Nhiều công ty Mỹ đang đua nhau trong việc thương mại hóa công nghệ giúp biến bất kì loại rác thải nào trở thành nhiên liệu hiđrô sạch.

Một đống rác khổng lồ với khối lượng khoảng 130 tấn rác đang chia cắt những ngọn đồi ở vùng phía Bắc của Los Angeles. Rác chất đống cao như một tượng đài khẳng định về sự dư thừa nơi đây. Gần 10 năm trở về nay, bãi rác Rặng đồi Puente chưa hề tiếp nhận thêm rác mới, song trong khoảng thời gian ấy nó vẫn giữ được vị thế thứ nhất về quy mô trong số các bãi rác ở Mỹ, đồng thời cũng là một nguồn thải ra lượng đáng kể khí thải gây hiệu ứng nhà kính. Mỗi phút, Rặng đồi Puente giải phóng gần 850 mét khối khí thải là hỗn hợp của cácbon điôxít và mêtan tạo ra từ quá trình phân hủy rác thải hữu cơ bởi vi khuẩn.

Tuy nhiên, hầu hết lượng khí thải trên được thu lại bởi một mạng lưới ống ngầm và dùng để tạo ra điện phục vụ cho 70.000 hộ gia đình. Dẫu vậy, Jean-Louis Kindler, người sáng lập và CEO của dự án khởi nghiệp Ways2H, tin rằng như thế là chưa đủ. Bởi nếu làm theo cách của anh thì chúng ta sẽ không cần tới những bãi rác như Rặng đồi Puente. Và để thay vào đó, anh muốn sử dụng nguồn rác thải của toàn thế giới để làm nguyên liệu thô cho sản xuất hiđrô – thứ nhiên liệu vĩnh cửu có thể giúp tạo ra điện và vận hành máy bay, ô tô và ô tô bay của tương lai. Kindler cho biết: “Hiện nay chúng ta có quá nhiều rác thải, nào là nhựa, rác thải đô thị rắn, rác thải y tế. Không chỉ vậy, tất cả các loại rác thải khó xử lý đều chứa rất nhiều hiđrô”.

Kindler được sinh ra ở Pháp và đã dành phần lớn sự nghiệp của mình cho các công nghệ năng lượng sạch tại Châu Á, nhưng hiện anh đang sinh sống tại Long Beach, cách bãi rác Rặng đồi Puente khoảng một giờ lái xe. Đây cũng chính là đại bản doanh của Ways2H, một công ty do anh sáng lập để thương mại hóa công hệ tái chế rác thành hiđrô, thứ mà anh đã tiên phong tại Nhật Bản gần 20 năm trước. Khi ấy, Kindler đã liên kết với công ty Năng lượng xanh Nhật Bản  (Japan Blue Energy Company) để phát triển một hệ thống giúp trích xuất hiđrô từ hầu hết các loại rác thải, trải dài từ bùn cống tới lốp xe. Tháng trước, anh thông báo rằng Ways2H đã hợp tác với một công ty kỹ thuật để xây dựng cơ sở tái chế rác thải thành hiđrô thương mại độc nhất tại trung tâm California.

Hệ thống của Ways2H có nhiều điểm tương đồng với các nhà máy khí hóa vốn đang được sử dụng rộng rãi ở Mỹ giúp chuyển hóa rác thành năng lượng, nhưng nó cũng có nhiều điểm cải tiến mới. Thứ nhất, rác thải được phân loại để loại bỏ những thành phần không chứa cácbon hoặc hiđrô (kim loại hoặc kính chẳng hạn), sau đó chúng được xấy khô và nghiền thành các mảnh cỡ 2,5 cm. Phần rác thải đã nghiền này sẽ được đưa vào một lò hóa hơi ở nhiệt độ gần 540 độ C để tạo ra khí tổng hợp – hỗn hợp của hiđrô, mêtan và cácbon điôxít, khí này có thể được sử dụng làm nhiên liệu ngay hoặc mang đi tinh luyện thêm. Ngoài ra, hệ thống của Ways2H sẽ tăng nồng độ hiđrô trong khí tổng hợp trên bằng cách trộn nó với hơi nước, từ đó tạo thành hỗn hợp mới gồm một nửa là hiđrô, một nửa là cácbon điôxít. Sau đó, phần hiđrô sẽ được tách ra nhờ vào một hệ thống hấp thụ áp suất gồm một bể chứa các vật liệu có khả năng hấp thụ khí CO2. Toàn bộ hệ thống kể trên có thể được đặt trong một tòa tháp lộ thiên cao gần 30 mét.

Kindler cho biết: “Quá trình khí hóa hoạt động rất hiệu quả với các loại rác thải đã biết như than hoặc mảnh gỗ. Nhưng khi gặp các loại rác phức tạp và ô hợp hơn như rác thải đô thị rắn, hiệu suất của quá trình này trở nên khó đoán hơn, nhiệt độ của lò phản ứng cũng khó kiểm soát hơn”. Anh tiết lộ rằng một điểm cải tiến trong hệ thống của Ways2H chính là sử dụng những hạt gốm cỡ nhỏ trộn với rác trong lò khí hóa để điều tiết nhiệt độ. Những “hạt dẫn nhiệt” này giúp ổn định nhiệt độ trong lò phản ứng và cho phép người vận hành bỏ qua thông tin về loại rác cần xử lý. Nhờ đó mà, Kindler cho biết, “hệ thống của chúng tôi có thể xử lý bất kì thứ gì miễn là trong thành phần có chứa cácbon và hiđrô là được”.

Với mỗi tấn rác thải được đưa vào xử lý bởi nhà máy thí điểm của Ways2H, Kindler dự đoán, sẽ cho ra khoảng hơn 45 kg khí hiđrô xanh (không chứa cácbon). Mặc dù sản phẩm phụ sau xử lý là khí CO2, nhưng quá trình này vẫn được tính là “sạch” bởi lượng khí CO2 thải ra bằng với lượng có sẵn trong nguyên liệu đầu vào. Song Kindler bổ sung rằng việc tính hợp thêm hệ thống lưu trữ và thu nhận cácbon vào cơ sở này cũng rất đơn giản, nhờ đó giúp đưa lượng cácbon thải ra về âm (số thải ra nhỏ hơn số nhận vào).

Kindler dự đoán rằng nhà máy Ways2H sẽ được hoàn thành vào cuối năm nay và có thể bắt đầu cung cấp khí hiđrô tới khách hàng kể từ đầu năm 2021. Nếu thành công, đây sẽ là nhà máy tái chế rác thải thành khí hiđrô độc nhất tại đất Hoa Kì. Nhưng Ways2H không phải là công ty duy nhất đang tìm cách nắm lấy ngôi vị này. Một công ty khác tên là SGH2 cũng đang xây dụng cơ sở tái chế với hệ thống khí hóa tương tự tại California để tạo ra khí hiđrô sạch, siêu tinh khiết. Ngoài ra còn có những công ty khác, như dự án khởi nghiệp Standard Hiđrô, cũng đang cố gắng tìm ra một quy trình sử dụng hóa học để tạo ra khí hiđrô sạch.

Đầu năm nay, Standard Hiđrô đã hé lộ thông tin tối thiểu về nguyên mẫu lò phản ứng mà họ nghiên cứu. Hệ thống này có thể trích xuất khí hiđrô từ hiđrô sunfua, một sản phẩm phụ từ quá trình tinh luyện dầu và khí tự nhiên. Lò phản ứng áp dụng một tùy biến của chu trình Claus – một kỹ thuật giúp trích suất lưu huỳnh từ hiđrô sunfua có tuổi đời 100 năm. Hầu hết số lưu huỳnh thu được sẽ dùng để làm axít sunfuric, một chất được sử dụng để chế tạo mọi thứ, từ thuốc nhuộm cho tới chất nổ. Trong phiên bản gốc, hiđrô bị tách khỏi lưu huỳnh nhờ vào phản ứng liên kết với ôxi để tạo ra nước. Nhưng trong chu trình mà Standard Hiđrô sử dụng, khí ôxi sẽ bị loại bỏ khỏi lò phản ứng để từ đó có thể thu được cả hiđrô lẫn lưu huỳnh tinh khiết.

Trước kia, mục tiêu chính của công ty này là làm sao để chiết suất khí hiđrô từ hiđrô sunfua tạo ra từ việc tinh luyện dầu, nhưng CEO Alan Mintzer khẳng định rằng lò phản ứng của họ cũng có thể xử lý hầu hết các loại rác thải. Trước tiên, để làm vậy, họ phải trộn nguyên liệu vào với lưu huỳnh lỏng để tạo ra hiđrô sunfua khi lưu huỳnh liên kết với hiđrô có trong rác thải. (Lưu huỳnh cũng sẽ liên kết với cácbon và các hợp chất khác, nhưng Mintzer cho rằng những sản phẩm phụ này thường không độc hại và dễ dàng xử lý.) Một khi liên kết hiđrô sunfua bị phá hủy thành những nguyên tố thành phần, lò phản ứng sẽ trích suất khi hiđrô và tuần hoàn lưu huỳnh dùng để xử lý lượt rác tiếp theo. “Dòng rác thải đi vào, đi ra sẽ là khí hiđrô, còn ở giữa quy trình, lưu huỳnh sẽ cứ thế mà tuần hoàn”, Mintzer nói.

Hiện tại, nguyên mẫu lò phản ứng của Standard Hiđrô mới chỉ tồn tại ở dạng hình ống trụ có kích thước của một bình chữa cháy, nhưng Mintzer cho biết là công ty họ đang trong quá trình đàm phán hợp tác với các bên có quan tâm về việc sử dụng hệ thống này để tái chế rác thải hoặc tạo ra khí hiđrô. Nếu những cuộc đàm phán tiến triển tốt, anh dự đoán rằng nhà máy thí điểm đầu tiên của Standard Hiđrô sẽ được hoàn thành vào đầu năm 2021

Những công nghệ này có thể sẽ thành công, nhưng những đội đua khởi nghiệp trong lĩnh vực tái chế rác thành khí hiđrô vẫn sẽ phải đối mặt với bức tường mang tên: thị trường tự do. Vài chục năm trước, rào cản chính cho những sản phẩm về nhiên liệu khí hiđrô xanh có thể mở rộng tại Mỹ chính là kinh tế và chính trị, chứ không phải là kỹ thuật. Vào khoảng thời gian đầu của thế kỷ 21, nhiên liệu hiđrô được quảng cáo là một cách để giảm thiểu sự phụ thuộc của Hoa Kì vào dầu mỏ ngoại quốc, chính quyền tổng thống Bush còn gọi đây là “Nhiên liệu tự do”. Nhưng cuộc cách mạng trong công nghệ khai thác dầu tại nước Mỹ đã tạo ra một lượng lớn khí đốt tự nhiên giá thành thấp hơn rất nhiều so với các chương trình nhiên liệu hiđrô nội địa đang còn trong quá trình thai nghén.

Daniel Simmons, thư ký trợ lý về hiệu quả năng lượng và năng lượng tái tạo của Bộ trưởng Bộ Năng lượng Mỹ, kể: “Khi ấy, luận điểm xây dựng nền an ninh năng lượng nhờ vào nhiên liệu hiđrô đã mất đi cái giá trị của nó, nhưng hiđrô là loại nhiên liệu linh hoạt và có thể tạo ra từ nhiều nguồn khác nhau, chính đó là điểm thu hút của nó cho tới tận ngày hôm nay”.

Hầu hết lượng hiđrô được sản xuất tại Mỹ hiện nay đều là hiđrô “xám”, tức là loại khí được tạo ra từ các loại nhiên liệu hóa thạch, trong đó có khí tự nhiên. Phần còn lại thì được tạo ra nhờ phương pháp điện phân nước để phá vỡ liên kết giữa phân tử ôxi và hiđrô. Phương pháp điện phân có thể được cho là sạch nếu nguồn điện được tạo ra từ các năng lượng tái tạo như gió và mặt trời, nhưng giá thành để sản xuất nhiên liệu hiđrô xanh thì hiện vẫn cao trên năm lần so với hiđrô xám. Simmons khẳng định: “Hiện chúng ta rất cần những biện pháp giúp giảm giá thành. Mà chính những dự án hiđrô quy mô cực lớn là một trong số đó”.

Đầu năm nay, Bộ Năng lượng Mỹ đã công bố khoản quỹ 64 triệu USD cho chương trình H2@Scale của mình, đây là chương trình được thiết kế để hỗ trợ công tác nghiên cứu và phát triển của những dự án hiđrô xanh có thể mở rộng. Bộ này hiện cũng đang kêu gọi tập chung vào sáu lĩnh vực nghiên cứu chính, trong đó có kỹ thuật chế tạo bể chứa hiđrô và phát triển pin nhiên liệu cho các phương tiện hạng nặng. Nhưng về mặt sản xuất hiđrô trong thực tế, Bộ Năng lượng vẫn chủ yếu tập chung vào công nghệ điện phân.

Giám đốc văn phòng Công nghệ Hiđrô và Pin nhiên liệu trực thuộc bộ Năng Lượng, Sunita Satyapal, cho biết: “Nhiều máy điện phân đã được đưa vào sử dụng. Để giảm giá thành, chúng ta cũng cần cải thiện hiệu năng của chúng, bởi hầu hết giá thành của hiđrô là nằm ở chi phí điện năng”.

Satyapal cho biết rằng hiện nay, hiệu suất của các máy điện phân đang ở mức 60%, nhưng Bộ Năng lượng Mỹ muốn các công ty tìm ra cách để tăng hiệu năng thành 70%. Đồng thời, họ cũng muốn gấp đôi tuổi thọ trung bình của các máy điện phân lên thành 10 năm hoạt động liên tục, đây là điều cần thiết để đảm bảo rằng loại nhiên liệu này sẽ có giá thành đủ cạnh tranh với hiđrô xám và khí tự nhiên. Bộ Năng lượng Mỹ tin rằng điện phân chính là hướng đi nhanh và sớm đem lại hiệu quả trong việc mở rộng quy mô sản xuất hiđrô, nhưng họ cũng vẫn đang đầu tư vào những hướng đi khác, bao gồm cả những công nghệ tái chế rác thải thành hiđrô. Năm ngoái, bộ này đã trao thưởng 1 triệu USD cho các nhà nghiên cứu tại Đại học Bang Oregon để phát triển một lò phản ứng sử dụng vi khuẩn để sản xuất hiđrô từ sinh khối như thức ăn bỏ đi và các mẩu gỗ nhỏ.

“Tiếp cận theo hướng tái chế rác thải thành hiđrô sẽ mang tính vùng miền và bị giới hạn bởi thành phần và khối lượng rác thải đầu vào có sẵn. Nếu dùng máy điện phân thì ngược lại, bởi hầu hết nguyên liệu vào là nước, thứ gần như ở đâu cũng có. Tuy nhiên cơ hội cho các vùng tận dụng dòng rác thải vẫn còn đó”, Simmons cho biết.

Dẫu vậy, không phải ai cũng tin rằng các giải pháp tái chế rác thành nhiên liệu sẽ đóng góp một phần lớn vào công cuộc mở rộng quy mô dây chuyền sản xuất hiđrô ở Mỹ. Thomas Kock Blank, một nhà phân tích về công nghiệp nặng và vận tải nặng tại Viện nghiên cứu Rocky Moutain (một tổ chức phi lợi nhuận nghiên cứu về năng lượng sạch), cho biết rằng vấn đề cung cấp sao cho đủ rác thải có thể trở thành một rào cản lớn. Ông lấy Thụy Điển và Na Uy làm ví dụ, đây là hai quốc gia đã đầu tư mạnh tay vào các hệ thống biến rác thành năng lượng nhưng lại sớm phải đối mặt với tình trạng thiếu rác thải do nguồn cung yếu. Ngày nay, cả hai nước trên đều đang nhập khẩu rác từ nhiều nơi tại Châu Âu để có thể thỏa mãn đầu vào cho các hệ thống này.

Kock khẳng định: “Tôi không nói rằng đây là một ý tưởng tồi. Điểm tốt chính là được thấy rác mà chúng ta thải ra vẫn còn có ích. Nhưng tôi khó có thể tin rằng nguồn nguyên liệu mà chúng ta có vẫn chưa cân xứng với bức tranh toàn cảnh ấy”.

Cả Kindler lẫn Minzter cũng đều không khẳng định rằng hệ thống tái chế rác của họ là đủ để hỗ trợ cho đà tăng về nhu cầu sử dụng hiđrô. Song họ tin rằng đây chính là loại công nghệ có thể vận hành song song với những kỹ thuật sản xuất hiđrô khác và đồng thời giúp nước Mỹ giải quyết được vấn đề về rác thải.

 

Trung ND