Báo cáo nghiên cứu khoa học: "CÁI NHÌN TOÀN CẢNH VỀ CÔNG NGHỆ HYDRATE TRÊN THẾ GIỚI - KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG VÀ PHÁT TRIỂN Ở VIỆT NAM" doc

Giai đoạn thứ tư bắt đầu từ cuối thế kỉ 20 đến nay gắn liền với những ứng dụng của hydrate bên ngoài lĩnh vực dầu khí truyền thống như: điều hoà nhiệt độ, đông lạnh, chế biến khí cũng nh

CÁI NHÌN TOÀN CẢNH VỀ CÔNG NGHỆ HYDRATE

TRÊN THẾ GIỚI - KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG

VÀ PHÁT TRIỂN Ở VIỆT NAM

A GLOBAL VIEW OF HYDRATE TECHNOLOGY IN THE WORLD –

ITS APPLICATION AND DEVELOPMENT POTENTIAL IN VIET NAM

NGUYỄN HỒNG ĐỨC – JEAN-MICHEL HERRI

Trường Đại học Quốc gia Mỏ Saint-Etienne (Pháp)

TÓM TẮT

Bài viết giới thiệu về công nghệ hydrate, một ngành công nghệ mới, với một cái nhìn khái quát lịch sử phát triển và những lĩnh vực ứng dụng chính trên thế giới Bên cạnh đó, bài viết cũng đưa ra một số phân tích và đánh giá khả năng áp dụng, phát triển công nghệ này ở Việt Nam

ABSTRACT

Hydrate technology, a new technology, is being developed in many fields, such as energy industry, gas separation, environment, air-conditioning This paper gives an overview of this technology in the world and some analysis of its application and development potential in Viet Nam

1 Giới thiệu

Hydrate là một hợp chất rắn, được hình thành từ sự kết hợp giữa chất khí (như: methane, ethane, propane…) và nước ở điều kiện áp suất cao và nhiệt độ thấp Hydrate được khám phá lần đầu tiên năm 1778 bởi Joseph Priestley

Lịch sử của ngành nghiên cứu và ứng dụng hydrate có thể được chia làm 4 giai đoạn.Trong giai đoạn từ năm 1810 đến nay, hydrate được xem như một bí hiểm của khoa học Giai đoạn từ năm 1934 đến nay liên quan chủ yếu đến những khó khăn do hydrate gây ra trong công nghiệp khai thác dầu mỏ và khí Giai đoạn thứ ba bắt đầu từ giữa thập niên 60 thế

kỉ thứ 20 đến nay bắt nguồn từ những khám phá về sự tồn tại của hydrate từ hàng triệu năm ở đáy các đại dương và các vùng có băng tuyết quanh năm như Alaska cũng như ở một số hành tinh trong dải Thiên hà Giai đoạn thứ tư bắt đầu từ cuối thế kỉ 20 đến nay gắn liền với những ứng dụng của hydrate bên ngoài lĩnh vực dầu khí truyền thống như: điều hoà nhiệt độ, đông lạnh, chế biến khí cũng như tham gia vào việc giảm hiệu ứng nhà kính…

Bài viết này trước hết giới thiệu đôi nét về sự phát triển của công nghệ hydrate trên thế giới và đồng thời đưa ra một số phân tích về tiềm năng ứng dụng và phát triển ngành công nghệ mới này ở Việt Nam

2 Điều kiện hình thành của hydrate

Hydrate được tạo ra từ hai nhóm phân tử khác nhau (nước và khí) mà không hề tạo ra một liên kết hóa học giữa chúng Các phân tử nước liên kết với nhau bởi liên kết hydro để tạo thành 1 cấu trúc tinh thể bao bọc xung quanh phân tử khí (Hình 1)

Hình 1 Nguyên tắc hình thành hydrate

Hình 2 giới thiệu giản đồ pha của một số hydrate như hydrate của methane, ethane, propane và iso-butane Vùng nằm ở phía trên hai đường I-H-V và LW-H-V có áp suất cao là vùng bền vững của hydrate Còn vùng nằm dưới hai đường này là vùng không bền của hydrate Hình 2 cho thấy hydrate của các hydrocarbon có thể được hình thành tại một áp suất tương đối cao và nhiệt độ vừa phải Ví dụ tại 10°C, chúng ta cần một áp suất tối thiểu là 80 bar để tạo ra hydrate của methane hoặc 15 bar để tạo ra hydrate của ethane

Hình 2 Giản đồ pha của một số hydrate (Sloan E Dendy, 1998, [5])

3 Hydrate - Người bạn đồng hành bí hiểm của công nghệ dầu khí

Năm 1934 đánh dấu một cột mốc quan trọng cho sự phát triển ngành nghiên cứu hydrate khi Hammerschmidt phát hiện ra sự tạo thành nút chặn hydrate của các khí thiên nhiên là nguyên nhân gây tắc nghẽn thường xuyên đường ống dẫn Từ đây, khối lượng của

nước trở thành một thông số quan trọng cần được kiểm soát trong quá trình vận chuyển khí thiên nhiên và hydrate được coi là một thách thức đầy khó khăn cho công nghiệp khai thác dầu khí

Thông thường, điều kiện nhiệt độ-áp suất trong đường ống vận chuyển dầu thô dưới biển rất thuận lợi cho sự hình thành hydrate: áp suất cao (tuỳ thuộc vào độ sâu của giếng khoan: 1 bar cho 10m cột nước) trong khi nhiệt độ thường xấp xỉ nhiệt độ của nước biển (khoảng 4°C) Trong thực tế, nước luôn tồn tại trong dầu thô dù với một lượng rất nhỏ sẽ kết hợp với các hydrocarbon nhẹ (methane, ethane…) để tạo thành các tinh thể hydrate gây cản trở và làm giảm năng suất khai thác dầu thô Trước hết, quá trình vận chuyển của dầu thô được quyết định bởi chênh lệch áp suất giữa giàn khoan và giếng dầu Sự hình thành hydrate

từ các hydracarbon nhẹ làm giảm áp suất trong đường ống, tạo ra một chênh lệch áp suất thấp hơn qua đó làm giảm lưu lượng dòng chảy Mặt khác, sự xuất hiện các tinh thể rắn hydrate làm tăng độ nhớt của dầu thô và cũng là một yếu tố hạn chế công suất khai thác Sau cùng, sự

có mặt của các tinh thể rắn hydrate trong dầu thô đòi hỏi nhà sản xuất phải tiến hành một quá trình tách lọc trước khi sử dụng Tuy nhiên, khó khăn lớn nhất của ngành khai thác dầu khí là

sự tạo thành nút chặn hydrate tại một số vị trí đặc biệt như van, đoạn nối đường ống hay các chỗ khuỷu trong hệ thống đường ống Tại các vị trí này, tinh thể hydrate có nguy cơ bị giữ lại

và với thời gian, số lượng hydrate tăng dần và tạo thành một nút chặn làm dừng hoàn toàn quá trình khai thác Khó khăn trong việc định vị nút chặn, khả năng tiếp cận nút chặn cũng như phá hủy chúng luôn là một trở ngại lớn cho các công ty khai thác dầu khí

Đến nay, rất nhiều biện pháp đã được đưa ra nhằm hạn chế vấn đề này Giải pháp đầu tiên là sử dụng các ống cách nhiệt nhằm đảm bảo dầu thô luôn ở trong điều kiện nhiệt độ không có nguy cơ tạo hydrate Tuy nhiên, chi phí đầu tư cho hệ thống đường ống loại này rất tốn kém Giải pháp thứ hai được đề cập đến là sử dụng phụ gia nhiệt động học (thường thuộc

họ rượu như methanol, glycol…) nhằm thay đổi tính chất của nước và làm cho điều kiện hình thành hydrate khó khăn hơn rất nhiều Đây là một biện pháp được sử dụng rộng rãi trong thực

tế tuy nhiên đối với những giếng dầu sâu, khối lượng phụ gia thường rất lớn (có thể lên đến 50% lưu lượng nước có trong dầu) Giải pháp cuối cùng là sử dụng phụ gia động học để kìm hãm vận tốc quá trình tạo thành hydrate Khác với phụ gia nhiệt động học, lượng phụ gia động học sử dụng rất nhỏ (ít hơn 1% lượng nước có trong dòng chảy) Với loại phụ gia này, hydrate tồn tại song song với dầu thô hoặc khí nhưng không đủ nhiều để tạo thành nút chặn trong quá trình vận chuyển Dù những biện pháp nêu trên đã được áp dụng nhưng nguy cơ tạo thành nút chặn trong đường ống vẫn rất cao và đặt ra yêu cầu tìm biện pháp xử lí Một trong những biện pháp được coi là an toàn và hiệu quả nhất là giảm áp suất ở hai đầu nút chặn, đưa nút chặn về vùng không bền của hydrate để phá huỷ nút chặn Trường Đại học Quốc gia Mỏ Saint-Etienne (Pháp) là một trong những nhóm nghiên cứu giải pháp này nhằm đưa ra những

dự đoán về thời gian cần thiết để phá huỷ nút chặn tùy theo điều kiện vận hành trong thực tế [4]

Tuy nhiên, bên cạnh những khó khăn gây ra trong quá trình vận chuyển dầu khí, hydrate đồng thời mở ra một hướng đi mới cho việc vận chuyển và tồn chứa khí thiên nhiên

an toàn, tiết kiệm và hiệu quả hơn

Trên cơ sở lý thuyết, 1m3 hydrate có thể chứa khoảng 180m3 khí Với đặc tính này, một số nhà khoa học đã nhận định từ khá lâu về tiềm năng sử dụng hydrate như một phương tiện tồn chứa khí thiên nhiên vì đa số các khí trong khí thiên nhiên đều có khả năng tạo hydrate Tuy nhiên, phải đến đầu những năm 90 của thế kỉ 20, vai trò tích cực của hydrate trong quá trình tồn chứa và vận chuyển khí thiên nhiên mới nhận được sự quan tâm của giới khoa học và ngành khai thác dầu khí Yakushev (1992), Gudmundsson (1994) và Stern (2001)

[5] đều phát hiện hydrate của methane có thể tồn tại dưới hình thức giả bền ngoài vùng bền vững của nó Thông thường, để hydrate bền tại áp suất khí quyển, nhiệt độ của methane phải thấp hơn -80°C Tuy nhiên, theo các nhà nghiên cứu nêu trên, hydrate của methane có thể tồn tại ở áp suất khí quyển dưới hình thức giả bền với nhiệt độ từ 50°C đến 70°C Gudmundsson (1994) cũng thử nghiệm với hỗn hợp khí và nhận thấy tại áp suất khí quyển, hydrate vẫn bền

ở nhiệt độ -18°C, -10°C, -5°C và chỉ bị phân huỷ sau 7-10 ngày

Đến năm 1996, luận chứng kinh tế về tính khả thi của việc lưu trữ và vận chuyển khí thiên nhiên dưới dạng hydrate lần đầu tiên được công bố bởi Gudmundsson và các đồng nghiệp [2] Họ so sánh một dây chuyền vận chuyển 3,5 tỉ m3 khí thiên nhiên cho 5500 km sử dụng công nghệ hydrate (bao gồm phân xưởng tạo hydrate, tàu vận chuyển hydrate và phân xưởng thu hồi khí) với một dây chuyền vận chuyển công nghệ truyền thống Kết quả cho thấy, vốn đầu tư cho dây chuyền công nghệ hydrate tiết kiệm khoảng 24% so với vốn đầu tư cho một dây chuyền công nghệ truyền thống Thêm vào đó, một ưu điểm rất quan trọng của công nghệ hydrate là sự an toàn trong quá trình vận chuyển: khí thiên nhiên được vận chuyển dưới dạng hydrate ở áp suất khí quyển với một nhiệt độ khoảng -20°C trong khi với công nghệ truyền thống, một nhiệt độ tối đa -160°C cần được đảm bảo Với những tín hiệu khả quan trên, Nhật Bản và Na Uy hiện đang là hai nước đi đầu về nghiên cứu phát triển công nghệ này trên thế giới

4 Hydrate - Nguồn năng lượng của tương lai?

Năm 1967, các nhà khoa học Liên Xô lần đầu tiên phát hiện một mỏ hydrate của methane trữ lượng lớn ở độ sâu 900 m tại Messoyakha, một vùng có băng tuyết quanh năm Trong suốt thập kỉ sau đó, hơn 5.109 m3 khí đã được khai thác tại mỏ này Cho đến nay, rất nhiều các mỏ hydrate đã được phát hiện trên thế giới (Hình 3) và cũng rất nhiều dự đoán khác nhau về trữ lượng hydrate của thế giới được đưa ra Makogon (1988) và Kvenvolden (1988) [3] đều đưa ra con số khoảng 1016 m3 khí, tương đương 2 lần tổng trữ lượng dầu mỏ, khí thiên nhiên và than đá của thế giới Tuy nhiên, năm 1994, Krason lại đưa ra con số khoảng 1014 m3 khí Mặc dù với những dự đoán khác nhau về trữ lượng, hydrate vẫn được xem là một nguồn năng lượng đầy tiềm năng cho nhân loại trong hoàn cảnh nguồn dự trữ dầu thô thế giới đang cạn kiệt dần

Hình 3 Vị trí các mỏ hydrate đã được phát hiện trên thế giới (Makogon Y.F., 1997, [3])

Hiện nay, một dự án khai thác khí thiên nhiên từ hydrate tại vùng Beaufort và Mackenzie (Beaufort sea-Mackenzie delta basin) (Canada) đang được giới khoa học cũng như công nghiệp dầu khí rất quan tâm Cho đến nay, tại khu vực này, hơn 100 giếng khoan thăm

dò với độ sâu hơn 200m đã được thực hiện và cho những kết quả rất khả quan Trữ lượng của

mỏ này dự đoán vào khoảng 16.1012 m3 khí

Tuy nhiên, khai thác khí thiên nhiên từ hydrate cũng đặt ra những câu hỏi về sự ảnh hưởng đến tính bền vững của lớp trầm tích chứa hydrate Sau khi được khai thác, các tinh thể rắn hydrate sẽ giải phóng nước và chất khí, đồng thời làm thay đổi cấu trúc của lớp trầm tích

Để khắc phục vấn đề này, các nhà khoa học đã nghĩ đến việc lưu trữ các khí có hại cho môi trường như CO2 dưới dạng hydrate thay vào chỗ cho khí thiên nhiên trong các lớp trầm tích cũng như trong các mỏ dầu và khí đã được khai thác hết Đây cũng là một trong những hướng nghiên cứu mới của công nghệ hydrate trong nỗ lực làm giảm lượng khí thải gây hiệu ứng nhà kính

5 Tiềm năng ứng dụng và phát triển công nghệ hydrate tại Việt Nam

Hiện nay, trong ngành khai thác dầu khí tại Việt Nam, mặc dù hydrate đã được nhắc đến và các phụ gia được sử dụng thường xuyên để hạn chế những khó khăn gây ra bởi loại tinh thể này nhưng công nghệ hydrate cũng chỉ dừng ở mức độ sử dụng các phụ gia được bán trên thị trường Hạn chế về mặt cơ sở vật chất, thiết bị nghiên cứu là một trong những nguyên nhân chính gây trở ngại cho việc hình thành và phát triển công nghệ hydrate trong ngành dầu khí Việt Nam

Tuy nhiên, khả năng ứng dụng và phát triển công nghệ hydrate rất lớn trong những lĩnh vực không đòi hỏi sự đầu tư lớn về thiết bị và cơ sở vật chất Một trong số đó là công nghệ điều hoà nhiệt độ Tại Việt Nam, nhu cầu sử dụng điều hoà nhiệt độ ngày càng tăng và kéo theo lượng điện dành cho nhu cầu này cũng càng cao, đặc biệt vào giai đoạn nắng nóng Trong khi đó, vào giai đoạn này, khả năng sản xuất điện của nước ta bị hạn chế rất nhiều do mực nước xuống thấp của các hồ chứa nhà máy thuỷ điện Chính vì vậy, điều hoà nhiệt độ sử dụng công nghệ hydrate có thể là một giải pháp hiệu quả để đảm bảo nhu cầu của người tiêu dùng cũng như tiết kiệm điện Thêm vào đó, công nghệ này góp phần vào việc bảo vệ môi trường bằng cách không sử dụng các hóa chất độc hại và chu trình làm việc hoàn toàn khép kín

Hiện nay, giá điện dành cho sản xuất cho nguồn điện có điện áp từ 110 kV trở lên trong giờ thấp điểm là 425 đồng/kW, trong giờ bình thường là 785 đồng/kW và trong giờ cao điểm là 1325 đồng/kW Chúng ta có thể nhận thấy giá điện trong giờ thấp điểm chỉ bằng 1/3 giá điện trong giờ cao điểm Công nghệ điều hoà nhiệt độ bằng hydrate cho phép người tiêu dùng tiết kiệm chi phí bằng cách tiêu thụ điện để sản xuất, dự trữ năng lượng lạnh vào giờ thấp điểm và sử dụng năng lượng này vào giờ cao điểm Nguyên tắc hoạt động của công nghệ này dựa trên ưu điểm là năng lượng tạo thành/phân huỷ của 1 mol chất tạo hydrate thường lớn hơn nhiều lần so với năng lượng hóa hơi 1 mol của bất kì chất làm lạnh nào trong công nghệ truyền thống (thường là nhóm fluorocarbon) (Bảng 1)

Hiện nay, rất nhiều loại hóa chất đã được nghiên cứu để tạo ra hydrate phục vụ cho mục đích điều hoà nhiệt độ Ngoài các hóa chất được nêu ra trong bảng 1, một số loại khác cũng được nhắc đến như TBAB (tetra-n-butylammonium bromide) [1] hay CO2 Ban đầu, hydrate được tạo ra trong một thiết bị phản ứng ở nhiệt độ từ 0°C đến 30°C và áp suất thấp (có thể là áp suất khí quyển) tùy thuộc vào loại chất tạo hydrate và nồng độ chất đó trong dung dịch lỏng Sau đó, hỗn hợp lỏng-rắn (hydrate) được vận chuyển trong hệ thống đường ống khép kín đến môi trường cần điều hoà nhiệt độ Tại đây, hydrate thu nhiệt của môi trường nóng cho đến khi nhận một lượng nhiệt tương đương nhiệt phân hủy thì bị phân hủy Dung dịch lỏng sẽ quay trở về thiết bị phản ứng ban đầu để bắt đầu một chu trình sử dụng mới

Bảng 1 So sánh nhiệt tạo thành/phân huỷ của hydrate và nhiệt hóa hơi của các chất sử dụng trong công nghệ điều hoà nhiệt độ (Tomohiro Ogawa và các đồng nghiệp, 2005, [7])

Hóa chất C3H8 (R290) CH2F2(R32) CH2FCF3

(R134a)

CH3CHF2 (R152a) Nhiệt tạo thành/phân

huỷ hydrate, kJ/mol 129 71,6 133,7 78,8

Nhiệt hóa hơi tại

273,15K, kJ/mol 16,5 16,4 20,3 20,3

Nghiên cứu về tính khả thi của công nghệ điều hoà nhiệt độ bằng hydrate đã được các nhà khoa học Nhật Bản công bố năm 2001 [6] Khi so sánh mức tiêu thụ điện trong một năm giữa điều hoà nhiệt độ bằng công nghệ truyền thống và bằng hydrate TBAB cho một tòa nhà diện tích 20000 m2, họ nhận thấy điều hoà nhiệt độ sử dụng hydrate chỉ tiêu thụ khoảng 47% lượng điện tiêu thụ bởi công nghệ truyền thống Với những lợi thế về kinh tế như vậy, điều hoà nhiệt độ sử dụng công nghệ hydrate đang được phát triển và ứng dụng tại một số nước như Nhật Bản, Pháp, Thụy Sĩ… Từ những tương đồng về điều kiện khí hậu mùa hè giữa Việt Nam và Nhật Bản (nhiệt độ trên 30°C, độ ẩm khoảng 70-90% tại Tokyo) cũng như mức độ đầu tư cho thiết bị không nhiều mở ra một triển vọng cho việc hình thành và phát triển công nghệ này tại Việt Nam

Kết luận

Công nghệ hydrate là một công nghệ mới được hình thành và phát triển bắt nguồn từ nhu cầu của ngành khai thác dầu mỏ và khí Với những đặc tính của mình, hydrate vừa được xem như một thách thức khó khăn cho quá trình vận chuyển dầu khí vừa được xem như một hình thức vận chuyển khí thiên nhiên của tương lai, an toàn, tiết kiệm và hiệu quả hơn Bên cạnh đó, hydrate còn được xem như một nguồn năng lượng đầy tiềm năng thay thế dầu thô trong tương lai Hiện nay, công nghệ hydrate đã được phát triển sang nhiều lĩnh vực khác như: điều hoà nhiệt độ, xử lí khí, đông lạnh… Một trong số các lĩnh vực có khả năng phát triển tại Việt Nam là điều hoà nhiệt độ sử dụng hydrate Tính khả thi về công nghệ, khả năng tiết kiệm năng lượng cũng như chi phí đầu tư thấp là những ưu điểm giúp cho công nghệ hydrate có thể được ứng dụng và phát triển ở nước ta

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Darbouret Myriam, Etude rhéologique d’une suspension d’hydrates en tant que fluide

frigoporteur diphasique, Ecole Nationale Supérieure des Mines de Etienne,

Saint-Etienne, 2005

[2] Gudmundsson, J.S., Hydrate non-pipeline technology, Proceeding of the 4th International

Conference on Gas Hydrates, Vol 2, 997-1002, Yokohama, 2001

[3] Makogon, Y.F., Hydrates of hydrrocarbons, Pennwell Books, Oklahoma, 1997

[4] Nguyen Hong Duc, Federic Gruy, Jean-Michel Herri, Experimental data and approximate

estimation for dissociation time of hydrate plugs, Chemical Engineering Science, (61),

1846-1853, 2006

[5] Sloan E Dendy, Clathrates hydrates of natural gases, Marcel Dekker Inc., New York, 1998

[6] Tanasawa, I và các đồng nghiệp, Clathrate hydrate slurry of TBABas a cold-storage material,

Proceeding of the 4th International Conference on Gas Hydrates, Vol 2, 963, Yokohama,

2001

[7] Tomohiro Ogawa và các đồng nghiệp, Development of a novel hydrate-based refrigeration

system, Proceeding of the 5th International Conference on Gas Hydrates, Vol 4, 4019,

Trondheim, 2005.