Tiếp nối Phần I với những phân tích về tiềm năng và các công nghệ sản xuất hydro, Phần II của bài viết này đi sâu vào những đổi mới đang định hình tương lai năng lượng xanh - từ các công nghệ lưu trữ hydro và amoniac tiên tiến, đánh giá hiệu quả kinh tế, đến ứng dụng trí tuệ nhân tạo và công nghệ chế tạo bồi đắp trong sản xuất. Đây chính là những bước tiến quan trọng đưa hydro và amoniac xanh trở thành động lực mới của quá trình chuyển dịch năng lượng toàn cầu.

Các nhà nghiên cứu đã tạo ra một phương pháp hiệu quả và bền vững để chuyển đổi amoniac thành hydro. Ảnh: Scitechdaily

Các công nghệ lưu trữ hydro tiên tiến nhất hiện nay

Việc lưu trữ hydro từ lâu đã là một trong những thách thức lớn đối với quá trình khai thác và sử dụng nguồn năng lượng sạch này. Hydro thường được nén trong các bình áp suất cao hoặc những vật liệu đặc biệt để phục vụ cho phương tiện giao thông như ô tô hay tàu hỏa. Tuy nhiên, các hệ thống lưu trữ này vừa cồng kềnh, tốn kém, lại khó tái chế và không phù hợp cho lưu trữ lâu dài. Chính vì vậy, các nhà khoa học trên thế giới đang không ngừng tìm kiếm giải pháp khắc phục những hạn chế đó, nhằm tận dụng tối đa tiềm năng của hydro - loại năng lượng có thể được lưu giữ dưới nhiều dạng khác nhau như khí, lỏng, thậm chí là rắn.

Công nghệ lưu trữ hydro theo cơ chế động học plasma

Một trong những bước tiến đáng chú ý là công nghệ lưu trữ hydro theo cơ chế động học plasma, do Công ty Plasma Kinetics của Mỹ phát triển. Đây là hệ thống năng lượng dựa trên hydro đầu tiên có khả năng thu gom, lưu trữ và vận chuyển năng lượng hoàn toàn không phát thải carbon. Công nghệ này sử dụng một màng nano được kích hoạt bằng ánh sáng, mỏng hơn sợi tóc người tới 9-10 lần nhưng có thể hấp thụ hydro từ không khí ở điều kiện nhiệt độ và áp suất thấp. Quá trình lưu trữ diễn ra đơn giản và tiết kiệm hơn so với các phương pháp truyền thống, chỉ cần chiếu ánh sáng lên màng vật liệu để tách hydro vào cấu trúc graphite bên trong, trực tiếp từ các ống khói công nghiệp. Đáng chú ý, công nghệ này có thể tạo ra hydro tinh khiết tới 99,99%.

So với các phương pháp lưu trữ hiện có, công nghệ Plasma Kinetics mang lại nhiều ưu thế vượt trội. Nhờ lưu trữ hydro ở trạng thái rắn đặc, hệ thống vừa an toàn, không dễ cháy nổ, vừa giảm đáng kể nguy cơ rò rỉ trong quá trình vận hành. Việc thu gom và lưu trữ không đòi hỏi năng lượng hay áp suất cao, giúp tối ưu chi phí và nâng cao tính bền vững. Toàn bộ màng quang học nano có thể tái chế, góp phần hạn chế chất thải và giảm tác động môi trường. Hệ thống này cũng giúp đơn giản hóa hạ tầng lưu trữ và phân phối hydro, loại bỏ sự phụ thuộc vào đường ống hoặc trạm bơm cố định, đồng thời vận hành êm ái, hạn chế ô nhiễm tiếng ồn.

Công nghệ lưu trữ hydro POWERPASTE

Một công nghệ lưu trữ hydro mới khác là POWERPASTE, được phát triển bởi Viện Leibniz phối hợp cùng Viện Fraunhofer tại Dresden (Đức).

Công nghệ này dựa trên hydrua magiê rắn - một hợp chất dạng sệt có khả năng chứa lượng hydro tương đương 10% khối lượng của nó. Cụ thể, 10 kg POWERPASTE có thể tích trữ lượng năng lượng tương đương với 1 kg hydro, trong dải công suất từ 100 W đến 10 kW.

Điểm đặc biệt của POWERPASTE là khả năng giải phóng hydro khi tiếp xúc với nước, không phân biệt loại nước - từ nước máy cho tới nước biển. Nhờ đó, nó có thể được ứng dụng linh hoạt trong nhiều điều kiện khác nhau. Bên cạnh đó, vật liệu này an toàn và không độc hại, có thể vận chuyển mà không cần tuân thủ những quy trình bảo hộ nghiêm ngặt như các dạng hydro nén hay hóa lỏng. Tuổi thọ lưu trữ lên tới 5 năm cũng giúp POWERPASTE trở thành giải pháp đáng tin cậy và thực tiễn cho việc lưu trữ năng lượng. Một ưu điểm đáng chú ý khác là khả năng tái chế dễ dàng và chi phí sản xuất thấp, chỉ khoảng 2 euro/kg, khiến POWERPASTE trở thành lựa chọn tiềm năng cho cả quy mô dân dụng lẫn công nghiệp.

Việc sản xuất và lưu trữ hydro ở quy mô lớn vẫn là một thách thức đòi hỏi thêm nhiều nghiên cứu và phát triển. Tuy nhiên, trong vài năm tới, những công nghệ này được kỳ vọng sẽ trở nên phổ biến và có chi phí hợp lý hơn, qua đó giúp hydro trở thành lựa chọn khả thi cho các hệ thống sản xuất và lưu trữ năng lượng quy mô lớn.

Hệ thống đường ống dẫn hydro. Nguồn: GasWorld

Các công nghệ sản xuất amoniac hiện nay

Trong những năm gần đây, ngày càng có nhiều doanh nghiệp đầu tư vào sản xuất amoniac xanh nhằm nghiên cứu các công nghệ mới, nâng cao hiệu suất và giảm chi phí để có thể cạnh tranh với phương pháp sản xuất truyền thống. Tương lai năng lượng đang thay đổi, và amoniac xanh đang đóng vai trò quan trọng trong quá trình chuyển đổi đó bằng cách thúc đẩy tích hợp năng lượng tái tạo vào mạng lưới điện và giảm dấu chân carbon trong lĩnh vực giao thông vận tải cũng như công nghiệp.

Ba công nghệ sản xuất amoniac xanh gồm: tổng hợp amoniac bằng điện hóa, tổng hợp amoniac bằng xúc tác quang và công nghệ plasma lạnh.

Tổng hợp amoniac bằng phương pháp điện hóa

Sản xuất amoniac bằng điện hóa là một phương pháp mới, không cần đến nhà máy sản xuất hydro mà sử dụng nước làm nguồn cung cấp hydro. Trong phản ứng này, nước được oxi hóa tại cực dương, giải phóng các proton di chuyển đến cực âm thông qua chất điện phân - có thể ở dạng rắn hoặc lỏng tùy theo loại tế bào điện hóa được sử dụng. Chất điện phân này là dung dịch dẫn điện, giúp các ion di chuyển giữa hai điện cực khi có dòng điện chạy qua. Trong điều kiện nhẹ, nitơ sẽ tương tác với các proton tại cực âm để tạo thành amoniac. Đây là công nghệ còn ở quy mô phòng thí nghiệm, mang tính đột phá vì có thể hoạt động ở điều kiện nhiệt độ và áp suất thấp.

Tổng hợp amoniac quang xúc tác

Tổng hợp amoniac bằng xúc tác quang là một hướng nghiên cứu đầy triển vọng trong sản xuất năng lượng bền vững và giảm phát thải khí nhà kính. Khác với các phương pháp điện hóa thường cần xúc tác đắt tiền và đôi khi độc hại, công nghệ xúc tác quang có thể tận dụng các vật liệu rẻ và sẵn có. Trong quá trình này, chất bán dẫn đóng vai trò chuyển đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng hóa học để thúc đẩy phản ứng tạo amoniac. Khi ánh sáng chiếu vào chất bán dẫn, các electron hấp thụ năng lượng và chuyển sang trạng thái kích thích. Sự di chuyển này tạo ra các “lỗ trống” mang điện tích dương (h⁺). Các lỗ trống này sẽ tham gia phản ứng oxi hóa nước để tạo ra oxy và proton, còn các electron được kích thích sẽ đồng thời tham gia phản ứng khử nitơ (N₂), tạo thành amoniac (NH₃). Các kim loại có năng lượng công lớn như Ni, Pd, Pt hoặc Au thường được dùng làm đồng xúc tác giúp tăng hiệu suất tạo hydro và hỗ trợ phản ứng khử nitơ.

Tuy nhiên, hiệu quả của phương pháp này còn phụ thuộc vào đặc tính của vật liệu xúc tác, chẳng hạn như khả năng hấp thụ ánh sáng và độ bền trong phản ứng. Bên cạnh đó, việc truyền electron bên trong vật liệu vẫn là thách thức lớn, khiến quá trình chuyển hóa nitơ (N₂) thành amoniac (NH₃) chưa đạt hiệu suất cao. Dù còn ở giai đoạn thử nghiệm, tổng hợp amoniac quang xúc tác được kỳ vọng sẽ mở ra kỷ nguyên sản xuất nhiên liệu sạch phân tán, không cần cơ sở công nghiệp quy mô lớn.

Tổng hợp amoniac bằng plasma không nhiệt

Quá trình tổng hợp amoniac bằng plasma không nhiệt sử dụng khí ion hóa chứa các hạt mang điện để kích hoạt nitơ và hydro, từ đó thúc đẩy phản ứng tạo amoniac. Đây được xem là công nghệ tiềm năng, cho phép tổng hợp trực tiếp amoniac ở nhiệt độ thấp hơn so với phương pháp truyền thống. Hiệu quả của quá trình phụ thuộc vào ba yếu tố chính: thiết kế lò phản ứng, các thông số vận hành và chất xúc tác. Dù đã có nhiều nỗ lực nghiên cứu nhằm phát triển và tối ưu hóa vật liệu xúc tác, công nghệ plasma không nhiệt vẫn đối mặt với nhiều thách thức khi mở rộng quy mô công nghiệp. So với quy trình Haber–Bosch đã được ứng dụng hơn một thế kỷ qua, các phương pháp mới như plasma hay sinh học vẫn chưa đạt hiệu suất đủ cao. Trong bối cảnh ngành sản xuất phân bón cần giảm phát thải khí nhà kính, mục tiêu hướng tới là phát triển công nghệ tổng hợp amoniac trung hòa carbon, có thể triển khai linh hoạt ở mọi quy mô và mọi nơi trên thế giới.

Xu hướng mới trong công nghệ lưu trữ amoniac

Trong gần một thế kỷ qua, amoniac được lưu trữ chủ yếu ở dạng lỏng trong các bồn cầu áp lực dung tích tới 2.000 tấn hoặc bồn lạnh dung tích 50.000 tấn ở điều kiện áp suất thường và -33°C, đặt tại các nhà máy hoặc trung tâm phân phối. Tuy nhiên, phương pháp lưu trữ truyền thống này đặt ra thách thức về độc tính, an toàn và chi phí vận chuyển.

Gần đây, công nghệ lưu trữ amoniac thể rắn nổi lên như một hướng tiếp cận mới, trong đó amoniac được hấp thụ và lưu trữ trong các hợp chất kim loại đặc biệt (phức amoniac - muối kim loại), giúp chuyển hóa sang trạng thái rắn an toàn và thuận tiện hơn cho vận chuyển. Tiềm năng của công nghệ này đang được nhiều viện nghiên cứu và doanh nghiệp quan tâm như một bước tiến trong việc giảm rủi ro và tối ưu hóa chuỗi cung ứng amoniac.

Đánh giá kinh tế và triển vọng tương lai của sản xuất hydro và amoniac

Hydro và amoniac xanh được kỳ vọng là giải pháp năng lượng tái tạo giúp giảm đáng kể phát thải khí nhà kính, song tính khả thi về kinh tế vẫn là rào cản lớn. Chi phí đầu tư ban đầu cao, đặc biệt đối với hệ thống điện phân và lưu trữ, song chi phí vận hành lại thấp hơn so với công nghệ dựa trên nhiên liệu hóa thạch truyền thống. Theo một nghiên cứu, giá hydro xanh tách từ amoniac chỉ khoảng 1,5 USD/kg, thấp hơn đáng kể so với hydro xanh sản xuất trực tiếp (khoảng 15 USD/kg), mở ra triển vọng thương mại hóa. Tuy nhiên, ở mức giá amoniac hiện nay, sản xuất amoniac xanh vẫn chưa đạt lợi nhuận, ngay cả với giá hydro lạc quan hiện tại.

Chi phí sản xuất hydro phụ thuộc vào phương pháp sử dụng. Hydro sản xuất từ khí tự nhiên chỉ khoảng 1,5 USD/kg, trong khi hydro sạch lên tới 5 USD/kg. Chương trình Hydrogen Shot của Bộ Năng lượng Mỹ đặt mục tiêu hạ chi phí xuống 1 USD/kg trong vòng một thập kỷ. Phân tích kinh tế của một nhà máy sản xuất amoniac xanh tại Chile và vận chuyển sang Nhật Bản cho thấy sản xuất amoniac từ hydro điện phân sử dụng năng lượng mặt trời có tính khả thi, với giá chỉ 220 USD/tấn nếu dùng điện 0,02 USD/kWh, trong khi amoniac hóa thạch hiện ở mức 1.500 - 2.000 USD/tấn.

Chi phí sản xuất hydro từ điện tái tạo có thể giảm 30% vào năm 2030 nhờ giá năng lượng tái tạo giảm và chính sách hỗ trợ ngày càng nhiều. Hiện nay, phương pháp cải tạo hơi nước từ khí tự nhiên vẫn là cách hiệu quả và rẻ nhất để sản xuất hydro, trong khi điện phân bằng năng lượng tái tạo vẫn tốn kém hơn. Các mô hình tối ưu hóa chi phí (LCOH) chứng minh rằng hydro xanh có thể cạnh tranh với hydro từ nhiên liệu hóa thạch trong một số điều kiện nhất định. Theo Lộ trình công nghệ amoniac (IEA, 2021), ngành công nghiệp này chiếm 2% tổng tiêu thụ năng lượng cuối cùng và 1,3% phát thải CO₂ từ hệ thống năng lượng toàn cầu, do đó, việc phát triển amoniac xanh (phát thải gần như bằng 0) và amoniac xanh lam (có thu giữ carbon) được xem là hướng đi tất yếu để giảm phát thải và tiến tới xây dựng nền kinh tế amoniac bền vững.

Ứng dụng trí tuệ nhân tạo và công nghệ chế tạo bồi đắp trong sản xuất hydro và amoniac xanh

Trí tuệ nhân tạo (AI) và công nghệ chế tạo bồi đắp (Additive Manufacturing - AM, hoặc phổ biến hơn với tên gọi In 3D công nghiệp) đang trở thành hai công cụ then chốt giúp giảm chi phí và tối ưu hóa quy trình sản xuất hydro và amoniac xanh.

AI có khả năng xử lý khối lượng dữ liệu lớn và mô phỏng các quá trình phức tạp, từ đó tối ưu các thông số vận hành, dự đoán sự cố và nâng cao hiệu suất hệ thống. Trong khi đó, công nghệ AM cho phép chế tạo linh kiện và thiết bị phản ứng có hình dạng phức tạp với độ chính xác cao, giảm lãng phí vật liệu và chi phí sản xuất. Sự kết hợp giữa AI và AM không chỉ giúp tăng năng suất mà còn tái cấu trúc toàn bộ chuỗi giá trị sản xuất hydro và amoniac xanh - từ khâu thiết kế, chế tạo đến quản lý và vận hành - tạo ra bước đột phá cho ngành công nghiệp năng lượng tái tạo trong tương lai.

Các phương pháp trí tuệ nhân tạo được sử dụng phổ biến nhất hiện nay trong sản xuất hydro và amoniac xanh là phương pháp bề mặt đáp ứng (RSM), mạng nơ-ron nhân tạo (ANN) và học máy (ML).

RSM là phương pháp thống kê giúp xác định mối quan hệ giữa các biến đầu vào và đầu ra của quá trình thông qua mô hình hồi quy đa thức, trong khi mạng nơ-ron nhân tạo (ANN) được sử dụng để phân tích hiệu suất thiết bị, phát hiện sớm sự cố và tối ưu hóa các thông số vận hành như điện áp hay dòng điện trong quá trình điện phân. So với RSM, ANN được chứng minh có khả năng mô phỏng tốt hơn, kể cả khi dữ liệu đầu vào hạn chế, và có thể tự động điều chỉnh các biến quá trình theo thời gian thực để duy trì điều kiện tối ưu, giúp tăng hiệu suất và tiết kiệm năng lượng. Bên cạnh đó, học máy (ML) cũng được ứng dụng để phát hiện vấn đề chất lượng, dự báo nhu cầu và tối ưu hóa sử dụng năng lượng, đồng thời hỗ trợ chẩn đoán, khắc phục sự cố nhanh hơn, qua đó giảm thời gian ngừng máy và chi phí bảo trì. Nhờ đó, AI không chỉ nâng cao hiệu suất vận hành mà còn góp phần giảm chi phí sản xuất và cải thiện độ tin cậy của toàn bộ hệ thống.

Công nghệ chế tạo bồi đắp (AM) đang được xem là công cụ đột phá trong sản xuất hydro và amoniac xanh nhờ khả năng tạo ra các cấu trúc hình học phức tạp với độ chính xác cao. Các nhà nghiên cứu đã sử dụng in 3D để chế tạo các vi lò phản ứng có hình dạng tối ưu, giúp tăng tỷ lệ chuyển hóa và độ chọn lọc trong quá trình tổng hợp amoniac, từ đó cải thiện hiệu suất và tính bền vững. Ngoài ra, công nghệ này còn được ứng dụng để chế tạo các chất xúc tác mới, chẳng hạn như bọt niken in 3D dùng cho quá trình điện phân nước, có hoạt tính và độ bền cao hơn so với xúc tác thông thường, giúp tối ưu chi phí và năng suất. AM cũng được ứng dụng để chế tạo linh kiện cho hệ thống năng lượng tái tạo như cánh tua-bin gió hoặc tấm pin mặt trời, cung cấp nguồn điện đầu vào cho sản xuất hydro và amoniac xanh. Các kỹ thuật in tiên tiến như Aerosol Jet Printing (in phun khí sol) hay Laser Powder Bed Fusion (nung chảy bột bằng laser) được áp dụng để in chất xúc tác lên điện cực và màng trong công nghệ điện hóa. Nhìn chung, công nghệ AM không chỉ chế tạo các cấu trúc hình học phức tạp khó đạt được bằng phương pháp truyền thống mà còn giảm lãng phí, chi phí lắp đặt và thời gian lưu kho, đồng thời cho phép sản xuất linh kiện theo yêu cầu với nhiều loại vật liệu khác nhau như kim loại, polymer, gốm, composite.

Như vậy, có thể thấy hành trình hướng tới nền kinh tế hydro và amoniac xanh không chỉ là câu chuyện về năng lượng sạch mà còn là sự kết hợp của khoa học vật liệu, trí tuệ nhân tạo và công nghệ chế tạo tiên tiến. Từ những cải tiến trong lưu trữ và sản xuất đến ứng dụng các giải pháp thông minh như AI và in 3D, mỗi bước tiến đều góp phần đưa hydro và amoniac xanh trở thành trụ cột của quá trình chuyển dịch năng lượng toàn cầu. Trong tương lai, khi chi phí giảm và công nghệ ngày càng hoàn thiện, hai nguồn năng lượng này sẽ không chỉ thay đổi bức tranh năng lượng thế giới mà còn mở ra cơ hội cho một tương lai phát triển bền vững, ít carbon hơn cho toàn nhân loại./.

(Còn tiếp)