H2: Năng lượng tương lai (Kỳ 9) - Máy phát điện pin nhiên liệu H2

Engie bán 49% cổ phần trong một danh mục đầu tư năng lượng tái tạo ở Mỹ

H2: Năng lượng tương lai (Kỳ 8)

Công nghệ tuabin khí hydro được coi là giải pháp then chốt cho việc ứng dụng hydro quy mô lớn trong sản xuất điện khí. Theo số liệu của Cơ quan năng lượng quốc tế (IEA), gần 25% sản lượng điện toàn cầu được sản xuất từ các nhà máy nhiệt điện sử dụng nhiên liệu khí. Theo đánh giá của công ty Mitsubishi Hitachi Power System (MHPS), một trong những công ty lớn nhất toàn cầu trong thị trường cung cấp tuabin khí, các tuabin khí hiện nay có thể sử dụng nhiên liệu hỗn hợp khí thiên nhiên và hydro với tỷ lệ 4:1 mà không cần phải thay đổi kết cấu.

MHPS đang tham gia dự án thí điểm trong liên doanh giữa các tập đoàn Vattenfall (Thụy Điển), Equinor (NaUy) và Gasunie (Hà Lan) về chuyển đổi dây chuyền sản xuất điện khí công suất 440 MW tại nhà máy nhiệt điện Magnum, Hà Lan từ sử dụng nhiên liệu khí thiên nhiên sang sử dụng nhiên liệu hydro hóa lỏng vào năm 2025. Để triển khai dự án này đòi hỏi phát triển cơ sở hạ tầng một cách nhanh chóng. Equinor chịu trách nhiệm sản xuất hydro “xanh” (blue hydrogen) trong khi Gasunie chịu trách nhiệm vận tải hydro từ cơ sở sản xuất đến dự án.

Một công ty Nhật Bản khác là Kawasaki (04/2018) đã thử nghiệm thành công nâng tỷ lệ hydro trong hỗn hợp nhiên liệu đầu vào lên 100% tại một nhà máy điện khí lên ở khu vực Kobe, Nhật Bản (Hình 25).

Các máy phát điện cỡ nhỏ sử dụng pin nhiên liệu (fuel cell CHP) hoạt động theo nguyên lý khác với các nhà máy nhiệt điện ở chỗ chúng chuyển đổi năng lượng hóa học trực tiếp thành năng lượng điện (phản ứng hóa học: H2 +O2 = H2O + điện năng), do đó không cần sử dụng tuabin khí, đồng thời đạt hiệu suất chuyển đổi năng lượng từ 50-65% (có nghĩa là ở mức cao hơn một chút so với các nhà máy nhiệt điện công suất lớn sử dụng nhiên liệu khí). Các máy phát điện như vậy hoàn toàn thân thiện với môi trường trong khí các tuabin khí ngay cả khi sử dụng 100% nhiên liệu hydro vẫn có thể gây ô nhiễm bầu khí quyển khi phát thải khí NO2.

Bên cạnh đó, các máy phát điện sử dụng pin nhiên liệu không gây tiếng ồn, đồng thời cũng sản sinh ra nhiệt năng nên còn được gọi là các máy phát điện kết hợp (Cogenerator). Vì vậy mà các phát điện loại này có thể được ứng dụng với số lượng lớn trong các hộ gia đình. Ngoài ra, chúng có kích thích khá nhỏ gọn khi chỉ vừa bằng một cái tủ lạnh.

Tương lai của thị trường các nguồn năng lượng điện hóa học phụ thuộc vào sự phát triển các dòng pin nhiên liệu oxit rắn (Solid Oxide Fuel Cell, SOFC) và axit Phosphoric (Phosphoric Acid Fuel Cell, PAFC). Các loại pin nhiên liệu này có thể sử dụng trong chế tạo các trạm phát điện có công suất từ vài KW lên đến 10 MW có thể sử dụng nhiên liệu không chỉ là hydro sạch mà còn cả khí thiên nhiên, khí sinh học và khí tổng hợp. Sự linh hoạt trong sử dụng nhiên liệu cho phép mở rộng sử dụng pin nhiên liệu trong các hộ gia đình và phát triển cơ sở hạ tầng hydro. Điều này đã được quy định trong chương trình hydro quốc gia của Nhật Bản. Pin nhiên liệu sử dụng màng trao đổi proton (Proton Exchange Membrane Fuel Cell) và pin nhiên liệu sử dụng carbonat nóng chảy (Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC) đang được nước này sử dụng phổ biến nhất.

Thị trường pin nhiên liệu trong phân phúc sản xuất nhiệt năng đang gia tăng (figure 26) mặc dù tốc độ tăng trưởng vẫn thấp hơn tốc độ sử dụng pin nhiên liệu trong lĩnh vực vận tải khi xuất hiện nhiều dòng xe ô tô chạy bằng hydro. Năm 2016, hãng nghiên cứu Navigant Research dự báo, tăng trưởng thị trường máy phát điện pin nhiên liệu sẽ tăng lên 1 GW công suất mỗi năm cho đến năm 2020, tuy nhiên dự báo này dường như chắc chắn không thể hiện thực hóa được.

Chính phủ Nhật Bản hiện đang hỗ trợ ứng dụng máy phát điện pin nhiên liệu trong khuôn khổ dự án Ene-Farm. Năm 2018 đã có 50.000 máy phát điện pin nhiên liệu gia dụng đã được lắp đặt và tính đến cuối 2018, tổng số máy được lắp đặt trong dự án đã đạt 300.000 đơn vị). Là một phần của dự án Ene-Farm, các hộ gia đình nhận được trợ cấp từ ngân sách chính phủ cho cho việc lắp đặt các máy phát điện kết hợp sử dụng pin nhiên liệu tại nhà mình.

Trong năm 2018, Chính phủ Nhật Bản đã hỗ trợ khoảng 70 triệu USD trong khuôn khổ dự án cho các hộ dân cư và các cơ sở thương mại. Thị trường này cũng được ghi nhận phát triển tại Hàn Quốc, Mỹ và Đức khi nhận được phần lớn sự hỗ trợ từ nhà nước. Tại Mỹ, công ty năng lượng Bloom Energy (California) được thành lập từ năm 2001 nhằm phát triển các công nghệ thu gom oxi từ bầu khí quyền (trong khuôn khổ chương trình sao Hỏa của NASA). Sau 18 năm, Bloom Energy đã niêm yết trên sàn chứng khoán New York, có 150 nhân viên và doanh thu đạt 740 triệu USD. Hãng được công nhận là một trong những công ty dẫn đầu trên thị trường pin nhiên liệu sử dụng vào mục đích dân dụng và thương mại.

Thị trường máy phát điện pin nhiên liệu là một phần của thị trường năng lượng phân tán toàn cầu đang phát triển, trong đó pin nhiên liệu đang cạnh tranh với các loại hình máy phát điện phân tán khác như nhà máy nhiệt điện sử dụng nhiên liệu khí, dầu diesel, sinh khối, các nhà máy điện mặt trời, điện gió... Các pin nhiên liệu giống như các nhà máy nhiệt điện truyền thống, có thể thay đổi phụ tải tùy theo nhu cầu năng lượng của người dùng trong phạm vi rộng, đồng thời cần đảm bảo nguồn cung nhiên liệu đầu vào ổn định. Ưu điểm lớn nhất hiện nay của thiết bị này là tính thân thiện với môi trường. Trong trường hợp sử dụng 100% hydro xanh (green hydrogen) làm nhiên liệu đầu vào, phát thải carbon sẽ đạt xấp xỉ 0.

Hạn chế lớn nhất của máy phát điện này là chi phí sản xuất thiết bị cũng như sản xuất nhiên liệu hydro đầu vào. Do đó, yếu tố chi phí đóng vai trò quyết định đối với tương lai của pin nhiên liệu. Động lực phát triển pin nhiên liệu hydro hầu như không đáng kể trong thập kỷ qua. Trong khi đó, chỉ trong vòng 8 năm (2010 - 2018), các nguồn điện tái tạo (điện gió, điện mặt trời) đã tăng trưởng mạnh mẽ, giảm chi phí cho một đơn vị năng lượng (LCOE) xuống còn một nửa, ngang bằng với pin nhiên liệu (figure 27).

Động lực cho thị trường máy phát điện pin nhiên liệu hiện nay là không đủ để thực hiện các kế hoạch tham vọng, chẳng hạn như chương trình hydro quốc gia của Nhật Bản (mục tiêu là 1,4 triệu máy phát điện pin nhiên liệu mini vào năm 2020 và đạt 5,3 triệu máy vào năm 2030). Doanh số máy phát điện pin nhiên liệu hàng năm trên thế giới mới vượt qua 50.000 thiết bị mỗi năm. Trong khi đó, doanh số bán ra các máy phát điện mặt trời loại nhỏ, hoạt động ở chế độ không nối lưới (off-grid) cao hơn máy phát điện pin nhiên liệu hơn 500 lần, giao động từ 25-30 triệu đơn vị mỗi năm trong giai đoạn 2014 – 2017.

Nguyễn Anh Phương, Nguyễn Xuân Thắng, Phạm Tiến Thắng