Sự phát triển không ngừng của dân số và quá trình đô thị hóa nhanh chóng đã dẫn đến sự gia tăng đáng kể về nhu cầu năng lượng. Hiện nay, mức độ tiêu thụ năng lượng toàn cầu là khoảng 15 TW/năm. Theo ước tính, nhu cầu năng lượng toàn cầu sẽ tăng lên gấp hai lần (khoảng 30 TW/năm) vào năm 2050 và tăng gấp hơn 3 lần (khoảng 50 TW/năm) vào những năm cuối của thế kỷ 21 [4]. Theo số liệu thống kê năm 2019 trên tạp chí Forbes, 84% năng lượng tiêu thụ đến từ nguồn năng lượng hóa thạch (hình 1.1).
Hình 1.1. Biểu đồ minh họa tỉ lệ tiêu thụ các nguồn năng lượng toàn cầu năm 2019 [5]
Than đá, dầu mỏ và khí đốt tự nhiên tuy có nhiều ưu điểm như dễ bảo quản, vận chuyển nhưng chúng không phải là những nguồn nhiên liệu có thể tái tạo được. Đồng thời, sự phân bố không đều của các nhiên liệu hóa thạch trên Trái Đất cũng giới hạn khả năng khai thác và sử dụng của chúng. Mặt khác, việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch làm nguồn cung cấp năng lượng chính phát thải ra một lượng lớn khí CO2 và các khí gây hiệu ứng nhà kính khác. Đây được xem là nguyên nhân chính của hiện tượng nóng lên toàn cầu. Do đó, xu hướng hiện nay là giảm thiểu việc tiêu thụ các
8
nguồn nhiên liệu hóa thạch, dần thay thế chúng bằng các nguồn năng lượng sạch, thân thiện với môi trường để hướng tới sự phát triển bền vững. Các nguồn năng lượng tái tạo (năng lượng mặt trời, năng lượng gió, địa nhiệt, …) có vai trò chủ chốt trong xu hướng này. Tuy nhiên, thách thức lớn nhất khi sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo này là tính không ổn định và không liên tục (ví dụ: khả năng khai thác năng lượng mặt trời thay đổi theo giờ trong ngày, theo ngày và theo mùa) [6]. Giải pháp cho vấn đề này là chuyển đổi các nguồn năng lượng tái tạo sang một dạng năng lượng có thể tích trữ, vận chuyển đến nơi tiêu thụ và sử dụng dễ dàng. Trong bối cảnh đó, H2 là chất mang năng lượng hàng đầu được lựa chọn thỏa mãn tất cả các yêu cầu trên [7]. Năng lượng từ ánh sáng mặt trời là nguồn năng lượng tái tạo lớn nhất mà con người biết tới. Năng lượng mặt trời chiếu xuống bề mặt trái đất trong một năm là khoảng 89,300 TW. Tức là chỉ trong khoảng 1,5 giờ năng lượng mặt trời chiếu xuống tương ứng với mức năng lượng tiêu thụ trong một năm trên phạm vi toàn cầu [4]. Vì vậy, khai thác nguồn năng lượng này là một giải pháp hoàn hảo đáp ứng đồng thời nhu cầu năng lượng ngày càng tăng của nhân loại và hướng tới sự phát triển bền vững. Năng lượng mặt trời có thể được chuyển hóa thành năng lượng hóa học tích lũy trong các phân tử H2 thông qua quá trình quang điện phân nước. Do đó công nghệ sản xuất nhiên liệu H2 từ nước và năng lượng mặt trời đang tích cực được nghiên cứu trên phạm vi toàn cầu.