Sản xuất hydro từ các nguồn tái tạo và sử dụng trong các nhà máy chế biến dầu khí tại Việt Nam

Bài viết này đánh giá khả năng áp dụng tại các nhà máy chế biến dầu khí của Việt Nam thông qua các công nghệ điện phân nước và khí hóa sinh khối. Để nắm chi tiết hơn nội dung nghiên cứu, mời các bạn cùng tham khảo bài viết.

PETROVIETNAM TẠP CHÍ DẦU KHÍ Số 11 - 2020, trang 37 - 55 ISSN 2615-9902 SẢN XUẤT HYDRO TỪ CÁC NGUỒN TÁI TẠO VÀ SỬ DỤNG TRONG CÁC NHÀ MÁY CHẾ BIẾN DẦU KHÍ TẠI VIỆT NAM Nguyễn Hữu Lương, Nguyễn Thị Châu Giang, Huỳnh Minh Thuận Viện Dầu khí Việt Nam Email: luongnh.pvpro@vpi.pvn.vn https://doi.org/10.47800/PVJ.2020.11-04 Tóm tắt Phát triển hydro từ nguồn tái tạo xu chung Hai hướng chủ đạo để sản xuất hydro tái tạo điện phân nước khí hóa sinh khối Trong cơng nghệ khí hóa sinh khối thương mại hóa hồn tồn, cơng nghệ điện phân nước thương mại hóa phần Trong lĩnh vực chế biến dầu khí, để đảm bảo phát triển bền vững tận dụng sở hạ tầng sẵn có, nguồn tái tạo nói chung hydro tái tạo nói riêng tích hợp vào nhà máy lọc - hóa dầu sở lợi bối cảnh cụ thể nhà máy Hydro tái tạo cho Nhà máy Lọc dầu Dung Quất, Liên hợp Lọc hóa dầu Nghi Sơn Nhà máy Đạm Phú Mỹ từ trình điện phân nước biển nước sơng sử dụng lượng tái tạo từ gió mặt trời Đối với Nhà máy Đạm Cà Mau, hydro tái tạo cung cấp thơng qua q trình khí hóa sinh khối Từ khóa: Hydro, chế biến dầu khí, tái tạo, điện phân nước, khí hóa sinh khối, Nhà máy Lọc dầu Dung Quất, Liên hợp Lọc hóa dầu Nghi Sơn, Nhà máy Đạm Cà Mau, Nhà máy Đạm Phú Mỹ Giới thiệu 4% 18% Hydro xem nguyên, nhiên liệu “sạch” đóng vai trò quan trọng kinh tế tương lai thay nguồn nhiên liệu hóa thạch Hiện tại, có khoảng 96% hydro sản xuất từ nguồn nguyên liệu khơng thể tái tạo, với khoảng 48% từ khí thiên nhiên, 30% từ q trình reforming 18% từ khí hóa than Chỉ khoảng 4% sản xuất phương pháp điện phân nước Để giải vấn đề cạn kiệt nguồn nguyên liệu hóa thạch giảm khí nhà kính CO2, phương pháp bền vững sản xuất hydro từ nguồn nguyên liệu tái tạo cần phát triển [1] Hình trình bày tỷ trọng nguồn sản xuất hydro Hydro sử dụng làm nhiên liệu nguyên liệu cho ngành cơng nghiệp lọc - hóa dầu Tổng sản lượng hydro sản xuất toàn cầu khoảng 7,7 EJ/ năm (1 EJ = 1018 J) dự kiến tăng đến 10 EJ/năm vào năm 2050 Ứng dụng chủ yếu hydro làm nguyên liệu cho sản xuất ammonia (51%), lọc dầu (31%), sản xuất methanol (10%) ứng dụng khác (8%) Hình trình bày tỷ lệ sử dụng hydro lĩnh vực khác Thị trường Ngày nhận bài: 19/8/2020 Ngày phản biện đánh giá sửa chữa: 19/8 - 23/9/2020 Ngày báo duyệt đăng: 3/11/2020 48% 30% Khí tự nhiên Dầu Than đá Điện phân Hình Tỷ trọng nguồn sản xuất hydro [1] 8% 31% 51% 10% Ammonia Methanol Ứng dụng lọc dầu Khác Hình Tỷ lệ sử dụng hydro lĩnh vực giới [1] DẦU KHÍ - SỐ 11/2020 37 NĂNG LƯỢNG MỚI hydro mong chờ tăng - 10% năm cho nhu cầu tiêu thụ chế biến phân đoạn dầu nặng lượng cho mảng giao thông [1] Tại Việt Nam, hydro chủ yếu sản xuất tiêu thụ nhà máy chế biến dầu khí (lọc dầu, đạm) Nguyên liệu cho nhà máy chế biến dầu khí ngày đa dạng dẫn đến nhu cầu hydro ngày tăng Các loại dầu chua (chứa nhiều lưu huỳnh), khí thiên nhiên có hàm lượng CO2 cao (> 10%) yêu cầu lượng hydro sử dụng nhiều trình chế biến để đảm bảo công suất hoạt động tiêu chuẩn môi trường ngày nghiêm ngặt Trong nhà máy lọc dầu, hydro sử dụng để xử lý loại bỏ lưu huỳnh tạp chất khác (N, O, kim loại…) khỏi dòng ngun liệu bán thành phẩm thơng qua q trình xử lý hydro (hydrotreating), khử xúc tác từ dạng oxide sang dạng kim loại hoạt động, no hóa hợp chất chưa bão hịa (hydro hóa) Hydro sản xuất từ phân xưởng CCR sản phẩm phụ từ phân xưởng sản xuất hydro thơng qua q trình steam reforming loại nguyên liệu hydrocarbon khí thiên nhiên, LPG, naphtha Đối với Nhà máy Lọc dầu Dung Quất tại, hydro chủ yếu từ phân xưởng CCR Tuy nhiên, tương lai, Nhà máy Lọc dầu Dung Quất nâng cấp mở rộng nhu cầu sử dụng hydro tăng cao cần có nguồn hydro bổ sung từ phân xưởng sản xuất hydro (HGU) Đối với Liên hợp Lọc hóa dầu Nghi Sơn, hydro chủ yếu từ phân xưởng CCR phân xưởng sản xuất hydro từ LPG, tỷ lệ nhỏ hydro thu hồi từ offgas Theo xu hướng phát triển bền vững, nguồn tái tạo tích hợp vào nhà máy lọc dầu Trong đó, nguồn hydro tái tạo giải pháp đầy triển vọng nhằm thay cho lượng hydro bổ sung từ phân xưởng sản xuất hydro Nhà máy Lọc dầu Dung Quất sau nâng cấp mở rộng Nhà máy Lọc dầu Nghi Sơn Đối với nhà máy đạm, hydro sản xuất chủ yếu từ nguồn nguyên liệu khí thiên nhiên thơng qua q trình reforming nước (steam reforming) để tạo hỗn hợp khí tổng hợp syngas (H2 CO) Hydro nguyên liệu để tổng hợp ammonia, sau chuyển hóa tiếp để tạo sản phẩm urea Lượng hydro tạo từ trình reforming có quan hệ mật thiết với hàm lượng CO2 có khí thiên nhiên Nhà máy Đạm Phú Mỹ Đạm Cà Mau cung cấp thị trường hàng năm 1,6 triệu urea, góp phần đảm bảo an ninh lương thực cho đất nước Tuy nhiên, với suy giảm sản lượng chất lượng nguồn khí nước, xu hướng giá khí tăng xảy sau thời gian ổn định, địi hỏi đơn vị phải xem xét, tìm kiếm giải pháp đa dạng hóa nguồn nguyên liệu nhằm đảm bảo hoạt động ổn định, hiệu bền vững Về lâu dài, tình hình nguồn khí nước có hàm lượng CO2 ngày tăng, việc tìm kiếm nguồn H2 bổ sung yêu cầu cấp thiết Mặt khác, nguồn khí thiên nhiên giàu CO2 Việt Nam (chiếm nửa tổng trữ lượng khí) nguồn cần xem xét sử dụng hiệu Theo đó, để chế biến đồng thời thành phần hydrocarbon CO2 có khí cho mục đích sản xuất đạm, việc đảm bảo nguồn hydro bổ sung cần thiết Như vậy, việc tạo nguồn hydro bổ sung với chi phí hiệu yêu cầu cốt lõi để sử dụng nguồn khí thiên nhiên giàu CO2 làm nguyên liệu cho nhà máy đạm Bảng trình bày nguồn hydro từ nhà máy lọc hóa dầu Việt Nam Bảng Sản lượng hydro số nhà máy lọc hóa dầu Việt Nam Nguồn: VPI, 2020 Nhà máy Nhà máy Lọc dầu Dung Quất (hiện tại) Nhà máy Lọc dầu Dung Quất (Nâng cấp mở rộng) Q trình cơng nghệ Sản lượng H2 (tấn/giờ) CCR 2,07 CCR 2,64 H2 bổ sung 0,47 CCR 5,89 Liên hợp Lọc hóa dầu Nghi Sơn H2 bổ sung từ LPG 17,43 Reforming (hiện tại) 12,31 H2 bổ sung sử dụng nguyên liệu khí thiên nhiên chứa 2,05 (a) Nhà máy Đạm Phú Mỹ 30% CO2 Thay hồn tồn ngun liệu khí thiên nhiên 12,31 Reforming (hiện tại) 11,33 H2 bổ sung sử dụng nguyên liệu khí thiên nhiên chứa 1,89 (a) Nhà máy Đạm Cà Mau 30% CO2 Thay hồn tồn ngun liệu khí thiên nhiên 11,33 tấn/năm 396.554 (b) Tổng sản lượng H2 tối đa EJ/năm 0,06 (b) (a) Ước tính sở sản lượng H2 giảm syngas nguyên liệu chứa 30% CO2 xảy đồng thời phản ứng dry reforming steam reforming (b) Ước tính sở nhà máy hoạt động 330 ngày/năm 38 DẦU KHÍ - SỐ 11/2020 PETROVIETNAM Bảng cho thấy nhu cầu hydro Nhà máy Lọc dầu Dung Quất 2,07 tấn/giờ cung cấp từ phân xưởng CCR Trong tương lai, Nhà máy Lọc dầu Dung Quất nâng cấp mở rộng lên công suất 8,5 triệu tấn/năm với nguyên liệu hỗn hợp dầu thô chứa 70% ESPO 30% Murban, nhu cầu hydro tăng lên 3,11 tấn/ giờ, đó, 2,64 tấn/giờ cung cấp từ phân xưởng CCR phần lại bổ sung phân xưởng sản xuất hydro thơng qua q trình reforming naphtha khí thiên nhiên Liên hợp Lọc hóa dầu Nghi Sơn có nhu cầu sử dụng hydro cao Nhà máy Lọc dầu Dung Quất sử dụng nguyên liệu dầu thô Kuwait thuộc loại dầu chua Theo đó, nhu cầu hydro Liên hợp Lọc hóa dầu Nghi Sơn cung cấp phân xưởng CCR (5,89 tấn/giờ) phân xưởng sản xuất hydro thông qua trình reforming LPG (17,43 tấn/giờ) Đối với Nhà máy Đạm Phú Mỹ Nhà máy Đạm Cà Mau, lượng hydro từ trình reforming khí thiên nhiên 12,31 tấn/giờ 11,33 tấn/giờ Trong tương lai, nhà máy đạm sử dụng nguồn nguyên liệu khí thiên nhiên chứa 30% CO2 lượng hydro từ trình reforming giảm Để đảm bảo công suất sản xuất urea (800.000 tấn/năm), cần bổ sung nguồn hydro cho nhà máy 2,05 tấn/giờ (Nhà máy Đạm Phú Mỹ) 1,89 tấn/giờ (Nhà máy Đạm Cà Mau) Các nguồn hydro bổ sung cung cấp thơng qua q trình reforming truyền thống loại ngun liệu khí thiên nhiên, LPG, naphtha, khí hóa than, sinh khối, điện phân nước sử dụng lượng tái tạo Trong phạm vi báo này, cơng nghệ điện phân nước khí hóa sinh khối giới thiệu đánh giá khả áp dụng nhà máy chế biến dầu khí Việt Nam Công nghệ sản xuất hydro tái tạo Trong cơng nghiệp, hydro sản xuất thơng qua đường reforming nước truyền thống từ nguồn nguyên liệu hydrocarbon khí thiên nhiên, LPG, naphtha thông qua phân xưởng công nghệ nhà máy lọc dầu CCR (reforming xúc tác), PDH (dehydro hóa propane) Để đáp ứng nhu cầu phát triển bền vững, nguồn nguyên/nhiên liệu hóa thạch thay dần nguồn tái tạo Theo đó, việc sản xuất hydro dịch chuyển dần sang trình điện phân nước sử dụng nguồn lượng tái tạo Đây phương pháp sản xuất hydro “sạch” thân thiện với môi trường, dự báo đường chủ đạo để sản xuất hydro cho ngành công nghiệp nhiên liệu tương lai Như vậy, hydro tái tạo hình thức lưu trữ lượng, đặc biệt lượng tái tạo thời điểm có mức tiêu thụ thấp Đối với khu vực có sẵn nguồn sinh khối, hydro sản xuất thơng qua q trình khí hóa sinh khối 2.1 Điện phân nước Điện phân phương pháp mà nước phân tách thành hydro oxy tác dụng dòng điện: H2O (l) → H2 (k) + ½O2 (k) (1) Hiện nay, có phương pháp điện phân thông dụng gồm: điện phân dung môi kiềm, điện phân sử dụng màng trao đổi proton điện phân sử dụng điện cực oxide rắn 2.1.1 Điện phân dung môi kiềm (Alkaline electrolysis) Điểm bật phương pháp điện phân kiềm nghiên cứu kỹ có phạm vi triển khai thương mại lớn Trong công nghệ này, hệ thống điện phân cấu thành cặp điện cực ngâm dung dịch kiềm, thường KOH nồng độ 25 - 30% ngăn cách màng ngăn Ở cực âm, nước phân tách để tạo thành H2 giải phóng anion hydroxide qua màng ngăn tái tổ hợp cực dương để tạo thành O2 theo phản ứng sau: 2H2O (l) + 2e- → H2 (k) + 2OH- (dd) (2) 2OH- (dd) → ½O2 (k) + 2e- + H2O (l) (3) 2.1.2 Điện phân sử dụng màng trao đổi proton (PEM electrolysis) Trong phương pháp này, chất điện phân màng polymer có tính acid cho phép trao đổi proton (H+) Ở cực dương, nước bị oxy hóa thành O2 giải phóng proton chảy qua màng bị khử cực âm tạo thành H2 theo phản ứng sau [2]: H2O (l) → ½O2 (k) + 2H+ (dd) + 2e- (4) 2H+ (dd) + 2e- → H2 (k) (5) 2.1.3 Điện phân sử dụng điện cực oxide rắn (solid oxide electrolysis - SOE) Cả phương pháp điện phân kiềm PEM điện phân nhiệt độ thấp (LTE) Trong đó, phương pháp điện phân sử dụng điện cực oxide rắn thực nhiệt độ cao (HTE) Theo phương pháp này, trình điện phân nước nhiệt độ cao mang lại hiệu cao so với công nghệ trước đây; có khả sử dụng nhiệt thải thay cho phần lượng điện tiêu thụ [3, 4] Mặc dù vậy, công nghệ chưa sẵn sàng để DẦU KHÍ - SỐ 11/2020 39 NĂNG LƯỢNG MỚI thương mại hóa có vấn đề độ bền hệ thiết bị phản ứng điều kiện thực khắc nghiệt Các phản ứng xảy cực âm cực dương sau: H2O (l) + 2e- → H2 (k) + O2- (6) O2- → ½O2 (k) + 2e- (7) 2.1.4 So sánh công nghệ điện phân nước Các phương pháp điện phân có đặc tính khác giai đoạn phát triển khác Do phát triển từ lâu đời, hệ thống điện phân kiềm sử dụng phổ biến nhất, mơ hình PEM cạnh tranh liệt Trong Bảng 2, PEM có lợi quan trọng so với alkaline (ALK) liên quan đến mật độ dòng điện cao hơn, phạm vi hoạt động lớn độ tinh khiết hydro thu cao [5] Nhược điểm lớn công nghệ điện phân PEM nằm độ bền phận [6] chi phí cao liên quan đến thành phần tiếp xúc hệ thống chế tạo sở titan, chẳng hạn lưỡng cực Mặc dù có hiệu cao hơn, công nghệ điện phân SOE giai đoạn phát triển để thương mại hóa nên nhóm tác giả khơng phân tích sâu Hiệu cơng nghệ điện phân SOE đạt gần 100% (trong thực tế, đạt tới giá trị 90%) tạo quan tâm đến việc cải thiện độ bền chi phí [7] Tuy nhiên, điện phân SOE chưa đạt đến trạng thái thương mại hóa [8] PEM có lợi quan trọng, đó, dự kiến cải thiện tương lai Điện phân màng proton hoạt động linh hoạt so với công nghệ ALK Cơng nghệ có phạm vi hoạt động lớn (có thể cung cấp hydro cho ngành cơng nghiệp, bổ sung vào mạng lưới khí cung cấp dịch vụ phụ trợ khác), mật độ dòng điện độ tinh khiết cao [5], tuổi thọ hệ điện phân dài Đồng thời, hệ thống PEM trì chế độ stand-by nên tiêu thụ lượng điện tối thiểu, hoạt động thời gian ngắn công suất cao (trên 100%) [7, 8] Tuy nhiên, nhược điểm lớn chất điện phân PEM nằm độ bền phận [2] chi phí cao liên quan đến thành phần tiếp xúc chế tạo sở titan, ví dụ lưỡng cực [7] Bảng so sánh thông số vận hành loại hệ thống điện phân PEM ALK Mặc dù giá thành PEM cao với ưu điểm đề cập, năm gần đây, công nghệ điện phân màng trao đổi proton (PEM) dẫn đầu sản xuất máy điện phân so với công nghệ điện phân kiềm (alkaline) Năm 2016, công ty H2B2 giới thiệu thị trường Mỹ Tây Ban Nha công nghệ sản xuất hydro điện phân nước sử dụng thiết bị điện phân kiểu PEM H2B2 cung cấp hệ thiết bị sản xuất hydro với nhiều mức công suất khác nhau: nhỏ (0,5 - Nm3/giờ), trung bình (10 - 105 Nm3/giờ) lớn (100 - 580 Nm3/giờ) Hình cho thấy tương lai gần, thị trường sử dụng hệ thống điện phân PEM chiếm ưu cải tiến nhanh chóng công nghệ ưu điểm 2.1.5 Chi phí sản xuất hydro từ điện phân nước Một yếu tố quan trọng thúc đẩy phát triển sản xuất hydro từ nguồn tái tạo tính cạnh tranh hiệu kinh tế so sánh với hydro truyền thống từ nguồn hóa thạch Chi phí sản xuất hydro tái tạo phụ thuộc chủ yếu vào giá điện, hiệu suất điện phân chi phí đầu tư, đó, chi phí điện chiếm đến 60% giá thành sản xuất hydro Theo IRENA, hydro sản xuất từ điện cạnh tranh giá điện giảm xuống 30 Bảng So sánh công nghệ điện phân nước [9] Đặc tính Đơn vị Độ phổ biến Nhiệt độ tế bào điện phân Áp suất tế bào điện phân Mật độ dòng Điện tế bào điện phân Hiệu suất điện hóa Năng lượng tiêu thụ riêng Diện tích tế bào điện phân Sản lượng hydro ngăn Độ bền ngăn Độ bền hệ điện phân Độ tinh khiết hydro Thời gian khởi động hệ Suất đầu tư 40 DẦU KHÍ - SỐ 11/2020 °C bar A/cm2 V % kWhN/m3 m2 Nm3/giờ Nghìn Năm % Phút EUR/kW Kiềm Đã thương mại hóa rộng rãi 60 – 80 < 30 < 0,45 1,8 – 2,4 62 – 82 4,2 – 4,8 – 3,6 < 1.400 55 – 120 20 – 30 < 99,8 15 800 – 1.500 PEM SOE Đã thương mại hóa R&D 50 – 80 < 30 1–2 1,8 – 22 67 – 82 4,4 – 5,0 < 0,13 < 400 60 – 100 10 – 20 99,999 < 15 1.400 – 2.100 900 – 1.000 < 30 0,3 – 0,95 – 1,3 81 – 86 2,5 – 3,5 < 0,06 < 10 – 20 > 60 > 2.000 PETROVIETNAM Bảng Điều kiện vận hành PEM ALK [10] ALK 15 – 100% – 10 phút 0,2 – 20%/giây – 10 phút MW (điện) Khoảng phụ tải Khởi động Tăng/giảm lưu lượng Ngừng máy 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 O PEM – 160% – phút 100%/giây Giây Ước tính quy mơ thị trường hàng năm cho ứng dụng công nghiệp khác 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019-2020 Điện phân sử dụng điện cực oxide rắn (SOEC) Điện phân kiềm (Alkaline) Điện phân màng trao đổi proton (PEM) Không xác định Hình Thị trường phát triển loại hệ thống điện phân tương lai gần Nguồn: IEA Chi phí sản xuất hydro quy dẫn (USD/kg H2) 3,5 3,2 H2 2,3 2,5 1,3 0,5 20 402 Chi phí điện (USD/MWh) Tổng mức đầu tư (200 USD/MWh) Tổng mức đầu tư (1000 USD/MWh) Hình Chi phí sản xuất hydro quy dẫn (LCOH) phương pháp điện phân nước Đan Mạch [11] 250 200 USD/MWh 220 150 200 100 110 50 91,2 59 Sự phát triển sản xuất điện từ lượng tái tạo chí cịn dẫn đến giá điện âm Điều tạo điều kiện thuận lợi cho giải pháp sản xuất H2 từ điện, để giúp cân hệ thống điện lưới, tận dụng thời điểm giá điện thấp Những yêu cầu kỹ thuật cần cải thiện hai công nghệ điện phân nước phát triển thương mại (Alkaline PEM) trình bày Bảng Chi phí sản xuất H2 phương pháp điện phân nước cạnh tranh với phương pháp truyền thống (reforming nước khí thiên nhiên) giảm chi phí đầu tư (CAPEX) giảm giá điện đầu vào Mỹ, thị trường điện lượng mặt trời lớn thứ hai giới, sở hữu hợp đồng mua bán điện (PPA) với giá thấp 25 USD/ MWh Trên giới, chí cịn có hợp đồng PPA điện lượng mặt trời với mức giá thấp có xu hướng giảm nhanh (Hình 5) 2.1.6 Các vấn đề tồn phương pháp giảm chi phí sử dụng cơng nghệ điện phân nước 2,1 1,5 USD/MWh (3 cent/KWh) chi phí đầu tư giảm đáng kể [11] (Hình 4) 53 52 50 47,1 38 36,8 29,9 29 24,2 23,4 21,5 18,9 16,9 09/10 11/01 11/08 13/08 14/01 14/01 14/06 14/07 15/01 15/03 16/02 16/05 16/08 16/09 17/10 17/11 17/11 19/17 Hình Chi phí trung bình cho đơn vị sản phẩm H2 mức giá điện đầu vào khác chi phí đầu tư cho hệ điện phân khác Nguồn: Wood Mackenzie Bên cạnh đó, vấn đề cốt lõi liên quan đến tài việc triển khai cơng nghệ điện phân nước Quan trọng phải giảm chi phí sản xuất hydro Báo cáo phân tích IRENA cho thấy, đến năm 2050, hydro có khả cung cấp gần 29 EJ nhu cầu lượng tồn cầu, 2/3 số đến từ nguồn tái tạo (Hình 6) Vào năm 2050, 14 EJ hydro tái tạo tiêu thụ lĩnh vực sản xuất công nghiệp, chủ yếu phân ngành sắt, thép amoniac Trong lĩnh vực vận tải, hydro sử dụng xe điện chạy pin nhiên liệu (FCEV), chủ yếu để vận chuyển hàng hóa cồng kềnh vận DẦU KHÍ - SỐ 11/2020 41 NĂNG LƯỢNG MỚI Bảng Các yếu tố kỹ thuật cần cải thiện công nghệ alkaline PEM [12] Alkaline Giảm thiểu khoảng cách điện cực để giảm tổn thất điện trở Vật liệu cho màng Tăng nhiệt độ để thúc đẩy độ dẫn điện cải thiện động học phản ứng điện cực Sử dụng vật liệu điện từ để giảm giá trị mức điện cực PEM Chế tạo màng bền mặt học hóa học Sử dụng chất xúc tác khác thích hợp iridium Chống ăn mịn độ dẫn điện thấp lớp thụ động làm suy giảm thu lưỡng cực cực dương Giảm độ khuếch tán pha rắn màng để sản phẩm độ tinh khiết cao 19 EJ/năm Tổng lượng hydro cung cấp từ lượng tái tạo 14 EJ/năm hydro từ nguồn tái tạo phục vụ cho công nghiệp E J/năm hydro từ nguồn tái tạo phục vụ cho xây dựng trình điện phân Hệ số tải cao tỷ lệ chi phí cố định thấp tỷ lệ chi phí điện LCOH cao Chi phí cho điện thấp nâng cao hiệu chi phí việc sản xuất hydro phương pháp điện phân, ví dụ cách sử dụng lượng tái tạo dư thừa cách đặt nhà máy điện phân hydro vị trí có chi phí điện tái tạo thấp [10] 0,1 Khác 0,1 Năng lượng Hình Dự báo nguồn cung hydro vào năm 2050 [11] tải hành khách Ngành giao thông vận tải khu vực sử dụng hydro tái tạo lớn thứ hai (sau ngành công nghiệp) khoảng EJ năm vào năm 2050 Trong lĩnh vực nhiên liệu dân dụng, hydro pha trộn với khí thiên nhiên kết hợp để tạo khí methane tổng hợp vận chuyển mạng lưới khí Mạng lưới khí hoạt động phương tiện lưu trữ quy mô lớn, cung cấp phân phối điện tái tạo với chi phí thấp [11] Chi phí vốn trả trước lớn để xây dựng sở hạ tầng cho sản xuất hydro đầu tư hệ thống điện phân, hạ tầng giao thơng lưu trữ sản phẩm Những chi phí với mức thuế cao điện làm cho chi phí sản xuất hydro q trình điện phân tăng lên Do đó, chi phí cơng nghệ sở hạ tầng phải liên tục giảm, khung pháp lý thị trường phải điều chỉnh thiết kế lại để phù hợp với tiềm giải pháp sản xuất H2 từ điện (Power to H2 - P2H₂) Chi phí sản xuất hydro từ trình điện phân nằm khoảng 2,4 - 6,7 EUR/kg tùy thuộc vào quốc gia thông số vận hành khác so với 1,3 - 1,33 EUR/kg thơng qua quy trình reforming nước khí thiên nhiên [13] Trong đó, riêng chi phí điện chiếm phần tổng chi phí sản xuất hydro từ điện phân phụ thuộc vào diện tích lắp đặt, số vận hành (load hours) địa điểm đặt hệ thống điện phân Mặc dù chi phí điện trung bình 30% tổng chi phí sản xuất hydro, số trường hợp lên tới 60% [14] Có thể đánh giá mức độ hiệu việc sản xuất hydro dựa thông số chi phí sản xuất hydro quy dẫn (Levelised cost of hydrogen - LCOH (USD/kg H₂) LCOH biểu chi phí cho đơn vị H2 sản xuất tồn vịng đời trung bình cơng nghệ gồm: chi phí đầu tư ban đầu, nhiên liệu, chi phí bảo dưỡng, vận hành ngừng hoạt động LCOH tỷ lệ thuận với hệ số tải (load factor) 42 DẦU KHÍ - SỐ 11/2020 2.1.7 Áp dụng cơng nghệ điện phân dự án triển khai Một số liệu thực tế liên quan đến công nghệ điện phân sản xuất hydro đưa Bảng Các số liệu cho thấy tỷ trọng H2 sản xuất từ q trình điện phân nước cịn nhỏ dự báo tăng lên nhanh thời gian tới sách thay phần cho nhiên liệu hóa thạch quốc gia phát triển hoạch định Các động lực để giảm chi phí gồm: cơng nghệ sản xuất điện phân, cải thiện hiệu suất việc sử dụng lượng tái tạo chi phí thấp Nhờ cải tiến kỹ thuật, chi phí sản xuất cơng nghệ PEM alkaline ngày trở nên cạnh tranh chi phí đầu tư cho sở hạ tầng dự báo giảm đáng kể (từ 50 - 80%) Đồng thời, để chi phí sản xuất hydro thấp hơn, cần giảm CAPEX giá thành điện đầu vào Chi phí điện thấp từ lượng tái tạo đóng góp phần lớn việc giảm chi phí hoạt động Kể từ năm 2010, chi phí điện phân giảm 60%, từ 10 - 15 USD/kg xuống cịn - USD/kg Điện gió giảm 60% chi phí từ năm 2030 Ngồi ra, số quốc gia sử dụng phương án tăng quy mơ sản xuất để giảm chi phí cung ứng CAPEX dự kiến giảm gần 60 - 80% PETROVIETNAM sản xuất cải tiến công nghệ với quy mô sản xuất lớn vào năm 2030 [15] Mặt khác, cải tiến sử dụng tài nguyên tái tạo làm cho hiệu sản xuất hydro cao Ví dụ, lượng mặt trời kết hợp lượng gió Chile làm giảm chi phí sản xuất hydro tới 1,4 USD/kg vào năm 2030 [15] Đã có quốc gia tiên phong việc sản xuất hydro từ điện phân nước sử dụng nguồn lượng cho nhiều mục đích Một số dự án triển khai giới sau: - Tại Iceland, nhà máy sản xuất methanol với quy mô công suất triệu lít/năm vận hành từ năm 2012 Các nguyên liệu cung cấp cho nhà máy gồm: CO2 thu hồi từ khói thải nhà máy điện địa phương H2 cung cấp từ trình điện phân nước sử dụng lượng địa nhiệt nguồn lượng sẵn có khu vực Ước tính cho thấy chi phí sản xuất hydro đường điện phân nước sử dụng lượng địa nhiệt thấp 20% so với đường sản xuất hydro truyền thống cơng nghiệp thơng qua q trình steam reforming khí thiên nhiên Như vậy, trình thương mại hóa cơng nghệ hiệu kinh tế trình chủ yếu phụ thuộc vào giá nguồn lượng sử dụng cho trình điện phân nước - ENGIE đối tác thực dự án lưu trữ lượng hydro Pháp mang tên GRHYD Vì Pháp đặt mục tiêu đáp ứng 23% tổng mức tiêu thụ lượng người dùng cuối từ nguồn tái tạo vào năm 2020, dự án GRHYD có kế hoạch chuyển đổi lượng dư thừa tạo từ nguồn lượng tái tạo thành hydro Hydro pha trộn với khí tự nhiên để tạo hythane sau sử dụng với sở hạ tầng có Dự án nhằm mục đích chứng minh lợi kỹ thuật, kinh tế, môi trường xã hội việc trộn hydro với khí tự nhiên giải pháp lượng bền vững Hythane đưa vào mạng lưới phân phối khí tự nhiên Le Petit Village đưa đến trạm tiếp nhiên liệu xe khí tự nhiên Dunkirk [16] - Tổ chức The Fuel Cells and Hydrogen Joint Undertaking (FCH JU) hỗ trợ hoạt động nghiên cứu, phát triển công nghệ trình diễn cơng nghệ pin nhiên liệu hydro châu Âu, với mục đích đẩy nhanh q trình thương mại hóa cơng nghệ Dự án HyBalance số dự án thuộc FCH JU [17] với mục đích chứng minh việc sử dụng hydro hệ thống lượng Đan Mạch Năng lượng gió dư thừa sử dụng để sản xuất hydro phương pháp điện phân, giúp cân lưới điện Hydro sau sử dụng lĩnh vực giao thơng công nghiệp Hobro, Đan Mạch Dự án giúp xác định nguồn doanh thu tiềm từ hydro thay đổi môi trường pháp lý cần thiết để cải thiện tính khả thi tài P2H2 - Năm 2017, Enel bắt đầu vận hành mạng lưới vi mô Chile gồm sở điện mặt trời công suất tối đa 125 kW kết hợp với hệ thống lưu trữ lượng công suất tối đa 582 kWh, sử dụng pin lithium-ion (132 kWh) hệ thống P2H₂ (450 kWh) Hệ thống lưới vi mô cung cấp 24 lượng mà khơng cần hệ thống dự phịng lượng dựa động diesel Ưu điểm hệ thống hoạt động cho hệ thống đấu lưới khơng đấu lưới di chuyển theo địa lý để cung cấp lượng địa Bảng Một số kết thực tế liên quan đến sản xuất H2 từ điện phân [10] Thông số Tỷ lệ H2 sản xuất q trình điện phân Chi phí sản xuất H2 từ điện phân Chi phí sở hạ tầng sản xuất H2 (sản xuất phân phối) Các quốc gia chủ yếu ứng dụng P2H2 Một số kết thực tế mục tiêu 4% H2 toàn cầu sản xuất thơng qua điện phân (cịn lại sản xuất từ nhiên liệu hóa thạch) - Chi phí sản xuất H2 từ điện phân thông qua công nghệ PEM năm 2017: 6,7 EUR/kg H2; có khả giảm xuống 4,1 EUR/kg H2 năm 2025; - CAPEX công nghệ PEM dự đoán giảm từ 1.200 EUR/kW (2017) xuống 700 EUR/kW (2025); - CAPEX công nghệ alkaline dự đoán giảm từ 750 EUR/kW (2017) xuống 480 EUR/kW (2025) - Ước tính tại: - 10 USD/kg; - Dự đoán tương lai gần: - USD/kg Dự án P2H2 đặt Australia, Canada, Chile, Đan Mạch, Pháp, Đức, Nhật, Anh Hoa Kỳ Một số quốc gia đặt mục tiêu đưa H2 vào giao thông vận tải Trung Quốc, Pháp, Đức, Hà Lan, Nhật, Hàn Quốc, Hoa Kỳ Anh Dự báo nhu cầu H2 tương lai - Thế giới: Tổng nhu cầu H2 tăng từ EJ đến 29 EJ năm 2025; - Châu Âu: đạt 2,8 GW từ điện phân đến năm 2025; - Nhật: Đưa mục tiêu năm 2030: đạt 300.000 tấn/năm Nguồn: IRENA 2018, Tractebel, ENGIE Hinico 2017 (giá ghi nhận thị trường châu Âu), CORFO 2018, IRENA 2019, METI 2017 DẦU KHÍ - SỐ 11/2020 43 NĂNG LƯỢNG MỚI điểm - cộng đồng nhỏ, trại… Dự án chứng minh hydro giúp cung cấp phương án dự phòng lượng hệ lưới điện siêu nhỏ, vốn hỗ trợ máy phát điện diesel [18, 19] - H2 Future dự án sản xuất hydro FCH JU [20] Theo đó, hệ thống điện phân MW Siemens lắp đặt nhà máy sản xuất thép Voestalpine Linz Áo Dự án nhằm mục đích nghiên cứu sử dụng chất điện phân để cung cấp dịch vụ cân lưới như: dự trữ sơ cấp, thứ cấp, đồng thời cung cấp hydro cho nhà máy thép Hydrogen sản xuất điện thấp điểm để tận dụng giá điện sử dụng theo thời gian [21] - Với dự án REFHYNE FCH JU, hệ thống điện phân 10 MW lắp đặt nhà máy lọc dầu lớn Rhineland, Đức nhằm mục đích cung cấp hydro cần thiết cho hoạt động nhà máy lọc dầu Hệ thống điện phân hoạt động điện thay khí đốt tự nhiên Sản xuất hydro điện tạo từ nguồn lượng tái tạo giúp giảm đáng kể lượng khí thải CO₂ từ nhà máy lọc dầu Shell Rheinland Ngoài ra, hệ thống điện phân dự kiến cân lưới điện bên nhà máy lọc dầu cung cấp dịch vụ dự trữ cho nhà khai thác hệ thống truyền tải Đức [22] - Năm 2018, ThyssenKrupp (Đức) cơng bố thương mại hóa thành cơng cơng nghệ sản xuất hydro thơng qua q trình điện phân nước áp dụng quy mơ cơng suất công nghiệp [23] Vào tháng 5/2020, công ty vận tải Đan Mạch tuyên bố thành lập liên minh để phát triển dự án sản xuất hydro [24] Theo kế hoạch, định đầu tư đưa năm 2021, hoạt động xây dựng bắt đầu vào năm 2023, dự kiến đến năm 2027 có sản phẩm thương mại năm 2030, dự án đạt tồn cơng suất với 250.000 hydro nhiên liệu để cung cấp thị trường Việc sản xuất hydro công nghiệp nói chung ngành chế biến dầu khí nói riêng, dịch chuyển dần từ q trình reforming khí thiên nhiên truyền thống sang trình điện phân nước sử dụng nguồn lượng tái tạo để đảm bảo phát triển bền vững Một số dự án theo xu hướng công nghệ điện phân nước triển khai có tính hiệu chủ yếu phụ thuộc vào chi phí lượng tiêu tốn cho trình điện phân Đối với Việt Nam, hàm lượng CO2 khí thiên nhiên nguyên liệu cho nhà máy đạm có xu hướng tăng dần, việc tìm kiếm nguồn hydro bổ sung nhiệm vụ quan trọng cấp thiết Là quốc gia có tiềm lớn nguồn lượng tái tạo (gió, mặt trời), việc đánh giá khả áp dụng công nghệ điện phân nước để sản xuất 44 DẦU KHÍ - SỐ 11/2020 hydro, từ đó, xác định hội đầu tư triển khai công nghệ để tạo nguồn hydro bổ sung cho nhà máy đạm có phần vốn góp PVN cần thực 2.2 Quang phân xúc tác Bên cạnh việc phát triển điện mặt trời, lượng mặt trời sử dụng trực tiếp số lĩnh vực Gần đây, nhóm nghiên cứu cơng bố kết việc ứng dụng q trình xúc tác quang hóa để sản xuất hydro từ nước [25], cho thấy hướng tiềm (Hình 7) Để trình tách nước xảy ra, vật liệu xúc tác (trong điều kiện phản ứng) phải đạt lượng tối thiểu vùng cấm lớn 1,23 eV Một thử thách khác chất xúc tác bán dẫn vận hành vùng tử ngoại, vùng chiếm 4% tổng lượng mặt trời Do đó, lượng vùng cấm vật liệu chất bán dẫn cần nhỏ eV để xúc tác hoạt động vùng nhìn thấy Một số xúc tác quang hóa có bandgap phù hợp cho tách nước: Au-CdS (2,40 eV), CdS (2,40 eV), CdS/Ta2O5 (2,40 eV), Cd0,4Zn0,6S (2,40 eV), Cd0,8Zn0,2S/S15 (2,23 eV), Cr/NSrTiO3, (2,39 eV), K2Ti4O9 (2,40 eV), Pd-gardenia-TiO2 (2,30 eV), Pt-PdS-CdS (2,40 eV), RuO2/MgFe2O4/Pt (2,00 eV), SrTiO3:Ni/Ta/La (2,16 eV), TiO2-NiS (2,06 eV) [26] Gần đây, chất bán dẫn kết hợp với vật liệu carbon hay kim loại quý đáp ứng tốt vùng nhìn thấy Một số muối sulfur, nitrua không kim loại hứa hẹn xúc tác quang hóa tốt vùng ánh sáng nhìn thấy [27] Một số loại xúc tác quang hóa nghiên cứu phát triển trình bày Bảng Hiện tại, theo đường này, hiệu suất quang hóa để chuyển hóa nước thành hydro tác dụng ánh sáng cho thấy thấp (< 3%) nỗ lực nhằm cải thiện hiệu trình tập trung vào việc tìm kiếm loại vật liệu xúc tác hiệu để nâng cao hiệu suất quang hóa đạt mức thương mại hóa (> 10%) Nếu phát triển thành cơng xem hình thức lưu trữ hữu hiệu lượng mặt trời dạng H2 2.3 Q trình kết hợp quang hóa - điện phân Các q trình quang hóa điện phân thực kết hợp q trình sản xuất hydro, đó, xạ mặt trời đóng vai trò cung cấp lượng cho hệ thống điện phân hoặc/và xúc tác điện cực hệ thống điện phân Có phương án kết hợp gồm: tích hợp hồn tồn (A), tích hợp phần (B) khơng tích hợp (C) (Hình 8) PETROVIETNAM Hệ thống điện phân tích hợp hồn tồn với lượng mặt trời mang lại hiệu phân tách nước cao Thiết bị tích hợp Khaselev cộng sử dụng GaInP2/GaAs năm 1998 cho hiệu suất quang hóa 10% Luo cộng lai ghép tế bào quang điện perovskite với NiFe oxide xúc tác điện hóa cho hiệu suất đến 12,3% Bonke cộng gần sử dụng tế bào quang điện GaInP/GaAs/Ge điện cực Ni cho hiệu suất quang hóa đạt 22,4%, cao Mặc dù hiệu suất hệ thống E 500 kJ/mol Quá trình tách nước khơng sử dụng xúc tác Q trình tách nước sử dụng xúc tác quang hóa 237 kJ/mol Phản ứng Hình Yêu cầu lượng cần cho trình sản xuất H2 từ nước theo đường xúc tác quang hóa [26] H2O O2 H 2O H2 Anode PV Cathode (a) H2O O2 O2 H2 PV Anode Cathode H2O H2 Anode Cathode (c) (b) Hình Các phương án kết hợp lượng mặt trời vào hệ thống điện phân nước: thiết bị (a) tích hợp hồn tồn, (b) tích hợp phần, (c) khơng tích hợp [28] điện phân tích hợp mang lại hiệu vượt yêu cầu cho sản xuất hydro công nghiệp (được đề nghị cao 10%), việc chế tạo hệ thống điện phân theo kiểu tích hợp tương đối phức tạp đắt tiền Vì thế, giá thành sản xuất hydro theo phương pháp dùng lượng mặt trời khoảng cách xa với phương pháp truyền thống Tuy nhiên, hydro sản xuất từ phương pháp có độ tinh khiết cao, ứng dụng cho nhu cầu định như: nhiên liệu cho xe hơi, pin nhiên liệu [28] 2.4 Khí hóa sinh khối điều kiện plasma Bên cạnh trình điện phân nước, hydro sản xuất thơng qua q trình khí hóa sinh khối Hiện nay, số cơng nghệ khí hóa sinh khối với mục đích sản xuất hydro thương mại hóa như: cơng nghệ khí hóa tầng sơi kép DFB, cơng nghệ khí hóa MILENA [29] Nói chung, cơng nghệ xem xét áp dụng khu vực có tiềm sinh khối thường áp dụng quy mô công suất lớn Việt Nam nước nông nghiệp với lượng sinh khối thải bỏ hàng năm 60 triệu [30], đó, đường khí hóa để tạo hydro lựa chọn để triển khai, đặc biệt khu vực có sẵn nguồn sinh khối Đồng sơng Cửu Long Hình trình bày sơ đồ nguyên tắc nhà máy sản xuất H2 cơng nghệ khí hóa sinh khối DFB Áo Mặc dù thương mại hóa, cơng nghệ khí hóa sinh khối tồn số nhược điểm như: hỗn hợp khí tạo thành cịn chứa nhiều sản phẩm phụ không mong muốn, hệ thống thiết bị có kích thước lớn Với động lực thúc đẩy từ kinh tế hydro, cơng nghệ khí hóa sinh khối Bảng Một số loại xúc tác quang hóa cho q trình sản xuất H2 từ nước nghiên cứu phát triển [27] Xúc tác quang hóa TiO2 (anatase)-TiO2 (rutile) Tantalates-NiO Perovskites-NiOx Noble metal/TiO2-CdS (Ga0,88Zn0,12)(N0,88O0,12)-Rh2-xCrxO3 Cu1,94S-ZnxCd1-xS (0 ≤ x ≤1) CdS-ZnS CdSe/CdS-MoS3 MoS2/CuInS2 Cu2O/CuO Ni3N/CdS BaZrO3/BaTaO2N Chênh lệch lượng (eV) 2,78 3,6 – 4,0 3,2 – 4,7 N/A 2,6 2,57 – 3,88 N/A 1,75 – 2,44 N/A 1,54 – 2,01 2,54 1,8 Bước sóng λ > 300 λ > 310 λ < 350 λ > 400 λ > 400 λ > 420 λ > 420 450 λ > 420 λ > 400 λ > 420 λ > 420 DẦU KHÍ - SỐ 11/2020 45 NĂNG LƯỢNG MỚI cải tiến để khắc phục nhược điểm Từ năm 2005, nguồn lượng plasma xem xét tích hợp vào q trình khí hóa [31] Q trình khí hóa điều kiện plasma giúp thu nhỏ kích thước hệ thống thiết bị nâng cao độ chọn lọc sản phẩm mong muốn, đó, thực hiệu quy mơ cơng suất khơng lớn Nguồn lượng plasma tạo công suất 90 - 160 kW q trình khí hóa thực nhiệt độ 1.100 - 1.400 oC với tác nhân khí hóa O2 CO2 Trong q trình khí hóa plasma, thành phần sản phẩm (syngas) kiểm soát yếu tố: lượng plasma, lưu lượng ngun liệu, nhiệt độ khí hóa, tác nhân khí hóa Nói chung, để hiệu suất thu hydro cao, tác nhân khí hóa nên sử dụng CO2 hỗn hợp CO2 - O2 Năng lượng plasma từ nguồn điện tái tạo, vậy, xem hình thức trữ lượng cung vượt cầu Hình 10 trình bày sơ đồ nguyên tắc hệ thống khí hóa sử dụng kết hợp plasma Hiện tại, cơng nghệ khí hóa plasma cịn triển khai quy mơ hạn chế chủ yếu áp dụng để xử lý chất thải Điều có lẽ chủ yếu hiệu mang lại từ ưu đãi lĩnh vực xử lý chất thải Ở quy mơ cơng nghiệp, q trình khí hóa plasma chủ yếu cung cấp nhà quyền công nghệ gồm: Westinghouse, Europlasma, Tetronics and Phoenix Solutions Company (PSC) [32] Một số nhà máy xử lý chất thải sử dụng cơng nghệ khí hóa plasma triển khai Nhật Bản với mức công suất khác như: 166 tấn/ngày (Yoshi, Bộ phận làm mát Lọc sản phẩm khí 2000), 165 tấn/ngày (Utashinai, 2002) 28 tấn/ngày (Mihama Mikata, 2002) Ngoài ra, có hệ thống khí hóa plasma quy mơ thử nghiệm xây dựng thí điểm Canada PlascoEnergy Group Anh Advanced Plasma Power [33] Tuy nhiên, với phát triển công nghệ, đường sản xuất hydro thơng qua q trình khí hóa plasma lựa chọn đáng quan tâm Gần đây, SG H2 Energy cơng bố thương mại hóa công nghệ sản xuất hydro tái tạo thông qua trình khí hóa rác sử dụng cơng nghệ plasma Theo SG H2 Energy, giá thành sản xuất hydro theo phương pháp khoảng USD/kg hồn tồn cạnh tranh với nguồn hydro truyền thống 2.5 So sánh ưu, nhược điểm trình sản xuất hydro tái tạo So với trình sản xuất hydro truyền thống từ reforming nước khí thiên nhiên, q trình sản xuất hydro tái tạo có ưu điểm mặt môi trường phát triển bền vững Mỗi q trình có ưu, nhược điểm riêng có tính đặc thù áp dụng điều kiện cụ thể Nhìn chung, trình sản xuất hydro tái tạo trở nên cạnh tranh chi phí sản xuất lượng tái tạo ngày giảm Có thể hình dung tranh lượng tương lai hỗn hợp loại lượng khác phát triển dựa ưu khu vực Bảng trình bày ưu, nhược điểm số trình sản xuất hydro Máy lọc khí RME Máy làm mát RME Động điện Nồi Thiết bị đốt Thiết bị khí hóa Cốc Sinh khối Máy thổi sản phẩm khí Máy làm mát khí thải Máy lọc khí Máy thổi Cốc Hơi nước Khơng khí Tro Gia nhiệt Hình Sơ đồ nguyên tắc nhà máy sản xuất H2 cơng nghệ khí hóa sinh khối DFB Áo [29] 46 DẦU KHÍ - SỐ 11/2020 Ống khói PETROVIETNAM Hiện tại, quy mô công nghiệp, hydro chủ yếu sản xuất theo phương pháp reforming nước khí thiên nhiên truyền thống Chi phí sản xuất hydro từ sinh khối thấp phụ thuộc vào sẵn có nguồn nguyên liệu khu vực triển khai dự án Hydro sản xuất từ trình điện phân nước sử dụng lượng tái tạo, nói chung, có giá thành cao gấp - lần so với giá hydro sản xuất công nghiệp Bảng trình bày so sánh chi phí sản xuất hydro theo phương pháp khác hydro từ điện phân nước sử dụng nguồn lượng tái tạo từ gió mặt trời lựa chọn khả thi Như vậy, thấy, hydro tái tạo sản xuất theo phương pháp khí hóa có giá thành thấp hồn tồn cạnh tranh với hydro từ phương pháp reforming khí thiên nhiên Tuy nhiên, phương pháp phù hợp khu vực dồi nguồn cung sinh khối Đối với khu vực khác, Để triển khai trình sản xuất hydro tái tạo quy mô công nghiệp, vấn đề sau cần xem xét: Nguyên liệu N2 Khí H2O Khơng khí CO2/N2/ P F Khơng khí Cung cấp lượng M M G M P M M HO Ar Khí vào G T H2O/Ar plasma T T T T T T F T T T T P P Nước M G Xi T T F M T G P F Cặp nhiệt điện Mẫu Đồng hồ đo áp suất khí Đồng hồ đo lưu lượng Nước làm mát vào Hình 10 Sơ đồ nguyên tắc hệ thống khí hóa sử dụng kết hợp plasma [31] Nguyên liệu lượng sản xuất hydro tái tạo Việt Nam - Nguồn nước cung cấp cho trình điện phân: nguyên tắc, nguồn nước trước vào hệ thống điện phân cần xử lý sơ để loại bỏ khoáng chất, tạp chất rắn Tùy thuộc vào nguồn sẵn có địa phương triển khai dự án mà nguồn nước sơng nước biển sử dụng Sự diện ion nước biển gây phá hủy hệ thống điện cực cần loại bỏ Một số nhóm nghiên cứu giới tập trung phát triển hệ thống điện phân hoạt động trực tiếp với nguồn nước biển, mở khả sử dụng hiệu nguồn tài nguyên vô tận - Nguồn sinh khối cung cấp cho q trình khí hóa: nguồn cung sinh khối cần phải đảm bảo để Bảng Ưu, nhược điểm trình sản xuất hydro [34, 35] Nguyên liệu Ưu điểm Nhược điểm Reforming Khí thiên nhiên, LPG, naphtha… - Chi phí sản xuất thấp; - Cơng nghệ phát triển hồn thiện; - Kinh nghiệm triển khai thực tế; - Sự sẵn có sở hạ tầng - Đi từ nguyên liệu hóa thạch; - Vấn đề ngun liệu khí thiên nhiên có hàm lượng CO2 cao (> 30%) Khí hóa Quang hóa Điện phân Sinh khối Nước Nước - Chi phí sản xuất thấp; - Chi phí ngun liệu thấp; - Cơng nghệ thương mại hóa - Sự sẵn có nguyên liệu; - Điều kiện thực phản ứng êm dịu; - Thân thiện với môi trường, đảm bảo phát triển bền vững Sự sẵn có nguyên liệu; - Có thể kết hợp với q trình nghiên cứu phát triển fuel cell; - Tận dụng kinh nghiệm trình thiết bị điện phân phát triển lâu đời; - Thân thiện với môi trường, đảm bảo phát triển bền vững - Chi phí đầu tư cao; - Yêu cầu đảm bảo nguồn cung lớn, ổn định; - Vấn đề kiểm soát chất lượng nguyên liệu độ chọn lọc sản phẩm; - Vấn đề lưu trữ nguyên liệu xử lý khí thải - Độ chuyển hóa thấp; - Chi phí thiết bị cao; - Vấn đề độ bền hiệu hoạt động xúc tác; - Đang giai đoạn nghiên cứu phát triển, chưa thương mại hóa - Yêu cầu chất lượng nước đầu vào; - Chi phí lượng tiêu tốn; - Chí phí đầu tư cao - Đang giai đoạn thử nghiệm, bán thương mại DẦU KHÍ - SỐ 11/2020 47 NĂNG LƯỢNG MỚI Acidic 2H2O → 4H+ + O2 + 4e- nhà máy khí hóa hoạt động ổn định Theo đó, vấn đề thu gom, vận chuyển tiền xử lý nguyên liệu sinh khối cần quan tâm mức - Nguồn lượng tái tạo: tập trung vào dạng lượng tái tạo phổ biến điện gió điện mặt trời Một số định hướng việc sử dụng nguồn nước sông, nước biển, sinh khối với dạng lượng tái tạo từ điện gió điện mặt trời giới thiệu Đây nguồn mà Việt Nam có ưu triển khai phát triển nguồn tái tạo để phục vụ đời sống sản xuất, đặc biệt công nghiệp lọc - hóa dầu 3.1 Nước biển Trong trình nghiên cứu sản xuất hydro, điện phân nước biển hướng quan tâm Về bản, có phương pháp để thực q trình điện phân nước biển Lựa chọn khử muối hoàn toàn nước mặn để loại bỏ tạp chất nhằm thu nước cất Nước cất sau điện phân tế bào điện phân, điện phân dung dịch kiềm điện phân truyền thống Nhược điểm phương pháp chi phí đầu tư ban đầu cho hệ thống thiết bị lọc nước vấn đề môi trường phát sinh việc xử lý muối dư loại bỏ trình khử muối Lựa chọn thứ hai thiết kế hệ thống có khả sử dụng nước biển tự nhiên để thực trình điện phân Thách thức lớn tượng phân rã, ăn mòn nước biển gây anion clorua (nồng độ khoảng 0,5 M nước biển) hệ thống điện cực [20] Các phản ứng điện cực sau [22]: - Ở cực âm (cathode): Acidic 2H+ + 2e- → H2 Alkaline 2H2O + 2e- → 2OH- Ở cực dương (anode): Alkaline 4OH- → 2H2O + O2 + 4e- Sự ảnh hưởng ion clorua trình điện phân: 2Cl- → Cl2 + 2e- (E0 = 1,36 V versus SHE, pH = 0) Cl- + 2OH- → ClO- + H2O + 2e- (E0 = 0,89 V versus SHE, pH = 14) SHE: Standard Hydrogen Electrode (điện cực hydro chuẩn) Bên cạnh cịn vấn đề ăn mòn cathode phá hủy cathode tác dụng ion kim loại phi kim, vi khuẩn hạt rắn siêu nhỏ [4] Điều không hạn chế khả điện phân trực tiếp nước biển mà cịn địi hỏi cần phải có hệ thống lọc Hiện nay, công nghệ sử dụng màng trao đổi ion (proton anion) sử dụng rộng rãi có khả khắc phục vấn đề Tuy nhiên, nồng độ ion, hạt rắn vi khuẩn kể thay đổi theo vị trí địa lý vùng nước biển dẫn đến phức tạp cho hệ thống lọc màng tích hợp Gần đây, nhà nghiên cứu thử nghiệm khả phủ lớp hợp kim có tác dụng chống ăn mịn lên điện cực hệ thống điện phân để giảm thiểu tác dụng tác nhân gây ăn mòn từ nước biển Năm 2017, nhóm nghiên cứu Đại học Columbia (Mỹ) thử nghiệm mơ hình thực tế điện phân nước biển sử dụng lượng mặt trời để thu hydro Từ lý thuyết kết nghiên cứu thực tế, tính đến thời điểm tại, chưa có q trình điện phân nước biển thương mại hóa bảo đảm tính hoạt động ổn định lâu dài với hiệu suất cao Những kết đột phá thu dừng quy mô R&D chưa sẵn sàng cho triển khai quy mô lớn [23] 3.2 Nước sông Nhiều nhà máy Việt Nam nằm khu vực gần sơng nên xem xét nước sơng nguồn sử dụng cho q trình điện phân nhằm cung cấp hydro cho nhu cầu nhà máy Ở nhà máy đạm, lượng nước khử khống (demi-water) nước (fresh water) tận dụng để điện phân nhằm tạo hydro Đối với Nhà máy Đạm Phú Mỹ, sông Thị Vải nguồn nước dồi dào, pH = 6,7, xem xét điện phân để Bảng Chi phí sản xuất hydro theo phương pháp khác [5, 34] Phương pháp Steam reforming (có thu hồi lưu trữ C) Steam reforming (không thu hồi lưu trữ C) Khí hóa sinh khối Điện phân sử dụng lượng mặt trời Điện phân sử dụng lượng gió Quang - điện phân 48 DẦU KHÍ - SỐ 11/2020 Nguyên liệu Chi phí đầu tư (triệu USD) Chi phí sản xuất H2 (USD/kg) Nhiên liệu hóa thạch Khí thiên nhiên 226,4 2,27 Nhiên liệu hóa thạch Khí thiên nhiên 180,7 2,08 Sinh khối Nước Nước 6,4 – 149,3 12,0 – 54,5 499,6 – 504,8 Chưa có ước tính quy mô thương mại 1,77 – 2,05 5,78 – 23,27 5,89 – 6,03 Nguồn lượng Hơi từ lượng nội Năng lượng mặt trời Năng lượng gió Năng lượng mặt trời Nước 10,36 PETROVIETNAM sản xuất hydro, cung cấp nguồn nguyên liệu thay dài hạn việc sản xuất NH3 Bảng 10 trình bày số tiêu chất lượng nước sông Thị Vải trước sau xử lý (khử khoáng) 3.3 Sinh khối Sinh khối (biomass) thuật ngữ mô tả vật liệu có nguồn gốc thực vật gồm: loại cối, cỏ sản phẩm phụ thu hoạch từ mùa vụ nông nghiệp phân động vật chất thải rắn sinh học thành thị Sinh khối tận dụng để sản xuất nhiệt, hơi, điện chuyển hóa thành nhiên liệu lỏng khí tổng hợp Việt Nam nước nơng nghiệp, đó, nguồn sinh khối tạo từ loại phụ phế phẩm hoạt động nông nghiệp lớn, ước tính đạt 60 triệu tấn/năm [30] Bốn loại sinh khối phổ biến Việt Nam, nguồn ngun liệu tiềm cho q trình chuyển hóa thành nguyên, nhiên liệu sinh học gồm: rơm rạ, vỏ trấu, lõi bắp bã mía Với lợi nước nơng nghiệp, Việt Nam có nguồn sinh khối dồi ổn định Tuy nhiên, nguồn sinh khối lại phân bố rộng khắp nước (Bảng 11) tốn Bảng Một số tiêu chất lượng nước sông Thị Vải Chỉ tiêu pH Độ cứng toàn phần theo CaCO3 (phần triệu) Calcium (mg/l) Mg2+ (mg/l) Na++ K+ (mg/l) NH4+ (mg/l) Sulfate + sulfite (mg/l) Cl- (mg/l) SiO2 (mg/l) Nước sông 6,4 – 7,7 5.640 370 1.150 8.000 kWh/m2/ngày; - Khoảng cách đến đường giao thông: < km; - Khoảng cách đến lưới điện: < km; - Độ dốc mặt bằng: < 5o Dựa tiêu chí diện tích đất phù hợp để lắp đặt trang trại điện mặt trời Việt Nam 672 km2, tương ứng sản xuất 56.027 MWp chủ yếu tập trung khu vực miền Nam Việt Nam (Bảng 12) Bên cạnh đó, tiềm lượng mặt trời sản xuất từ điện mặt trời áp mái đạt khoảng 150 MWp vào năm 2030 (Bảng 13) Chi phí đầu tư lượng mặt trời Việt Nam trình bày Bảng 14 Trong thực tế, nhà máy điện gió thường có cơng suất lớn, trang trại điện mặt trời triển khai quy mô công suất khác Trong điều kiện Việt Nam, với giới hạn diện tích đất liền, việc lựa chọn mơ hình phát triển lượng mặt trời mặt nước (gần xa bờ) xem xét Với tình trạng phát triển cơng nghệ sản xuất điện mặt trời khơi giới nay, Tập đồn Dầu khí Việt Nam xem xét lựa chọn nhà cung cấp quyền công nghệ uy tín đầu tư phát triển hướng Theo đó, lợi sẵn có sở vật chất kỹ thuật khơi đơn vị khâu đầu (như Liên doanh Việt - Nga “Vietsovpetro”) phát huy Việc tạo nguồn lượng thay vừa có hiệu kinh tế, vừa đảm bảo mặt môi trường tạo tiền đề cho phát triển lĩnh vực có liên quan ngành lượng chế biến dầu khí như: sản xuất hiệu nguồn hydro từ nước để cung cấp cho dự án lọc hóa dầu, phát triển loại phương tiện giao thông sử dụng điện 3.6 Chi phí sản xuất lượng tái tạo Việt Nam Kết nghiên cứu từ nhóm Liên minh Năng lượng Bền vững Việt Nam (VSEA) thực vào năm 2017 cho thấy, để phát triển nguồn Nguồn xoay chiều Nguồn xoay chiều Nguồn xoay chiều Đường truyền DC Nguồn lượng gió Nguồn xoay chiều Bộ chuyển đổi DC-DC Bộ chuyển đổi Pin nhiên liệu Địa điểm đặt turbine gió Bộ chuyển đổi AC-DC Tồn trữ Hình 11 Sơ đồ phức hợp sản xuất điện hydro từ lượng gió [36] 50 DẦU KHÍ - SỐ 11/2020 Tại Việt Nam, chi phí sản xuất điện mặt trời thấp điện gió Điện mặt trời hưởng giá mua ưu đãi Hiện tại, khơng xét đến chi phí mơi trường, giá điện gió mặt trời cịn cao điện than Với tiến kỹ thuật, chi phí sản xuất điện gió mặt trời giảm dần, đến năm 2020 điện mặt trời cạnh tranh trực tiếp với điện than đến năm 2025 điện gió cạnh tranh với điện than Tuy nhiên, Chính phủ xem xét áp dụng chi phí mơi trường tất nguồn lượng sử dụng nguồn lượng tái tạo hồn tồn cạnh tranh với nguồn lượng truyền thống từ nhiên liệu hóa thạch Khi phát triển điện từ nguồn lượng tái tạo, vấn đề cần quan tâm giải đồng việc đấu nối đưa điện tái tạo vào hệ thống lưới điện truyền tải điện quốc gia Đánh giá khả triển khai định hướng áp dụng nhà máy lọc dầu nhà máy đạm Việt Nam Máy nén Nước Phương tiện Điện phân lượng tái tạo, việc áp dụng chi phí mơi trường (external cost) cho nguồn lượng sử dụng cần thiết Việc bỏ qua thành phần chi phí tạo tranh bất hợp lý, dẫn đến giảm khả cạnh tranh nguồn lượng tái tạo so với nguồn lượng truyền thống từ nhiên liệu hóa thạch Xét thời điểm năm 2017, khơng áp dụng chi phí mơi trường cho nguồn lượng, giá sản xuất điện gió điện mặt trời cao điện than (Hình 12) Với tiến kỹ thuật, giá điện mặt trời cạnh tranh với điện than từ năm 2020 (Hình 13) điện gió cạnh tranh từ năm 2025 (Hình 14) Tuy nhiên, có xét đến chi phí mơi trường, điện gió mặt trời cạnh tranh với điện than từ thời điểm (Hình 15) Trạm phân phối Việt Nam có ưu phát triển nguồn lượng tái tạo để phục vụ PETROVIETNAM Bảng 12 Tiềm năng lượng mặt trời để xây dựng trang trại điện mặt trời Việt Nam [37] Bức xạ lượng mặt trời Thấp (4 - 4,5 kWh/m2/ngày) Trung bình (4,5 - kWh/m2/ngày) Cao (5 - 5,5 kWh/m2/ngày) Tổng Công suất (MWp) 5.891 14.255 35.880 56.027 Khu vực phù hợp (km2) 70,7 171,1 430,6 672,3 Bảng 13 Tiềm năng lượng mặt trời từ điện mặt trời áp mái Việt Nam [37] Công suất (MWp) Khu vực 2020 10 20 35 Phía Bắc Trung tâm Phía Nam Tổng 2030 20 30 100 150 Bảng 14 Chi phí đầu tư vận hành trang trại điện mặt trời điện mặt trời áp mái Việt Nam [37] Công nghệ Trang trại điện mặt trời Điện mặt trời áp mái Thời gian đầu tư 2017 - 2020 2021 - 2025 2026 - 2030 2017 - 2020 2021 - 2025 2026 - 2030 Capex (1.000 USD/MW) 1.000 900 800 1.200 1.100 1.000 Opex (1.000 USD/MW/năm) 18 18 18 21 21 21 hoạt động đời sống sản xuất Trong công nghiệp chế biến dầu khí, sở tận dụng sở vật chất sẵn có nhà máy lọc - hóa dầu (đường ống, bể chứa, thiết bị công nghệ phụ trợ…), hệ thống cảng, kho bãi,…, việc tích hợp nguồn tái tạo vào nhà máy lọc hóa dầu thuận lợi, góp phần nâng cao hiệu hoạt động sản xuất mà đảm bảo phát triển bền vững lâu dài Theo đó, định hướng phát triển tích hợp nguồn tái tạo đề xuất dựa lợi bối cảnh cụ thể nhà máy lọc - hóa dầu Trong khuôn khổ viết này, nhà máy sau xem xét: - Nhà máy Lọc dầu Dung Quất; - Liên hợp Lọc hóa dầu Nghi Sơn; - Nhà máy Đạm Phú Mỹ; - Nhà máy Đạm Cà Mau Đối với Nhà máy Lọc dầu Dung Quất tại, nguồn hydro từ phân xưởng CCR đủ để cung cấp cho nhu cầu sử dụng nội Trong tương lai, Nhà máy Lọc dầu Dung Quất chế biến nguyên liệu có hàm lượng lưu huỳnh cao hơn, nâng cao tiêu chuẩn chất lượng sản phẩm nhiên liệu và/hoặc nâng cơng suất, cần có nguồn hydro bổ sung từ phân xưởng sản xuất hydro Đối với Liên hợp Lọc hóa dầu Nghi Sơn, chế biến nguyên liệu dầu thơ Kuwait có hàm lượng lưu huỳnh cao, ngồi nguồn hydro từ phân xưởng CCR, cịn có nguồn hydro bổ sung từ phân xưởng HGU thông qua trình reforming LPG Các nguồn hydro bổ sung xem xét thay nguồn hydro tái tạo Đối với Nhà máy Đạm Phú Mỹ Nhà máy Đạm Cà Mau, thông qua trình reforming khí thiên nhiên, hydro tạo làm nguyên liệu cho trình sản xuất NH3 để từ sản xuất phân urea Trong tương lai, nguồn nguyên liệu khí thiên nhiên thay đổi với hàm lượng CO2 cao (> 10%), nhà máy đạm xem xét nguồn hydro bổ sung từ hydro tái tạo dần tiến tới thay hoàn toàn nguyên liệu khí thiên nhiên nguồn H2 CO2 tái tạo Hydro từ sinh khối xem xét áp dụng khu vực có sẵn nguồn sinh khối Nhà máy Đạm Cà Mau Sản lượng sinh khối khu vực Đồng sông Cửu Long (khoảng 13 triệu tấn/ năm, Bảng 11) hoàn toàn đáp ứng nhu cầu sản xuất hydro tái tạo Nhà máy Đạm Cà Mau (1,8 triệu sinh khối/năm) Vì vậy, Nhà máy Đạm Cà Mau xem xét triển khai phương án Đối với Nhà máy Đạm Phú Mỹ, xem xét thay phần tồn ngun liệu khí thiên nhiên nguồn hydro tái tạo từ trình điện phân nước sơng Thị Vải Hydro tái tạo sản xuất thơng qua q trình điện phân nước có tính kinh tế phụ thuộc chủ yếu vào chi phí đầu tư giá lượng đầu vào Các quy trình tốt để điện phân nước cho hiệu suất 70 80% Theo đó, để tạo kg hydro (có lượng 143 MJ/kg khoảng 40 kWh/ kg) cần 50 - 55 kWh điện [18] Bảng 15 trình bày nhu cầu nguồn nước lượng tiêu thụ triển khai sản xuất hydro tái tạo từ trình điện phân nước số nhà máy lọc - hóa dầu Việt Nam Hiện tại, chi phí sản xuất hydro Nhà máy Lọc dầu Dung Quất từ phân xưởng CCR gần 30.000 đồng/kg H2 Chi phí sản xuất hydro bổ sung thơng qua q trình reforming khí thiên nhiên cao 20% so với hydro từ phân xưởng CCR Trong đó, với giá điện gió, mặt trời Việt Nam xấp xỉ 1.700 đồng/kWh, xem giá thành sản xuất hydro từ trình điện phân chủ yếu từ chi phí điện tiêu thụ ước tính khoảng 85.000 đồng/kg H2, tức gấp 2,5 lần chi phí sản xuất Như vậy, để tích hợp hydro tái tạo vào nhà máy lọc - hóa dầu Việt Nam, DẦU KHÍ - SỐ 11/2020 51 NĂNG LƯỢNG MỚI Chất thải đốt Bãi rác thải Hydro quy mô nhỏ Hydro quy mô lớn Chất thải gỗ Rơm rạ Trấu Bã mía Điện mặt trời mặt đất Điện mặt trời mái nhà Địa nhiệt Cấp gió Than nhập khẩu_Dạng bột Than nước_Dạng nghiền Turbine khí - Khí nước CCGT - Khí nước 4,2 4,92 8,35 8,95 7,65 10,08 8,84 7,3 6,71 7,89 7,1 hoàn toàn nguồn hydro từ khí thiên nhiên; (2) cơng nghệ khí hóa sinh khối thương mại hóa; (3) chi phí sản xuất hydro từ khí hóa sinh khối nói chung thấp so với từ trình reforming khí thiên nhiên; (4) phát triển chuỗi giá trị hoàn chỉnh hydro tái tạo: hoạt động nông nghiệp 12 → sinh khối → hydro → phân bón → hoạt động nơng nghiệp 9,84 6,79 8,77 9,62 10,56 10 US cent/kWh Hình 12 So sánh giá điện sản xuất từ nguồn khác vào năm 2017 [37] Chất thải đốt Bãi rác thải Hydro quy mô nhỏ Chất thải gỗ Rơm rạ Trấu Bã mía Điện mặt trời mặt đất Điện mặt trời mái nhà Địa nhiệt Gió Than tới hạn_Than nhập Than siêu tới hạn_Than nhập Than nhập khẩu_Dạng bột Than nước_Dạng nghiền Turbine khí -Khí nước CCGT-Khí nước 8,35 10,08 8,95 7,65 8,07 Kết luận kiến nghị 9,84 6,79 4,92 9,8 9,62 8,46 8,35 8,09 7,42 6,81 8,37 7,47 US cent/kWh 10 12 Hình 13 So sánh giá điện sản xuất từ nguồn khác vào năm 2020 [37] Chất thải đốt Bãi rác thải Hydro quy mô nhỏ Chất thải gỗ Rơm rạ Trấu Bã mía Điện mặt trời mặt đất Điện mặt trời mái nhà Địa nhiệt Gió Than tới hạn_Than nhập Than siêu tới hạn_Than nhập Than nhập khẩu_Dạng bột Than nước_Dạng nghiền Turbine khí - Khí nước CCGT- Khí nước 4,92 9,84 6,79 8,35 8,95 7,65 7,3 9,03 9,62 8,08 8,53 8,28 7,63 6,98 10,08 8,6 9,86 US cent/kWh 10 12 Hình 14 So sánh giá điện sản xuất từ nguồn khác vào năm 2025 [37] Bãi rác thải Hydro quy mơ lớn Rơm rạ Bã mía Điện mặt trời mái nhà Cấp gió Than nước_Dạng nghiền CCGT - Khí nước 4,92 4,2 6,79 9,84 8,35 10,08 8,95 7,65 8,84 10,56 9,62 8,77 7,3 6,71 7,89 7,1 US cent/kWh LCOE Chi phí khác 1,24 1,66 5,2 5,08 10 12 14 Hình 15 So sánh giá điện sản xuất từ nguồn khác (có tính đến chi phí mơi trường) vào năm 2017 [37] việc giảm chi phí (giá) lượng đầu vào vấn đề cần giải Khi giá điện gió, mặt trời giảm xuống cịn < 700 đồng/kWh (~3 cent/kWh) hydro tái tạo hồn tồn cạnh tranh với nguồn hydro truyền thống Với phát triển khoa học cơng nghệ, chi phí sản xuất điện từ nguồn tái tạo ngày rẻ Dự báo điện mặt trời cạnh tranh trực tiếp với nguồn điện hóa thạch từ năm 2020 điện gió cạnh tranh từ năm 2025 Mặt khác, Nhà máy Đạm Cà Mau, với lợi nằm khu vực có sẵn nguồn sinh khối, việc lựa chọn hướng dài hạn từ nguồn hydro tái tạo thơng qua q trình khí hóa sinh khối có nhiều thuận lợi mang lại lợi ích nhiều mặt: (1) nguồn cung sinh khối chỗ hoàn toàn đáp ứng để thay 52 DẦU KHÍ - SỐ 11/2020 Để đảm bảo an ninh lượng bảo vệ môi trường, lượng tái tạo quốc gia giới quan tâm Tùy điều kiện riêng khu vực, dạng lượng tái tạo khác phát triển Nhìn chung, sách phát triển lượng tái tạo quốc gia, tập đồn dầu khí ln mang tính đa dạng chủ yếu tập trung vào nguồn lượng gió, mặt trời sinh khối Đối với Việt Nam, lượng tái tạo Đảng Chính phủ quan tâm đưa vào chiến lược, định hướng phát triển lượng Việt Nam Đây yếu tố quan trọng để thu hút nhà đầu tư nước vào lĩnh vực Nghị số 55-NQ/TW ngày 11/2/2020 Bộ Chính trị định hướng Chiến lược phát triển lượng quốc gia Việt Nam đến năm 2030, tầm nhìn đến năm 2045 đạo cần ưu tiên khai thác, sử dụng triệt để hiệu nguồn lượng tái tạo Đây sở nhằm định hướng đưa dạng lượng gió, mặt trời sinh khối vào cấu phát triển lượng Việt Nam Theo đó, nguồn lượng tái tạo (khơng tính thủy điện) đáp ứng 21% tổng nhu cầu điện Việt Nam vào năm 2030 Phát triển hydro từ nguồn tái tạo xu tất yếu Hai PETROVIETNAM Bảng 15 Nhu cầu nguồn nước lượng tiêu thụ triển khai sản xuất hydro tái tạo từ trình điện phân nước số nhà máy lọc hóa dầu Việt Nam Nhà máy Q trình cơng nghệ Sản lượng H2 (tấn/giờ) Lượng điện cần tiêu Lượng nước yêu cầu thụ (MWh/năm) (a), (b) (tấn/năm) (b) Nhà máy Lọc dầu Dung Quất H2 bổ sung 0,47 186.120 33.502 (Nâng cấp mở rộng) Nhà máy Lọc dầu Nghi Sơn H2 bổ sung từ LPG 17,43 6.902.280 1.242.410 H2 bổ sung sử dụng nguyên (c) 2,05 811.800 146.124 liệu khí thiên nhiên chứa 30% CO2 Nhà máy Đạm Phú Mỹ Thay hoàn toàn nguyên liệu 12,31 4.874.760 877.457 khí thiên nhiên H2 bổ sung sử dụng nguyên 1,89 (c) 748.440 134.719 liệu khí thiên nhiên chứa 30% CO2 Nhà máy Đạm Cà Mau Thay hoàn tồn ngun liệu 11,33 4.486.680 807.602 khí thiên nhiên Tổng lượng tiêu thụ tối đa hàng năm 16.449.840 2.960.971 (a) Ước tính sở chi phí lượng tiêu tốn để sản xuất kg H2 50 kWh; (b) Ước tính sở số ngày hoạt động 330 ngày/năm; (c) Ước tính sở giảm sản lượng H2 syngas nguyên liệu chứa 30% CO2 xảy đồng thời phản ứng dry reforming steam reforming Nguồn: VPI, 2020 hướng chủ đạo để sản xuất hydro tái tạo điện phân nước khí hóa sinh khối Cơng nghệ khí hóa sinh khối thương mại hóa phát huy lợi áp dụng khu vực có sẵn nguồn sinh khối Trong đó, công nghệ sản xuất hydro từ điện phân nước thương mại hóa phần triển khai với quy mô công suất khác nhiều nơi giới Chi phí sản xuất H2 phương pháp điện phân nước cạnh tranh với phương pháp truyền thống (reforming nước khí thiên nhiên) giảm chi phí đầu tư (CAPEX) giảm giá thành điện đầu vào Công nghệ PEM alkaline ngày trở nên cạnh tranh chi phí đầu tư cho sở hạ tầng dự báo giảm đáng kể (từ 50 - 80%) Công nghệ điện phân nước biển chưa thương mại hóa khó khăn kỹ thuật chi phí cao Các nghiên cứu xoay quanh vấn đề nhằm giải vấn đề kỹ thuật giảm chi phí triển khai Hệ thống điện phân tích hợp với q trình quang hóa sử dụng lượng mặt trời thấy phương pháp hiệu kỹ thuật để sản xuất hydro Điện gió mặt trời có hiệu chi phí tốt so với điện than vào năm 2030 20 GW công suất địa điểm có tiềm tốt Mặc dù dự án điện gió điện mặt trời tốt có tính cạnh tranh cao, dự án địi hỏi chi phí đầu tư ban đầu cao so với sản xuất điện truyền thống Hiện nay, PVN phát triển gần hoàn thiện chuỗi khai thác, thu gom, xử lý, sản xuất phân phối sản phẩm dầu khí từ nguồn tài nguyên dầu khí nước Dư địa để gia tăng trữ lượng sản lượng dầu khí nước PVN khơng cịn lớn Về dài hạn, PVN tập đồn hoạt động lĩnh vực sản xuất cung cấp lượng chính, tiếp tục mở rộng phạm vi hoạt động PVN lĩnh vực lượng hợp lý Mặt khác, với sở hạ tầng (Nhà máy Lọc dầu Dung Quất, Liên hợp Lọc hóa dầu Nghi Sơn, Nhà máy Đạm Cà Mau, Nhà máy Đạm Phú Mỹ) sẵn có nguồn tái tạo khu vực đặt nhà máy (năng lượng gió, mặt trời, sinh khối, sơng biển), nhà máy có phần vốn góp PVN có lợi định tích hợp nguồn tái tạo vào nhà máy hữu để nâng cao hiệu hoạt động, đồng thời đảm bảo phát triển bền vững chuỗi hoạt động khâu sau Theo đó, định hướng tích hợp hydro tái tạo sau xem xét sau: Nhà máy Lọc dầu Dung Quất áp dụng điện phân nước biển sử dụng lượng từ điện gió, điện mặt trời; Liên hợp Lọc hóa dầu Nghi Sơn áp dụng điện phân nước biển sử dụng lượng từ điện gió, điện mặt trời; Nhà máy Đạm Phú Mỹ áp dụng điện phân nước sông sử dụng lượng từ điện mặt trời; Nhà máy Đạm Cà Mau áp dụng khí hóa sinh khối Tài liệu tham khảo [1] IRENA, Renewable capacity highlights, 2019 [2] Marcelo Carmo, David L.Fritz, Jürgen Mergel, and Detlef Stolten, “A comprehensive review on PEM water electrolysis”, International Journal of Hydrogen Energy, Vol 38, No 12, pp 4901 - 4934, 2013 DOI: 10.1016/j ijhydene.2013.01.151 [3] S.Giddey, S.Badwal, and A.Kulkarni, “Review of electrochemical ammonia production technologies and materials”, International Journal of Hydrogen Energy, Vol 38, No 34, pp 14576 - 14594, 2013 DOI: 10.1016/j ijhydene.2013.09.054 [4] M.Laguna-Bercero, “Recent advances in high DẦU KHÍ - SỐ 11/2020 53 NĂNG LƯỢNG MỚI temperature electrolysis using solid oxide fuel cells: A review”, Journal of Power Sources, Vol 203, pp - 16, 2012 DOI: 10.1016/j.jpowsour.2011.12.019 [5] Seyed Ehsan Hosseini and Mazlan Abdul Wahid, “Hydrogen production from renewable and sustainable energy resources: promising green energy carrier for clean development”, Renewable and Sustainable Energy Reviews, Vol 57, pp 850 - 866, 2016 DOI: 10.1016/j rser.2015.12.112 [6] Aldo Saul Gago, Jörg Bürkle, Philipp Lettenmeier, Tobias Morawietz, Michael Handl, Renate Hiesgen, Fabian Burggraf, Pilar Angel Valles Beltran, and Kaspar Andreas Friedrich, “Degradation of proton exchange membrane (PEM) electrolysis: The influence of current density”, ECS Transactions, Vol 86, pp 695 - 700, 2018 DOI: 10.1149/08613.0695ecst [7] Sergio Yesid Gómez and Dachamir Hotza, “Current developments in reversible solid oxide fuel cells”, Renewable and Sustainable Energy Reviews, Vol 61, pp 155 - 174, 2016 DOI: 10.1016/j.rser.2016.03.005 [8] Sukhvinder P.S.Badwal, Sarbjit Giddey, and Christopher Munnings, “Emerging technologies, markets and commercialization of solid‐electrolytic hydrogen production”, Wiley Interdisciplinary Reviews: Energy and Environment, Vol 7, No 3, 2018 DOI: 10.1002/wene.286 [9] Alexander Buttler and Hartmut Spliethoff, “Current status of water electrolysis for energy storage, grid balancing and sector coupling via power-to-gas and power-to-liquids: A review”, Renewable and Sustainable Energy Reviews, Vol 82, pp 2440 - 2454, 2018 DOI: 10.1016/j.rser.2017.09.003 [10] IRENA, "Innovation landscape brief: Renewable Power-to-Hydrogen", 2019 [Online] Available:   https:// w w w i r e n a o r g / - / m e d i a / F i l e s / I R E N A / A g e n c y / Publication/2019/Sep/IRENA_Power-to-Hydrogen_ Innovation_2019.pdf [11] IRENA,“Global energy transformation:The REmap transition pathway”, 2019 [Online] Available: www.irena org/-/media/Files/IRENA/Agency/  Publication/2019/Apr/ IRENA_GET_REmap_ pathway_2019.pdf [12] Martín David, Carlos Ocampo-Martínez, and Ricardo Sánchez-Peña, “Advances in alkaline water electrolyzers: A review”, Journal of Energy Storage, Vol 23, pp 392 - 403, 2019 DOI: 10.1016/j.est.2019.03.001 [13] Tractebel, Engie and Hinicio, "Study on early business cases for H₂ in energy storage and more broadly Power to H₂ Applications", Fuel Cells and Hydrogen Joint Undertaking, 2017 54 DẦU KHÍ - SỐ 11/2020 [14] Chris Ainscough, David Peterson, and Eric Miller, "Hydrogen production cost from PEM electrolysis", 2014 [15] IRENA, "Hydrogen from renewable power technology outlook for the energy transition", 2018 [16] ENGIE, “The GRHYD demonstration project”, 2018 [Online] Available:  https://www.engie.com/en/ businesses/gas/hydrogen/power-to-gas/the-grhyddemonstration-project [17] Fuel Cells and Hydrogen (FCH), “Hybalance inaugurates and advanced facility for the production of green hydrogen” [Online] Available: https://www fch.europa.eu/news/hybalance-inaugurates-advancedfacility-production-green-hydrogen [18] Enel Chile S.A., “Enel operates world’s first “plug and play” micro-grid powered by solar pv and hydrogen-based storage in Chile”, 31/5/2017 [Online] Available: https://www.enel.cl/en/meet-enel/media/ news/d201705-enel-operates-worlds-first-plug-and-playmicro-grid-powered-by-solar-pv-and-hydrogen-basedstorage-in-chile.html [19] L Brasington, “European utilities support UN Development Goals”, Cleantech Group, 2018 [Online] Available: https://www.cleantech.com/european-utilitiessupport-un-development-goals/ [20] Eva Maria Plunger, “H2 future hydrogen meeting future needs of low carbon manufacturing value chains”, Programme Review Days 2018, Brussels, 14 - 15 November 2018 [Online] Available: https://www.fch.europa.eu/ sites/default/files/documents/ga2011/6_Session%206_ H2FUTURE%20%28ID%204811834%29.pdf [21] European Commission, “Hydrogen meeting future needs of low carbon manufacturing value chains”, 2017 [Online] Available:  https://cordis.europa eu/ project/rcn/207465/reporting/en [22] FCH JU, “Project REFHYNE”, Fuel Cell and Hydrogen Joint Undertaking, 2018 [Online] Available:  www.fch europa.eu/project/clean-refineryhydrogeneurope [23] Greencarcongress, "Thyssenkrupp offering largescale water electrolysis", 27/7/2018 [Online] Available: https://www.greencarcongress.com/2018/07/20180728tk.html [24] Andreas Franke, “Danish companies plan 1.3GW green hydrogen project to fuel transport” [Online] Available: https://www.spglobal.com/platts/en/marketinsights/latest-news/electric-power/052620-danishcompanies-plan-13-gw-green-hydrogen-project-to-fueltransport PETROVIETNAM [25] H.Ahmad, S.K.Kamarudin, L.J.Minggu, and M.Kassim, “Hydrogen from photo-catalytic water splitting process: A review”, Renewable and Sustainable Energy Review, Vol 43, pp 599 - 610, 2015 DOI: 10.1016/j rser.2014.10.101 [26] Ryu Abe, “Recent progress on photocatalytic and photoelectrochemical water splitting under visible light irradiation”, Journal of Photochemistry and Photobiology C: Photochemistry Reviews, Vol 11, pp 179 - 209, 2010 DOI: 10.1016/j.jphotochemrev.2011.02.003 [27] Tahereh Jafari, Ehsan Moharreri, Alireza Shirazi Amin, Ran Miao, Wenqiao Song and Steven L.Suib, “Photocatalytic water splitting - The untamed dream: A review of recent advances”, Molecules, Vol 21, No 7, pp 900, 2016 DOI: 10.3390/molecules21070900 [28] Rengui Li, “Latest progress in hydrogen production from solar water splitting via photocatalysis, photoelectrochemical, and photovoltaicphotoelectrochemical solutions”, Chinese Journal of Catalysis, Vol 38, No 1, pp - 12, 2017 DOI: 10.1016/ S1872-2067(16)62552-4 [29] Matthias Binder, Michael Kraussler, Matthias Kuba, and Markus Luisser, “Hydrogen from biomass gasification”, IEA Bioenergy, 2018 [30] Binh M.Q.Phan, Long T.Duong, Viet D.Nguyen, Trong B.Tran, My H.H.Nguyen, Luong H.Nguyen, Duc A.Nguyen, and Loc C.Luu, “Evaluation of the production potential of bio-oil from Vietnamese biomass resources by fast pyrolysis”, Biomass and Bioenergy, Vol 62, pp 7481, 2014 DOI: 10.1016/j.biombioe.2014.01.012 [31] Milan Hrabovsky, “Chapter 3: Thermal plasma gasification of biomass”, Progress in Biomass and Bioenergy Production, Shahid Shaukat (Eds.), IntechOpen, 2011 DOI: 10.5772/18234 [32] Frédéric Fabry, Christophe Rehmet, VandadJulien Rohani, and Laurent Fulcheri, Waste Gasification by Thermal Plasma: A Review, Waste and Biomass Valorization, Vol (3), pp 421 - 439, 2013 DOI: 10.1007/s12649-0139201-7 [33] Bryan Sims, “Proving out plasma gasification” [Online] Available: http://biomassmagazine.com/ articles/2144/proving-out-plasma-gasification [34] Pavlos Nikolaidis and Andreas Poullikkas, “A comparative overview of hydrogen production processes”, Renewable and Sustainable Energy Reviews, Vol 67, pp 597 - 611, 2017 DOI: 10.1016/j.rser.2016.09.044 [35] Ibrahim Dincer and Canan Acar, “Review and evaluation of hydrogen production methods for better sustainability”, International Journal of Hydrogen Energy, Vol 40, pp 11094 - 11111, 2015 DOI: 10.1016/j ijhydene.2014.12.035 [36] Javier Dufour, David P.Serrano, Jose L.Gálvez, Jovita Moreno, and Antonio González, “Hydrogen production from fossil fuels: life cycle assessment of technologies with low greenhouse gas emissions”, Energy & Fuels, Vol 25, No 5, pp 2194 - 2202, 2011 DOI: 10.1021/ ef200124d [37] Nguyen Quoc Khanh, “Analysis of future generation capacity scenarios for Vietnam”, GreenID, 2017 [38] Jason Gregory, Game engine architecture CRC Press, 2018 HYDROGEN PRODUCTION FROM RENEWABLE RESOURCES FOR USE IN REFINERIES AND PETROCHEMICAL PLANTS IN VIETNAM Nguyen Huu Luong, Nguyen Thi Chau Giang, Huynh Minh Thuan Vietnam Petroleum Institute Email: luongnh.pvpro@vpi.pvn.vn Summary Renewable hydrogen is a trending development nowadays The two main routes for its production are water electrolysis and biomass gasification Biomass gasification is a fully commercialised technology while water electrolysis is still an unmatured technology In the downstream sector, for their sustainable development and making full use of available infrastructure, renewable hydrogen can be introduced to refineries and petrochemical plants on the basis of their advantages and conditions For Dung Quat Refinery, Nghi Son Refinery and Petrochemical Complex, and Phu My Fertilizer Plant, renewable hydrogen can be obtained by water electrolysis using wind and/or solar energy For Ca Mau Fertilizer Plant, biomass can be considered as the potential feedstock for hydrogen production using gasification technology Key words: Hydrogen, petroleum processing, renewable, water electrolysis, biomass gasification, Dung Quat Refinery, Nghi Son Refinery and Petrochemical Complex, Ca Mau Fertilizer Plant, Phu My Fertilizer Plant DẦU KHÍ - SỐ 11/2020 55 ... lõi để sử dụng nguồn khí thiên nhiên giàu CO2 làm nguyên liệu cho nhà máy đạm Bảng trình bày nguồn hydro từ nhà máy lọc hóa dầu Việt Nam Bảng Sản lượng hydro số nhà máy lọc hóa dầu Việt Nam Nguồn: ... nước sử dụng lượng tái tạo Trong phạm vi báo này, cơng nghệ điện phân nước khí hóa sinh khối giới thiệu đánh giá khả áp dụng nhà máy chế biến dầu khí Việt Nam Công nghệ sản xuất hydro tái tạo Trong. .. hydro bổ sung từ phân xưởng sản xuất hydro Nhà máy Lọc dầu Dung Quất sau nâng cấp mở rộng Nhà máy Lọc dầu Nghi Sơn Đối với nhà máy đạm, hydro sản xuất chủ yếu từ nguồn nguyên liệu khí thiên nhiên