MES LAB MKT
Tóm tắt:
Bài viết này tập trung trình bày một cái nhìn tổng quan về nguồn nhiên liệu hydro, với việc thảo luận về tính chất và tiềm năng thay thế của nó đối với nhiên liệu hoá thạch. Cung cấp thông tin về các phương pháp và công nghệ sản xuất hydro, bao gồm cả công nghệ nhiệt hoá, khí hoá mê-tan, và công nghệ điện phân mới dành cho hydro xanh. Ngoài ra, bài viết giới thiệu về các loại hình sản xuất hydro dựa trên các phương pháp đa dạng và đưa ra một cái nhìn sơ lược về phổ màu hydro. Tiếp theo, tập trung vào các ứng dụng quan trọng của hydro trong lĩnh vực công nghiệp như lọc dầu, sản xuất hóa chất và sản xuất thép. Nhu cầu hydro trong các lĩnh vực mới như giao thông vận tải, ứng dụng nhiệt trong xây dựng, và hệ thống điện và lưu trữ năng lượng cũng được đề cập đến.
1. Giới Thiệu về Hydro và Tiềm Năng Thay Thế Nhiên Liệu Hóa Thạch:
Hydro, là nguồn năng lượng được sử dụng rộng rãi từ thế kỷ 19, đang trở thành lựa chọn ngày càng quan trọng để thay thế nhiên liệu hóa thạch. Với sự ứng dụng đa dạng trong lĩnh vực lọc dầu, sản xuất hóa chất, và sản xuất thép, hydro đang mở rộng vào các ngành khác như giao thông vận tải và hệ thống điện. Các ứng dụng của hydro bao gồm sản xuất năng lượng cho phương tiện qua pin nhiên liệu hydrogen, cung cấp năng lượng cho hệ thống điện linh hoạt, và giảm phát thải CO2 trong ứng dụng nhiệt cho tòa nhà. Hydro cũng có tiềm năng lưu trữ năng lượng dài hạn và đang được triển khai trong nhiều dự án thí điểm trên khắp thế giới. Đặc tính độc đáo của hydro, như hàm lượng năng lượng cao, trọng lượng nhẹ, và khả năng sản xuất công nghiệp, đang tạo ra những lựa chọn mới trong việc giảm khí thải và chuyển đổi sang năng lượng sạch. Mặc dù hydro hiện nay chủ yếu đến từ nguồn nhiên liệu hóa thạch, nhiều nước đang đầu tư vào hydro xanh để giảm khí thải hơn nữa trong tương lai.
2. Phổ Màu Hydro Dựa Trên Phương Pháp Sản Xuất:
Hydro có thể được sản xuất từ các nguồn năng lượng khác nhau như các nguồn nhiên liệu hóa thạch, năng lượng tái tạo, hoặc nước. Tùy thuộc vào nguồn năng lượng được sử dụng, “màu” của hydro sẽ được xác định dựa trên đó (Hình 1). Hiện tại, hydro chủ yếu được sản xuất từ khí tự nhiên và không sử dụng công nghệ CCUS, chiếm khoảng 62% lượng hydro được sản xuất trên thế giới, tương đương với 58 triệu tấn vào năm 2021. Than là nguồn nhiên liệu lớn thứ hai được sử dụng để sản xuất hydro, chiếm tới 19% tổng sản lượng hydro được sản xuất, tập trung chủ yếu tại Trung Quốc. Nguồn nhiên liệu còn lại được sử dụng để sản xuất khí hydro là dầu (dưới 1%). Cũng cần phải đề cập đến 18% lượng hydro được sản xuất là sản phẩm phụ từ quá trình naphtha reforming (quá trình hóa học trong đó naphtha được chuyển đổi để tạo ra các hydrocarbon có giá trị cao hơn, chủ yếu là các loại hydrocarbon aromat hóa như benzene, toluene và xylene. Quá trình này tạo ra các sản phẩm phụ như methane, ethane, propane và butane, cũng như H2, CO và CO2). Hydro sản xuất từ quá trình điện phân nước sử dụng điện chỉ chiếm một phần rất nhỏ, với chỉ 35 nghìn tấn vào năm 2021. Tuy nhiên, khi mà chi phí các nguồn năng lượng tái tạo, đặc biệt là điện mặt trời và điện gió, tiếp tục giảm, đồng nghĩa sẽ ngày càng có nhiều người quan tâm đến việc sử dụng công nghệ điện phân nước để sản xuất hydro, cũng như chuyển đổi hydro thành nhiên liệu hoặc nguyên liệu thô (chẳng hạn như hydrocacbon tổng hợp và amoniac) – vốn phù hợp với cơ sở hạ tầng hiện có hơn nhiên liệu hydro. Vào năm 2021, sản lượng hydro được sản xuất trên toàn thế giới đạt con số 94 triệu tấn, đồng thời phát thải hơn 900 triệu tấn CO2. Lượng hydro được sản xuất này cũng chứa năng lượng tương đương với khoảng 2,5% mức tiêu thụ năng lượng cuối cùng toàn cầu
Ba loại màu được sử dụng phổ biến để mô tả các loại hydro là xám, lam và xanh (Bảng 1).
Bảng 1. Định nghĩa và đặc điểm của hydro xám, lam và xanh ([4], [5])
| Phân loại | Đặc điểm |
| Hydro xám | Sử dụng công nghệ steam reforming/autothermal reforming để sản xuất hydro từ khí tự nhiên hoặc metan. Không thu giữ khí thải được tạo ra từ quá trình sản xuất hydro.Mặc dù sản sinh nhiều khí thải, đây vẫn là hình thức sản xuất hydro phổ biến và rẻ nhất.So sánh với hydro đen và nâu thì hydro xám vẫn có mức độ phát thải thấp hơn đáng kể. |
| Hydro lam | Sử dụng công nghệ steam reforming/autothermal reforming để sản xuất hydro từ khí tự nhiên hoặc metan.Thu giữ và lưu trữ khí thải được tạo ra từ quá trình sản xuất hydro. Khí thải này có thể được sử dụng cho các ứng dụng công nghiệp khác.Là một trong những thành phần chính trong các chiến lược khử cacbon toàn cầu, bởi vì khả năng sản xuất hydro cacbon thấp ở quy mô lớn. |
| Hydo xanh | Sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo để cung cấp năng lượng cho các quá trình điện phân/nhiệt phân/quang phân nước.Là cách thức sản xuất hydro sạch và không phát thải trong suốt toàn bộ quá trìnhChi phí sản xuất vẫn còn caoHiện tại, có khoảng 350 dự án toàn cầu có mục tiêu cải thiện nền kinh tế hydro xanh, và tập trung vào làm cho hydro xanh có thể dễ dàng được tiếp cận hơn [2]. |
Bên cạnh các loại hydro đã được đề cập phía trên thì còn tồn tại một phổ rộng lớn các biến thể màu sắc khác, bao gồm hydro đen, nâu, hồng, vàng, ngọc lam và trắng, được mô tả ở bảng dưới:
Bảng 2. Định nghĩa và đặc điểm của các phổ màu hydro ([4], [5])
| Phân loại | Đặc điểm |
| Hydro đen và nâu | Được sản xuất thông qua công nghệ khí hóa (gastification) than. Đây là phương pháp hoàn toàn đối nghịch với phương pháp điện phân để sản xuất hydro xanh khi phát thải một lượng lớn khí thải.Khí hóa là một phương pháp được sử dụng bởi các ngành công nghiệp khác nhau để chuyển đổi các vật liệu giàu carbon thành hydro và carbon dioxide.Không thu giữ khí thải được tạo ra từ quá trình sản xuất hydro.Là hình thức sản xuất hydro có tác động xấu nhất đối với môi trường. |
| Hydro hồng/tím/đỏ | Sử dụng điện hạt nhân để điện phân nước.Vào năm 2022, một nhà máy điện hạt nhân của Thụy Điển đã ký thỏa thuận thương mại đầu tiên để cung cấp hydro hồng cho công ty khí công nghiệp Linde [6]. |
| Hydro vàng (yellow) | Sử dụng năng lượng mặt trời để điện phân nước.Thuật ngữ “hydro vàng” cũng có thể được sử dụng để mô tả hydro được tạo ra từ quá trình điện phân bằng cách sử dụng hỗn hợp năng lượng tái tạo và nhiên liệu hóa thạch. |
| Hydro vàng (gold) | Được sản xuất bằng phương pháp tự nhiên hoặc thông qua quá trình lên men vi sinh vật trong các giếng dầu cạn.Là phương pháp sản xuất chi phí thấp và kéo dài tuổi thọ của các mỏ dầu bị bỏ hoang.Để đạt được tính trung hòa cacbon bằng phương pháp này, cần thu hồi CO2 trong quá trình sản xuất. |
| Hydro ngọc lam | Dựa trên phương pháp ‘nhiệt phân metan’, liên quan đến việc phá vỡ thành phần hóa học của một chất sử dụng nhiệt để tạo ra hydro và cacbon rắn.Không có khí thải nào được giải phóng vào khí quyển trong quá trình này mà thay vào đó được lưu trữ trong cacbon rắn được tạo ra. |
| Hydro trắng | Hydro tự nhiên được chiết xuất thông qua quá trình khoan vào vỏ trái đất và sử dụng nước, cát và hóa chất để giải phóng hydro.Một cái giếng ở Mali đã cung cấp hydro trắng từ năm 2012 và các dự án thăm dò đang diễn ra ở Brazil, Úc và các khu vực khác trên thế giới.Tác động môi trường của các phương pháp khai thác nên được xem xét. |
3. Sự chuyển dịch sang hydro xanh và mục tiêu đưa phát thải ròng về “0”
Chuyển đổi sang hydro xanh và mục tiêu đưa phát thải ròng về “0” đang trở thành một xu hướng quan trọng để đối mặt với thách thức biến đổi khí hậu. Hiện nay, hydro chủ yếu đến từ nguồn nhiên liệu hóa thạch, tạo ra khoảng 830 triệu tấn CO2 mỗi năm. Để giải quyết vấn đề này, nhiều quốc gia đang đầu tư mạnh vào công nghệ hydro lam, với hy vọng giảm thiểu phát thải. Đồng thời, hydro xanh, được sản xuất từ nguồn năng lượng sạch, đang trở thành một giải pháp hứa hẹn với khả năng giảm sâu hơn nữa về mức phát thải CO2.
Các báo cáo từ IPCC cũng làm nổi bật tính cấp thiết của việc đối phó với biến đổi khí hậu. Tại COP26, hơn 150 quốc gia đã cam kết đưa phát thải ròng về “0”, đồng thời có nhiều quốc gia công bố lộ trình hydro quốc gia nhằm đảm bảo an ninh năng lượng và thúc đẩy tăng trưởng kinh tế bền vững. Cam kết này không chỉ xuất phát từ chính phủ mà còn từ khu vực tư nhân và người tiêu dùng, đặt hydro vào tâm điểm của nỗ lực toàn cầu để đạt được mục tiêu phát thải ròng bằng “0”. Những dự án hydro xanh được triển khai ở nhiều quốc gia, như Châu Âu, Úc, Trung Quốc, Nhật Bản, Anh và Mỹ, là minh chứng cho sự cam kết và sẵn sàng thay đổi trong lĩnh vực năng lượng.
Bảng 3 Các dự án hydro xanh trên toàn cầu
| Quốc gia | Các dự án |
| Đức | Amprion, một nhà vận hành hệ thống truyền tải, và OGE, một nhà vận hành mạng lưới khí đốt, đã đề xuất một kế hoạch đầu tư bao gồm một máy điện phân 100 MW và một đường ống hydro chuyên dụng ở khu vực phía tây bắc nước Đức, có khả năng đi vào hoạt động vào năm 2023 [10].VNG, Uniper, Terrawatt và DBI đang có kế hoạch thành lập một trang trại điện gió có công suất 40 MW, sẽ được kết nối với máy điện phân gần một nhà máy công nghiệp hóa chất ở Đức. Dự án này bao gồm hệ thống lưu trữ 50 tỷ mét khối, một đường ống hydro và khả năng mở rộng lên 200 MW vào năm 2030 [10].Hợp tác với ITM Power từ Vương quốc Anh, Shell đang có kế hoạch ra mắt máy điện phân PEM 10 MW tại nhà máy lọc dầu Wesseling của mình, nằm gần Cologne, vào năm 2020 [11].Mười một dự án nhằm nâng cấp đáng kế công suất máy điện phân để sản xuất hydro xanh đã được chính phủ phê duyệt vào tháng 7 năm 2019 [12]. |
| Hà Lan | Đang có nghiên cứu về một hệ thống máy điện phân 2 GW nằm ở bến cảng Rotterdam [13].Groningen có kế hoạch triển khai hydro trên quy mô lớn, với đề xuất liên quan đến máy điện phân 20 MW dự kiến sẽ được đưa ra vào đầu năm 2020, với quyết định mở rộng tiềm năng lên 60 MW vào cuối năm đó [14]. |
| Áo | Siemens đang cung cấp một máy điện phân PEM 6 MW, được tài trợ bởi Ủy ban châu Âu, ở Linz [15]. |
| Na Uy | Một dự án thí điểm ở Na Uy đang sản xuất nhiên liệu tổng hợp từ CO2 và hydro từ những máy điện phân nhiệt độ cao. Công suất của nhà máy dự kiến sẽ được mở rộng để tạo ra 8 nghìn tấn dầu thô tổng hợp từ 20 MW điện đầu vào [10]. |
| Nhật Bản | Toshiba đã đặt hàng một máy điện phân 10 MW ở Fukushima, liên kết với một dự án PV 20 MW để sản xuất 900 tấn hydro hàng năm cho mục đích di chuyển [10].Chiến lược của Nhật Bản cũng đề cập đến thung lũng pin nhiên liệu Yamanashi, bao gồm đến một cơ sở power-to-gas, kết hợp một đơn vị điện phân PEM 1,5 MW với hệ thống PV 21 MW [10]. |
| Úc | Khu vực Pilbara hiện đang phát triển hệ thống điện mặt trời và điện gió có công suất 15 GW với mục đích cung cấp điện cho ngành công nghiệp khai thác mỏ tại địa phương và tạo ra điện để sản xuất hydro xanh thông qua điện phân [16].Neoen đang có kế hoạch xây dựng một Trung tâm Hydro gần Crystal Brook, bao gồm một máy điện phân 50 MW chạy bằng năng lượng gió và mặt trời.Một kế hoạch được đưa ra để chế tạo một máy điện phân 30 MW ở Port Lincoln, kết hợp với một cơ sở sản xuất ammonia có công suất sản xuất 50 tấn mỗi ngày [17]. |
| Pháp | Trong khoảng thời gian năm năm, dự án Les Hauts de France dự định xây dựng năm đơn vị máy điện phân hydro, mỗi đơn vị có công suất 100 MW [18], [19].Nhà máy Port-Jérôme, được lên kế hoạch đặt bên cạnh nhà máy lọc dầu Exxon, đang được phát triển với mục tiêu cung cấp hydro cho ngành công nghiệp hóa dầu để sử dụng để khử lưu huỳnh hoặc sản xuất phân bón.Dự án Dunkirk liên quan đến việc kết hợp hydro vào mạng lưới phân phối khí đốt tự nhiên để giảm lượng khí thải carbon của khí đốt tự nhiên được sử dụng để sưởi ấm, nấu ăn và di chuyển [20]. |
| Anh | ITM Power đang đặt mục tiêu giảm đáng kể chi phí sản xuất hydro điện phân bằng cách phát triển một thiết kế mới cho một stack điện phân 5 MW với mục tiêu giảm chi phí vật liệu. Ngoài ra, họ có kế hoạch thành lập một nhà máy sản xuất bán tự động có khả năng sản xuất máy điện phân lên đến khoảng 1 GW mỗi năm. Cơ sở này sẽ được sử dụng để hỗ trợ các dự án quy mô lớn từ 100 MW trở lên bằng cách sử dụng một số stack 5 MW. Máy điện phân PEM có thể được sử dụng để tận dụng lượng công suất năng lượng tái tạo lớn lên đến vài GW [21]. |
| Canada | Sử dụng thủy điện, Air Liquide đang có kế hoạch xây dựng máy điện phân PEM lớn nhất thế giới với công suất 20 MW để sản xuất hydro ít carbon [22].RH2C, đặt tại Victoria, British Columbia, dự định sản xuất hydro xanh thông qua điện phân nước chạy bằng năng lượng tái tạo, với năng lượng gió là nguồn chính, được bổ sung bằng thủy điện. Hydro tạo ra có thể được sử dụng có thể là giảm cường độ carbon của lưới điện khí đốt ở Vancouver bằng cách bơm 120 MW hydro vào đường ống dẫn khí đốt tự nhiên, tương đương với việc giảm 10% lượng khí đốt tự nhiên được sử dụng ở Metro Vancouver [23]. |
| Mỹ | Ở California, during trong năm năm tới, SoCalGas và SDG&E đã đề xuất trộn tới 20% hydro trong ống dẫn khí đốt tự nhiên để đốt [24].Tại Florida, một nhà máy hydro xanh 20 MW từ Florida Power & Light dự kiến sẽ hoàn thành vào năm 2023. Hydro được sản xuất sẽ được sử dụng để thay thế một phần khí đốt tự nhiên được sử dụng bởi các tuabin tại nhà máy đốt khí Okeechobee 1,75 GW [24].Tại Utah, vào 2025, việc mở rộng nhà máy điện trị giá 2 tỷ đô la do Intermountain Power Project và Mitsubishi Power dẫn đầu sẽ cho phép nhà máy hoạt động với tỉ lệ trộn lẫn 30% khí đốt tự nhiên / hydro [24]. |
| Trung Quốc | THE là nhà cung cấp máy điện phân alkaline lớn và đã tham gia vào việc lắp đặt hơn 400 nhà máy sản xuất kể từ năm 1994, với công suất sản xuất lên đến 1000 mét khối mỗi giờ. Công ty đã hợp tác với HydrogenPro để thực hiện các dự án sử dụng thiết bị của THE ở cả châu Âu và Mỹ, chẳng hạn như dự án Dunkirk, bao gồm việc xây dựng năm đơn vị sản xuất hydro 100 MW trong khoảng thời gian 5 năm (đã đề cập trước đó).Vào tháng 8 năm 2018, Công ty Suzhou JingLi Hydrogen Production Equipment đã ký kết thỏa thuận hợp tác với Dalian Institute of Chemical Physics để tiến hành nghiên cứu về công nghệ tạo hydro mới thông qua điện phân nước [10].Trọng tâm hiện tại của Trung Quốc vào phát triển hydro dường như chủ yếu liên quan đến việc phát triển các dự án khác nhau liên quan đến công nghệ pin nhiên liệu [10]. |
4. Ứng dụng của hydro trên đa lĩnh vực
4.1 Hydrogen ứng dụng trong công nghiệp
Hydro đóng một vai trò quan trọng trong ba lĩnh vực công nghiệp chính: lọc dầu, hóa chất và sản xuất thép. Tuy nhiên, phương pháp sản xuất hydro hiện nay chủ yếu dựa vào khí đốt tự nhiên, than đá và dầu mỏ, gây ra tác động tiêu cực đối với môi trường. Cần những phương pháp sản xuất hydro ít carbon để giảm thiểu tác động tiêu cực này. Một số lựa chọn thay thế này đã được triển khai, đặc biệt là khi có sự hỗ trợ từ chính sách và khuyến khích kinh tế.
4.1.1 Lọc dầu
Các nhà máy lọc dầu tiêu thụ lượng hydro đáng kể, sử dụng nó để sản xuất nhiều sản phẩm, từ nhiên liệu vận chuyển đến nguyên liệu hóa dầu. Tuy nhiên, phần lớn hydro hiện nay đến từ nguồn nhiên liệu hóa thạch, dẫn đến phát thải CO2 lớn. Đối mặt với yêu cầu ngày càng chặt chẽ về chất lượng dầu, cần thiết phải chuyển sang sản xuất hydro cacbon thấp để giảm phát thải.
4.1.2 Hóa chất
Amoniac và methanol là hai ngành tiêu thụ hydro lớn tiếp theo, chiếm đến 52% tổng nhu cầu hydro. Ngành hóa chất sản xuất lượng lớn hydro từ khí đốt tự nhiên và than đá, gây ra nhiều khí thải CO2. Giảm phát thải có thể đạt được thông qua việc áp dụng công nghệ thu giữ và lưu trữ cacbon, methane reforming khô và steam cracker electrification.
4.1.3 Sản xuất sắt thép
Công nghệ khử sắt trực tiếp sử dụng hydro có lượng tiêu thụ lớn, và nhu cầu thép dự kiến tăng. Cần chuyển đổi sang hydro cacbon thấp trong ngành sản xuất sắt thép, sử dụng nguồn năng lượng và hydro thân thiện với môi trường để giảm khí thải CO2.
4.1.4 Ứng dụng nhiệt trong công nghiệp
Sử dụng hydro trong ứng dụng nhiệt độ cao trong công nghiệp hiện đang hạn chế. Ngành công nghiệp hiện tại chủ yếu sử dụng nguồn nhiên liệu hóa thạch để tạo ra nhiệt độ cao. Cần phải nghiên cứu và áp dụng các phương pháp thay thế, như sử dụng nguyên liệu sinh khối và công nghệ CCUS, để giảm thiểu tác động môi trường của ngành công nghiệp nhiệt.
5. Kết luận
Hydro mang lại nhiều tiềm năng để trở thành nguồn năng lượng phổ biến, hỗ trợ việc đạt được mục tiêu trung hòa cacbon trong lĩnh vực năng lượng trong tương lai. Nhu cầu về hydro không ngừng tăng lên và dự kiến sẽ tiếp tục gia tăng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như công nghiệp, giao thông, thương mại, điện lực và ứng dụng trong xây dựng. Việc chuyển từ sản xuất hydro từ nguồn năng lượng hóa thạch sang hydro xanh từ nguồn tái tạo là quan trọng để giảm ảnh hưởng tiêu cực đối với môi trường. Hydro xanh, với chi phí ngày càng giảm, dự kiến sẽ thay thế các phương pháp truyền thống, giúp nhiều quốc gia nhanh chóng đạt được mục tiêu giảm phát thải CO2, bao gồm cả Việt Nam.
Nguồn: 100re-map.net
