NGUYỄN HỮU TÀI
NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG ĐA DẠNG HÓA NGUYÊN LIỆU HYDRO TỪ CÁC NGUỒN NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO CHO NHÀ MÁY ĐẠM
CÀ MAU
DIVERSIFICATION OF HYDROGEN FEEDSTOCK FROM RENEWABLE SOURCES FOR CA MAU FERTILIZER PLANT
Chuyên ngành: KỸ THUẬT HÓA DẦU VÀ LỌC DẦU Mã số: 8520305
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Trang 2Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG-HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS Nguyễn Hữu Lương
Chữ ký:
TS Đào Thị Kim Thoa Chữ ký:
Cán bộ chấm nhận xét 1 : TS Nguyễn Mạnh Huấn
Chữ ký:
Cán bộ chấm nhận xét 2 : TS Nguyễn Thành Duy Quang
Chữ ký:
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày 14 tháng 07 năm 2023
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: 1 Chủ tịch: PGS.TS Phan Minh Tân
2 Thư ký: TS Hồ Quang Như
3 Phản biện 1: TS Nguyễn Mạnh Huấn 4 Phản biện 2: TS Nguyễn Thành Duy Quang 5 Uỷ viên: PGS.TS Ngô Thanh An
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)
Trang 3ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: Nguyễn Hữu Tài MSHV: 1970639
Ngày, tháng, năm sinh: 15-10-1995 Nơi Sinh: TP Hồ Chí Minh
Chun ngành: Kỹ Thuật Hóa Dầu và Lọc dầu Mã số: 8520305
I TÊN ĐỀ TÀI:
NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG ĐA DẠNG HÓA NGUYÊN LIỆU HYDRO TỪ CÁC NGUỒN NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO CHO NHÀ MÁY ĐẠM CÀ MAU
DIVERSIFICATION OF HYDROGEN FEEDSTOCK FROM RENEWABLE SOURCES FOR CA MAU FERTILIZER PLANT
NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
Nhiệm vụ và nội dung của luận văn thạc sĩ này bao gồm:
- Tìm hiểu tổng quan về khí Hydro, các phương pháp sản xuất, lưu trữ và xu hướng sử
dụng năng lượng từ khí Hydro Tìm hiểu về các dạng năng lượng tái tạo hiện nay đang được sử dụng trên thế giới và các dạng năng lượng tái tạo tại Việt Nam
- Tìm hiểu về cơng nghệ Steam Reforming sản xuất Hydro tại nhà máy Đạm Cà Mau,
đọc bản vẽ PFD, Datasheet về các thiết bị liên quan đến quy trình, công nghệ sản xuất này
- Đánh giá, so sánh các phương pháp sản xuất Hydro từ các nguồn năng lượng tái tạo
cho nhà máy Đạm Cà Mau
- Xây dựng mơ hình tính tốn của cơng nghệ sản xuất Hydro theo định hướng sử dụng
Trang 4II NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 15/01/2023
III NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 15/06/2023 IV CÁN BỘ HƯỚNG DẪN:
1 TS Nguyễn Hữu Lương 2 TS Đào Thị Kim Thoa
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)
TP HCM, ngày … tháng … năm 20…
CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO
(Họ tên và chữ ký)
TS Nguyễn Hữu Lương TS Đào Thị Kim Thoa TS Phạm Hồ Mỹ Phương
TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT HOÁ HỌC
Trang 5LỜI CẢM ƠN
Trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hồn thiện luận văn, tơi đã nhận được nhiều sự động viên khuyến khích, giúp đỡ nhiệt tình của các Thầy Cơ bộ mơn Kỹ Thuật Hố Dầu – Khoa Kỹ Thuật Hoá Học – Trường Đại học Bách Khoa (Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh) và Viện Dầu khí Việt Nam
Lời đầu tiên, Tơi xin bày tỏ lịng cảm ơn sâu sắc đến TS Nguyễn Hữu Lương và TS Đào Thị Kim Thoa, người đã trực tiếp hướng dẫn, tận tình chỉ bảo, giúp đỡ tôi tiến hành các hoạt động nghiên cứu khoa học để hoàn thành luận văn này một cách hồn thiện nhất
Thứ hai, tơi xin bày tỏ lòng cảm ơn chân thành đối với các Thầy Cơ giáo bộ mơn Kỹ Thuật Hố Dầu – Khoa Kỹ Thuật Hố Học và phịng Sau đại học Trường Đại học Bách Khoa đã tạo điều kiện, hướng dẫn và đóng góp ý kiến cho tơi trong suốt q trình học tập và hồn thành luận văn thạc sĩ này
Bên cạnh đó, tơi xin gửi lời cảm ơn đến các anh chị thuộc Viện Dầu khí Việt Nam đã cung cấp các số liệu thiết kế và thực tế của nhà máy Đạm Cà Mau để giúp tôi hồn thành luận văn
Cuối cùng, tơi cũng xin gửi lời cảm ơn gia đình, bạn bè và đồng nghiệp đã ln động viên, khích lệ tinh thần tơi trong suốt quá trình thực hiện luận văn thạc sĩ
Trong q trình thực hiện đề tài, tơi đã cố gắng hoàn thiện luận văn này một cách tốt nhất Tuy nhiên, luận văn không thể tránh khỏi những thiếu sót, tơi rất mong nhận được ý kiến đóng góp chân thành của quý Thầy Cô và các bạn Đây sẽ là kinh nghiệm q báu giúp tơi hồn thiện hơn các cơng trình nghiên cứu sau này
Trang 6TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
Tại Nhà máy Đạm Cà Mau, Hydro xám được sản xuất thơng qua quy trình Reforming hơi nước do Haldor Topsoe (Đan Mạch) cấp phép và sử dụng chủ yếu
trong quá trình tổng hợp Ammonia (NH3) nguyên liệu chính để sản xuất sản phẩm
Urea Hiện nay, khí thiên nhiên ngun liệu cho q trình này được cung cấp từ việc khai thác các mỏ khí ven biển ngoài khơi thềm lục địa Tây Nam Việt Nam đang dần cạn kiệt và có sự thay đổi tỉ lệ thành phần các cấu tử Để đảm bảo tính bền vững của Nhà máy cũng như duy trì ổn định các thông số và hiệu suất vận hành của Nhà máy, vấn đề đa dạng hóa nguồn nguyên liệu đang được nghiên cứu cùng với việc tích hợp sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo vào trong quá trình sản xuất Trong phạm vi nghiên cứu của luận văn thạc sĩ này tập trung vào việc tìm hiểu và đánh giá các phương pháp sản xuất Hydro nguyên liệu từ các nguồn năng lượng tái tạo tại địa phương và thực hiện mơ hình tính tốn để đánh giá thông số vận hành khi thay đổi nguồn nguyên liệu Hydro tại nhà máy Đạm Cà Mau
ABSTRACT
At Ca Mau Fertilizer Plant, Gray Hydrogen is produced and used mainly in the
synthesis of Ammonia (NH3), which is the main feedstock for the progress of
Trang 7LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan luận văn thạc sĩ ngành Kỹ thuật Hoá Dầu và Lọc Dầu, với đề tài “Nghiên cứu khả năng đa dạng hoá nguyên liệu Hydro từ các nguồn năng lượng tái tạo cho nhà máy Đạm Cà Mau” là cơng trình khoa học do Tơi thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS Nguyễn Hữu Lương và TS Đào Thị Kim Thoa
Luận văn có sử dụng một số thơng tin, hình ảnh, số liệu từ các nguồn như: bài báo khoa học, tạp chí, báo điện tử, website,… được chú thích và liệt kê trong danh mục tài liệu tham khảo
Những kết quả nghiên cứu của luận văn hoàn toàn trung thực và được thực hiện bởi chính tác giả
TP HCM, tháng 07 năm 2023
Học Viên (Ký tên, ghi họ tên)
Trang 8MỤC LỤC
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ i
LỜI CẢM ƠN i
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ ii
ABSTRACT ii
LỜI CAM ĐOAN iii
MỤC LỤC iv
DANH MỤC HÌNH ix
DANH MỤC BẢNG xi
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT xiii
CHƯƠNG 1: LỜI MỞ ĐẦU 1
CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ HYDRO VÀ NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO 3
2.1 Tổng Quan Về Hydro 3
2.1.1 Giới thiệu chung về Hydro 3
2.1.2 Các ứng dụng của Hydro hiện nay 5
2.1.3 Thị trường giao dịch trên thế giới của Hydro 7
2.1.4 Đánh giá sơ bộ các hướng cơng nghệ có thể sản xuất Hydro hiện nay 10
2.1.5 Các phương pháp cơ bản để sản xuất Hydro 12
Hoá nhiệt nhiên liệu Hydrocarbon 12
Điện phân nước 14
Phương pháp sinh học 15
2.1.6 Lưu trữ Hydro 16
Lưu trữ Hydro dưới dạng khí nén áp suất cao 16
Lưu trữ Hydro dưới dạng khí hố lỏng 16
Lưu trữ Hydro nhờ hấp phụ hoá học 16
Lưu trữ Hydro trong các hydrua kim loại 17
Lưu trữ Hydro trong các ống carbon nano rỗng 17
Trang 92.1.7 Xu hướng và thách thức của Hydro trong tương lai 18
Xu hướng chuyển dịch năng lượng trong tương lai 18
Chuỗi giá trị Hydro từ khi sản xuất đến ứng dụng Hydro 21
Những vấn đề và các thách thức cần giải quyết khi phát triển công nghệ Hydro tại Việt Nam 22
2.2 Tổng Quan Về Các Nguồn Năng Lượng Tái Tạo 25
2.2.1 Năng Lượng Tái Tạo 26
2.2.2 Các Nguồn Năng Lượng Tái Tạo Đang Phát Triển Tại Việt Nam 27
Năng lượng gió 27
Năng lượng mặt trời 30
Thuỷ điện 33
Năng lượng sinh khối 36
CHƯƠNG 3: GIỚI THIỆU VỀ NHÀ MÁY ĐẠM CÀ MÀU 39
3.1 Tổng quan về nhà máy Đạm Cà Mau 39
3.1.1 Lịch sử hình thành và phát triển 39
3.1.2 Giới thiệu về Hydro nguyên liệu tại nhà máy DCM 42
3.2 Công nghệ sản xuất Hydro hiện hữu tại nhà máy Đạm Cà Mau 43
3.2.1 Công nghệ Steam Reforming của Haldor Topsoe [17, 18] 43
3.2.2 Các quá trình của phân đoạn Steam Reforming tại Đạm Cà Mau 44
Quá trình khử lưu huỳnh[17] 45
Quá trình Steam Reforming 46
Quá trình chuyển hố CO 48
CHƯƠNG 4: CƠNG NGHỆ SẢN XUẤT HYDRO TỪ CÁC NGUỒN TÁI TẠOVÀ ĐÁNH GIÁ TIỀM NĂNG ỨNG DỤNG TẠI NHÀ MÁY ĐẠM CÀ MAU 51
4.1 Tổng quan các phương pháp sản xuất Hydro có thể ứng dụng tại nhà máy Đạm Cà Mau 52
Trang 10Điện phân dung môi kiềm (Alkaline Electrolysis) 52
Điện phân sử dụng màng trao đổi proton (Proton Exchange Membrane - PEM Electrolysis) 54
Điện phân sử dụng điện cực bằng Oxide rắn (Solid Oxide Electrolyser Cells – SOEC Electrolysis) 55
Điện phân sử dụng màng trao đổi anion (Anion Exchange Membrane - AEM electrolysis) [23-25] 56
4.1.2 Phương pháp khí hố sinh khối 57
4.2 Các tiêu chí đánh giá tiềm năng ứng dụng các nguồn năng lượng tái tạo tại Đạm Cà Mau 60
4.2.1 Nguyên liệu 60
Điện năng sử dụng cho các phương pháp điện phân 60
Nguồn nước sử dụng cho các phương pháp điện phân 63
Nguồn Sinh khối 63
4.2.2 Hiệu suất của các phương pháp sản xuất Hydro 65
4.2.3 Độ trưởng thành công nghệ của các phương pháp sản xuất Hydro 67
4.2.4 Chi phí đầu tư và các thông số kinh tế - kỹ thuật 69
Điện gió trên bờ 69
Điện gió ngồi khơi 70
Điện mặt trời 71
4.2.5 Tác động đến mơi trường của chương trình phát triển năng lượng tái tạo 73
Vấn đề thay đổi mục đích sử dụng đất 73
Vấn đề về chất thải rắn và chất thải nguy hại 74
Vấn đề ảnh hưởng sinh thái và đa dạng sinh học 74
Trang 11CHƯƠNG 5: PHƯƠNG PHÁP XÂY DỰNG MƠ HÌNH CƠNG NGHỆ SẢN
XUẤT HYDRO Ở ĐẠM CÀ MAU 79
5.1 Mục đích của mơ hình tính tốn excel 79
5.2 Cân bằng vật chất và năng lượng của các quá trình 80
5.2.1 Dữ liệu về nguyên liệu và nhiệt động học q trình 80
5.2.2 Tính tốn cân bằng vật chất của mơ hình 81
5.2.3 Tính tốn cân bằng năng lượng của mơ hình 85
5.3 Giới thiệu tổng quan về mơ hình tính tốn dựa trên phần mềm Excel 88
CHƯƠNG 6: ĐÁNH GIÁ, SO SÁNH KẾT QUẢ MƠ HÌNH SO VỚI SỐ LIỆU THIẾT KẾ CỦA Q TRÌNH SẢN XUẤT HYDRO TẠI ĐẠM CÀ MAU 97
6.1 Tiêu chuẩn đánh giá, so sánh kết quả của mô hình tính tốn 97
6.2 Đánh giá so sánh các q trình trong mơ hình 97
6.2.1 Q trình khử lưu huỳnh và Reforming 97
6.2.2 Quá trình chuyển hoá CO 100
CHƯƠNG 7: ĐÁNH GIÁ NHU CẦU HYDRO CỦA NHÀ MÁY KHI BỔ SUNG NGUỒN HYDRO TÁI TẠO 102
7.1 Đánh giá khả năng tích hợp Hydro tái tạo tại nhà máy Đạm Cà Mau 102
7.1.1 Phương pháp điện phân 102
7.1.2 Về nguồn năng lượng tái tạo cung cấp cho điện phân 103
7.1.3 Phương pháp khí hố sinh khối 104
7.2 Phương án đa dạng hoá nguồn nguyên liệu Hydro cho Đạm Cà Mau 105
7.2.1 Phương án đa dạng hoá nguồn nguyên liệu Hydro, tích hợp sử dụng Hydro tái tạo cho Đạm Cà Mau 105
7.2.2 Chi phí và hiệu quả kinh tế 107
7.2.3 Sử dụng mơ hình tính tốn để khảo sát sơ bộ khi tích hợp Hydro tái tạo vào nhà máy Đạm Cà Mau 109
CHƯƠNG 8: KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ 118
8.1 Kết luận 118
8.2 Khuyến nghị 119
Trang 13DANH MỤC HÌNH
Hình 2.1: Chuỗi giá trị úng dụng của nhiên liệu Hydro [3] 5
Hình 2.2: Tỉ lệ nguồn nguyên liệu đã được sản xuất và các ngành ứng dụng của Hydro 8
Hình 2.3: Chi phí tương đối để sản xuất các nhóm Hydro vào năm 2020 và dự báo đến năm 2030-2050 [6] 9
Hình 2.4: Một chiếc xe tải Hyundai chạy bằng pin nhiên liệu hydro tại Luzern, Thụy Sĩ ngày 7/10/2020 [11] 20
Hình 2.5: Lượng năng lượng tiêu thụ tồn cầu giai đoạn 1990-2040 27
Hình 2.6: Một Turbin điện giá bao gồm lưỡi quạt, hộp động cơ, tháp chống và móng đỡ 28
Hình 2.7: Tiềm năng lý thuyết về điện gió trên bờ và điện gió ngồi khơi [13] 30
Hình 2.8: Hiệu ứng Quang Điện hấp thụ năng lượng mặt trời 32
Hình 2.9: Sản lượng điện mặt trời trên thế giới giai đoạn 1990-2050 33
Hình 2.10: Chu kỳ vịng tuần hồn nước 34
Hình 2.11: Sơ đồ minh hoạ cơ cấu của một cơ sở thuỷ điện 35
Hình 2.12: Chu trình chuyển hố sinh khối 36
Hình 2.13: Tỷ trọng nguồn sinh khối trong tổng tiềm năng lý thuyết năm 2030 [13] 38
Hình 3.1: Mơ hình phân bố các phân xưởng tại DCM 41
Hình 3.2: Quy trình sản xuất sản phẩm tại nhà máy DCM 41
Hình 3.3: Sự thiếu hụt nguồn cung khí thiên nhiên đối với nhà máy Đạm Cà Mau được dự báo đến năm 2040 43
Hình 3.4: Cơng nghệ Steam Reforming của Haldor Topsoe 44
Hình 3.5: Sơ đồ cơng nghệ của q trình khử lưu huỳnh 45
Hình 3.6: Sơ đồ cơng nghệ q trình Steam Reforming 47
Hình 3.7: Sơ đồ cơng nghệ q trình chuyển hố CO 49
Hình 4.1: Ngun lý hoạt động của phương pháp điện phân dung môi kiềm 53
Trang 14Hình 4.3: Nguyên lý hoạt động của phương pháp điện phân sử dụng điện cực bằng
oxide rắn 55
Hình 4.4: Nguyên lý hoạt động của phương pháp điện phân sử dụng màng trao đổi anion 56
Hình 4.5 Sơ đồ quá trình sản xuất Hydro bằng phương pháp khí hố sinh khối [27] 58
Hình 5.1: Sơ đồ tổng quát phương pháp thực hiện mơ hình tính tốn 79
Hình 5.2: Sơ đồ cân bằng vật chất dịng cơng nghệ 82
Hình 5.3: Sơ đồ dịng năng lượng cung cấp cho các quá trình 88
Hình 5.4: Danh mục các Sheet trong mơ hình tính tốn 89
Hình 5.5: Thơng số các dịng ngun liệu đầu vào 90
Hình 5.6: Thơng số vận hành của các dịng cơng nghệ 90
Hình 5.7: Hình minh hoạ mơ hình tính tốn bằng Excel 91
Hình 5.8: Bảng tính tốn các giai đoạn từ ngun liệu đến HDS 94
Hình 5.9: Cơng cụ Macros để giả sử các giá trị Z Factor 94
Hình 5.10: Cơng cụ VBA kết hợp Solver để tính thiết bị HDS 95
Hình 5.11: Bảng kết quả tổng quát của quá trình 96
Trang 15DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1: Bảng giới thiệu các nhóm Hydro tương ứng với các phương pháp sản xuất.
8
Bảng 2.2: Bảng so sánh các hướng sản xuất Hydro [7] 10
Bảng 2.3: Tiềm năng kỹ thuật của thuỷ điện theo khu vực 36
Bảng 4.1: Tiềm năng kỹ thuật điện gió ngồi khơi theo các vùng [13] 61
Bảng 4.2: Tiềm năng kỹ thuật điện gió trên đất liền theo vùng [13] 62
Bảng 4.3: Tiềm năng kỹ thuật Điện Mặt Trời mặt đất tại Việt Nam (Tháng 2/2021) 62
Bảng 4.4: Sản lượng và sự phân bố khu vực của các phụ phế phẩm nông nghiệp 64
Bảng 4.5: So sánh 4 phương pháp điện phân nước sản xuất Hydro [21] 65
Bảng 4.6: Bảng tổng hợp hiệu suất các công nghệ sản xuất Hydro 67
Bảng 4.7: Bảng so sánh Chi phí quy dẫn các dạng năng lượng tái tạo được dự báo giai đoạn 2030 – 2050 72
Bảng 4.8: Tổng hợp cơ chế khuyến khích phát triển điện tái tạo 75
Bảng 4.9: Cơ chế khuyến khích khác cho dự án điện tái tạo nối lưới 76
Bảng 5.1: Thành phần dòng khí nguyên liệu cho phân xưởng Ammonia 80
Bảng 5.2: Tổng quát thành phần trước và sau phản ứng 84
Bảng 6.1: Giới hạn sai số cho phép của mơ hình tính tốn 97
Bảng 6.2: Kết quả tính tốn của dịng ra q trình khử lưu huỳnh và vào thiết bị Reforming sơ cấp 98
Bảng 6.3: Kết quả tính tốn của dịng ra thiết bị Reforming sơ cấp 98
Bảng 6.4: Kết quả tính tốn của dịng ra thiết bị Reforming thứ cấp 99
Bảng 6.5: Kết quả mơ hình tính tốn của nhiệt lượng trao đổi của quá trình Reforming 99
Bảng 6.6: Kết quả tính tốn của dịng ra thiết bị chuyển hố CO nhiệt độ cao 100
Bảng 6.7: Kết quả tính tốn của dịng ra thiết bị chuyển hố CO nhiệt độ thấp 100
Bảng 6.8: Kết quả mô hình tính tốn của nhiệt lượng trao đổi của q trình chuyển hố CO 101
Trang 17DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
Từ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt
API American Petroleum Institute Viện Dầu khí Hoa Kỳ
ARENA Australia Renewable Energy
Agency Cơ quan Năng lượng Tái tạo Úc
DCM - Đạm Cà Mau
DEA Denmark Energy Agency Cơ quan Năng lượng Đan Mạch
DPPA Direct Power Purchase Agreement Cơ chế bán điện trực tiếp
ĐBSCL - Đồng Bằng Sông Cửu Long
FCEV Fuel Cell Electric Vehicles Xe điện pin nhiên liệu
IEA International Energy Agency Cơ quan Năng lượng Quốc tế
IRENA International Renewable Energy
Agency
Cơ quan Năng lượng Tái tạo Quốc tế
LCOH Levelized Cost of Hydrogen Chi phí sản xuất Hydrogen
LCOE Levelized Cost of Energy Chi phí sản xuất năng lượng
NASA National Aeronautics and Space
Administration Cơ quan Không gian Hoa Kỳ
NREL National Renewable Energy
Laboratory
Phịng thí nghiệm năng lượng tái tạo quốc gia tại Mỹ
PAC Provisional Acceptance Certificate Giấy chứng nhận chấp nhận tạm
thời
PVN Petro Vietnam Tập đồn Dầu khí Quốc gia
Việt Nam
Trang 18CHƯƠNG 1: LỜI MỞ ĐẦU
Năng lượng tái tạo hay năng lượng tái sinh là năng lượng từ những nguồn liên tục mà theo chuẩn mực của con người là vô hạn như: năng lượng mặt trời, gió, mưa, thủy triều, sóng và địa nhiệt Nguyên tắc cơ bản của việc sử dụng năng lượng tái sinh là tách một phần năng lượng từ các quy trình diễn biến liên tục trong mơi trường và đưa vào trong các sử dụng kỹ thuật Các nguồn năng lượng tái tạo mới (sinh khối hiện đại, gió, mặt trời, địa nhiệt, và nhiên liệu sinh học) chiếm thêm 3% và đang phát triển nhanh chóng Ở cấp quốc gia, có ít nhất 30 quốc gia trên thế giới đã sử dụng năng lượng tái tạo và cung cấp hơn 20% nhu cầu năng lượng của họ [1] Các thị trường năng lượng tái tạo cấp quốc gia được dự đoán tiếp tục tăng trưởng mạnh trong thập kỷ tới và sau đó nữa
Hydro cũng là một dạng năng lượng tái tạo mới, đang được nghiên cứu mạnh mẽ vì tính dồi dào và khả năng thân thiện với mơi trường Nó là nhiên liệu sạch nhất vì khí
thải sinh ra trong q trình cháy chỉ là nước, khơng có CO2, khơng có các khí thải
khác
Hiện nay, tại Việt Nam Hydro được sử dụng nhiều trong các ngành công nghiệp, trong đó có ngành cơng nghiệp lọc hóa dầu và chủ yếu được sản xuất và sử dụng trong các nhà máy xử lý chế biến dầu khí Tại các nhà máy đạm nói chung và nhà máy Đạm Cà Mau nói riêng, Hydro được sản xuất chủ yếu từ nguồn nguyên liệu khí thiên nhiên thơng qua q trình reforming hơi nước (Steam Reforming) Hydro là nguyên liệu để sản xuất Ammonia và được chuyển hoá để tạo ra sane phẩm là Urea Do đó, Hydro là một nguyên liệu quan trọng không thể thiếu trong các nhà máy đạm tại Việt Nam
Để đảm bảo tính bền vững, các thơng số vận hành và hiệu suất ổn định cho các nhà máy thì vấn đề nguyên liệu phải được đặt lên hàng đầu Trong khi lượng Hydro được sản xuất tại nhà máy tùy thuộc vào chất lượng của nguồn khí thiên nhiên
Vì vậy, đề tài này được thực hiện với tiêu đề “Nghiên cứu khả năng đa dạng hoá
nguyên liệu Hydro từ các nguồn năng lượng tái tạo cho nhà máy Đạm Cà Mau”
Trang 20CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ HYDRO VÀ NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO
2.1 Tổng Quan Về Hydro
2.1.1 Giới thiệu chung về Hydro
Nguyên tố Hydro là một nguyên tố hóa học trong hệ thống tuần hồn các ngun tố
với nguyên tử bằng 1, tồn tại dưới dạng phân tử H2 Ở trạng thái tự do và trong các
điều kiện bình thường, Hydro khơng màu, khơng mùi và khơng vị, nhẹ hơn khơng khí rất nhiều, tỉ trọng bằng 1/14 tỉ trọng của khơng khí Hydro dễ cháy, khi cháy trong khơng khí giới hạn từ 4-75% thể tích Nhiệt độ cháy của Hydro cao nhất đạt được
2318oC ở nồng độ 29% thể tích, nếu cháy trong Oxy, nhiệt độ có thể lên đến 3000oC,
cao nhất so với tất cả các loại khí khác như khí Methane (CH4) đạt 2148oC, Propane
(C3H8) đạt 2385oC [2]
Hydro là nguyên tố phổ biến nhất trong vũ trụ, tạo nên khoảng 75% tổng khối lượng vũ trụ và tới trên 90% tổng số nguyên tử, tồn tại nhiều trong ánh sáng mặt trời, kết hợp với nhau tạo thành khí Heli Trên trái đất, Hydro phần lớn ở dạng kết hợp với oxy trong nước hay với carbon và các nguyên tố khác trong vô số các hợp chất hữu cơ tạo nên cơ thể mọi loài động, thực vật
Với các đặc tính này, Hydro sẽ là một nguồn nhiên liệu quan trọng trong tương lai, phục vụ cho nhu cầu năng lượng của con người Bởi Hydro là một loại nhiên liệu tái sinh, thân thiện với môi trường, không gây ô nhiễm, không phát thải ra khí gây hiệu ứng nhà kính, Hydro khi cháy rất “sạch” phản ứng cháy của Hydro chỉ tạo ra nước Nước là hợp chất của Oxy và Hydro
Những lợi ích chính của nền kinh tế ứng dụng nhiên liệu Hydro:
Trang 21lượng khí thải gây hiệu ứng nhà kính và giúp giữ cho môi trường sạch hơn Hiệu suất cao: Nhiên liệu Hydro có thể có hiệu suất cao trong việc chuyển đổi năng lượng thành công suất và làm việc hiệu quả Hệ thống nhiên liệu pin nhiên liệu Hydro có thể đạt được hiệu suất cao và cung cấp công suất liên tục Điều này giúp tăng cường hiệu suất năng lượng và giảm mức tiêu thụ nhiên liệu so với các công nghệ khác
Đa dạng ứng dụng: Nhiên liệu Hydro có thể được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau Nó có thể là nguồn năng lượng cho phương tiện giao thông, như ứng dụng pin nhiên liệu hoặc nhiên liệu sinh học Ngoài ra, nhiên liệu Hydro cũng có thể được sử dụng để làm nguyên liệu cho các ứng dụng trong quá trình sản xuất hóa chất, xử lý kim loại, sản xuất phân bón,… và cũng có thể được sử dụng để cung cấp năng lượng điện, nhiệt và dân dụng khác
Tính bền vững: Nhiên liệu Hydro có nguồn gốc tái tạo và không giới hạn Nước, nguồn tạo ra khí Hydro, là một tài nguyên phổ biến và dồi dào trên Trái đất Quá trình sản xuất nhiên liệu Hydro có thể sử dụng nước thải, nước biển hoặc nguồn nước khác, tạo ra một chu kỳ bền vững trong việc sử dụng nhiên liệu, góp phần làm giảm sự phụ thuộc vào nguồn nhiên liệu hoá thạch đang dần cạn kiệt trong tương lai
Đa dạng hoá nguồn năng lượng: Nhiên liệu Hydro mang lại sự đa dạng hóa nguồn năng lượng Trong một thời đại mà sự phụ thuộc vào nguồn năng lượng hóa thạch gây ra nhiều vấn đề, sử dụng nhiên liệu Hydro giúp giảm sự phụ thuộc vào dầu mỏ và khí tự nhiên, và tạo ra một hệ thống năng lượng đa dạng và bền vững
Trang 22Hình 2.1: Chuỗi giá trị úng dụng của nhiên liệu Hydro [3]
2.1.2 Các ứng dụng của Hydro hiện nay
Như đã đề cập về các ứng dụng đa dạng của Hydro trong nhiều lĩnh vực khác nhau, hiện nay ta có thể chia làm 5 lĩnh vực chính:
1 Nguồn năng lượng tái tạo: Hydro có thể được sử dụng như một nguồn năng lượng tái tạo Nó có thể được sản xuất từ các nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời và gió bằng q trình điện phân nước Hydro sau đó có thể được sử dụng để tạo ra điện qua các hệ thống pin nhiên liệu Hydro (Hydrogen Fuel Cell) hoặc đốt cháy để tạo ra nhiệt năng và điện năng
2 Nhiên liệu cho phương tiện giao thông:
Hydro có thể được sử dụng như một nhiên liệu cho phương tiện giao thông Hệ thống pin nhiên liệu Hydro có thể chuyển đổi khí Hydro và Oxy từ khơng khí thành điện năng, tạo ra nước là chất thải duy nhất Ngồi ra, Hydro cịn được ứng dụng nghiên cứu sản xuất nhiên liệu sinh
Trang 23có thể được sử dụng để tạo ra điện năng hoặc nhiệt năng trong quá trình lên men và chưng cất để tạo ra Bio-ethanol
Các loại năng lượng này có thể được sử dụng trong ô tô, xe buýt, tàu hỏa và các phương tiện khác, cung cấp khả năng di chuyển mà khơng gây ra khí thải carbon và làm ơ nhiễm khơng khí
3 Lưu trữ năng lượng: Khí Hydro có thể được sử dụng để lưu trữ năng lượng từ các nguồn năng lượng tái tạo không ổn định như năng lượng mặt trời và gió Q trình điện phân nước để tạo ra Hydro có thể được thực hiện khi nguồn năng lượng tái tạo dồi dào, và Hydro sau đó có thể được lưu trữ và sử dụng để tạo ra điện khi cần thiết
4 Ngành cơng nghiệp: Khí Hydro có ứng dụng trong nhiều lĩnh vực công nghiệp khác nhau
Sản xuất hóa chất: Khí hydro có thể được sử dụng như một nguyên liệu hoặc một chất khử trong quá trình sản xuất hóa chất Nó có thể được sử dụng trong quá trình chế tạo, xử lý, và tạo ra các hợp chất hóa học Xử lý kim loại: Khí Hydro cũng được sử dụng trong các quá trình xử
lý kim loại như quá trình khử và tái chế kim loại và sản xuất sắt thép Hydro có khả năng tương tác với Oxy và các chất khác để giúp loại bỏ tạp chất và làm sạch bề mặt kim loại bởi các quá trình cơ bản sau:
- Quá trình khử: Khí Hydro được sử dụng trong quá trình khử
gang và quá trình khử gang mạnh để loại bỏ Oxy và các tạp chất khác từ quặng sắt và tạo ra gang lỏng
- Quá trình nhiệt luyện: Hydro cũng được sử dụng trong quá trình
nhiệt luyện thép để làm mềm và cải thiện tính đàn hồi của thép Quá trình nhiệt luyện bằng Hydro thường được sử dụng để sản xuất thép có tính chất đàn hồi cao, như các lị xo và các thành phần có u cầu cơ học chính xác
- Q trình bảo quản: Hydro cũng có thể được sử dụng trong quá
Trang 24khí và độ ẩm lên bề mặt thép, giúp bảo vệ thép khỏi sự hư hỏng và oxy hóa
Sản xuất phân bón: Khí Hydro sử dụng trong q trình sản xuất phân bón Nó có thể kết hợp với Nitơ để tạo ra Ammonia, được sử dụng làm thành phần chính để sản xuất phân bón
Sử dụng trong quy trình cơng nghiệp khác: Khí Hydro cũng có thể được sử dụng để cung cấp nhiệt lượng trong các quy trình công nghiệp khác như sản xuất điện, xử lý nước, sản xuất giấy, sản xuất thủy tinh hoặc trong lĩnh vực bảo quản thực phẩm và đồ uống
Hệ thống lưu trữ và truyền tải năng lượng: Khí Hydro có thể được sử dụng như một hệ thống lưu trữ và truyền tải năng lượng Năng lượng được tạo ra từ các nguồn tái tạo có thể được lưu trữ và truyền tải qua đường ống hoặc vận chuyển bằng xe tải chuyên dụng để cung cấp năng lượng cho các khu vực xa hoặc không tiếp cận mạng lưới điện truyền thống Khí Hydro được lưu trữ và phân phối đến các hệ thống tại khu vực và được chuyển hoá thành điện năng bằng hệ thống điện từ pin nhiên liệu hoặc nhiệt năng khi đốt để cung cấp năng lượng đáp ứng nhu cầu năng lượng ở các khu vực dân cư và cơ sở sản xuất vùng sâu vùng xa
2.1.3 Thị trường giao dịch trên thế giới của Hydro
Trang 25Bảng 2.1: Bảng giới thiệu các nhóm Hydro tương ứng với các phương pháp sản xuất
Hydro xanh được sản xuất thơng qua q trình điện phân, trong đó thiết bị điện phân tách nước thành hydro và oxy mà khơng có sản phẩm phụ nào khác
Hydro lam được sản xuất bằng phương pháp nhiệt hóa
Hydrocarbon kết hợp với công nghệ thu gom và lưu trữ CO2
Hydro xám tạo ra từ phương pháp nhiệt hóa các loại hợp chất hydrocarbon như methane từ nguồn khí thiên nhiên hoặc sau khi khí hóa nhiên liệu than ở quy mơ công nghiệp
Theo số liệu thống kê của Cơ quan Năng lượng Tái tạo Quốc tế IRENA vào năm cuối năm 2021, thể hiện ở Hình 2.2 thì chỉ khoảng 4% nguồn Hydro được sản xuất từ các nguồn nguyên liệu tái tạo Hầu hết sản lượng Hydro vẫn đến từ các nguồn nhiên liệu hố thạch: 69% từ khí thiên nhiên và 27% đến từ than đá [5]
Hình 2.2: Tỉ lệ nguồn nguyên liệu đã được sản xuất và các ngành ứng dụng của
Hydro
Trang 26Hydro từ các nguồn nguyên liệu tái tạo vẫn chưa được thịnh hành và vẫn đang trong giai đoạn nghiên cứu và phát triển
Giá thành của Hydro từ nguyên liệu hoá thạch vẫn đang cạnh tranh hơn so với Hydro từ các nguồn nguyên liệu thay thế Nhưng trong một viễn cảnh tương lai không xa, Hydro tái tạo chắc chắn sẽ chiếm ưu thế Giá thành Hydro từ các nguồn nguyên liệu khác nhau được dự đoán từ năm 2020 đến 2050 được thể hiện ở Hình 2.3 Theo đó, dự báo đến năm 2030 thì giá thành sản xuất năng lượng tái tạo sẽ liên tục giảm khoảng 30% so với hiện tại, khi đó mạng lưới hệ thống sản xuất Hydro từ năng lượng tái tạo sẽ có thời cơ tăng trưởng bùng nổ
Hình 2.3: Chi phí tương đối để sản xuất các nhóm Hydro vào năm 2020 và dự báo
đến năm 2030-2050 [6]
Trang 27nhóm này hiện nay đang góp phần hỗ trợ để nghiên cứu, phát triển các cơ sở hạ tầng phù hợp với nên công nghiệp sử dụng Hydro, tạo tiền đề quan trọng chuyển dịch năng lượng Hydro Tái tạo - cụ thể là thiết lập một chuỗi cung ứng tồn cầu hoạt động tốt, có thể dần cho phép sự xuất hiện của một nguồn năng lượng mới bền vững hơn, cho đến khi Hydro Tái tạo trở thành phương pháp sản xuất chủ yếu
2.1.4 Đánh giá sơ bộ các hướng cơng nghệ có thể sản xuất Hydro hiện nay
Hydro có thể được sản xuất theo các hướng sau:
Reforming (steam reforming, reforming xúc tác) hoặc oxy hóa riêng phần các phân đoạn dầu mỏ
Khí hóa than hoặc biomass
Reforming các sản phẩm lỏng sinh học (bio-derived liquids) Nhiệt hóa (phân ly nước)
Điện năng (điện phân nước) Quang hóa
Sinh hóa
Bảng 2.2: Bảng so sánh các hướng sản xuất Hydro [7] Hướng
sản xuất
Chi phí đầu tư, vận hành và bảo trì Nguồn nguyên liệu Chất lượng và sản lượng sản phẩm Tình bền vững Reforming Chi phí đầu tư,
vận hành và bảo trì cao Cơng nghệ đã được phát triển và thương mại hố
Khí thiên nhiên
(Hydrocarbon nhẹ)
Hydro có độ tinh khiết cao, đa số chỉ đủ sử dụng cho các giai đoạn tổng hợp các sản phẩm khác
Hiệu quả kinh tế cao nên đang được sử dụng phổ biến hiện nay nhưng không có tính bền vững Khí hóa than hoặc biomass
Chi phí đầu tư, vận hành và bảo trì cao Cơng nghệ đã được thương mại hoá
Tận dụng được nguồn ngun liệu Biomass phong phú nhưng khơng kiểm sốt được nguyên Nguyên liệu có nhiều tạp chất dẫn đến chất lượng sản phẩm không ổn định
Trang 28liệu đầu vào, nhiều tạp chất Reforming các sản phẩm lỏng sinh học
Chi phí đầu tư, vận hành và bảo trì cao Chi phí sản xuất các sản phẩm lỏng sinh học cao Có thể sử dụng cơng nghệ đã thương mại hố của Reforming Ngun liệu là các sản phẩm lỏng sinh học, tuỳ vào loại thực vật mà giai đoạn lên men khác nhau, không đồng đều Chất lượng và sản lượng không ổn định
Hiệu quả kinh tế khơng cao nên ít được sử dụng
Nhiệt hóa Chi phí đầu tư,
vận hành và bảo trì cao Cơng nghệ đang được phát triển Sử dụng nhiệt độ cao (từ 1400OC trở lên) để nhiệt hoá nước để tạo Hydro và Oxygen Chất lượng và sản lượng thấp
Hiệu quả kinh tế không cao nên ít được sử dụng nhưng sẽ có tính bền vững nếu phát triển được công nghệ tận dụng nhiệt lượng mặt trời Điện năng Chi phí đầu tư,
vận hành và bảo trì cao Cơng nghệ đang được phát triển và nghiên cứu thêm
Sử dụng nguồn điện và nước Tuy nhiên yêu cầu quá trình và giá điện năng còn cao
Hiệu suất thấp Hiệu quả kinh
tế hiện tại khơng cao nên ít được sử dụng nhưng là dạng năng lượng sạch và có tính bền vững Quang hóa
Chi phí đầu tư, thiết bị, nghiên cứu cao Công nghệ đang được phát triển và nghiên cứu thêm
Vật liệu thực hiện phản ứng quang hoá
Hiệu suất thấp Hiệu quả kinh
tế hiện tại khơng cao nên ít được sử dụng nhưng là dạng năng lượng sạch và có tính bền vững
Sinh hóa Chi phí đầu tư,
nghiên cứu cao
Các chủng vi sinh vật đang
Hiệu suất thấp Hiệu quả kinh
Trang 29Công nghệ đang được phát triển và nghiên cứu thêm được nghiên cứ Vi sinh vật có thể sản xuất Hydro nhờ vào hai loại enzyme xúc tác phản ứng tạo Hydro là Hydroase và Nitogenase
khơng cao nên ít được sử dụng nhưng là dạng năng lượng sạch và có tính bền vững
2.1.5 Các phương pháp cơ bản để sản xuất Hydro
Trên Trái Đất, Hydro phần lớn ở dạng kết hợp với Oxy trong nước, hay với Carbon và các nguyên tố khác trong vô số các hợp chất hữu cơ tạo nên cơ thể mọi loài động thực vật
Có ba phương pháp cơ bản tạo ra hydro:
Phương pháp chuyển hóa hydrocarbon (nhiên liệu hóa thạch, sinh khối) bằng nhiệt (Reforming)
Phương pháp điện phân nước (Electrolysis) Phương pháp sinh học (Biological method)
Hoá nhiệt nhiên liệu Hydrocarbon
Hóa nhiệt khí thiên nhiên với hơi nước (Natural gas steam reforming) Q trình này gồm hai bước chính Trước hết, khí thiên nhiên (với thành phần chủ yếu là methane) được tách carbon và chuyển hóa thành Hydro nhờ hơi nước dạng siêu nhiệt dưới áp suất cao, xúc tác thích hợp ở nhiệt độ khoảng 900°C
CH4 + H2O => CO + 3H2
Carbon mono-oxide sinh ra lại tiếp tục được phản ứng với hơi nước và xúc tác chuyển hóa thành khí carbonic và tạo ra thêm khí Hydro
CO + H2O => CO2 + H2
Trang 30 Khí hóa hydrocarbon nặng (Gasification heavy hydrocarbon)
Thuật ngữ hydrocarbon nặng là để nói đến dầu mỏ và than đá Than đá trước khi khí hóa phải được nghiền thành dạng bột rồi hịa trộn với nước Thơng thường, nhiên liệu
được hóa nhiệt ở khoảng 1400oC với oxy hay khơng khí (Oxy hóa khơng hồn tồn),
tạo ra hỗn hợp gồm Hydro, Carbon mono-oxide (CO) và vài sản phẩm phụ CO sinh ra lại tiếp tục được phản ứng với hơi nước và xúc tác chuyển hóa thành khí Carbonic và tạo ra thêm khí Hydro, tương tự như bước thứ hai của q trình hóa nhiệt khí thiên nhiên
Rõ ràng đây không phải là phương pháp tối ưu Bất lợi lớn nhất của nó là sử dụng nhiên liệu hóa thạch làm nguyên liệu và đồng thời cũng làm nhiên liệu cung cấp nhiệt lượng cho quá trình Nhiên liệu hóa thạch là nguồn tài ngun hữu hạn, thêm vào đó, việc đốt chúng tạo ra khí Carbonic gây hiệu ứng nhà kính Do đó phương pháp này xét về lâu dài không bền vững
Tuy vậy, phương pháp sản xuất khí Hydro từ nhiên liệu hóa thạch đã và sẽ còn chiếm ưu thế trong tương lai gần Lý do chính yếu là do trữ lượng nhiên liệu hóa thách cịn tương đối dồi dào, nhất là đối với khí thiên nhiên Hơn nữa, những cơng nghệ này (phương pháp sản xuất Hydro công nghiệp từ khí thiên nhiên nói riêng và nhiên liệu hóa thạch nói chung) đã khá quen thuộc trong cơng nghiệp hóa chất, trong khi cơ sở hạ tầng cho việc phát triển sản xuất Hydro từ các nguồn khác còn thiếu thốn Vì vậy, một khi nhiên liệu hóa thạch vẫn cịn rẻ thì phương pháp này vẫn có chi phí thấp nhất Thêm vào đó, để hạn chế mặt tiêu cực này của nhiên liệu hóa thạch, ta có thể dùng cơng nghệ tách khí Carbonic rồi thu hồi và chơn lấp chúng
Quy trình hiện đại tạo ra Hydro từ khí thiên nhiên mà khơng thải ra CO2
Từ những năm 1980, Kvỉrner – một tập đồn dầu khí của Na Uy đã phát triển cơng nghệ mang tên “Kværner Carbon Black and Hydro Process” (KCB&H) Nhà máy đầu tiên dựa trên quy trình Kvỉrner hiện đại này đặt ở Canada và bắt đầu sản xuất
vào tháng 6 năm 1999 Quy trình plasma – Kvỉrner ở nhiệt độ cao (1600oC) tách
Hydro và than hoạt tính từ hợp chất hydrocarbon như dầu mỏ hay khí thiên nhiên mà
Trang 31Than đen tinh khiết này được dùng trong sản xuất vỏ xe hơi và dùng như chất khử trong công nghiệp luyện kim Nhờ một số tính chất đặc biệt mà chúng cịn có thể dùng để lưu trữ Hydro (ống carbon nano)
Khí hóa sinh khối và nhiệt phân (Biomass gasification and pyrolysis) Sinh khối có thể được sử dụng để sản xuất Hydro Đầu tiên, sinh khối được chuyển thành dạng khí qua q trình khí hóa ở nhiệt độ cao có tạo ra hơi nước Hơi nước chứa Hydro được ngưng tụ trong các dầu nhiệt phân và sau đó có thể được hóa nhiệt để sinh ra Hydro Quá trình này thường tạo ra sản lượng Hydro khoảng từ 12%-17% trọng lượng Hydro của sinh khối Nguyên liệu cho phương pháp này có thể gồm các loại mảnh gỗ bào vụn, sinh khối thực vật, rác thải nông nghiệp và đô thị Do các chất thải sinh học được sử dụng làm nguyên liệu như vậy, phương pháp sản xuất Hydro này hoàn toàn từ năng lượng tái tạo và bền vững
Điện phân nước
Phương pháp này dùng dòng điện để tách nước thành khí Hydro và Oxy Quá trình gồm hai phản ứng xảy ra ở hai điện cực Hydro sinh ra ở điện cực âm và Oxy ở điện cực dương:
Phản ứng trên cathode: 2 H2O + 2e- => H2 + 2OH-
Phản ứng trên anode: 2OH- => H2O + ½ O2 + 2e-
Tổng quát: 2 H2O + điện năng => 2H2 + O2
Sau đây là một số các dạng điện phân phổ biến: Điện phân thông thường
Quá trình tiến hành với chất điện phân là nước hay dung dịch kiềm Hai phần anode và cathode được tách riêng bởi màng ngăn ion (microporous) để tránh hòa lẫn hai khí được sinh ra
Điện phân nước áp suất cao
Điện phân nước áp suất cao có thể sinh ra Hydro ở áp suất đến 5 MPa Quá trình vẫn đang trong giai đoạn nghiên cứu và hoàn thiện dần
Trang 32Ưu điểm của phương pháp này là đưa một phần năng lượng cần thiết cho quá trình
điện phân ở dạng nhiệt năng, nhiệt độ 800-1000oC vào q trình, do đó có thể hạn
chế bớt lượng điện năng tiêu thụ Nhiều nghiên cứu đã hướng đến việc thu nhiệt từ các chảo parabol tập trung năng lượng mặt trời hay tận dụng nhiệt thừa từ các trạm năng lượng
Quang điện phân (photo electrolysis)
Các panel mặt trời, chất bán dẫn (ứng dụng hiện tượng quang điện), chuyển hóa trực tiếp ánh sáng mặt trời thành điện năng Khí Hydro được sinh ra khi dịng quang điện này chạy qua thiết bị điện phân đặt trong nước Sử dụng năng lượng mặt trời để tạo ra điện dùng trong điện phân nước, tương tự, chúng ta cũng có thể sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo khác như năng lượng gió, thủy điện để điện phân nước tạo ra Hydro Như thế việc sản xuất Hydro sẽ là một quá trình sạch (khơng khí thải), tái sinh và bền vững
Phương pháp sinh học
Một số tảo và vi khuẩn chuyên biệt có thể sản sinh ra Hydro như là sản phẩm phụ trong quá trình trao đổi chất của chúng Các sinh vật này thường sống trong nước, phân tách nước thành khí Hydro và Oxy Hiện tại, phương pháp này vẫn đang trong giai đoạn nghiên cứu
Trang 33vừa kết hợp xử lý nước thải và vừa sản xuất Hydro cung cấp cho pin nhiên liệu vi khuẩn (micro-fuel cell), tạo ra điện năng
2.1.6 Lưu trữ Hydro
Lưu trữ Hydro dưới dạng khí nén áp suất cao
Hydro có thể được nén trong các bình chứa với áp suất cao Các loại bình chứa khác nhau về cấu trúc tùy theo dạng ứng dụng đòi hỏi mức áp suất như thế nào Phần lớn các bình ứng dụng tĩnh có mức áp suất thấp hơn Trong khi đó, yêu cầu cho các ứng dụng di động lại khá khác biệt bởi sự hạn chế về không gian lưu trữ Đối với các ứng dụng này, áp suất trong bình được tăng lên đến 700 bar để chứa được càng nhiều Hydro càng tốt trong một không gian giới hạn [8]
Các bình áp suất chứa khí nén thường làm bằng thép nên rất nặng Các bình áp suất hiện đại được làm từ những vật liệu composite và nhẹ hơn nhiều
Lưu trữ Hydro dưới dạng khí hố lỏng
Hydro chỉ tồn tại ở thể lỏng dưới nhiệt độ cực lạnh, 20K hay âm 235oC Nén, làm
lạnh (hóa lỏng) Hydro tiêu tốn khá nhiều năng lượng, do đó tổn thất năng lượng hao hụt đến khoảng 30% khi dùng phương pháp này Tuy nhiên, ưu điểm của việc lưu trữ Hydro dưới dạng lỏng là tốn ít khơng gian nhất, do Hydro có tỉ trọng năng lượng theo thể tích cao nhất khi hóa lỏng Vì thế mà cách này đặc biệt thích hợp với các ứng dụng di động như các phương tiện giao thông Hiện tại người ta đã sản xuất được những robot tự động để “tiếp” nhiên liệu (re-fueling) Với các dạng lưu trữ tĩnh, cách thức này chỉ được dùng khi Hydro thực sự cần thiết phải ở dạng lỏng, ví dụ như trong các trạm nhiên liệu hay khi cần vận chuyển Hydro đường dài (bằng tàu biển chẳng hạn) Ngoài ra, với tất cả các ứng dụng khác ta nên tránh dùng cách lưu trữ này bởi sự tiêu tốn khá nhiều năng lượng cần để hóa lỏng [8]
Lưu trữ Hydro nhờ hấp phụ hoá học
Hydro có thể được giữ trong nhiều hợp chất nhờ liên kết hóa học Và khi cần thiết, phản ứng hóa học sẽ xảy ra để giải phóng chúng, sau đó Hydro được thu thập và đưa vào sử dụng trong pin nhiên liệu Các phản ứng hóa học thay đổi tủy theo hợp chất
Trang 34100-300oC; hay Hydro có thể được giải phóng qua quá trình thủy phân (tác dụng với
nước) của các hydride như LiH, LiBH4, NaBH4… Với phương pháp này, ta có thể
điều chỉnh được lượng Hydro sinh ra theo nhu cầu [8]
Lưu trữ Hydro trong các hydrua kim loại
Phương pháp này sử dụng một số hợp kim có khả năng độc đáo, có thể hấp phụ Hydro Các hợp kim này hoạt động giống như miếng xốp có thể hút nước vậy, chúng “hút bám” Hydro, tạo nên các hydrua kim loại Khi một hydrua kim loại được “lấp kín” dần với các ngun tử khí Hydro, nó sẽ toả nhiệt, do đó, khi muốn giải phóng Hydro, ta sẽ phải cung cấp nhiệt cho nó
Cơng thức tổng quát của quá trình hấp phụ và nhả hấp hydrua kim loại:
M + xH2 <=> MH2x
Phương pháp này có thể chứa được một lượng rất lớn thể tích khí Hydro hấp phụ vào kim loại Tuy nhiên, lượng Hydro hấp phụ chỉ chiếm khoảng 1–2% tổng trọng lượng bình chứa (kim loại) Vì thế mà các bình chứa dạng này khá nặng và vì vậy chúng khơng thể sử dụng trong các ứng dụng di động
Ưu điểm của phương pháp này là hầu hết các hydrua kim loại có thể hoạt động ở áp suất bình thường, do đó xét về mặt sử dụng và an tồn, đây là những điểm thuận lợi của việc lưu trữ Hydro nhờ các hydrua kim loại Muốn giải phóng khí Hydro cần cung cấp nhiệt, vì thế, trường hợp các thùng chứa bị bể vỡ chẳng hạn thì Hydro vẫn giữ kết nối trong kim loại mà không bị hao hụt Lưu trữ Hydro bằng các hydrua kim loại hiện nay đang được ứng dụng nhiều trong các tàu ngầm [8]
Lưu trữ Hydro trong các ống carbon nano rỗng
Trang 35tìm ra các loại ống Carbon nano chứa được nhiều Hydro Ngoài ra, ta cũng cần vật liệu với tỉ lệ ống Carbon nano cao, không lẫn với nhiều loại bụi than khác
Ưu điểm mang tính đột phá của cơng nghệ nano này chính là lượng lớn Hydro mà nó có thể lưu chứa được, hơn nữa, so với cách lưu trữ bằng hợp kim thì ống Carbon nano cũng nhẹ hơn Ống Carbon nano có thể chứa được lượng Hydro chiếm từ 4% – 65% trọng lượng của chúng Hiện nay, công nghệ này đang được quan tâm nghiên cứu rất nhiều trên thế giới, hứa hẹn một phương thức lưu trữ Hydro đầy tiềm năng, nhất là cho các ứng dụng pin nhiên liệu di động và nhỏ gọn như máy tính xách tay, máy ảnh, điện thoại di động…v.v Ngồi ra, cịn một phương pháp lưu trữ Hydro khác tuy ít phổ biến nhưng cũng khá thú vị, đó là chứa Hydro trong các vi cầu bằng kính [8]
Lưu trữ Hydro trong các vi cầu thuỷ tinh (glass microsphere)
Các khối cầu thủy tinh rỗng tí hon có thể được dùng như một phương thức lưu trữ Hydro an toàn Những vi cầu rỗng này được làm nóng dẻo, gia tăng khả năng thấm của thành thủy tinh, rồi được lấp đầy khi được đặt ngập trong khí Hydro với áp suất cao Các khối cầu này sau đó được làm nguội, “khóa lại” Hydro bên trong khối thủy tinh Khi ta tăng nhiệt độ, Hydro sẽ được giải phóng ra khỏi khối cầu và sử dụng Phương pháp vi cầu này rất an toàn, tinh khiết và có thể chứa được Hydro ở áp suất thấp, vì thế gia tăng giới hạn an tồn [8]
2.1.7 Xu hướng và thách thức của Hydro trong tương lai
Xu hướng chuyển dịch năng lượng trong tương lai
Trang 36Theo báo cáo của Cơ quan Năng Lượng Quốc Tế IEA tháng 06/2020 thì xu hướng chuyển dịch năng lượng đang diễn ra đặc biệt ở ba lĩnh vực là giao thông vận tải, dân dụng và sản xuất [9]
Quá trình chuyển dịch năng lượng thành cơng địi hỏi cần 4 yếu tố cốt lõi [10] bao gồm:
Yếu tố đầu tiên là Cơng Nghệ: Cơng nghệ đóng vai trị trung tâm trong
chuyển dịch năng lượng, dù là từ dầu cá voi sang dầu hỏa, hay từ ngựa sang ô tô, từ động cơ chạy bằng dầu sang động cơ chạy bằng điện, từ nhiệt điện than sang điện gió và điện mặt trời Nói một cách đơn giản, tất cả các quá trình chuyển dịch năng lượng về cơ bản phụ thuộc vào tính có sẵn và tính phổ biến của các cơng nghệ mới phù hợp và có giá trị kinh tế cao hơn
Yếu tố thứ hai là Nền Kinh Tế Cạnh Tranh: Nếu không có nền kinh tế
cạnh tranh, rất khó để thực hiện chuyển dịch năng lượng trên quy mô vùng lãnh thổ hay quốc gia Có sự cạnh tranh thì mới có sự đổi mới để phù hợp và khơng bị tụt hậu quá xa giữa các nền kinh tế trọng điểm ở các thành phố lớn so với các tỉnh thành khác
Yếu tố thứ ba là Mở Cửa Thị Trường: Nếu không mở cửa thị trường,
rất khó để các cơng nghệ mới bén rễ và phát triển Các bên tham gia hiện nay trong ngành năng lượng (dù là khu vực nhà nước hay tư nhân) có xu hướng muốn làm chậm q trình chuyển dịch, và giữ nguyên hiện trạng càng lâu càng tốt vì lợi ích của riêng mình Việc mở cửa thị trường giúp bảo đảm rằng các sản phẩm sẽ tốt hơn và các dạng năng lượng mới sẽ phát triển mạnh mẽ hơn
Yếu tố thứ tư là Các Chính Sách Hỗ Trợ: Nếu thiếu chính sách hỗ trợ,
quá trình chuyển dịch năng lượng sẽ diễn ra rất chậm Chính phủ cần giữ vai trị bảo đảm các chính sách hỗ trợ thúc đẩy đầu tư trên phạm vi rộng
Trang 37phẩm, chất bán dẫn… Thế nhưng, khơng chỉ có vậy, Hydro cịn là một nguồn nhiên liệu đầy tiềm năng với nhiều ưu điểm thuận lợi về môi trường và kinh tế Hydro là nguồn năng lượng sạch, gần như không phát thải khí ơ nhiễm mà chỉ sinh ra hơi nước Từ nước qua q trình điện phân ta lại có thể thu được Hydro Vì vậy, Hydro là nguồn năng lượng gần như vơ tận hay có thể tái sinh được Hơn nữa, xét về mặt trọng lượng, Hydro có tỉ trọng năng lượng cực kỳ cao Trên thực tế, nhờ hai đặc tính nhẹ và tỉ trọng năng lượng cao này, Hydro đã được dùng làm nhiên liệu cho tên lửa từ những buổi ban đầu của công nghệ du hành khơng gian
Hình 2.4: Một chiếc xe tải Hyundai chạy bằng pin nhiên liệu hydro tại Luzern, Thụy Sĩ ngày 7/10/2020 [11]
Khi dùng làm nhiên liệu, Hydro có thể được đốt trực tiếp trong các động cơ đốt trong, tương tự như trong các loại phương tiện giao thông chạy bằng xăng dầu phổ biến hiện nay Hydro cũng có thể thay thế khí thiên nhiên để cung cấp năng lượng cho các nhu cầu dân dụng hàng ngày như đun nấu, sưởi ấm, chiếu sáng
Trang 38trong, vì thế mà tiết kiệm năng lượng hơn Với những ưu thế vượt trội đó, pin nhiên liệu đang ngày càng được quan tâm và dự đoán sẽ trở nên nguồn nhiên liệu đầy triển vọng, một thành phần chủ chốt của nền kinh tế Hydro trong viễn cảnh tương lai Theo thơng cáo báo chí của nhà điều hành đường sắt Deutsche Bahn của Đức, Tập đoàn Siemens Mobility và nhà điều hành đường sắt Deutsche Bahn của Đức vừa cơng bố mơ hình tàu hydro đầu tiên mang tên Mireo Plus H được cấp năng lượng bằng nhiên liệu hydro sạch và không phát thải khí nhà kính, thay vào đó chỉ giải phóng nước và hơi nước Phương tiện cuối cùng sẽ thay thế các toa tàu chạy bằng diesel Việc sử dụng hydro trong vận tải đường sắt là một phần trong dự án của chính phủ Đức nhằm "điện khí hóa 75% mạng lưới đường sắt vào năm 2030
Theo Cơ quan Năng lượng Tái tạo Quốc tế IRENA, từ năm 2019 các phương tiện hạng nhẹ chạy bằng pin nhiên liệu (FCEV) có nguồn gốc Hydro cũng được dự báo sẽ tăng trưởng nhanh và sẽ đạt mức năng lượng khoảng 4 EJ mỗi năm vào năm 2050, tương đương với 4% lĩnh vực vận tải
Chuỗi giá trị Hydro từ khi sản xuất đến ứng dụng Hydro
Trong quá trình chuyển dịch năng lượng, nguồn năng lượng từ Hydro sẽ có các vai trị chính như tích hợp năng lượng tái tạo, vận chuyển, phân phối, lưu trữ, cân bằng lưới điện, sử dụng làm nguyên liệu sạch cho các lĩnh vực công nghiệp, giao thông Chuỗi giá trị Hydro thường được chia thành ba lĩnh vực: sản xuất; lưu trữ và phân phối và tiêu thụ/ứng dụng Mỗi lĩnh vực này đều yêu cầu kiến thức chun mơn để đảm bảo an tồn, giảm chi phí và đảm bảo tuân thủ các quy định pháp luật và tiêu chuẩn xây dựng chế tạo, vận hành và sử dụng an toàn
Về sản xuất Hydro: Hiện nay Hydro chủ yếu được sản xuất từ nguồn nguyên liệu hóa
thạch như than, khí tự nhiên (Hydro xám) để sử dụng trong các nhà máy lọc dầu, hóa chất, sản xuất phân đạm Ngồi ra, cũng có thể sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo khác như năng lượng gió, thủy điện để điện phân nước tạo ra Hydro, đó là một q trình sạch (khơng khí thải), tái sinh và bền vững Vấn đề sản xuất Hydro chịu ảnh hưởng chính bởi yếu tố Cơng Nghệ
Về lưu trữ và phân phối Hydro: Hydro được sản xuất thương mại hiện nay vẫn được
Trang 39hố lỏng ngồi ra cịn có các cách lưu trữ như kết hợp Hydro với các vật liệu rắn thông qua hấp phụ đang trong giai đoạn nghiên cứu Sau đó được vận chuyển đến các nhà máy bằng tuyến ống ngầm đối với những điểm có nhu cầu lớn và khoảng cách xa, hoặc các phương tiện cơ giới (xe bồn áp lực cao) đối với các nhà máy có nhu cầu trung bình và khoảng cách tương đối gần (dưới 200km), hoặc có thể vận chuyển bằng các bình chiết cao áp đối với các điểm nhu cầu thấp và không thường xuyên, v.v…
Về tiêu thụ/ ứng dụng: Ngày nay, các ngành lọc dầu, sản xuất Ammonia, sản xuất
methanol và sản xuất thép là những ngành chính đã và đang sử dụng nhiên liệu Hydro Phần lớn Hydro được cung cấp vẫn là Hydro xám Bên cạnh đó, ứng dụng được xem là xu hướng phát triển và được đánh giá cao trong tương lai đó là: Trở thành nguồn nhiên liệu dự trữ năng lượng mới dùng cho các loại pin nhiên liệu ứng dụng cho các ngành giao thông vận tải, phương tiện cơ giới, hoặc rộng hơn nữa có thể thay thế hồn tồn nhiên liệu hố thạch trong các quá trình chuyển đổi năng lượng từ nhiệt năng hoặc điện năng sang động năng
Những vấn đề và các thách thức cần giải quyết khi phát triển công nghệ
Hydro tại Việt Nam
Bên cạnh những ưu điểm của năng lượng Hydro nêu trên, với đặc tính và nhu yếu của những quy trình sản xuất, lưu trữ, luân chuyển, phân phối và sử dụng, năng lượng Hydro vẫn còn nhiều thử thách làm cho dạng năng lượng này mới chỉ được tăng trưởng ở những quốc gia phát triển
Vấn đề cần quan tâm để phát triển kinh tế Hydro là cần kết hợp chặt chẽ giữa 3 yếu tố để tạo nên chuỗi giá trị sử dụng Hydro như sau:
1 Phát triển cơ sở hạ tầng nhằm hoàn thiện chuỗi giá trị sử dụng của Hydro, hướng đến tiền đề cho việc hình thành nền kinh tế Hydro
Trang 402 Nghiên cứu phát triền và hồn thiện cơng nghệ, cải thiện về hiệu suất và nâng quy mô công suất để giảm chi phí sản xuất
Điện phân nước, khí hóa các nguồn ngun liệu, xử lý khí đốt và các phương pháp sản xuất khác có thể được cải tiến để tăng hiệu suất và giảm chi phí
Bên cạnh đó việc sử dụng nguồn năng lượng tái tạo để giảm chi phí và tạo sự bền vững cho quá trình sản xuất Hydro cũng là bước phát triển tất yếu Sử dụng nguồn năng lượng tái tạo giúp giảm phụ thuộc vào nguồn năng lượng hóa thạch và giảm lượng khí thải
Tăng quy mơ sản xuất cũng có thể giúp giảm giá thành khí Hydro Khi sản xuất trên quy mơ lớn, chi phí cơ sở hạ tầng và thiết bị có thể được phân chia trên nhiều đơn vị sản xuất, giảm chi phí đầu tư ban đầu và chi phí vận hành
3 Xây dựng chiến lược và hệ thống chính sách phù hợp để phát triển nền kinh tế Hydro
Đầu tiên, chúng ta cần xác định mục tiêu và chiến lược phát triển kinh tế Hydro Mục tiêu có thể bao gồm tăng cường sử dụng Hydro tái tạo trong các ngành công nghiệp, giảm phụ thuộc vào nguồn năng lượng hóa thạch và giảm phát thải khí nhà kính, khuyến khích chuyển đổi sang sử dụng Hydro như là một nguồn năng lượng sạch và bền vững
Chiến lược cần tập trung vào việc phát triển công nghệ, cơ sở hạ tầng và thúc đẩy đầu tư để đạt được mục tiêu đó Chính phủ và các tổ chức nghiên cứu có thể cung cấp hỗ trợ tài chính và chính sách khuyến khích để thúc đẩy các hoạt động nghiên cứu và phát triển công nghệ trong lĩnh vực Hydro Điều này sẽ giúp tạo ra các công nghệ tiên tiến, hiệu quả và giảm chi phí trong việc sản xuất, lưu trữ và sử dụng Hydro