Theo thống kê của BP (BP Statistical Review of World Energy 2020), so với 2018, năm 2019 phát thải CO2 tăng 0,5% (đạt mức 35,2 tỉ tấn) trong khi trước đó chỉ tăng 1,1% trong vòng 10 năm. Trước đây, nhiều dự báo cho rằng, thời điểm cạn kiệt của các NLHT đang đến gần. Tuy nhiên, các số liệu thống kê cho thấy, trong mấy chục năm qua, trữ lượng xác minh các dạng NLHT vẫn liên tục tăng (không tính số lượng đã tiêu thụ). Vào năm 2009, trữ lượng dầu: khoảng 218 tỉ tấn, khí: khoảng 170.000 tỉ m3, than: khoảng 930 tỉ tấn, thì năm 2019 các con số tương ứng là 247 tỉ tấn, 198.000 tỉ m3 và 1.070 tỉ tấn.

Mặc dù NLHT chiếm khoảng 85% nguồn cung năng lượng cho thế giới (dầu 33%, khí 24%, than 27%), mối đe dọa thiếu hụt nguồn nhiên liệu đang nhường vị trí ưu tiên cho mối đe dọa của hiện tượng nóng lên toàn cầu do phát thải CO2 đang gây ra thiên tai ngày càng khốc liệt. Giải pháp sử dụng các dạng năng lượng tái tạo thay thế NLHT, mặc dù đã được tính đến và áp dụng từ lâu, nhưng hiện thời đang đòi hỏi những bước đi hết sức quyết liệt. Đại đa số các quốc gia và vùng lãnh thổ, đặc biệt là các quốc gia có nền kinh tế phát triển, đã đặt ra những mục tiêu thay thế NLHT bằng năng lượng tái tạo hết sức tham vọng, ví dụ, nước Đức đặt mục tiêu đến năm 2040 giảm 70% thải CO2 so với năm 1990 và đến năm 2050, bầu khí quyển sẽ trở nên “trung tính” (neutral carbon). Nhiều dự án sử dụng năng lương mặt trời và năng lượng gió với đủ loại công suất đang được triển khai rầm rộ trong thời gian gần đây. Ở Việt Nam, công suất các dự án điện mặt trời và điện gió chỉ trong vài năm từ những con số không đáng kể đã lên đến hàng nghìn MW. Những dự án sản xuất nhiên liệu sinh học cũng được xây dựng ở nhiều quốc gia. Năm 2019, năng lượng tái tạo (điện gió, điện mặt trời và nhiên liệu sinh học, không tính thủy điện) mới chiếm khoảng 5% tiêu thụ năng lượng toàn cầu nhưng chiếm đến 41% tỷ phần tăng trưởng so với năm 2018.

Trong lĩnh vực nhiên liệu tái tạo, ứng viên lý tưởng nhất là hydro, bởi vì khi đốt cháy hydro (bằng oxy hoặc không khí) để nhận được năng lượng sản phẩm thoát ra chỉ là hơi nước, không có CO2 hay sản phẩm nào khác. Chính vì vậy, khái niệm “Nền kinh tế hydro” (H-Economy) đã được biết đến từ lâu. Mặc dầu vậy, hydro chưa thể được sử dụng rộng rãi với tư cách là một nhiên liệu công nghiệp do giá thành sản xuất hydro (chủ yếu từ điện phân nước) còn cao, việc tàng trữ/lưu trữ, vận chuyển hydro... còn nhiều vấn đề kỹ thuật chưa có lời giải thỏa đáng. Những tiến bộ khoa học, kỹ thuật và công nghệ gần đây mở ra triển vọng sử dụng nhiên liệu hydro ngày càng có hiệu quả kinh tế hơn (ví dụ, giá thành sản xuất điện gió, điện mặt trời để điện phân nước ngày càng giảm), do đó, nhiều dự án sản xuất và sử dụng nhiên liệu sạch hydro đang được các quốc gia và công ty năng lượng xúc tiến phát triển.

Hiện nay hydro chủ yếu được sản xuất từ NLHT thông qua phản ứng reforming hơi nước (kèm theo phát thải khoảng 10kg CO2 /1 kg H2), gọi là hydro “xám” (grey hydrogen). Hydro “lam” (blue hydrogen) cũng được sản xuất bằng phương pháp xử lý nhiệt - hóa các hydrocarbon nhưng kết hợp với công nghệ thu gom và lưu trữ CO2 (carbon capture and storage). Công đoạn cất giấu CO2 làm tăng giá thành hydro “xanh” lên khoảng 20% so với hydro “xám”. Trong thực tế, phương pháp này cũng chưa thể triển khai ở quy mô lớn do việc lưu trữ/cất giấu CO2 chưa có các đáp án khả thi.

Điện phân nước để nhận được hydro “xanh” (green hydrogen) là hướng đi có triển vọng nhất để sản xuất hydro mà không tạo phát thải CO2. Hướng đi này đang kỳ vọng vào năng lượng gió và năng lượng mặt trời ngày càng rẻ. Hydro sạch cũng có thể được sản xuất từ sinh khối; các quy trình công nghệ theo hướng này có phát thải CO2 , tuy nhiên quá trình quang hợp (tạo ra sinh khối) sẽ hấp thu lượng CO2 này và về tổng thể vẫn là những quy trình carbon trung tính.

Hiện nay, các công ty năng lượng lớn đang tập trung nghiên cứu nhiều vấn đề liên quan đến hiệu quả sử dụng hydro làm chất mang năng lượng trong tương lai, trước hết là các giải pháp công nghệ cho các khâu điện phân nước, tàng trữ/lưu trữ, vận chuyển hydro. Nước Đức, quốc gia tiên phong nhất trong việc sử dụng năng lượng tái tạo, đặt mục tiêu dẫn đầu về công nghệ hydro.

Cùng với khái niệm H-Economy như trình bày ở trên, một khái niệm (ý tưởng) khác được đề xuất vào cuối thế kỷ trước là “Nền kinh tế methanol” (Me-Economy). Theo đó, hydro tương tác với CO2 để tạo thành methanol và được chuyển hóa tiếp thành các loại nhiên liệu (dimethyl ether, các hydrocarbon...) và/hoặc các hóa phẩm khác. Về bản chất, đây là một nửa của chu trình carbon trung tính, nửa còn lại là quá trình chuyển hóa nhiên liệu (trong các động cơ) thành CO2. GS G.Olah, tác giả của Me-Economy cho rằng, đây là con đường tối ưu dẫn đến bầu khí quyển trung tính trong tương lai. Me-Economy có ưu điểm là sử dụng CO2 phát thải công nghiệp (nhà máy điện, nhà máy xi măng...) hoặc từ khí quyển.

Thách thức về nguồn hydro giá rẻ có thể được xử lý bằng việc sử dụng các nguồn điện giá rẻ để điện phân nước. Theo hướng này, thực hiện các mục tiêu của HORIZON 2020, từ năm 2014, EU đã triển khai và tháng 7-2019 đã đưa vào vận hành Dự án MefCO2 tại Niederaussem (Đức) với vốn đầu tư 80 triệu euro, công suất 1 tấn methanol (tiêu thụ 1,5 tấn CO2)/ngày. CO2 lấy từ nhà máy điện, còn hydro được tạo bởi thiết bị điện phân nước sử dụng phần công suất dôi dư (surplus) của dự án điện gió. Hiện nay, đó dự án lớn nhất của EU thuộc hướng này. Trong tầm nhìn xa, nếu coi hydro và CO2 là những tác chất “vĩnh cửu” để sản xuất nhiên liệu tái tạo thì methanol trong hệ thống Me-Economy là một giải pháp lưu trữ hydro lý tưởng cho H-Economy.

Trong lúc H-Economy và Me-Economy đang ở giai đoạn khai phá lộ trình ở quy mô khảo sát và sản xuất quy mô nhỏ thì hướng phát triển nhiên liệu sinh học (NLSH) đã có những thành tựu đáng kể trong việc thay thế một phần NLHT, trước hết là trong giao thông vận tải.

Nếu đầu thế kỷ XXI tổng sản lượng NLSH toàn cầu chỉ mới đạt khoảng 10 triệu tấn/năm thì đến 2019 đã đạt khoảng 95 triệu tấn/năm. Thời gian đầu, NLSH chủ yếu được sản xuất từ những nông sản ăn được là những sản phẩm chứa đường và tinh bột (ngô, mía, sắn... để sản xuất ethanol) và các loại dầu thực vật và mỡ đồng vật (để sản xuất biodiesel). Đó là NLSH thế hệ thứ nhất (NLSH-1). NLSH-1 được sản xuất nhiều nhất là ở Hoa Kỳ (ethanol), Brazil (ethanol) và Tây Âu (biodiesel). NLSH-1 có các nhược điểm chủ yếu: Tranh chấp với lương thực (nhu cầu sản phẩm và đất đai), cho nên quy mô sản xuất bị giới hạn; dễ hút nước, ảnh hưởng đến động cơ; là các hợp chất chứa oxy cho nên nhiệt trị riêng thấp, không thể được sử dụng cho các động cơ mạnh, ví dụ máy bay.

Để không phải cạnh tranh với lương thực, nhiều công ty đã chuyển hướng sang sử dụng các dầu thực vật không ăn được và dầu ăn đã qua sử dụng làm nguyên liệu sản xuất biodiesel. Bên cạnh công nghệ “truyền thống” là ester hóa chéo các acid béo và triglyceride với sự có mặt các acid (lỏng hoặc rắn) làm chất xúc tác, các quá trình hydro hóa và hydro-deoxy hóa với sự có mặt của các chất xúc tác rắn đã được sử dụng để nhận được các dầu thực vật hydro hóa (hydrotreated vegetable oil - HVO) và các hydrocarbon. Quy mô các dự án sản xuất biodiesel dưới dạng HVO lên đến hàng trăm nghìn tấn/năm. Có những dự án, ví dụ dự án của Tập đoàn Total ở Pháp hay Diamond Green Diesel ở Mỹ, sau vài lần được mở rộng, đã lên dần đến trên 1 triệu tấn/năm.

Bên cạnh đó, từ năm 2015 quy mô sản xuất ethanol từ những nông phẩm chứa tinh bột và đường (thuộc NLSH-1) hầu như không tăng, các công ty (chủ yếu là ở Hoa Kỳ) chuyển sang hướng sản xuất ethanol và biodiesel từ các các sinh khối không ăn được bao gồm chất thải sinh hoạt, phế thải/phế liệu nông - lâm nghiệp, kể cả cây rừng..., gọi là NLSH thế hệ thứ hai (NLSH-2). Ưu điểm của NLSH-2 là nguồn nguyên liệu phong phú, có thể coi là vô hạn (ví dụ trồng rừng), không cạnh tranh với sản xuất lương thực, nhưng ngược lại, công nghệ sản xuất phức tạp hơn. Trong thập niên vừa qua, nhiều dự án sản xuất ethanol từ phế thải cây ngô bằng phương pháp hóa - sinh (thủy phân, tiếp theo là lên men) với quy mô thương mại được triển khai ở Hoa Kỳ và châu Âu với công suất lên đến hàng chục nghìn tấn/năm. Tuy nhiên, các dự án loại này khó được mở rộng vì giá thu gom nguyên liệu tăng theo quy mô dự án dẫn đến giá thành sản phẩm tăng theo quy mô dự án. Phương án tối ưu là trong mỗi vùng nguyên liệu (phế thải nông nghiệp), các điểm sản xuất được quy hoạch hóa tạo thành một cụm các dự án nhỏ, chỉ thành phẩm ethanol được thu gom tập trung.

NLSH-2 có thể được sản xuất bằng các phương pháp hóa - nhiệt là khí hóa và nhiệt phân. Phương pháp khí hóa cần được tiến hành ở nhiệt độ cao, hiệu suất sản phẩm lỏng (sản phẩm chính) thấp. Gần đây phương pháp nhiệt phân nhanh (Fast Pyrolysis - FP) ở nhiệt độ không quá cao (450-6000C), áp suất thường, thời gian phản ứng ngắn (dưới 10 giây) được rất nhiều công ty năng lượng sử dụng. Hầu hết các loại sinh khối đều có thể được nhiệt phân trong điều kiện có hoặc không có chất xúc tác. Sản phẩm chính với hiệu suất chuyển hóa khoảng 60-70% là các hợp chất chứa oxy được gọi là dầu sinh học (Fast Pyrolysis Bio-Oil - FPBO), ngoài ra còn có các sản phẩm phụ ở dạng khí và dạng rắn (tar). FPBO có thể được sử dụng trực tiếp làm nhiên liệu cho một số động cơ hoặc được hydro-deoxy hóa (HDO) tiếp theo để sản xuất các hydrocarbon bằng phản ứng xúc tác. Trong thập niên qua, khá nhiều dự án sản xuất FPBO từ gỗ vụn và phế thải nông - lâm nghiệp đã được xây dựng ở các quốc gia khác nhau. Tập đoàn NER300 đã xây dựng 2 nhà máy chuyển hóa gỗ vụn thành FPBO: tại Estonia với công suất 130.000 tấn/năm và tại Latvia với công suất 100.000 tấn/năm. Sản phẩm được xuất sang Thụy Điển và Phần Lan.

Ở Việt Nam, các dự án sản xuất NLSH-1 đã không được thành công như mong đợi. Như đã thấy ở trên, trong bối cảnh hiện nay, việc tiếp tục theo đuổi NLSH-1 là không khả thi, trong khi triển vọng phát triển NLSH-2 khá rõ. Các kết quả nghiên cứu gần đây của Viện Dầu khí Việt Nam (VPI) về công nghệ nhiệt phân nhanh có thể được xem là hành trang ban đầu rất đáng khích lệ để các cơ sở khoa học - công nghệ và doanh nghiệp tiếp tục nghiên cứu và triển khai theo hướng sản xuất NLSH từ các loại sinh khối, trước hết là phế thải nông - lâm nghiệp với hàng chục triệu tấn/năm. Các phế thải nông nghiệp (rơm rạ, bã mía, lõi ngô) đã được VPI tiến hành nhiệt phân nhanh thành FPBO với hiệu suất cao, các thông số kỹ thuật đạt các tiêu chuẩn nhiên liệu ASTM (Hoa Kỳ). Công nghệ FP sinh khối đã được VPI hoàn thiện ở quy mô pilot (5 kg/giờ). Hệ thống pilot này được phát triển dựa trên ý tưởng xây dựng các dự án chế biến sinh khối (biorefinery plant) tinh gọn phục vụ nhu cầu hoạt động nông nghiệp tại chỗ mà không cần thu gom khối lượng nguyên liệu lớn, do đó, giảm được các chi phí vận chuyển và thu gom nguyên liệu, phù hợp với điều kiện của Việt Nam. Sản phẩm FPBO đã được sử dụng làm nhiên liệu cho các động cơ máy nông nghiệp ngoài hiện trường cũng như pha trộn (có giới hạn) vào nguyên liệu quá trình cracking (FCC) của nhà máy lọc dầu. Ở cấp độ phòng thí nghiệm, quá trình hydro-deoxy hóa FPBO thành các hydrocarbon cũng đã được khảo sát đầy đủ các thông số kỹ thuật.

Với những thành tựu đã đạt được, việc triển khai một chương trình quốc gia phát triển nhiên liệu tái tạo mà trọng tâm là NLSH thế hệ mới (NLSH tiên tiến - advanced biofuels) có thể và cần được khởi động nghiêm túc và bài bản. Cần phân tích sâu sắc những bài học của việc triển khai chương trình NLSH-1 trước đây để tránh những bước đi lệch lạc không cần thiết. Chương trình phải hội tụ được tinh lực và trí tuệ từ nhiều nguồn, trong đó Tập đoàn Dầu khí Việt Nam (Petrovietnam), với tư cách là doanh nghiệp sản xuất nhiên liệu chủ yếu của đất nước, phải đóng vai trò chủ lực. Trong bối cảnh quan hệ quốc tế hiện nay, hợp tác với bên ngoài sẽ làm cho nội lực được phát huy tối đa, đưa các dự án đến mau chóng thành công và không bị thua kém trình độ thế giới hiện đại