Hydro xanh, nhờ sự thúc đẩy của đổi mới công nghệ, hợp tác quốc tế và khung chính sách hỗ trợ, đang ngày càng được nhìn nhận như một giải pháp trọng tâm trong nỗ lực giảm phát thải khí nhà kính.

Hydro xanh - giải pháp khử cacbon trong ngành công nghiệp nặng. Ảnh: shutterstock/Rangsarit Chaiyakun

Để giữ mức tăng nhiệt độ toàn cầu không vượt quá 1,5°C so với thời kỳ tiền công nghiệp theo mục tiêu của Thỏa thuận Paris, thế giới cần hành động mạnh mẽ và kịp thời. Theo Ủy ban Liên chính phủ về Biến đổi khí hậu (IPCC), phát thải toàn cầu phải đạt đỉnh vào năm 2025 và giảm khoảng 43% vào năm 2030 mới có thể duy trì đúng lộ trình.

Năng lượng tái tạo đã góp phần quan trọng trong việc cắt giảm phát thải từ sản xuất điện. Tuy nhiên, riêng nguồn năng lượng này chưa đủ để giải quyết toàn diện thách thức. Ở nhiều ngành công nghiệp nặng, lượng CO₂ vẫn ở mức cao do bị phụ thuộc sử dụng nhiều khí hydro gốc hóa thạch và nguyên liệu đầu vào có cường độ carbon lớn.

Hiện nay, việc sử dụng hydro trong công nghiệp tập trung chủ yếu ở các lĩnh vực “khó giảm thiểu phát thải”, chiếm khoảng 2–3% tổng lượng khí thải carbon toàn cầu. Ba ngành phát thải lớn nhất là thép, lọc dầu và hóa chất. Trong đó, sản xuất thép đóng góp tới 7–9% lượng CO₂ công nghiệp toàn cầu do phụ thuộc vào than cốc, than nhiệt và khí tự nhiên trong công nghệ hoàn nguyên trực tiếp. Ngành lọc dầu sử dụng hydro cho các quá trình như hydrocracking và khử lưu huỳnh, phát sinh khoảng 3-4% lượng phát thải công nghiệp. Còn ngành hóa chất, với nhu cầu lớn về hydro trong sản xuất metanol và nhiều hợp chất nền tảng khác, chiếm 5-6% tổng lượng CO₂ công nghiệp toàn cầu.

Một cơ sở phát điện từ năng lượng mặt trời và gió.

Hydro xanh - từ tiềm năng đến hiện thực

Trong các lĩnh vực công nghiệp khó giảm thiểu phát thải, việc thay thế hydro gốc hóa thạch bằng hydro xanh hoặc điện khí hóa các quy trình sản xuất được coi là giải pháp quyết định. Hydro xanh được tạo ra nhờ quá trình điện phân nước sử dụng điện từ năng lượng tái tạo, hầu như không phát sinh khí thải carbon.

Dù mới chiếm một tỷ trọng nhỏ trong thị trường hydro toàn cầu nhưng hydro xanh đang cho thấy tốc độ phát triển nhanh. Chi phí năng lượng tái tạo ngày càng giảm nhờ tiến bộ trong điện mặt trời và điện gió đã kéo chi phí sản xuất hydro xanh xuống mức cạnh tranh hơn. Các công nghệ điện phân, đặc biệt là thiết bị PEM, cũng liên tục cải tiến để nâng cao hiệu suất, giảm phụ thuộc vào vật liệu hiếm và mở rộng quy mô sản xuất. Nhờ vậy, hydro xanh được đánh giá là lựa chọn bền vững, giữ vai trò then chốt trong lộ trình khử carbon và hướng tới trung hòa khí nhà kính.

Công nghệ điện phân PEM định hình tương lai hydro xanh

Hệ thống điện phân màng trao đổi proton (PEM) đang dẫn dắt tiến trình chuyển đổi sang nền kinh tế hydro xanh. Nổi bật là máy điện phân PEM của Ohmium, một trong những nhà phát triển hàng đầu, kết hợp hiệu suất cao, mật độ năng lượng lớn và khả năng tăng tốc nhanh, đặc biệt phù hợp khi tích hợp với nguồn năng lượng tái tạo.

Khác với công nghệ điện phân kiềm truyền thống chậm chạp và cồng kềnh, PEM tiên tiến của Ohmium nổi bật với tính khả dụng cao và thiết kế nhỏ gọn. Hãng đã giảm phụ thuộc vào vật liệu hiếm như iridium, đẩy nhanh lộ trình giảm chi phí. Thiết kế siêu mô-đun còn rút ngắn thời gian triển khai, đơn giản hóa EPC và giảm chi phí lắp đặt xuống chỉ còn 10–20% vốn đầu tư.

Điểm cốt lõi là kiến trúc mô-đun tiêu chuẩn hóa: dễ lắp ghép, mở rộng linh hoạt, bảo trì thuận tiện. Nhờ đó, hydro xanh có thể đi theo quỹ đạo giảm giá nhanh chóng, tương tự ngành công nghiệp điện mặt trời trước đây, từng bước thay thế nhiên liệu hóa thạch trong nhiều ngành công nghiệp.

Ứng dụng hydro xanh trong sản xuất điện

Chi phí giảm mạnh đang thúc đẩy hydro xanh bước vào nhiều lĩnh vực ứng dụng mới, trong đó có phát điện.

Tại NTPC NETRA (New Delhi, Ấn Độ), Spirare Energy và Ohmium đang triển khai dự án tích hợp hydro xanh vào hệ thống phát điện. Nguồn điện mặt trời cung cấp cho máy điện phân PEM để sản xuất hydro xanh tại chỗ. Hydro sau đó được lưu trữ và cấp cho pin nhiên liệu tái tạo điện năng, bảo đảm nguồn cung liên tục. Công nghệ PEM được thiết kế để chịu điều kiện khắc nghiệt, giúp hệ thống duy trì cung cấp điện 24/7 ngay cả khi lưới điện quốc gia gặp sự cố.

Hệ thống phát điện hydro xanh NTPC NETRA, New Delhi, Ấn Độ.

Ứng dụng hydro xanh trong sản xuất thép

Ngành thép, một trong những lĩnh vực phát thải lớn nhất, đang bước vào giai đoạn chuyển đổi với giải pháp hydro xanh. Ohmium cung cấp công nghệ PEM cho dự án thép xanh do MASDAR và EMSTEEL triển khai tại Abu Dhabi.

Dự án thí điểm đầu tiên tại Trung Đông và Bắc Phi do MASDAR và EMSTEEL triển khai sử dụng hydro xanh từ máy điện phân PEM của Ohmium để khử oxy trong quặng sắt - bước then chốt trong sản xuất thép. Quy trình này đã tạo ra lô thép xanh đầu tiên, chứng minh khả năng cắt giảm đáng kể phát thải CO₂ trong chuỗi giá trị thép.

Thành công tại Abu Dhabi cho thấy hydro xanh không chỉ khả thi về mặt công nghệ mà còn mang tính chiến lược, giúp UAE tiến gần mục tiêu trở thành trung tâm toàn cầu về hydro và thép xanh.

Máy điện phân PEM của Ohmium đã đi vào vận hành tại nhà máy EMSTEEL, đánh dấu cơ sở sản xuất thép xanh tiên phong của khu vực MENA.

Ứng dụng hydro xanh trong luyện kim và chế biến khoáng sản

Ngoài thép, hydro xanh còn mở ra triển vọng lớn trong các quy trình luyện kim và chế biến khoáng sản. Công nghệ này có thể thay thế khí tự nhiên hoặc than trong các lò hoàn nguyên quặng kim loại màu như nickel, đồng hay kẽm, giảm phát thải CO₂ trong khâu nung chảy và tinh luyện.

Về cơ chế, hydro đóng vai trò tác nhân khử trực tiếp oxit kim loại trong quặng. Ở nhiệt độ cao (600 - 1.000°C), hydro phản ứng với oxi trong hợp chất quặng, tạo thành nước (H₂O) thay vì CO₂ như khi dùng than cốc hoặc khí tự nhiên.

Ưu điểm của quá trình này là phản ứng xảy ra nhanh, sản phẩm phụ chỉ là hơi nước và không phát thải khí nhà kính. Ngoài ra, hydro có thể thấm sâu vào cấu trúc hạt quặng, tăng hiệu quả hoàn nguyên và giảm nhu cầu nhiệt năng, từ đó hạ tiêu hao năng lượng so với công nghệ truyền thống.

Hydro xanh cũng được nghiên cứu ứng dụng trong sản xuất nhôm, vốn phụ thuộc nhiều vào điện và các phản ứng điện hóa. Việc kết hợp điện tái tạo với hydro xanh giúp giảm đáng kể lượng phát thải trong toàn chuỗi sản xuất kim loại nhẹ - vật liệu chiến lược cho công nghiệp hàng không, ô tô và năng lượng tái tạo.

Những thử nghiệm này đang được triển khai tại Châu Âu và Australia, cho thấy hydro xanh hoàn toàn có thể trở thành nhân tố thay đổi cuộc chơi trong ngành luyện kim và khai khoáng toàn cầu.

Tăng cường hợp tác để đổi mới phát triển

Để khai thác hết tiềm năng của hydro xanh, cần sự phối hợp chặt chẽ giữa công nghệ, chính sách và thị trường. Các sáng kiến như Chiến lược Hydro của Châu Âu hay chương trình H2Global của Đức đang thúc đẩy nhu cầu thông qua hỗ trợ tài chính và hợp tác quốc tế.

Song hành với đó là yêu cầu về cải cách quy trình cấp phép, phát triển hạ tầng vận chuyển và lưu trữ hydro, cũng như tiêu chuẩn hóa toàn cầu. Chỉ khi những yếu tố này được triển khai đồng bộ, hydro xanh mới có thể mở rộng quy mô và thực sự trở thành giải pháp khử carbon cho công nghiệp nặng./.