Nguồn: Internet

Nguồn hydro xanh

Hydro “xanh” được tạo ra từ quá trình điện phân nước được cung cấp bởi các nguồn năng lượng không phát thải cacbon như các nguồn năng lượng tái tạo: gió, mặt trời, thủy điện và quá trình sản xuất hydro không phát sinh thêm phát thải CO₂. Công nghệ sản xuất hydro “xanh” không phát thải khí nhà kính có hại ra môi trường tuy nhiên lại tiêu thụ một lượng năng lượng điện rất lớn.

Năng lượng tối thiểu cung cấp cho quá trình điện phân nước theo tính toán lý thuyết là khoảng 237,1 kJ/mol H₂O, tương đương khoảng 33 kWh/kg H₂. Đây cũng được coi là thước đo cho tính hiệu quả cũng như hiệu suất của các công nghệ điện phân nước khác trên thị trường hiện nay. Ví dụ, thiết bị điện phân sử dụng màng trao đổi proton (PEM) đang thu hút nhiều sự chú ý nhờ tính linh hoạt và nhỏ gọn hơn so với công nghệ khác như điện phân dung dịch kiềm. Hiện nay, các bộ điện phân PEM hiện đại nhất có mức tiêu thụ năng lượng thấp, khoảng 55 kWh cho một kg hydro và có thể tối ưu hiệu xuất xuống khoảng 45 kWh/kg trong tương lai.

Mục tiêu trong sản xuất hydro xanh là tận dụng được lượng năng lượng dư thừa từ nguồn năng lượng tái tạo như gió và mặt trời để sản xuất hydro. Hydro xanh sau đó sẽ được lưu trữ, vận chuyển, và sử dụng làm nhiên liệu cho các tuabin khí.

Tuy vậy, để thực hiện điều này là không hề dễ dàng. Giả sử một tuabin khí hiện đại với công suất 400 MWe và hiệu suất LHV 43% sẽ tiêu thụ lượng nhiệt đầu vào là (400/0,43) = 930 MWth. Bỏ qua các thay đổi nhỏ về hiệu suất tuabin khí khi chuyển đổi nhiên liệu từ khí tự nhiên sang 100% đốt hydro, thì lượng hydro tiêu thụ sẽ là (930/120) = 7,75 kg/s H₂ (nhiệt trị hydro là 120 MJ/kg, LHV).

Để sản xuất ra lượng hydro này, một máy điện phân sẽ cần tiêu thụ một lượng điện năng khoảng 55kWh/kg x 7,75 kg/s x 3.600 s/h = 1.535.000 kWe ≈ 1,5 GWe. Con số này lớn gấp gần 4 lần lượng điện năng mà chính tuabin khí trên sản xuất ra, tức hiệu suất tổng của quá trình chuyển đổi năng lượng (RTE – Round Trip Efficiency) từ năng lượng tái tạo – hydro – điện sản suất từ tuabin khí chỉ khoảng 26%. Nếu tuabin khí này vận hành với chu trình hỗn hợp thì công suất sẽ là 586 MW và hiệu suất RTE sẽ khoảng 36% (hiệu suất tinh LHV khoảng 63% trong điều kiện ISO).

Hình 1. Tuabin khí chu trình hỗn hợp hiện đại sử dụng 100% nhiên liệu hydro.[1]

Theo thống kê của Bộ Năng lượng Mỹ (DOE), năm 2020 có 122 GW điện gió được lắp đặt với hệ số công suất 36% và mức cắt giảm 3,4% (lượng năng lượng dư thừa), tương đương 13.000 GWh trên toàn nước Mỹ. Giả sử nhà máy điện tuabin khí đốt hỗn hợp nhiên liệu bao gồm hydro tạo ra bởi 13.000 GWh năng lượng gió dư thừa nêu trên trộn với khí metan theo tỷ lệ 50/50 với hiệu suất không đổi, lượng phát thải CO₂ của nhà máy này sẽ giảm 50% từ khoảng 334 kg/MWh xuống còn 167 kg/MWh, tương đương mức giảm 1,6 triệu tấn CO₂ mỗi năm. Mức giảm trên tương đương với 1,6 triệu tấn CO2 mỗi năm và bằng 0,03% tổng lượng khí nhà kính thải ra vào năm 2020 (5,222 tỷ tấn CO2 tương đương) theo dữ liệu của Cục bảo vệ môi trường Mỹ (EPA).

Kết quả tính toán trên cũng không có nhiều thay đổi ngay cả khi bổ sung thêm năng lượng mặt trời dư thừa vào tổng nguồn năng lượng tái tạo dư thừa. Theo Cơ quan Quản lý Thông tin Năng lượng (EIA), bang California đã cắt giảm 1,5 triệu MWh điện mặt trời dư thừa trong năm 2020, chiếm 5% tổng sản lượng điện mặt trời.

Theo Statista.com, đến năm 2030 sản lượng điện gió hàng năm dự kiến sẽ đạt khoảng 700 – 1000 tỷ kWh. Giả sử tỷ lệ cắt giảm điện gió là 5% thì lượng điện cắt giảm là vào khoảng 35.000 – 50.000 GWh, cao hơn 3 – 4 lần so với mức năm 2020. Nếu công nghệ điện phân phát triển đạt 50kWh/kg và hiệu suất trung bình hàng năm của tuabin khí chu trình hỗn hợp được cải tiến đạt 60% thì 20 triệu MWh điện sẽ được tạo ra từ 100% nhiên liệu hydro xanh. Nhờ đó sẽ làm giảm 6,5 triệu tấn CO₂ phát thải hàng năm, tương đương với 0,13% tổng lượng khí nhà kính phát thải của Mỹ năm 2020 hay tương đương với 0,52% tổng lượng khí nhà kính phát ra từ sản xuất điện trên toàn cầu.

Như vậy, ngay cả khi 100% lượng hydro xanh được sản xuất từ toàn bộ lượng điện gió bị cắt giảm ở Mỹ được dự báo tới năm 2030 được dùng để phát điện thì việc này vẫn không thay đổi đáng kể tình hình hiện nay. Mặt khác, theo EPA, lượng phát thải khí nhà kính của Mỹ vào năm 2020 đã giảm gần 20% từ mức đỉnh điểm vào năm 2005. Nguyên nhân chính dẫn đến mức giảm này chủ yếu đến từ việc thay thế sản xuất điện từ đốt than sang sử dụng khí tự nhiên.

Hydro xám

Sản xuất hydro thông qua phương pháp chưng cất metan trong khí tự nhiên (SMR – Steam Methane Reforming) là công nghệ đã được phát triển lâu đời và được sử dụng rộng khắp trên toàn thế giới trong lĩnh vực hóa chất (ví dụ như sản xuất amoniac) và trong lọc hóa dầu. Hiện nay, hơn 75% lượng hydro trên thế giới được sản xuất bằng phương pháp này.

Về mặt lý thuyết, mỗi kg hydro được sản xuất thông qua phương pháp SMR sẽ phát thải 5,5kg CO2 từ các phản ứng hóa học. Tuy nhiên, việc đốt nhiên liệu cấp nhiệt cho quá trình SMR cũng sẽ thải ra một lượng CO₂ tương tự. Do đó cuối cùng để sản xuất 1kg hydro sẽ thải ra môi trường từ 9,2 – 11kg CO2.

Để so sánh, đối với nhà máy điện tuabin khí chu trình hỗn hợp sử dụng khí tự nhiên với hiệu suất LHV ~60%, lượng phát thải CO₂ là khoảng 333 kg/MWh, thấp hơn gần 25% so với khi đốt bằng 100% hydro xám (có tính đến lượng CO2 tạo ra bằng quá trình SMR). Như vậy, đốt khí tự nhiên trực tiếp trong nhà máy điện chu trình hỗn hợp thay vì sử dụng nó để sản xuất hydro thông qua SMR sẽ giúp giảm phát thải CO2 đến 25%.

Hydro “xanh lam” (SMR+CCS)

Để tham gia vào quá trình trung hòa cacbon, các nhà máy sử dụng công nghệ SMR có thể được trang bị thêm hệ thống thu hồi và lưu trữ cacbon (CCS – Carbon Capture and Storage) để sản xuất hydro “xanh lam”. Với hệ thống CCS có khả năng thu hồi 90% CO2, lượng khí thải CO2 tạo ra là khoảng 44 kg/MWh (bỏ qua mọi tổn thất giữa SMR và tuabin khí). Nhỏ hơn nhiều so với việc sản xuất hydro xám.

Mặc dù lượng phát thải CO₂ giảm đáng kể khi sử dụng Hydro xanh lam, cũng cần xem xét thêm trường hợp nhà máy điện tuabin khí chu trình hỗn hợp đốt khí tự nhiên được trang bị thêm hệ thống thu hồi CO₂ sau quá trình đốt với tỷ lệ thu hồi 90%. Với trường hợp này, lượng khí thải CO₂ của nhà máy điện sẽ giảm xuống còn 33 kg/MWh, thấp hơn gần 30% so với trường hợp sử dụng hydrogen xanh lam kết hợp với CCS.

Tuy nhiên, cần đánh giá kỹ thêm về chi phí đầu tư/vận hành (CAPEX/ OPEX) của cả hai phương án sử dụng hydro xanh lam trước khi đưa ra quyết định lựa chọn công nghệ nào tốt hơn. Việc thu hồi CO2 từ khí thải của nhà máy điện tuabin khí chu trình hỗn hợp ở áp suất khí quyển cần thiết bị lớn hơn và đắt tiền hơn, đồng thời tiêu thụ nhiều năng lượng hơn do nồng độ CO₂ thấp (khoảng 4,5% theo thể tích) và lưu lượng khói thải cao.

Việc so sánh về mặt kinh tế giữa hai phương án trên là khá khó khăn và chưa hoàn toàn chính xác. Do hiện nay còn nhiều các yếu tố không chắc chắn và rủi ro đối với các thiết bị và hạ tầng chính cho hệ thống này như máy nén hydro, lưu trữ và vận chuyển hydro, lưu trữ và tận dụng CO₂. Do vậy, cần có các nghiên cứu và thiết kế chi tiết hơn do các nhà thầu và OEM uy tín thực hiện để có được thông tin rõ ràng hơn về chi phí và tính khả thi.

Có thể thấy rằng, việc sử dụng hydro để làm nhiên liệu cho các nhà máy điện tuabin khí còn nhiều thách thức. Đối với hydro xanh, hiệu suất chuyển đổi năng lượng RTE chỉ ở mức 26 – 36% là một thách thức lớn có thể gây tăng giá điện. Hơn nữa, việc sử dụng hydro xanh cũng không góp phần đáng kể vào giảm phát thải khí nhà kính do chiếm tỷ trọng thấp. Đối với hydro xanh lam, một số tính toán sơ bộ như đã trình bày ở trên cho thấy tiềm năng của việc sử dụng nhiên liệu này trong sản xuất điện. Tuy nhiên, cần phải có các nghiên cứu chi tiết hơn về công nghệ cũng như chi phí để có thể đánh giá được một cách chính xác tính khả thi của công nghệ này.

Lược dịch: Phạm Quốc Việt

Tham khảo:

[1] GTW (2023), Gas Turbine World 2023 GTW Handbook.