Có thể nói, Nhật Bản đã đi trước các quốc gia khác trong việc sử dụng Hydro. Năm 2002, xe ô tô chạy bằng pin nhiên liệu đã được thương mại hóa và các trạm Hydro cũng bắt đầu được lắp đặt.

Tuy nhiên, những năm gần đây, ở Âu Mỹ, những hoạt động nhằm nhanh chóng trung hòa Carbon đang thúc đẩy phát triển thiết bị và công nghệ sản xuất, sử dụng Hydro. Đối với vấn đề này, Nhật Bản cũng dự kiến sẽ mở rộng đầu tư phát triển công nghệ liên quan đến Hydro. Chính phủ Nhật Bản đã quyết định đầu tư 370 tỷ Yên trong vòng 10 năm tới cho chiến lược tăng trưởng xanh.

Hiện nay, hầu hết Hydro được sản xuất bằng cách phân tách nhiên liệu hóa thạch như khí tự nhiên... Vì vẫn tạo ra CO2 trong quá trình sản xuất, nên Hydro được sản xuất từ ​​nhiên liệu hóa thạch không phải là biện pháp đối phó với biến đổi khí hậu. Do đó, nhiện liệu này được gọi là "Hydro xám".

Mặt khác, dù vẫn là Hydro có nguồn gốc từ nhiên liệu hóa thạch, nhưng nếu CO2 tạo ra được thu giữ sẽ trở thành "Hydro lam" - trung hòa Carbon. Còn Hydro được tạo ra bằng cách điện phân nước, sử dụng điện từ năng lượng tái tạo được gọi là "Hydro xanh".

Hydro xanh và Hydro lam có điểm chung là trung hòa Carbon, nên đều được coi là Hydro sạch. Hydro xanh được kỳ vọng là phương pháp sử dụng hiệu quả cùng với sự phổ biến của năng lượng tái tạo. Thêm vào đó, Hydro xanh có thể sản xuất ở cả những nước không có tài nguyên nhiên liệu hóa thạch, nên ngày càng nhận được nhiều sự quan tâm.

Cánh đồng nghiên cứu năng lượng Hydro ở Fukushima:

Tất nhiên, việc phát triển và thương mại hóa công nghệ liên quan đến Hydro cũng đã được thúc đẩy ở Nhật Bản. Trong số đó, đối với Hydro xanh, Tổ chức phát triển công nghệ và năng lượng mới Nhật Bản (NEDO) từ năm 2013 đã thực hiện kiểm chứng qua các cơ sở quy mô nhỏ, từ năm 2016 nỗ lực mở rộng quy mô thiết bị điện phân ở 2 địa điểm trong nước.

Một dự án đã thực hiện kiểm chứng là Cánh đồng nghiên cứu năng lượng Hydro ở Fukushima (FH2R).

Cánh đồng nghiên cứu năng lượng Hydro ở Fukushima. Ảnh Nikkei Asia

Dự án đã được bắt tay vào làm từ năm 2016, khởi công xây dựng nhà máy vào năm 2018, hoàn tất lắp đặt thiết bị vào năm 2020, hiện tại đang sản xuất và cung cấp Hydro xanh. Gần đây, ngoài việc sử dụng làm nhiên liệu cho ô tô động cơ Hydro của Toyota trong cuộc đua sức bền kéo dài 24 tiếng vào tháng 5/2021, Hydro xanh của FH2R còn được sử dụng trong lễ rước đuốc của Olympic Tokyo.

FH2R đã lắp đặt một hệ thống phát điện mặt trời 20 MW ở tỉnh Fukushima và sử dụng nguồn điện này để sản xuất Hydro xanh. Công suất của thiết bị sản xuất Hydro là 10 MW, lượng Hydro tạo ra khi vận hành 1 ngày tương đương với điện năng tiêu thụ 1 tháng của khoảng 150 hộ gia đình bình thường. Hydro sản xuất ở FH2R được sử dụng để phát điện và làm nhiên liệu cho xe ô tô sử dụng pin nhiên liệu.

NEDO nói rằng, ý nghĩa của việc thực hiện kiểm chứng tại cơ sở này là thông qua việc chuyển đổi điện năng dư thừa của năng lượng tái tạo thành Hydro, không những có thể thúc đẩy "không Carbon" ở cả các lĩnh vực khác (ngoài ngành điện), mà còn có thể điều tiết cân bằng cung cầu và sử dụng hết, không để dư thừa năng lượng tái tạo.

Có không ít mục sẽ được chứng thực ở FH2R. Trước tiên là tính kinh tế của hệ thống. Việc giảm chi phí sản xuất là đương nhiên, nhưng việc sử dụng tốt nguồn điện trên lưới điện là quan trọng hơn cả. Đối với năng lượng tái tạo có nhiều biến động khi phát điện, thì việc cung cấp năng lực điều tiết như thế nào để ổn định lưới điện là điều tất yếu khi mở rộng năng lượng tái tạo.

Hiện tại, FH2R đang vừa vận hành thiết bị, vừa tiến hành cân bằng cung cầu điện năng, dự báo lượng điện từ năng lượng mặt trời, dự báo nhu cầu Hydro… trong khoảng 10 ngày.

Để hiện thực hóa sẽ cần thiết bị có quy mô lớn hơn, ít nhất là gấp 10 lần quy mô thiết bị hiện tại.

Nhưng điều đáng lo ngại nhất là chi phí. Nếu chỉ xét tới tiền điện, cần 5 kWh để sản xuất 1m3 Hydro, giả sử rằng tiền điện là 20 Yên/kWh, thì 1m3 Hydro sẽ tương đương 100 Yên - giống với giá tại trạm Hydro hiện nay. Tuy nhiên, giá này chưa bao gồm chi phí xây dựng và vận hành thiết bị.

Người ta nói rằng, ở Âu Mỹ chi phí phát điện năng lượng tái tạo dự kiến sẽ rẻ hơn, còn khoảng 3~4 Yên/kWh, nên Hydro cũng có thể sản xuất với giá rẻ. Ở Nhật Bản, chi phí phát điện năng lượng tái tạo vẫn còn cao, nhưng khi thời gian bán điện theo FIT (chính sách mua giá cố định) kết thúc từ năm 2032 trở đi và việc áp dụng năng lượng tái tạo tiến xa hơn trong tương lai, có khả năng chi phí phát điện sẽ giảm. Khi đó, chi phí sản xuất Hydro bằng phương pháp điện phân nước sẽ trở nên thực tế hơn.

Hơn nữa, giá điện lưới trên thị trường mua bán điện bán buôn cũng có lúc rơi vào khoảng 0,01 Yên/kWh vào ban ngày, khi điện mặt trời hoạt động tốt. Tại khu vực Kyushu, khi sản lượng điện mặt trời trở nên dư thừa, việc kiểm soát công suất sẽ được thực hiện. Điều tương tự cũng có thể diễn ra trên toàn quốc, bởi việc xây dựng dự án năng lượng tái tạo (như điện mặt trời) sẽ tiến xa hơn nữa trong tương lai. Khi đó, việc nhận được điện năng lượng tái tạo dư thừa từ lưới điện với chi phí thấp cũng có thể xảy ra.

Hiện thiết bị điện phân nước của FH2R, 1 máy có thể tạo ra 2000m3 Hydro mỗi giờ, là thiết bị có quy mô lớn nhất thế giới.

Ứng dụng đa dạng Hydro xanh:

Về ứng dụng Hydro xanh, ngoài phát điện có thể kể đến lĩnh vực giao thông vận tải.

Kỳ vọng của thế giới đối với xe chạy bằng pin nhiên liệu, chủ yếu là xe thương mại (như xe buýt và xe tải). Lý do là thời gian sạc nhiên liệu ngắn và phạm vi di chuyển dài hơn so với xe ô tô điện thông thường. Ở Nhật Bản, dịch vụ Toei Bus thuộc Cục giao thông vận tải Tokyo đã cho chạy hàng chục xe buýt sử dụng pin nhiên liệu.

Tháng 2/2017, Toyota đã giao cho Cục giao thông vận tải Tokyo một chiếc xe buýt chạy bằng pin nhiên liệu. Còn tại Olympic Tokyo đã có hơn 100 chiếc xe buýt chạy bằng pin nhiên liệu được đưa vào sử dụng.

Bài toán là "tiếp tục nghiên cứu"?

Người ta nói rằng, 1 bài toán để hiện thực hóa Hydro là "tiếp tục nghiên cứu". Dự kiến Hydro xanh sẽ thực sự trở thành nguồn năng lượng tích cực tại Nhật Bản từ năm 2030 đến khoảng năm 2040. Ngay cả khi pin nhiên liệu Hydro tinh khiết được chứng thực về mặt lý thuyết, bước tiếp theo sẽ là các vấn đề ví dụ như độ bền của thiết bị. Mặt khác, cho đến lúc điện năng lượng tái tạo như điện mặt trời, điện gió dư thừa vẫn cần một thời gian nữa. Để tiếp tục nghiên cứu trong thời gian dài như vậy, không chỉ cần kinh phí mà còn cần cả nhân lực.

Ngoài ra, còn có vấn đề về hạn chế tài nguyên cho thiết bị điện phân. Đối với pin lưu trữ Lithium-ion sử dụng trong xe điện, việc đảm bảo các tài nguyên quý hiếm như Lithium và Coban là một vấn đề, nhưng trong thiết bị điện phân tạo ra Hydro, các tài nguyên quý hiếm như bạch kim (Platinum) cũng được sử dụng. Một mặt cần thúc đẩy phát triển vật liệu để giảm sử dụng tài nguyên, mặt khác việc đảm bảo nguồn cung cấp cũng là một vấn đề cần cân nhắc.

Hiện thực cần một tầm nhìn dài hạn:

Việc phát triển công nghệ để hiện thực hóa Hydro xanh cần một tầm nhìn dài hạn từ năm 2030 đến khi thực hiện trung hòa Carbon vào năm 2050. Không phải là có thể sử dụng Hydro vào ngay ngày mai. Mặc dù vậy, chắc chắn Hydro xanh là một công nghệ rất cần thiết, như một biện pháp chống lại biến đổi khí hậu. Nhưng để phát triển kỹ thuật và hiện thực hóa Hydro xanh cần sự nỗ lực bền bỉ.

Theo Năng lượng Việt Nam

Năng lượng Nhật Bản [Kỳ 10]: Chi phí phát điện của các nguồn điện năm 2030

Năng lượng Nhật Bản [Kỳ 9]: Dự thảo Kế hoạch ‘năng lượng cơ bản’ có khả thi?

Năng lượng Nhật Bản [Kỳ 8]: Điện than ‘công nghệ mới nhất’ cũng gặp khó