Hạt nhân có phải là lựa chọn hoàn hảo cho sản xuất hydro

Tuy nhiên, năng lượng hydro có thực sự phát thải carbon thấp hay không còn phụ thuộc vào cách mà nhiên liệu hydro được sản xuất. Mặc dù hydro là nguyên tố phong phú nhất trong vũ trụ, nhưng nguyên tố này hầu như tập trung trong các hợp chất khác nhau. Khí hydro có tính phản ứng cao, do đó không tồn tại mỏ hydro có thể khai thác.

Hơn 90% sản lượng hydro thương mại trên thế giới hầu hết được sản xuất bằng phương pháp nhiệt hóa hơi metan (SMR). Trong quá trình này, khí thiên nhiên phản ứng với hơi nước ở nhiệt độ cao để tạo ra hydro và khí CO. Khí CO sau đó tiếp tục phản ứng với hơi nước để tạo ra hydro bổ sung và CO2. Theo ước tính, lượng khí thải carbon trong quá trình sản xuất hydro bằng phương pháp nhiệt hóa hơi nước là cao. Vậy tại sao phương pháp này lại phổ biến nhất hiện nay ? Câu trả lời nằm ở chỗ, đây là phương pháp sản xuất hydro quy mô thương mại rẻ nhất.

Một số tổ chức nghiên cứu và cơ quan năng lượng trên thế giới đã phân loại hydro theo phương pháp sản xuất bằng màu sắc khác nhau. Hydro màu xám biểu thị loại hydro được sản xuất từ nhiên liệu hóa thạch, như bằng phương pháp SMR. Tuy nhiên, nếu khí thải CO2 được cô lập, thu gom trong quá trình SMR thì nhiên liệu hydro đầu ra được gọi là hydro “xanh lam”. Hydro “xanh lam” được sản xuất bằng các nguồn tài nguyên không thể tái tạo nhưng nó đáp ứng ngưỡng phát thải carbon thấp. Tùy thuộc vào quy trình, hydro “blue” có thể được sản xuất từ nhiên liệu hóa thạch hoặc từ năng lượng hạt nhân. Loại hydro được sản xuất bằng cách sử dụng các nguồn NLTT và đáp ứng phát thải carbon thấp được phân loại là hydro “green”. Ví dụ, nguồn điện mặt trời có thể được sử dụng để điện phân nước thành hydro và oxy. Sản xuất hydro “xanh lá” hay hydro tái tạo là tầm nhìn lý tưởng của nền kinh tế hydro, nhưng có một số trở ngại cho đến nay khiến tầm nhìn này chưa thể thực hiện được.

Vấn đề lớn nhất đối với hydro tái tạo là chi phí. Sản xuất hydro tái tạo chưa mang lại hiệu quả kinh tế bằng cách sử dụng nguồn NLTT không liên tục. Phương pháp sản xuất này chỉ trở nên hiệu quả về chi phí nếu nguồn cung NLTT dồi dào và nguồn điện năng đầu vào cho các dây chuyền điện phân trở nên dư thừa. Do yếu tố công suất thấp của NLTT và chi phi phí vốn tiếp theo dành cho thiết bị hydro khiến giá thành trên một đơn vị khối lượng hydro tái tạo được sản xuất ra là khá cao. Theo những ước tính hiện nay, giá nhiên liệu hydro tái tạo đắt gần gấp đôi giá nhiên liệu hydro hóa thạch, nhưng lượng khí thải carbon thấp hơn khoảng 80%. Với sự phát triển của công nghệ NLTT, chi phí sản xuất hydro tái tạo dự kiến sẽ giảm xuống song đây vẫn là thách thức trong ngắn và trung hạn.

Lựa chọn hạt nhân

Lựa chọn năng lượng hạt nhân có thể tạo ra những tác động rất lớn. Một nền kinh tế hydro sẽ đòi hỏi sự gia tăng mạnh mẽ sản xuất hydro. Điều đó có nghĩa là các tùy chọn sản xuất hydro có thể mở rộng. Hydro có thể được sản xuất từ năng lượng hạt nhân theo các cách sau.

Cách thứ nhất là sử dụng năng lượng hạt nhân để sản xuất điện cho quá trình điện phân nước. Đây là quy trình tương tự như quy trình sản xuất hydro tái tạo, ngoại trừ hệ số công suất của năng lượng hạt nhân là 90%, trong khi hệ số công suất của NLTT chỉ từ 20-40%. Điều này sẽ làm giảm chi phí sản xuất hydro. Theo Tạp chí Applied Energy năm 2020, quá trình sản xuất hydro bằng điện hạt nhân có lượng khí thải carbon tương đương với hydro được sản xuất bằng NLTT. Tuy nhiên, chi phí của phương pháp này vẫn còn cao, tương đương với chi phí điện phân sử dụng NLTT. Ngoài ra, quá trình điện phân tiêu hao khoảng 20% lượng hydro trong sản xuất hydro, hay nói cách khác là với một lượng điện đầu vào nhất định, chỉ có thể thu được 0,8 đơn vị hydro tương đương.

Cách sản xuất thứ hai cũng sử dụng năng lượng hạt nhân nhưng có chi phí thấp hơn. Thay vì sử dụng điện, khí thiên nhiên (metan) có thể bị nhiệt phân thành carbon và hydro bằng cách sử dụng nhiệt năng của năng lượng hạt nhân. Quá trình này diễn ra ở nhiệt độ từ 1100 - 1200 độ C (không kèm theo xúc tác) và được gọi là nhiệt phân hủy metan (TDM) hay nhiệt phân metan. Điều này cho thấy nhiệt phân metan đòi hỏi lượng lớn năng lượng cung cấp. Tuy nhiên, chất xúc tác có thể làm giảm yêu cầu về nhiệt độ. Ví dụ như chất xúc tác niken đã được chứng minh là hoạt động hiệu quả trong phạm vi nhiệt độ từ 500-700 độ C, trong khi chất xúc tác sắt cho hiệu quả ở nhiệt độ từ 700-900 độ C.

Có hai yếu tố chính ở đây giúp giảm chi phí sản xuất hydro về mức có thể cạnh tranh với phương pháp SMR. Thứ nhất, nguồn carbon được tạo ra trong quá trình này là carbon tinh khiết ở thể rắn. Carbon rắn được sử dụng trong tất cả các ứng dụng. Do đó, việc thu giữ và sử dụng loại carbon này đơn giản hơn đáng kể so với phương pháp thu giữ và cô lập CO2. Một trong những ứng dụng hứa hẹn là carbon tinh khiết có thể được sử dụng để sản xuất sợi carbon, nguyên liệu thay thế có giá trị cho các vật liệu công nghiệp hiện nay. Thứ hai là nguồn nhiệt năng có sẵn trong các nhà máy điện hạt nhân và còn dồi dào hơn nữa trong các lò phản ứng hạt nhân thế hệ tiên tiến. Ví dụ như công nghệ hạt nhân thế hệ thứ 4 có khả năng cung cấp nhiệt lượng trong các quá trình công nghiệp sử dụng nhiệt độ cao từ 500-1000 độ C. Do đó, công nghệ này có thể cung cấp trực tiếp nhiệt lượng cho quá trình nhiệt phân metan mà không phải thực hiện quá trình chuyển hóa nhiệt năng thành điện năng trong các dây chuyền điện phân, giúp giảm hao phí nhiệt lượng. Do đó mà chi phí sản xuất hydro thấp hơn.

Theo nghiên cứu của tổ chức Terrestrial Energy, ưu điểm chính của quá trình nhiệt phân metan là đòi hỏi năng lượng đầu vào thấp nhất để tạo ra hydro và ước tính thấp hơn 8 lần so với quá trình điện phân nước. Với phương pháp nhiệt phân metan sử dụng năng lượng hạt nhân ở nhiệt độ cao, năng lượng hydro sinh ra cao hơn nhiều so với quá trình điện phân ở nhiệt độ thấp. Và đây là cách có thể kích hoạt nền kinh tế hydro ở quy mô toàn cầu.

Nếu thế giới nghiêm túc về việc phát triển nền kinh tế hydro sạch quy mô lớn thì sản xuất hydro từ năng lượng hạt nhân phải được xem xét nghiêm túc. Đây là lựa chọn carbon thấp duy nhất có thể triển khai quy mô lớn và hoạt động với hệ số công suất cao trong ngắn và trung hạn.

Viễn Đông - Theo OilPrice.