Dưới tác động của sự gia tăng dân số và tốc độ công nghiệp hóa ngày càng mạnh mẽ, nhu cầu năng lượng của thế giới đang không ngừng gia tăng. Tuy nhiên, sự phụ thuộc kéo dài vào nhiên liệu hóa thạch là nguyên nhân chính gây phát thải khí nhà kính, ô nhiễm môi trường và biến đổi khí hậu. Trong bối cảnh đó, hydro và amoniac xanh đang nổi lên như những giải pháp năng lượng sạch đầy triển vọng, mở ra hướng đi chiến lược cho tiến trình chuyển dịch sang nền kinh tế carbon thấp và phát triển bền vững trong tương lai.

Tiềm năng phát triển của hydro và amoniac trong chuyển dịch năng lượng toàn cầu

Với tính linh hoạt cao, hydro có thể được sử dụng độc lập như một loại nhiên liệu sạch hoặc pha trộn với khí tự nhiên để tận dụng hạ tầng sẵn có, đồng thời đóng vai trò như một phương tiện lưu trữ năng lượng tái tạo dài hạn trong những giai đoạn dư thừa sản lượng. Dự báo đến năm 2070, nhu cầu hydro toàn cầu có thể vượt 500 triệu tấn, trong đó giao thông vận tải sẽ trở thành lĩnh vực tiêu thụ chủ đạo khi các hãng xe từng bước thay thế động cơ đốt trong bằng công nghệ không phát thải.

Song hành cùng hydro, amoniac - “mắt xích” quan trọng của nền kinh tế hydro - cũng đang được nghiên cứu mạnh mẽ theo hướng xanh hóa quy trình sản xuất. Những cải tiến công nghệ gần đây giúp khắc phục hạn chế của phương pháp Haber-Bosch truyền thống, giảm đáng kể nhu cầu năng lượng và lượng khí thải.

Trong bối cảnh xu thế phi carbon hóa đang lan tỏa mạnh mẽ, hydro và amoniac xanh được kỳ vọng sẽ trở thành hai trụ cột công nghệ then chốt, góp phần định hình tương lai năng lượng sạch và bền vững cho toàn cầu.

Các công nghệ sản xuất hydro quy mô thương mại

Hiện nay, nhiều công nghệ sản xuất hydro thương mại đang được ứng dụng và phát triển nhằm đáp ứng nhu cầu chuyển đổi sang năng lượng sạch. Phổ biến nhất là cải tạo hơi nước (steam reforming) - quá trình chuyển hóa khí tự nhiên và hơi nước ở nhiệt độ cao (700 - 1000°C) để tạo ra hydro, song đi kèm lượng phát thải CO₂ đáng kể. Bên cạnh đó, oxy hóa một phần (partial oxidation) sử dụng phản ứng đốt cháy không hoàn toàn hydrocacbon với oxy, vừa sinh nhiệt duy trì quá trình, vừa tạo hỗn hợp khí CO và H₂ phục vụ sản xuất. Trong khi đó, điện phân màng trao đổi proton (PEM electrolysis) giúp tách hydro và oxy từ nước bằng điện năng, có thể tạo ra “hydro xanh” nếu sử dụng nguồn điện tái tạo. Mỗi công nghệ mang ưu, nhược điểm riêng về chi phí, hiệu quả và mức độ thân thiện môi trường, nhưng tất cả đều góp phần thúc đẩy quá trình chuyển dịch từ năng lượng hóa thạch sang hệ thống năng lượng tái tạo trong tương lai.

Các bước tiến mới trong công nghệ sản xuất hydro

Hiện nay, khoảng 90% lượng hydro toàn cầu được sản xuất từ nhiên liệu hóa thạch, gọi là hydro xám nên việc làm sạch quy trình sản xuất là yêu cầu cấp thiết. Một hướng đi trung gian là hydro xanh dương, được tạo ra từ khí tự nhiên thông qua cải tạo hơi nước kết hợp công nghệ thu gom và lưu trữ CO₂ (CCS). Dù giảm đến 90% lượng phát thải nhưng phương pháp này vẫn tiềm ẩn nguy cơ rò rỉ khí carbon trong chuỗi cung ứng. Trong khi đó, hydro xanh lá - được sản xuất từ điện tái tạo qua quá trình điện phân nước - đang được xem là hướng phát triển đầy hứa hẹn cho mục tiêu phi carbon hóa toàn cầu, dù vẫn ở giai đoạn nghiên cứu mở rộng quy mô.

Trong bối cảnh đó, nhiều công nghệ sản xuất hydro thế hệ mới đang được nghiên cứu và phát triển nhằm tối ưu hiệu suất, giảm chi phí và loại bỏ hoàn toàn phát thải carbon.

Công nghệ C-Zero

Quy trình C-Zero.

C-Zero là công nghệ mới được xem như một giải pháp dung hòa cho các quốc gia vẫn phụ thuộc nhiều vào xuất khẩu nhiên liệu hóa thạch nhưng muốn hướng tới mục tiêu năng lượng xanh. Quy trình này sử dụng nhiệt phân xúc tác (thermocatalysis) để tách khí metan (CH₄) thành hydro ngọc lam và carbon rắn, không phát thải carbon dioxide trực tiếp. Tuy nhiên, công nghệ này vẫn có nguy cơ rò rỉ metan, loại khí có khả năng làm nóng không khí gấp 80 lần CO₂, cùng nhu cầu nhiệt lượng lớn để duy trì phản ứng. Nhiệt này có thể được cung cấp bằng cách đốt một phần khí tự nhiên, tái sử dụng hydro, dùng điện tái tạo hoặc sử dụng hệ thống lai kết hợp khí tự nhiên, hydro và điện để tối ưu hiệu suất. Dù chi phí sản xuất hydro từ khí tự nhiên hiện khoảng 1,5 USD/kg, thấp hơn nhiều so với hydro tinh khiết (5 USD/kg), việc giảm giá thành và đảm bảo quy trình thực sự “xanh” vẫn là mục tiêu mà các chương trình như Hydrogen Shot của Bộ Năng lượng Mỹ đặt ra - hướng tới mức 1 USD/kg hydro tinh khiết vào năm 2050.

Công nghệ hydro vàng

Sản xuất hydro vàng ngầm.

Công nghệ hydro vàng là một hướng đi mới đầy tiềm năng trong hành trình hiện thực hóa mục tiêu của Thỏa thuận Paris về giảm phát thải carbon. Dựa trên yêu cầu thực tế rằng khoảng 60% trữ lượng dầu khí toàn cầu cần được giữ lại trong lòng đất, Cemvita - một công ty công nghệ sinh học có trụ sở tại Houston (Mỹ), đã phát triển công nghệ sản xuất hydro vàng với chi phí chỉ khoảng 1 USD/kg từ các mỏ dầu, khí đã cạn kiệt hoặc bị bỏ hoang. Nếu dầu mỏ được ví như “vàng lỏng” vì giá trị cao và khó khai thác thì hydro vàng được xem như phiên bản “xanh” của nó - loại hydro trung hòa carbon được tạo ra nhờ sử dụng vi sinh vật phân hủy phần dầu còn sót lại trong giếng, chuyển hóa thành hydro và khí CO₂. Việc sản xuất và sử dụng hydro vàng  không chỉ giúp tiến gần hơn tới mục tiêu trung hòa carbon mà còn kéo dài tuổi thọ của các giếng khai thác vốn trước đây chỉ được xem là gánh nặng lớn.

Lò phản ứng quang xúc tác kiểu ăng-ten

Thí nghiệm về xúc tác quang plasmonic đồng - sắt trong quá trình tổng hợp hydro từ amoniac.

Một nhóm nghiên cứu thuộc Phòng thí nghiệm Quang tử nano của Đại học Rice (Mỹ) đã phát triển công nghệ mới tạo ra hydro từ amoniac mà không phát thải khí carbon. Bằng cách sử dụng chất xúc tác quang mới dựa trên đồng và sắt, có cấu trúc nano hoạt động như một ăng-ten thu ánh sáng, amoniac được chuyển hóa thành hydro sạch chỉ nhờ năng lượng ánh sáng thay vì nhiệt như các phương pháp truyền thống. Đây được xem là bước đột phá trong lĩnh vực năng lượng bền vững, bởi chất xúc tác quang hóa này được chế tạo từ nguyên liệu rẻ, dồi dào và dễ mở rộng quy mô, giúp giảm đáng kể chi phí sản xuất hydro. Không chỉ loại bỏ nhu cầu về nhiệt độ cao tiêu tốn năng lượng và nguy cơ tạo sản phẩm phụ độc hại, quy trình này còn có thể vận hành bằng ánh sáng mặt trời hoặc đèn LED tiết kiệm năng lượng, mang lại giải pháp vừa hiệu quả, thân thiện môi trường, vừa có tiềm năng ứng dụng thương mại quy mô lớn trong tương lai.

Công nghệ Hysata

Công nghệ Hysata

Hysata, một công ty công nghệ năng lượng của Australia, đã phát triển hệ thống điện phân nước thế hệ mới với màng và mô-đun điện cực có hiệu suất vượt trội gấp 10 lần so với công nghệ màng trao đổi proton (PEM) hiện nay. Khác với phương pháp sử dụng tế bào điện phân truyền thống, công nghệ này sử dụng một lớp ngăn xốp ưa nước đặt giữa cực âm và cực dương, kết hợp hiện tượng mao dẫn để hút dung dịch điện phân chỉ lên một phía của điện cực, từ đó tạo ra hydro và oxy trực tiếp mà không sinh bọt khí. Phương pháp này đạt hiệu suất tới 98%, với mức tiêu thụ năng lượng chỉ 40,4 kWh cho mỗi kg hydro, vượt trội so với các công nghệ điện phân hiện nay.

Một trong những thách thức lớn của thiết bị điện phân là nhu cầu sử dụng lượng lớn nước tinh khiết, nguồn tài nguyên khan hiếm ở nhiều khu vực. Giải pháp quan trọng là phát triển công nghệ cho phép dùng nước biển thay thế. Quá trình khử muối không chỉ giúp nâng cao hiệu suất điện phân mà còn kéo dài tuổi thọ điện cực nhờ loại bỏ tạp chất, giữ điện cực sạch và đảm bảo vận hành ổn định, từ đó tăng sản lượng hydro và giảm tiêu thụ năng lượng.

Công nghệ DAE

Hình minh họa sơ đồ mặt cắt của mô-đun DAE.

Công nghệ DAE (điện phân không khí trực tiếp) là một bước tiến đột phá cho phép sản xuất hydro trực tiếp từ không khí, ở bất kỳ nơi nào trên Trái đất, mà không cần đến nguồn nước ngọt. Hệ thống DAE có khả năng hấp thụ và chuyển hóa hơi ẩm trong không khí, ngay cả ở độ ẩm 4%. Cấu tạo của thiết bị gồm hai bản cực phẳng đóng vai trò là cực dương và cực âm, với một lớp vật liệu xốp như mút melamine hoặc bọt thủy tinh thiêu kết được đặt ở giữa hai bản cực. Lớp vật liệu này ngấm dung dịch ion hút ẩm, một loại hóa chất có khả năng hấp thụ hơi ẩm từ không khí. Khi được kết nối với nguồn năng lượng và tiếp xúc với không khí, quá trình điện phân diễn ra, tạo ra khí hydro tại cực âm và oxy tại cực dương.

Công nghệ vật liệu tổng hợp gali - nhôm

Phản ứng tách nước và sản xuất hydro bằng vật liệu composite Ga-Al.

Amberchan và cộng sự (2022) đã phát hiện một phương pháp mới sản xuất hydro từ nước ở điều kiện nhiệt độ phòng bằng cách tạo ra hợp chất tổng hợp giữa gali (Ga) và nhôm (Al) có khả năng phản ứng với nước trong điều kiện bình thường. Khi tỷ lệ gali trong hợp chất tăng, hiệu suất tạo hydro cũng tăng theo. Hydro thu được có thể được sử dụng làm nhiên liệu cho pin nhiên liệu hoặc động cơ đốt trong, thay thế cho xăng dầu truyền thống. Điều đặc biệt là quy trình này diễn ra rất đơn giản: chỉ cần thêm nước vào hợp kim lỏng của nhôm và gali, phản ứng hóa học sẽ xảy ra, tách hydro khỏi oxy trong nước và giải phóng khí hydro, có thể đưa trực tiếp vào động cơ để sử dụng. Phương pháp này có thể áp dụng với bất kỳ nguồn nước nào, bao gồm nước thải, đồ uống công nghiệp, thậm chí cả nước biển, mở ra hướng đi tiềm năng cho sản xuất hydro sạch, hiệu quả và thân thiện với môi trường.

Công nghệ SRBW

Các kỹ sư của Đại học RMIT (Australia) đã phát triển một phương pháp mới giúp nâng cao hiệu quả quá trình điện phân để tạo ra hydro từ nước. Bằng cách sử dụng sóng âm tần số cao tác động lên nước, họ đã tạo ra các rung động giúp phân tách các phân tử nước thành hydro và oxy nhanh hơn. So với phương pháp điện phân truyền thống vốn cần chất điện phân ăn mòn và các điện cực đắt đỏ như bạch kim hay iridi, công nghệ này vừa thân thiện hơn với môi trường, vừa tiết kiệm chi phí. Kết quả thử nghiệm cho thấy hiệu suất sản xuất hydro tăng đáng kể, với mức tiết kiệm năng lượng ròng trên 27%. Việc ứng dụng sóng âm trong quá trình điện phân mở ra hướng đi triển vọng cho ngành năng lượng tái tạo, góp phần khắc phục những hạn chế của các phương pháp hiện nay.

Công nghệ Solhyde

Công nghệ Solhyde - do một công ty khởi nghiệp cùng tên của Bỉ phát triển - khai thác độ ẩm trong không khí để sản xuất hydro nhờ ánh sáng mặt trời và chất xúc tác quang học. Các tấm panel Solhyde được thiết kế để thu gom các phân tử nước trong không khí và lưu trữ chúng trong các ống vi mô. Khi được ánh nắng kích hoạt, chất xúc tác quang trên bề mặt tấm pin sẽ phân tách nước thành hydro tinh khiết và oxy, tạo ra nguồn năng lượng sạch ngay tại chỗ. Công nghệ này không cần nguồn nước tinh khiết, có chi phí vận hành thấp và ít tác động tới môi trường, phù hợp cho sản xuất hydro phi tập trung tại hộ gia đình, doanh nghiệp hoặc cộng đồng. Theo ước tính, một mái nhà lớn có thể tạo ra từ 2 - 4 tấn hydro mỗi năm, mái nhà nhỏ với 20 tấm pin Solhyde cũng có thể cung cấp khoảng 240 kg hydro/năm - nguồn năng lượng sạch phục vụ cho giao thông, lưu trữ điện và nhiều ứng dụng khác.

Những công nghệ như C-Zero, hydro vàng hay lò phản ứng quang xúc tác kiểu ăng-ten cho thấy nỗ lực không ngừng của giới khoa học và công nghiệp trong việc tái định hình cách thức sản xuất hydro - từ quy trình phụ thuộc nhiên liệu hóa thạch sang hướng phi carbon hóa hoàn toàn. Mỗi giải pháp đều mở ra một khả năng mới: tận dụng nguồn nguyên liệu dồi dào, giảm thiểu phát thải, tối ưu chi phí và tăng tính khả thi thương mại. Dù phần lớn vẫn đang trong giai đoạn thử nghiệm hoặc mở rộng quy mô, song những bước tiến này cho thấy tương lai sản xuất hydro sạch không còn là viễn cảnh xa vời mà đang dần trở thành hiện thực trong hành trình chuyển dịch năng lượng toàn cầu./.

(Còn tiếp)