H2: Năng lượng tương lai (Kỳ 6)

IEA: Hết 2021, nhu cầu dầu thế giới vẫn chưa trở lại mức trước khủng hoảng

Một trong những đặc trưng của vận tải hydro là sự đa dạng các phương pháp vận tải (Figure 17). Mỗi phương pháp vận tải hydro đều có các khía cạnh riêng về tiêu thụ năng lượng, tính an toàn và dễ sử dụng. Đối với mỗi dự án hydro cụ thể, nhà sản xuất có thể lựa chọn những phương án vận tải hydro tối ưu theo tiêu chí chi phí tối thiểu cho toàn bộ chuỗi cung ứng.

Vận tải hydro bằng phương tiện vận tải thường ở dạng nén hoặc hydro hóa lỏng (vận tải bằng đường bộ, đường sắt và đường ống) là phương pháp được sử dụng trong nhiều thập kỷ qua, là công nghệ vận chuyển hydro chính ngày nay và sẽ tiếp tục trong ngắn hạn và trung hạn.

Ví dụ, một chiếc xe tải chở hydro (auto hydrogen) theo tiêu chuẩn của Bỉ có thể vận chuyển khoảng 20 - 25 m3 hydro được nén ở áp suất 25 MPA với trọng lượng khoảng 0,5 - 1 tấn. Để vận chuyển hydro ở thể lỏng, các công ty vận chuyển sử dụng các tàu chuyên dụng có dung tích lên tới 50 m3 (khoảng 4 tấn hydro) để vận chuyển hydro đối với các khoảng cách xa tới 4.000 km. Trong tương lai, công nghệ vận tải hydro có thể phát triển theo hướng chuyển đổi sử dụng vật liệu thép sang vật liệu composite nhằm giảm khối lượng vật chứa và loại bỏ những hạn chế về hậu cần, áp lực...

Vận tải hydro bằng đường ống thường phù hợp với vận chuyển khối lượng lớn hydro theo tuyến cố định, song phương pháp này đòi hỏi chi phí đầu tư đáng kể. Năm 2016, thế giới ghi nhận có hơn 4.500 km đường ống vận chuyển hydro, chủ yếu phân bố tại Mỹ và 4 nước châu Âu (Figure 18).

Trong vận chuyển hydro, không cần thiết phải xây dựng đường ống dẫn khí hydro riêng. Các đường ống vận chuyển khí thiên nhiên có thể sử dụng để vận chuyển hydro ở một giới hạn nhất định. Đối với nhiều quốc gia ở châu Âu và Mỹ, nhiều hệ thống đường ống cung cấp khí đốt cho thành phố từ thế kỷ 19 đến giữa thế kỷ 20 (đã lạc hậu và bị lãng quên) nay được tái sử dụng, nâng cấp để vận chuyển khoảng 50% lượng hydro hiện nay.

Tại nhiều quốc gia cho phép pha trộn nhiên liệu hydro vào khí thiên nhiên theo những tỷ lệ khác nhau: từ 0,1% (tại Bỉ, New Zealand, Vương quốc Anh, Mỹ) đến 10% tại Đức và 12% tại Hà Lan. Giới hạn trộn hydro vào khí thiên nhiên được xác định bằng các tiêu chuẩn công nghệ quốc gia, căn cứ vào sự an toàn của đường ống dẫn khí và thiết bị đốt khí. Các nghiên cứu của Phòng thí nghiệm năng lượng tái tạo Mỹ (NREL) cho thấy rằng, tỷ lệ pha trộn hydro vào khí thiên nhiên có thể đạt ngưỡng 15% trong các hệ thống dẫn khí thiên nhiên hiện tại mà không xảy ra bất kỳ thay đổi lớn nào, thậm chí trong một số trường hợp tỷ lệ này có thể cao hơn nữa. Theo công ty Gazprom Export, trong các đường ống dẫn khí hiện đại như North Stream của Gazprom, tỷ lệ này có thể đạt tới 70%.

Trong dự án H21 North of England được phát triển bởi một công ty Anh (đối tác của tập đoàn dầu khí Equinor), công ty này đề nghị chuyển đổi mạng lưới khí thiên nhiên và thiết bị phục vụ nhu cầu tiêu thụ tại miền bắc nước Anh hiện nay sang đường ống hydro, đồng thời xây dựng các đường ống dẫn hydro mới. Dự án sẽ đảm bảo nguồn cung hydro sưởi ấm cho 3,7 triệu ngôi nhà và doanh nghiệp tại miền bắc nước Anh. Dự án có chi phí ước tính 28 tỷ USD và góp phần giảm phát thải 20 triệu tấn CO2 mỗi năm.

Theo số liệu của IEA, hệ thống vận chuyển khí đốt châu Âu (Figure 19) có khả năng pha trộn hydro vào khí thiên nhiên với tỷ lệ tối đa 20%, góp phần cắt giảm 60 triệu tấn CO2 mỗi năm, tương đương giảm 7% phát thải CO2 toàn châu Âu. Còn theo đánh giá của hãng nghiên cứu Navigant, nhiều khả năng trong ngắn hạn, các nước châu Âu sẽ xây dựng các đường ống dẫn khí hydro từ các vùng lân cận (ví dụ như tại Bắc Phi).

Vận tải biển và vận tải thủy hydro hiện nay rất đa dạng. Hydro được vận chuyển dưới dạng khí nén, khí hóa lỏng và trong thành phần hóa chất. Vận tải thủy hydro dưới dạng khí nén trên các tàu chuyên dụng hiện nay chiếm tỷ lệ không đáng kể. Để xây dựng thị trường hydro toàn cầu như một nguồn cung năng lượng mới đòi hỏi những công nghệ mới, có tính đến công nghệ vận tải khí hóa lỏng (LNG).

Ví dụ: trong thập niên 80 của thế kỷ trước đã xuất hiện loại tàu chuyên dụng cỡ lớn có dung tích từ 150.000 - 200.000 m3, được sử dụng để chứa hydro hóa lỏng, trong đó sử dụng hơi nước trong quá trình đốt cháy hydro để cung cấp năng lượng cho động cơ tàu. Các công ty Nhật Bản và châu Âu đã phát triển và thử nghiệm loại tàu này trong những thập niên gần đây song mẫu tàu hoàn thiện vẫn chưa được giới thiệu.

Nhiều khả năng, các tàu vận tải hydro sẽ xuất hiện như một phần của Dự án hợp tác xây dựng chuỗi cung cấp năng lượng hydro (Hydrogen Energy Supply Chain) giữa Úc và Nhật Bản hoặc dự án tương tự giữa Nhật Bản và Na Uy. Công ty Kawasaki Heavy Industries - đơn vị từng đóng tàu chở LNG đầu tiên của Nhật Bản chịu trách nhiệm xây dựng chuỗi cung ứng trong các dự án trên. Kawasaki Heavy Industries đã phát triển thành công và ra mắt tàu chuyên dụng cỡ nhỏ. Các tàu chuyên dụng với kích thước lớn hơn được hãng lên kế hoạch triển khai trong những năm tới.

Vận tải hydro hóa lỏng về cơ bản tốn nhiều chi phí hơn LNG do chi phí sản xuất tàu chuyên dụng lớn hơn, chi phí năng lượng để hóa lỏng và chi phí làm lạnh. Vì vậy, các nhà sản xuất hydro đang xem xét hai khả năng thay thế trong xuất khẩu hydro.

Phương án thứ nhất là lưu trữ hydro dưới dạng amoniac rồi hóa lỏng và vận chuyển loại hóa chất này. Sau đó, tách hydro khỏi amoniac và phân phối amoniac như một sản phẩm độc lập. Thị trường amoniac toàn cầu ước tính đạt 80 tỷ USD.

Phương án thứ hai là sử dụng phương pháp hydro hóa toluen thành methylcyclohexane, tiến hành vận chuyển methylcyclohexane và tách hydro sau đó.

Theo đánh giá của IEA, để triển khai dự án xuất khẩu hydro từ Úc vào năm 2040 (Figure 20), chi phí cho tất cả các phương pháp vận tải hydro không quá cao - trong giới hạn từ 2,6 - 2,8 USD/kg. Trong kịch bản sử dụng amoniac có thể sẽ giảm chi phí xuống còn 1,5 USD/kg (chưa tính đến việc tách hydro khỏi amoniac sau vận chuyển amoniac).

Theo đánh giá của các công ty Úc, hóa lỏng hydro cho phép giảm chi phí vận tải từ 2-5 lần, và chuyển đổi hydro vào amoniac sẽ tiết kiệm chi phí tới 20 lần (Figure 21) so với phương pháp nén khí hydro (chưa tính chi phí tách hydro khỏi amoniac).

Chính vì vậy, trong sản xuất hydro, chi phí vận tải sẽ phụ thuộc vào tốc độ phát triển các công nghệ vận tải và các cải tiến làm giảm chi phí vận tải. Vận tải biển hydro hiện nay đang ở trong giai đoạn đầu của sự phát triển. Dấu ấn mang tính biểu tượng đầu tiên là chuyến tàu vận tải thử nghiệm hydro hóa lỏng từ Úc đến Nhật Bản vào cuối tháng 4/2019 trong khuôn khổ dự án nghiên cứu chung giữa các trường đại học Queensland và Tokyo.