý cao, có thể vào khoảng 800◦C, ngoại trừ chu trình Cu–Cl yêu cầu ít hơn đáng kể (540◦C).

Hai loại TWSC là bao gồm hai bước và nhiều bước. Theo các nghiên cứu, việc tăng số bước trong một chu trình nhiệt hóa cụ thể sẽ làm giảm nhiệt độ tối đa cần thiết cho quá trình toàn bộ chu kỳ. Kết quả là, chu trình có thể kết hợp nhiệt đa dạng hơn nguồn. Hiện có hơn 300 chu trình nhiệt hóa để tách nước đã được thực hiện được nghiên cứu từ những năm 1960. Tuy nhiên, có rất ít đề xuất cho quy mô lớn quá trình tổng hợp hydrogen đã được thực hiện.

5.2.1.3. Quang điện/quang phân

Quang điện là một kỹ thuật sử dụng ánh sáng mặt trời để tạo ra hydrogen từ nước trong tế bào quang điện hóa. Hiện nay đây là kỹ thuật tiết kiệm chi phí và hiệu quả nhất để sản xuất hydrogen từ các nguồn tài nguyên tái tạo. Các hệ thống được sử dụng trong quá trình quang điện giống hệt với các hệ thống được sử dụng trong PV; vật liệu bán dẫn được sử dụng trong cả hai loại công nghệ. Quá trình quang điện liên quan đến việc sử dụng một điện cực quang, một chất quang điện hóa thiết bị thu ánh sáng để thực hiện điện phân nước. Điện cực quang là vật liệu bán dẫn hấp thụ năng lượng mặt trời và tạo ra điện áp cần thiết để phân chia các phân tử nước thành H₂ và O₂. Nếu một điện cực quang được nhúng vào dung dịch điện phân và tiếp xúc với bức xạ mặt trời, nó sẽ tạo ra đủ năng lượng điện để tạo ra H₂. Phản ứng có thể được trình bày như sau:

H₂O̅→hν H₂ (g) + 12 O₂ (g) (17)

Phản ứng bị ảnh hưởng bởi các loại vật liệu bán dẫn và cường độ ánh sáng mặt trời, tạo ra mật độ dòng điện dao động từ 10 đến 30mA/cm². Điện phân đòi hỏi điện áp khoảng 1,35 V khi mật độ hiện tại có mặt.

5.2.2. Công nghệ sinh khối

Sinh khối là nguồn năng lượng tái tạo từ thực vật và động vật vật liệu, bao gồm cả tàn dư của cây trồng năng lượng, chất thải rừng, sản phẩm phụ công nghiệp, chất thải của động vật và con người, và nhiều nguồn khác. Sử dụng sinh khối làm năng lượng thay thế sạch ngày càng trở nên phổ biến vì nó có thể tái tạo, tạo ra lượng carbon dioxide thấp lượng khí thải CO₂ và có hàm lượng lưu huỳnh thấp. Công nghệ chuyển đổi sinh khối có thể được chia thành hai con đường: nhiệt hóa học và sinh học. Kỹ thuật nhiệt hóa cho phép chuyển đổi sinh khối thành hydrogen và khí giàu hydrogen thông qua quá trình nhiệt phân và đồng nhiệt phân, khí hóa, đốt cháy và hóa lỏng. Trong khi đó, quá trình quang phân sinh học (trực tiếp và gián tiếp), lên men quang học, lên men tối, và các phản ứng dịch chuyển sinh học đều là những con đường có thể xảy ra đối với sinh học tổng hợp hydrogen.

5.2.2.1. Nhiệt hóa học.

Như đã nêu trước đây, các kỹ thuật nhiệt hóa chuyển đổi nhiên liệu sinh khối thành hydrogen hoặc thậm chí giàu dòng khí hydrogen là khả thi nhất. Hydrogen hoặc khí tổng hợp được sản xuất từ ​​sinh khối có thể là một bước đi thực tế để đạt được mục tiêu khí hậu không phát thải khí nhà kính, điều này rất quan trọng trong việc phát triển các hệ thống RE bền vững.

5.2.2.2. Nhiệt phân và đồng nhiệt phân.

Nhiệt phân là một trong những quá trình thích hợp để sản xuất hydrogen vì nó có những lợi ích như dễ dàng lưu trữ và vận chuyển và tương thích với các thiết bị như tua-bin, máy đốt, thùng chứa và thiết bị. Vật chất sinh học được làm nóng và khử khí ở áp suất 0,1–0,5 MPa đến nhiệt độ nhiệt độ 500–900◦C trong môi trường không có oxygen trong quá trình nhiệt phân. Mặc dù quá trình nhiệt phân sinh khối được phát triển như một loại dầu sinh học phương án sản xuất, nó cũng có thể sản xuất hydrogen một cách độc lập. Nhiệt phân là một quá trình nhiệt hóa tạo ra dầu sinh học (dầu lỏng) và than (rắn) bên trong dòng khí bằng cách đốt nóng sinh khối mà không cần oxygen. Trong bầu không khí không có O₂, quá trình chuyển hóa sinh khối là một quá trình quá trình gồm nhiều bước liên quan đến khí nitrogen.

Trong quá trình biến đổi, nhiệt độ có thể dao động từ 300 – 500◦C đến 700–800◦C. Kết quả nhiệt phân trải qua phản ứng thứ cấp, tùy thuộc vào cài đặt lò phản ứng, tạo ra khí hydrogen và các sản phẩm phụ khác. Quá trình nhiệt phân cũng tạo ra CH₄ và CO ngoài H₂, có thể được SR chuyển trở lại thành H₂ và các quy trình WGS. Ngoài hydrogen, dòng khí chứa một lượng đáng kể CH₄ và các hydrogencarbon nhẹ, có thể được cải tạo bằng hơi nước để tạo ra nhiều hydrogen hơn. Hơn nữa, CO chứa trong hơi nước có thể được chuyển hóa thành hydrogen và carbon dioxide bằng quy trình WGS tiếp theo. Gần đây, quá trình đồng nhiệt phân hỗn hợp than với chất thải hữu cơ đã đạt được chú ý ở các nước công nghiệp hóa. Nguyên nhân của quá trình này là nó có tiềm năng giảm bớt và giảm bớt vấn đề quản lý chất thải.

5.2.2.3. Khí hóa

Khí hóa được coi là một trong những công nghệ thành công nhất để chuyển đổi sinh khối thành năng lượng, nhiệt và hợp chất hóa học. Trong quá trình khí hóa, sinh khối được làm nóng bằng tác nhân khí hóa như không khí, oxygen hoặc hơi nước, tạo ra khí tổng hợp. Quá trình này xảy ra ở nhiệt độ cao, từ 500 đến 1.400◦C, được chia thành nhiệt phân và khí hóa. Giai đoạn đầu tiên, nhiệt phân, bao gồm việc phân hủy nhiên liệu bằng nhiệt để tạo ra chất dễ bay hơi hydrogencarbon và than, trong khi giai đoạn thứ hai, khí hóa, bao gồm chuyển đổi các sản phẩm này thành khí tổng hợp. Thành phần của khí tổng hợp thu được được xác định bằng nhiều phương pháp khác nhau. các yếu tố, bao gồm thành phần của sinh khối, quá trình khí hóa công nghệ và tác nhân khí hóa. Vì nó rẻ hơn hơn oxygen, không khí là tác nhân khí hóa được sử dụng phổ biến nhất. Khi không khí được sử dụng, khí tổng hợp thu được có hàm lượng năng lượng thấp hơn do có chứa ni-tơ hiệu ứng pha loãng, với giá trị nhiệt độ cao hơn của nhiên liệu (higher heating values of fuels-HHV) là 3,7–6,4 MJ/ m³ ở nhiệt độ tiêu chuẩn và áp suất (25◦C/1 atm). Khí hóa bằng oxygen và hơi nước tạo ra khí tổng hợp có HHV dao động từ 9,2 đến 16,5 MJ/ m³ ở STP.

Không giống như quá trình đốt cháy chuyển đổi năng lượng hóa học của cacbon thành sinh khối thành nhiệt và ánh sáng trong một bước, quá trình khí hóa sẽ chuyển đổi năng lượng hóa học thành khí dễ cháy trong hai giai đoạn. Kết quả khí tổng hợp bao gồm carbon monoxide, hydrogen, carbon dioxide, methane, nước và dấu vết của các thành phần khác như hắc ín và bụi. Khí tổng hợp linh hoạt hơn và dễ sử dụng hơn so với sinh khối ban đầu. Tất cả chúng có thể được sử dụng để cung cấp năng lượng cho động cơ khí và turbine khí hoặc làm chất hóa học nguyên liệu cho nhiên liệu lỏng như amonia, methane, hydrogen và diesel.

Khí hóa bao gồm các quá trình sinh hóa và nhiệt hóa, trước đây sử dụng vi khuẩn ở nhiệt độ phòng trong điều kiện yếm khí (anaerobic), tức là quá trình phân hủy yếm khí và sau đó sử dụng không khí, oxygen, hoặc hơi nước ở nhiệt độ lớn hơn 800◦C. Siêu tới hạn khí hóa có thể chuyển đổi chất thải nông nghiệp và các chất thải khác thành chất thải áp suất khí cao nhanh chóng và rẻ tiền, loại bỏ nhu cầu vận hành ở hạ nguồn. Sản phẩm phụ chính của quá trình này là H₂ và CO₂. Nước siêu tới hạn là dung môi hữu cơ nên các nhóm không phân cực trong sinh khối (nguyên liệu) và khí dễ hòa tan. Máy khí hóa sinh khối siêu tới hạn thường yêu cầu nhiệt độ 600–800◦C không có chất xúc tác hóa học hoặc ít hơn hơn 600◦C với chất xúc tác hóa học.

5.2.2.4. Tái sinh reforming

Sinh khối có thể được chuyển đổi thành dầu sinh học hoặc khí tổng hợp, thường được sử dụng làm nhiên liệu chất lượng thấp do thành phần phức tạp của chúng và hàm lượng hydrogen thấp bằng cách sử dụng nhiệt phân và khí hóa. Một số các quy trình tái sinh reforming, chẳng hạn như SR, DR, ATR, POX và vòng lặp hóa học reforming (CLR), có thể tạo ra sản lượng hydrogen cao hơn các chất xúc tác. Các phần trước đã thảo luận về các quá trình tái sinh reforming này, ngoại trừ CLR.

Khái niệm CLR dựa trên quá trình đốt cháy vòng hóa học (chemical looping reforming-CLC), sử dụng chất xúc tác mang oxygen (OC) để chuyển oxygen từ không khí đến nhiên liệu mà không có sự tiếp xúc trực tiếp giữa nhiên liệu và không khí. CLC là một phương pháp đốt mang tính cách mạng với lượng carbon nội tại quá trình phân tách dioxit sử dụng OC để cung cấp oxygen từ không khí đến nhiên liệu đồng thời tránh tiếp xúc trực tiếp giữa chúng. Quá trình CLR gồm hai lò phản ứng: lò phản ứng không khí (air reactor-AR) và lò phản ứng nhiên liệu (fuel reactor-FR). OC liên tục di chuyển giữa hai lò phản ứng. Ở FR, các hạt OC bị nhiên liệu khử và nhiên liệu trước tiên bị oxygen hóa thành tạo ra carbon dioxide và nước trước khi trải qua quá trình tái sinh và phản ứng WGS với hơi nước. Trong AR, oxygen hóa OC thành trạng thái ban đầu.

5.2.2.5. Sinh học

Nghiên cứu hydrogen sinh học đã tăng lên đáng kể trong những năm gần đây do sự nhấn mạnh nhiều hơn vào phát triển bền vững và giảm thiểu chất thải. Sản xuất khí hydrogen từ vật liệu sinh khối có thể được lấy từ nhiều loại chất thải hữu cơ, bao gồm nhựa phân hủy sinh học, chất thải nông nghiệp và bùn thải. Sinh học sản xuất hydrogen sử dụng sinh khối giàu carbohydrate làm nguồn tài nguyên năng lượng tái tạo có thể đạt được bằng cách sử dụng các phương pháp khác nhau, chẳng hạn như phân giải sinh học, lên men tối và lên men quang học cũng như WGS sinh học và điện phân xúc tác sinh học.

5.2.2.6. Quang phân sinh học

Về mặt lý thuyết, một quá trình quang phân sinh học có thể mang lại tỷ lệ 2:1 của H₂ và O₂ mà không cần cố định carbon dioxide hoặc các biện pháp khác các sự kiện sản xuất trao đổi chất trung gian. Sạch sẽ và bền vững năng lượng từ các nguồn tài nguyên tái tạo có thể được sản xuất thông qua vi khuẩn lam (tức tảo lam hay tảo lục lam) và quá trình quang sinh học vi tảo xanh trong nước. Những sinh vật này có thể sử dụng ánh sáng mặt trời để tách nước thành các phân tử H₂ và O₂.

Quá trình sản xuất hydrogen thông qua quá trình quang phân sinh học hoặc quang tự dưỡng sử dụng ánh sáng mặt trời và carbon dioxide làm nguồn năng lượng duy nhất để tạo ra khí hydrogen thông qua quá trình enzyme hydrogenase bởi vi khuẩn và tảo. Lợi ích của quá trình quang phân sinh học là không cần cung cấp chất nền làm chất dinh dưỡng. Nước là chất cho điện tử chính cần thiết cho sản xuất khí hydrogen. Ánh sáng mặt trời và carbon dioxide là nguyên nhân chính đầu vào cần thiết cho quá trình này. Sự tạo ra hydrogen quang sinh học là có thể thông qua cả quá trình quang phân sinh học trực tiếp và gián tiếp. Trong quá trình quang phân sinh học trực tiếp, một thiết bị quang hợp sẽ hấp thụ ánh sáng. Năng lượng thu hồi được sử dụng để liên kết quá trình tách nước nhằm tạo ra chất khử có điện thế thấp (ferredoxin), chất ức chế hydrogenase và tạo ra hydrogen. Trong so sánh, nước được phân chia bởi hệ thống quang ảnh II và hệ thống quang ảnh I (PSII và PSI) và khử ferredoxin được sử dụng để cố định carbon dioxide trong quang phân sinh học gián tiếp.

5.2.2.7. Lên men tối

Lên men tối là một phương pháp sinh học khác quá trình sản xuất hydrogen, trong đó các vi sinh vật yếm khí như vi tảo hoặc vi khuẩn cụ thể được giữ trong bóng tối ở nhiệt độ từ 25 đến 80◦C hoặc cao hơn, tùy theo chủng. Những vi khuẩn hoặc vi tảo này thực hiện một loạt các sự kiện sinh hóa phức tạp để tạo ra khí hydrogen qua nhiều giai đoạn. Giai đoạn đầu tiên là thủy phân enzyme các chất hữu cơ có trọng lượng phân tử cao thành các chất hữu cơ hòa tan trong nước, sau đó thủy phân các chất hữu cơ đơn giản thành acid béo dễ bay hơi (VFA), hydrogen và carbon dioxide.

Hydrogen chủ yếu được tạo ra bởi quá trình chuyển hóa yếm khí của pyruvate được tạo ra trong quá trình dị hóa carbohydrate. Những phản ứng đó sản xuất hydrogen thông qua quá trình lên men tối như sau:

C₆H₁₂O₆ → 2H₂ + CH₃CH₂CH₂COOH + 2CO₂ (18)

C₆H₁₂O₆ + 2H₂O → 4H₂ + 2CH₃COOH + 2CO₂ (19)

C₆H₁₂O₆ + 4H₂O → 8H₂ + CH₃COOH + 4CO₂ (20)

C₆H₁₂O₆ + 6H₂O → 12 H₂ + 6CO₂ (21)

Do có ít khí nên hiệu suất thu hydrogen giảm so với quang phân. Kỹ thuật lên men tối mang lại lợi ích và có lợi hơn so với quy trình lên men ảnh vì chúng có thể liên tục sản xuất hydrogen và không dựa vào năng lượng mặt trời.

5.2.2.8. Lên men ảnh

Công nghệ lên men ảnh (photo fermentation) vẫn còn trong giai đoạn R&D để sản xuất hydrogen. Sự chuyển hóa trao đổi chất của các phân tử hữu cơ thành hydrogen sinh học nhờ các loài vi khuẩn quang hợp khác nhau được gọi là quá trình lên men ảnh. Hình ảnh lên men là khác biệt từ quá trình lên men tối ở chỗ nó chỉ xảy ra khi có ánh sáng trong một môi trường thiếu nitrogen, nitrogenase là một enzyme được sản xuất bởi một số vi khuẩn, chẳng hạn như vi khuẩn lam và vi khuẩn rhizobacteria chịu trách nhiệm khử nitrogen thành amonia, ở vi khuẩn không chứa lưu huỳnh màu tím xúc tác trong quá trình chuyển đổi acide hữu cơ hoặc sinh khối thành hydrogen thông qua quang hợp. Phản ứng tổng thể được thực hiện trên glucose làm mô hình chất nền được đại diện bởi phương trình:

C₆H₁₂O₆ +6H₂O^hν →12H₂ + 6CO₂ (22)

Quá trình lên men ảnh có thể được thực hiện trong các giai đoạn một hoặc hai bước. Quá trình một bước ít tốn kém hơn song lại có một số hạn chế, chẳng hạn như tiêu thụ năng lượng cao từ nitrogenase và hạn chế chuyển đổi năng lượng mặt trời. Phương pháp lên men hai giai đoạn bắt đầu bằng lên men tối và sau đó tiến hành lên men quang học để tạo ra nhiều hydrogen hơn. Tuy nhiên, phương pháp này có nhược điểm là khó khăn để vận hành do việc quản lý các loại vi khuẩn khác nhau và các thông số giữa các pha khác nhau. Lên men ảnh hiện được coi là phương pháp sinh học ít cạnh tranh nhất về mặt thương mại trong phương pháp sản xuất hydrogen.

5.2.2.9. Phản ứng dịch chuyển khí nước sinh học (BWGS).

Quy trình BWGS có thể sản xuất hydrogen từ khí tổng hợp. Khả năng của vi khuẩn quang dị dưỡng thuộc nhóm hydrogengen carboxydotrophic trong họ rhodospirillaceae là một họ của pseudomonadota với đa số là vi khuẩn không lưu huỳnh màu tím, sản xuất năng lượng thông qua quá trình quang hợp, thì được sử dụng carbon monoxide làm nguồn carbon cần thiết cho phản ứng BWGS. Những vi khuẩn này có thể tạo ra hydrogen (cùng với carbon dioxide) trong bóng tối bằng cách oxygen hóa carbon monoxide và khử nước thông qua con đường enzyme thông qua Phương trình (23):

CO + H₂O ↔ CO₂ + H₂, Ho298 < 0kJ/mol (23)

Các vi sinh vật được sử dụng rộng rãi khác bao gồm rhodospirillum rubrum tồn tại ở nhiệt độ và áp suất thấp hơn (30–70◦C tùy thuộc vào chủng và môi trường xung quanh áp suất) có lợi hơn so với phản ứng WGS nhiệt hóa. Tuy nhiên, các thông số khác nhau phải được tối ưu hóa. Carbon monoxide được tạo ra bởi nguyên liệu phải được kiểm soát vì nó làm giảm hoạt động của vi khuẩn. Hơn nữa, vi sinh vật phải được cải thiện để tăng cường nồng độ trong lò phản ứng sinh học. Cuối cùng, những khó khăn ảnh hưởng việc chuyển khối lượng từ khí sang lỏng cần được giải quyết.

5.2.2.10. Điện phân xúc tác sinh học

Điện phân xúc tác sinh học (biocatalysed electrolysis) là một phương pháp công nghệ độc đáo sản xuất hydrogen sinh học chuyển đổi hiệu quả phổ rộng của các hợp chất hữu cơ hòa tan vào nước thải. Điện phân xúc tác sinh học thực hiện điều này bằng cách triển khai hoạt động điện hóa vi sinh vật có khả năng tạo ra dòng điện từ oxygen hóa các chất hữu cơ. Hydrogen được tạo ra khi cực dương sinh học này được nối với cực âm khử protonne thông qua một nguồn cấp. Pin nhiên liệu vi sinh vật (microbial fuel cells-MFC) và điện phân vi sinh vật tế bào (microbial electrolysis cells-MEC) là hai loại cơ bản của quá trình điện phân xúc tác sinh học dựa trên hệ thống điện hóa sinh học (bio-electrochemical systems -BES). MFC sử dụng cực âm tiếp xúc với không khí, dẫn đến sản xuất điện và phản ứng khử oxygen. Trong khi đó, MEC yêu cầu thêm một lượng điện năng nhỏ đầu vào từ nguồn điện bên ngoài để tăng cường quá trình sản xuất hydrogen trên cực âm. Acetate có thể được chất xúc tác sinh học điện phân theo phản ứng phương trình 24 sau:

CH₃COO^— + 4H₂O → 2 HCO^— + H⁺ + 4H₂ (24)

Trong điều kiện điển hình, quá trình tổng hợp hydrogen từ acetate đòi hỏi 104,6 kJ/mol năng lượng đầu vào, theo ước tính năng lượng tự do Gibbs là năng lượng vốn có của một hệ, khi cần nó được dùng để thực hiện công dưới các nhiệt độ và áp suất nhất định. Kết quả là, về mặt lý thuyết, quá trình tổng hợp hydrogen bằng acetate được xúc tác sinh học điện phân chỉ cần 0,14 V điện áp đặt vào.

Các công nghệ sản xuất hydrogen khác nhau thể hiện mức độ khác nhau của hiệu quả và sự hoàn thiện. Tái sinh reforming hơi nước, một phương pháp thương mại hóa, đạt được phạm vi hiệu suất 70–85%. Tương tự, một phần quá trình oxygen hóa và tái sinh reforming tự nhiệt, cũng được phân loại là thương mại phương pháp, thể hiện hiệu suất trong phạm vi 60-75%. Trong khi đó, tái sinh plasma, được coi là một triển vọng dài hạn, thể hiện một tầm nhìn rộng hơn phạm vi hiệu suất là 9–85%. Tái sinh reforming pha trộn nước, dự kiến trong trung hạn, chứng tỏ phạm vi hiệu suất là 35–55%. Sinh khối khí hóa, một phương pháp đã được thương mại hóa, đạt được hiệu suất 35–50%. Ngoài ra, quá trình lên men tối, lên men quang học và MEC, đại diện cho triển vọng dài hạn, thể hiện tính hiệu suất của đa dạng lần lượt là 60–80%, 0,1% và 78%. Máy điện phân kiềm và PEM, ở mức thương mại hoàn thiện, có phạm vi hiệu suất từ ​​50–60% và tương ứng là 55–70%. Các SOEC dự kiến ​​sẽ đạt hoàn thiện trong trung hạn, cho thấy phạm vi hiệu suất là 40–60%. Cuối cùng, tách nước bằng quang điện hóa, một lựa chọn lâu dài, cho thấy hiệu suất 12,4%. Nhìn chung, những công nghệ đa dạng này mang lại nhiều hiệu quả rất quan trọng để xem xét sự tích hợp của chúng vào bối cảnh năng lượng hydrogen.

5.3. Công nghệ sản xuất hydrogen xanh gần đây

Hydrogen xanh được sản xuất bằng cách sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo, chẳng hạn như năng lượng mặt trời và gió, để điện phân nước thành hydrogen và oxygen. Điện phân nước là quá trình điện hóa sử dụng điện năng để tách nước thành hydrogen và oxygen. Đây là công nghệ không phát thải có thể tạo ra hydrogen xanh, là loại hydrogen được tạo ra từ các nguồn năng lượng tái tạo. Các tế bào điện phân có thể được cung cấp năng lượng bởi các nguồn năng lượng tái tạo như pin mặt trời và turbine gió cũng như nhiệt thải từ các quy trình công nghiệp, để sản xuất hydrogen trong thân thiện với môi trường. Bốn công nghệ điện phân nước đã được phát triển dựa trên công nghệ điện phân, hoạt động điều kiện và các tác nhân ion (OH^—, H⁺, O^—): kiềm, AEM, PEM, và máy điện phân oxide rắn. Cả bốn công nghệ đều hoạt động trên nguyên tắc tương tự là sử dụng điện để phân tách các phân tử nước thành hydrogen và oxygen.

SOEC có một số lợi thế so với máy điện phân PEM và kiềm, hoạt động ở nhiệt độ thấp hơn. SOEC có thể sản xuất hydrogen với tốc độ phản ứng điện hóa cao hơn và yêu cầu năng lượng điện thấp hơn. SOEC có thể phân tách hơi nước và CO₂ thành H₂ và CO. Chúng cũng có thể được vận hành ở chế độ đồng điện phân, chuyển đổi một hỗn hợp H₂O và CO₂ thành khí tổng hợp. Trong quá trình tái sinh reforming methane bằng hơi điện (ESMR), tái sinh reforming chính trong nhà máy SMR được sửa đổi thành loại bỏ các đầu đốt và sử dụng hệ thống sưởi bằng điện thay vì đốt sưởi ấm. Hydrogen xanh có độ tinh khiết cao có thể được sản xuất từ ​​không khí thông qua quá trình điện phân không khí trực tiếp (DAE). Trong quá trình này, độ ẩm được hấp thụ trực tiếp bởi chất điện phân hút ẩm và phân tách tại chỗ thành H₂ và O₂. Các thiết bị DAE có thể hoạt động trong điều kiện độ ẩm thấp hay tương đương với sa mạc. Hệ thống điện hóa sinh học vi sinh (BES) có thể tạo ra điện hoặc các sản phẩm giá trị gia tăng khác, chẳng hạn như H₂. BES sử dụng vi sinh vật để xúc tác các phản ứng điện hóa ở cực dương và cực âm. Hiện đã có sự quan tâm ngày càng tăng trong việc phát triển BES cho sản xuất H₂ trong những năm gần đây. MEC là một loại BES có thể sản xuất H₂ từ các chất hữu cơ khác nhau. MEC thường sử dụng vi khuẩn dị dưỡng (heterotrophic bacteria) là một nhóm sinh vật tiêu thụ hoặc hấp thụ carbon hữu cơ để có thể sản xuất năng lượng và tổng hợp các hợp chất để duy trì sự sống, gắn vào cực dương để oxygen hóa chất hữu cơ vật chất và tạo ra các electron và protonne. Các electron được chuyển về cực âm, khử protonne tạo thành H₂.

Trong những năm gần đây, đã xuất hiện một số tiến bộ trong lĩnh vực xanh công nghệ sản xuất hydrogen, có tiềm năng tạo ra sản xuất hydrogen xanh hiệu quả hơn, tiết kiệm chi phí và có thể mở rộng. Hiện tại, giá hydrogen xanh là khoảng 2,50–6,80 USD mỗi kg. Tuy nhiên, do tác động tổng hợp của năng lượng tái tạo giá rẻ hơn và chi phí điện phân giảm, giá năng lượng hydrogen xanh cũng đang giảm nhanh đến mức nó sẽ sớm cạnh tranh với hydrogen blue. Tại Hoa Kỳ, Bộ Năng lượng (DoE) đã công bố mục tiêu cắt giảm chi phí sản xuất hydrogen xuống còn 1 USD/kg vào năm 2030.

Hiện có một số công nghệ sản xuất hydrogen đã được phát minh gần đây, ví như: Tế bào điện phân oxide rắn (solid oxide electrolyser cells-SOEC), nhiệt phân/tách methane (methane pyrolysis/splitting), tái sinh reforming khí methane bằng hơi điện khí hóa (electrified steam methane reforming-ESMR), màng trao đổi anion (anion exchange membranes-AEMs), máy điện phân nước màng trao đổi hydroxiide (hydroxide exchange membrane water electrolysers), điện phân không khí trực tiếp (direct air electrolysis-DAE), quang điện sinh học (BPV)/Tế bào quang điện sinh học (BPE)/Tế bào điện phân vi sinh vật (MEC) (Biophotovoltaics-BPV/Biophotoelectrolysis cell-BPE/microbial electrolysis cells-MEC), máy điện phân không màng (membrane-less electrolysers), tách oxygen hóa khử (redox decoupling).

Các nguồn, quy trình, ưu điểm, nhược điểm và mức độ hoàn thiện của công nghệ đã được trình bày. Việc đánh giá vòng đời hoặc nghiên cứu kinh tế-kỹ thuật sẽ không được thảo luận trong nghiên cứu này do những hạn chế về dữ liệu như vật liệu được sử dụng, quy trình và chi phí vận chuyển của từng công nghệ ví như số liệu phát thải khí nhà kính GHG. Những công nghệ mới nhất để sản xuất hydrogen xanh ví như điện phân sử dụng điện gió hoặc thủy điện được coi là một trong những nguồn sản xuất H₂ xanh tốt nhất. Trong 3 phương pháp điện phân, SOEC có thể tạo ra H₂ với hiệu suất cao nhất so với các tế bào điện phân khác.

Hiện SOEC phương pháp hiện tốt hơn các phương pháp khác. Các SOEC vượt trội về mặt về hiệu quả. SOEC có hiệu suất cao nhất so với bất kỳ công nghệ sản xuất hydrogen nào, với hiệu suất lên tới 90%. Đây là mức cao hơn đáng kể so với các công nghệ khác, chẳng hạn như điện phân kiềm tế bào (hiệu suất 50–60%) và tế bào điện phân PEM (hiệu suất 60–80%). Mặc dù có thời gian khởi nghiệp lâu hơn nhưng các SOEC vẫn có chi phí vật liệu thấp hơn khi họ sử dụng gốm làm chất điện phân thay vì điện phân màng trao đổi hydrogenxide. Phương pháp của SOEC cũng có một công nghệ ước tính mức độ hoàn thiện của công nghệ trong giai đoạn tiếp thu của một chương trình TRL (technology readiness levels-TRL) với công nghệ hoàn thiện từ 6–7, cho thấy nó đã sẵn sàng cho công nghệ trình diễn và thương mại hóa. Thương mại hóa các SOEC bị cản trở bởi tuổi thọ tương đối ngắn của chúng dưới hai đến ba năm, so với 10 và 20 năm đối với điện phân PEM và kiềm công nghệ. Hạn chế này là trọng tâm chính của những nỗ lực R&D đang diễn ra.

Trong khi đó, đối với công nghệ AEM, chất điện phân rắn là một tiến bộ gần đây trong cuộc tìm kiếm đang diễn ra về một nguồn năng lượng hiệu quả cao, khả thi về mặt công nghiệp thiết bị. Màng này có khả năng cơ học, nhiệt và hóa học tuyệt vời của cải. Màng rắn làm giảm các vấn đề trao đổi nhiên liệu và cacbonat hóa (carbonation) liên kết với dung dịch KOH là potassium hydroxide (công thức hóa học: KOH) là một chất kiềm mạnh có tính ăn mòn, được sử dụng trong kiềm thông thường pin nhiên liệu. TRL cho công nghệ AEM đang ở giai đoạn khả thi về mặt công nghệ để trình diễn và thương mại hóa. Công nghệ ESMR cũng là một trong những công nghệ hứa hẹn có khả năng giảm phát thải khí nhà kính GHG liên quan đến sản xuất hydrogen. Tuy nhiên, do phương pháp này sử dụng methane, bất kỳ sự rò rỉ nào trong quá trình sản xuất đều có thể gây ra lượng khí thải nhà kính GHG đáng kể, làm mất đi lợi thế của công nghệ này. Hơn thế nữa, công nghệ ESMR đòi hỏi nguồn năng lượng đáng kể để tạo ra nhiệt độ và áp suất cao, có thể tốn kém và tốn nhiều năng lượng. Máy điện phân nước màng trao đổi hydrogenxide cũng có tiềm năng trở thành một thiết bị điện phân công nghệ đầy hứa hẹn để sản xuất hydrogen do hiệu quả cao, chi phí thấp, khả năng mở rộng và lợi thế an toàn. Tuy nhiên, những thách thức vẫn cần phải khắc phục để nâng cao độ bền, hiệu suất và tính khả thi về mặt thương mại.

Trong khi đó, nghiên cứu về công nghệ BPV hiện mới đang ở giai đoạn đầu, thiếu tiêu chuẩn hóa trong tạo sinh khối, kỹ thuật tăng trưởng và cấu hình hệ thống, việc so sánh giữa các nghiên cứu là một thách thức nâng cao sản lượng điện có thể được hưởng lợi từ việc hiểu rõ vi khuẩn và tối ưu hóa có mục tiêu. Các phương pháp tiếp cận tiềm năng trong tương lai có thể liên quan đến tận dụng sinh học tổng hợp để nâng cao hiệu quả chuyển điện tử, có khả năng bằng cách giới thiệu các đường hướng chuyển điện tử thay thế. Tất cả các quá trình được thảo luận ở trên đều có liên quan đến các dạng điện phân khác nhau hoặc tái sinh reforming các quy trình có tiềm năng đóng một vai trò quan trọng trong việc giảm phát thải CO₂ và nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng trong các lĩnh vực cụ thể. Máy điện phân kiềm là một công nghệ hoàn thiện rất phù hợp sản xuất H₂ trên quy mô lớn. Điện phân kiềm có thể tạo ra hydrogen có độ tinh khiết cao được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như giao thông vận tải, xử lý hóa chất và các quy trình công nghiệp. Điều này có thể được cung cấp bởi nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng gió hoặc năng lượng mặt trời, cung cấp môi trường sạch và phương cách bền vững để sản xuất hydrogen và giảm tổng thể khí thải CO₂.

Phương pháp công nghệ điện phân AEM và PEM có thể tạo ra hydrogen có độ tinh khiết cao phù hợp cho các ứng dụng pin nhiên liệu, chẳng hạn như sản xuất điện, vận tải và văn phòng phẩm. Những loại máy điện phân này có khả năng hiệu quả và tiết kiệm chi phí hơn so với các máy điện phân kiềm truyền thống. Điện phân AEM và PEM mang lại hiệu quả cao hơn và phản ứng nhanh hơn lần so với điện phân kiềm, khiến chúng phù hợp cho các ứng dụng trong đó phản ứng nhanh và hiệu quả là rất quan trọng. Máy điện phân PEM là rất thích hợp để sản xuất H₂ cho các ứng dụng cân bằng lưới điện. SOEC là loại máy điện phân hiệu quả nhất nhưng cũng là loại máy điện phân chi phí đắt nhất. Hiện các SOEC vẫn đang được phát triển nhưng chúng có tiềm năng cách mạng hóa việc sản xuất H₂. Hoạt động ở nhiệt độ cao điện phân oxide rắn có thể được tích hợp với các quy trình công nghiệp, tận dụng nhiệt thải và nâng cao hiệu quả tổng thể. ESMR là một quá trình để sản xuất H₂ từ khí methane bằng điện thay vì khí tự nhiên để sưởi ấm. ESMR thì hiệu quả hơn và ít gây ô nhiễm hơn SMR truyền thống.

Công nghệ ESMR rất phù hợp cho các ứng dụng có nguồn chi phí thấp đáng tin cậy điện, chẳng hạn như năng lượng tái tạo. SMR có thể được tích hợp với các công nghệ thu giữ carbon để giảm phát thải khí nhà kính GHG bằng cách thu giữ và tận dụng lượng CO₂ sinh ra trong quá trình tái sinh reforming đang phát triển, nhưng nó cũng có tiềm năng trở thành một phương pháp rất hiệu quả và phương pháp sản xuất H₂ với chi phí thấp. DAE giúp đạt được tính trung hòa carbon bằng cách tận dụng CO₂ từ khí quyển để sản xuất nhiên liệu, bù đắp lượng khí thải. MEC là một loại hệ thống điện hóa sinh học có thể được sử dụng để sản xuất H₂ từ nước thải và các chất hữu cơ khác.

Bên cạnh đó, công nghệ MEC cũng vẫn còn đang trong quá trình phát triển và có thể được áp dụng trong các cơ sở xử lý nước thải và nhà máy chế biến thực phẩm để xử lý chất thải hữu cơ và sản xuất đồng thời hydrogen. MEC cung cấp một lộ trình tiềm năng để sản xuất hydrogen từ dòng chất thải, giảm chất thải và cung cấp nguồn năng lượng môi trường sạch. Nhìn chung, những công nghệ này có tiềm năng giảm đáng kể lượng khí thải và nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng ở nhiều lĩnh vực khác nhau. Khi những công nghệ này tiếp tục phát triển và ngày càng trở nên phổ biến hơn hiệu quả về mặt chi phí, chúng được kỳ vọng sẽ đóng một vai trò quan trọng trong việc chuyển đổi hướng tới một tương lai năng lượng sạch.