Nền kinh tế HYĐRÔ
Trong thế kỷ 21 chúng ta sẽ được chứng kiến một sự thay đổi sâu sắc trong nền kinh tế thế giới và các sinh hoạt xã hội: sự chuyển đổi từ nền kinh tế dựa vào nhiên liệu hóa thạch sang nền kinh tế dựa vào nhiên liệu hyđrô nhờ năng lượng mặt trời. Nền kinh tế hyđrô nhờ năng lượng mặt trời không còn là ý tưởng mơ hồ hoặc chỉ là viễn tưởng khoa học, khả năng hiện thực hóa nền kinh tế hyđrô chỉ khoảng 25-35 năm nữa thôi! Như Tổng thống Mỹ G. Bush đã hy vọng, “chiếc xe ô tô đầu tiên trong đời của những trẻ mới sinh hôm nay ngồi cầm lái, sẽ là xe hyđrô dòng ZEV”.
Hyđrô và pin nhiên liệu là chìa khoá giải quyết vấn đề ô nhiễm bầu khí quyển và sự biến đổi khí hậu toàn cầu – mối lo của toàn thế giới hiện nay khi sử dụng nhiên liệu hóa thạch là than đá, dầu mỏ và khí thiên nhiên.
Sự xuất hiện nền kinh tế hyđrô trong đời sống loài người buộc phải tạo ra sự thay đổi tận gốc những hạ tầng cơ sở của nền kinh tế hóa thạch và các hoạt động của con người. Phương thức sản xuất nguồn năng lượng mới không còn là tìm kiếm, thăm dò, khai thác như tài nguyên hóa thạch vì ở đâu có nước và ánh nắng mặt trời, ở đó đều có thể sản xuất ra hyđrô để tạo ra nguồn năng lượng cho mọi nhu cầu của đời sống và sản xuất. Phương thức tồn chứa, vận chuyển, cung ứng hyđrô cho các nhu cầu tiêu thụ, nghĩa là hạ tầng cơ sở đã tồn tại hàng thế kỷ của nền kinh tế hóa thạch sẽ không còn thích hợp, buộc phải cấu trúc xây dựng mới, phá bỏ hạ tầng cơ sở cũ. Các phương tiện giao thông, vận tải phải được thay thế bằng động cơ chế tạo theo nguyên lý mới phù hợp nguồn năng lượng hyđrô, tất nhiên sẽ khác hẳn các động cơ xăng, dầu. Các tiêu chuẩn kỹ thuật, các quy định an toàn, luật lệ pháp lý khi sử dụng nguồn năng lượng mới sẽ phải xây dựng lại; việc giáo dục, đào tạo, nghiên cứu khoa học phục vụ cho nền kinh tế hyđrô hoàn thiện và phát triển sẽ phải có những nội dung mới, cơ sở vật chất mới, hoàn toàn khác so với nền kinh tế hóa thạch hiện nay. Những vấn đề về môi trường ô nhiễm do sử dụng năng lượng hyđrô gây ra sẽ không còn là đề tài nghiên cứu tiêu hao tiền của và sức lao động của các nhà khoa học, không còn là đầu đề của các hội nghị quốc tế triền miên về biến đổi khí hậu toàn cầu như khi sử dụng năng lượng hóa thạch.
Tất cả những sự thay đổi đó cho thấy đây thực sự là một cuộc cách mạng sâu sắc trong tiến trình phát triển của xã hội loài người và đã được đánh giá có ý nghĩa to lớn như cuộc cách mạng công nghiệp trước đây, khi phát minh ra đầu máy hơi nước với việc sử dụng nhiên liệu than đá.
Ngày nay, nền kinh tế hyđrô đang trở thành một xu thế không thể đảo ngược trên thế giới. Ở Mỹ, năm 2003 Tổng thống G. Bush đã công bố một chương trình được gọi là “Sáng kiến nhiên liệu hyđrô” (Hydrogen Fuel Initiative) vói quyết định giành 1,2 tỷ USD cho nghiên cứu và phát triển nhằm mục tiêu đến năm 2020 ô tô chạy bằng pin nhiên liệu hyđrô phải triển khai thương mại hóa thành công vào thực tế.
Lộ trình chuyển đổi sang nền kinh tế hyđrô ở Mỹ được chia làm 4 pha, dự tính như sau:
* pha I (từ nay đến 2015-2020) tiếp tục tiến hành nghiên cứu R&D để hạ giá thành hyđrô sản xuất từ năng lượng mặt trời, hạ giá thành pin nhiên liệu hyđrô so với hiện nay và nghiên cứu ứng dụng tập trung vào lĩnh vực giao thông vận tải và cung cấp điện năng, trong pha này vai trò của nhà nước có tính chất quyết định;
* pha II (từ 2010 đến 2030) tiến hành thương mại hóa và từng bước xâm nhập vào thị trường xe không có khói xả (ZEV) song hành với xe chạy bằng xăng dầu như hiện nay, đồng thời thương mại hóa các máy phát điện bằng pin nhiên liệu, trong pha này vai trò của các ngành công nghiệp là rất quan trọng;
* pha III (từ 2015 đến 2035) tiến hành đầu tư xây dựng hạ tầng cơ sở phục vụ cho nền kinh tế hyđrô và mở rộng thị trường hai loại hàng hóa trên;
* pha IV (từ 2035-2040 trở đi), cơ sở hạ tầng của nền kinh tế hyđrô đã hoàn chỉnh, sẵn sàng phục vụ cho thị trường phát triển mở rộng ra mọi vùng lãnh thổ, các phương tiện giao thông vận tải bằng pin nhiên liệu hyđrô và các máy phát điện bằng pin nhiên liệu hyđrô sẽ thay thế hoàn toàn nhiên liệu hóa thạch, vào thời điểm này theo dự báo, nhiên liệu hóa thạch đã qua giai đoạn đỉnh điểm, cạn kiệt, giá xăng dầu tăng rất cao, bấy giờ nền kinh tế hyđrô đã sẵn sàng để hỗ trợ và thay thế cho nền kinh tế hóa thạch.
Sản xuất hyđrô nhờ năng lượng mặt trời có bị ảnh hưởng bởi thời tiết?
Sản xuất hyđrô nhờ năng lượng mặt trời sẽ gặp phải sự phụ thuộc vào ánh nắng mặt trời vì năng lượng mặt trời chỉ có thể cung cấp ánh nắng vào ban ngày, nghĩa là có thể làm gián đoạn quá trình sản xuất hyđrô và điện năng vào ban đêm hoặc những ngày mùa đông không có ánh nắng. Tuy nhiên, trở ngại này cũng đã được tính đến bằng giải pháp trên cơ sở mối liên quan giữa ánh nắng mặt trời, nước, xúc tác và các dạng sản phẩm năng lượng (hyđrô, điện).
Vào ban ngày, nhờ có ánh nắng mặt trời sẽ tiến hành quá trình quang điện hóa phân rã nước để sản xuất hyđrô đồng thời sử dụng hệ thống pin quang điện (pin mặt trời) hoặc pin quang điện hóa để sản xuất điện mặt trời (theo các quá trình thể hiện ở hai cạnh nghiêng của tam giác năng lượng). Hyđrô sản xuất ra ban ngày có thể sử dụng trực tiếp, hoặc có thể tích trữ lại nhờ các vật liệu hấp phụ như ống nano cacbon (carbon nanotube), hoặc dưới dạng hyđrua kim loại, như kim loại magiê (Mg), natri (Na), lithi (Li), canxi (Ca), nhôm (Al), bo (B), hoặc dưới dạng hyđrô nén dưới áp suất cao. Điện năng sản xuất ra ban ngày có thể sử dụng trực tiếp, hoặc có thể tích trữ lại trong các ắc quy hoặc pin tái nạp điện (rechargable battery) như pin Li-ion, pin Li-polyme.
Vào ban đêm, hoặc khi gặp thời tiết xấu, không có ánh nắng mặt trời, vẫn có thể sản xuất điện bằng hệ thống pin nhiên liệu hyđrô nhờ có hyđrô đã tích giữ lại trong vật liệu hấp thụ như ống nano cacbon (carbon nanotube), hoặc dưới dạng hyđrua kim loại, như kim loại magiê (Mg), natri (Na), lithi (Li), canxi (Ca), nhôm (Al), bo (B), hoặc dưới dạng hyđrô nén dưới áp suất cao. Mặt khác, vào ban đêm hoặc khi gặp thời tiết xấu, không có ánh nắng mặt trời cũng có thể sản xuất hyđrô bằng con đường điện phân nhờ điện mặt trời đã tích trữ được trong ắc quy hoặc pin tái nạp điện như pin Li-ion, pin Li-polyme (theo các quá trình thể hiện ở cạnh đáy tam giác năng lượng).
Kết luận
Ở các nước châu Á, Nhật Bản, Trung Quốc, Hàn Quốc, Đài Loan… đều có chương trình nghiên cứu phục vụ cho nền kinh tế hyđrô tương lai.
Còn ở nước ta, nói đến nền kinh tế hyđrô có vẻ vẫn còn xa lạ và phù phiếm. Nhà nước không có chương trình quốc gia trọng điểm nào liên quan đến việc chuẩn bị cho thời kỳ “hậu hóa thạch” có lẽ nghĩ rằng nước ta đồi dào tài nguyên dầu, khí và than đá. Trong khi đó, xu hướng lựa chọn nguồn năng lượng hạt nhân để phát triển thành nguồn năng lượng chủ đạo của nước ta trong vài thập kỷ tới đang được đề cập khá nhiều. Theo TS Đinh Hữu Đức, Chủ tịch kiêm Tổng giám đốc Công ty American Technologies, Inc (ATI), nguyên Giám đốc điều hành nhà máy điện nguyên tử Water Ford III, bang Louisiana (Mỹ) cho rằng, trong 20 năm tới Việt Nam phải cần ít nhất 20 nhà máy điện nguyên tử mới bảo đảm đủ điện năng cho phát triển kinh tế, và đây là thời cơ vàng cho Điện nguyên tử Việt Nam (báo Nhân Dân điện tử ngày 8-8-2007) ! Thật khó hình dung tính khả thi của chương trình điện nguyên tử như vậy, nếu biết rằng vốn đầu tư cho nhà máy điện nguyên tử đầu tiên ở Việt Nam công suất 2.000 MW khoảng trên 4 tỷ USD và phải xây dựng trong vòng 13-15 năm nếu đúng tiến độ. Không lẽ chúng ta đứng ngoài cuộc chơi của thế giới trong vấn đề này?
Nếu với mức khai thác và sử dụng hàng năm như hiện nay: dầu mỏ 5,5 GTCE/năm (Giga Tonnes Coal Equivalent), khí thiên nhiên 3,0 GTCE/năm, than đá 4,1 GTCE/năm thì lượng tài nguyên hóa thạch còn lại chỉ đủ dùng cho 42 năm đối với dầu mỏ, 65 năm đối với khí thiên nhiên và 170 năm đối với than đá. Mặt khác, nhu cầu năng lượng bao giờ năm sau cũng tăng hơn năm trước nên thời gian còn lại để khai thác và sử dụng các tài nguyên hóa thạch sẽ còn ngắn hơn các con số dự báo trên đây, và như vậy sự cạn kiệt tài nguyên hóa thạch ở thế kỷ này là một điều khẳng định.
Hyđrô được sản xuất từ nước và năng lượng mặt trời. Nước và ánh nắng mặt trời có vô tận và khắp nơi trên hành tinh, năng lượng mặt trời được thiên nhiên ban cho hào phóng và vĩnh hằng, khoảng 3×1024 J/ngày, tức khoảng 104 lần năng lượng toàn thế giới tiêu thụ hàng năm. Vì vậy, hyđrô nhờ năng lượng mặt trời là nguồn nhiên liệu vô tận, sử dụng từ thế kỷ này qua thế kỷ khác bảo đảm an toàn năng lượng cho loài người mà không sợ cạn kiệt, không thể có khủng hoảng năng lượng và bảo đảm độc lập về năng lượng cho mỗi quốc gia, không một quốc gia nào độc quyền sở hữu hoặc tranh giành nguồn năng lượng hyđrô như đã từng xảy ra với năng lượng hóa thạch.
Đặc điểm quan trọng của hyđrô là trong phân tử không chứa bất cứ nguyên tố hóa học nào khác, như cacbon (C), lưu huỳnh (S), nitơ (N) nên sản phẩm cháy của chúng chỉ là nước (H2O), được gọi là nhiên liệu sạch lý tưởng.
 |
Hyđrô thay xăng dầu cho các phương tiện giao thông, vận tải
Các động cơ đốt trong của các phương tiện giao thông vận tải chạy bằng nhiên liệu hyđrô sẽ không xả ra khí thải độc hại như CO2, CO, SOx, NOx, không bụi cacbon, không làm ô nhiễm bầu không khí chúng ta đang sống, không tạo ra hiệu ứng nhà kính gây biến đổi khí hậu toàn cầu, nghĩa là sẽ không phải trả giá như khi sử dụng nhiên liệu xăng dầu hiện nay. Hiện đã có nhiều mẫu xe chạy bằng hyđrô (hydrogen car) và xe kết hợp giữa động cơ đốt trong bằng hydrô và động cơ điện có tên gọi xe ghép lai (hybrid car) được gọi chung là dòng xe hoàn toàn không có khói xả (Zero Emission Vehicle – ZEV) của các hãng ô tô nổi tiếng như Honda, Ford, Mercedes-Benz,.. trưng bày giới thiệu trong các cuộc triển lãm quốc tế về ô tô. Nhật tuyên bố ngay trong năm 2008 các thế hệ xe không có khói xả ZEV sẽ ra đời và thương mại hóa.
Hyđrô thay xăng dầu trong sản xuất điện năng
Hyđrô còn được sử dụng để sản xuất điện, thực hiện trong các pin nhiên liệu (Fuel Cell). Pin nhiên liệu hoạt động theo nguyên lý ngược với quá trình sản xuất hyđrô, nghĩa là nếu với nguyên liệu là nước, khi được cung cấp một năng lượng cần thiết sẽ xảy ra quá trình tạo ra hyđrô và ôxy, thì ngược lại, nếu cho hyđrô và ôxy kết hợp lại trong điều kiện nhất định sẽ thu được nước và một năng lượng tương ứng, đó là điện năng. Khác với các loại pin thông thường là một hệ kín, nghĩa là chỉ sử dụng một thời gian điện năng sẽ giảm dân đi đến ngưng hẳn, pin nhiên liệu là một hệ mở, khi hyđrô và ôxy được cấp vào liên tục thì nước và điện sẽ sinh ra liên tục với cường độ không đổi, kéo dài bao lâu cũng được tuỳ theo sự cung cấp hyđrô và ôxy vào hệ. Điều này đã làm cho pin nhiên liệu đóng vai trò như một máy sản xuất điện thực thụ với nguyên liệu đầu vào là hyđrô và ôxy không khí, chất thải ra chỉ là nước.
Sản xuất điện bằng pin nhiên liệu hyđrô sẽ không cần máy phát điện, không cần những tuốc bin đồ sộ, không có cả những cơ cấu chuyển động, không có tiếng ồn, không khói xả. Điện từ các pin nhiên liệu hyđrô có thể sản xuất mọi nơi, mọi công suất từ vài watt cho đến hàng trăm kilowatt hoặc hàng trăm megawatt cho mọi nhu cầu. Vì vậy, rất thích hợp để xây dựng các trạm phát điện cho các vùng sâu, vùng xa, hoặc trạm điện độc lập tự cung cấp cho các thành phố, các cao ốc mà không cần đến nguồn điện lưới từ trung tâm cung cấp phân phối điện quốc gia. Người tiêu thụ cũng có thể là người tự sản xuất được điện mà không cần những nhà máy điện đồ sộ, công suất lớn như các nhà máy điện chạy bằng nhiên liệu hóa thạch. Sản xuất điện bằng pin nhiên liệu hyđrô đã phá thế độc quyền cũng như phá chế độ tập trung trong việc sản xuất và phân phối điện do nền kinh tế hóa thạch đã tạo ra.
