H2: Năng lượng tương lai (Kỳ 10)

H2: Năng lượng tương lai (Kỳ 9) - Máy phát điện pin nhiên liệu H2

Do đó, cần triển khai các quá trình công nghệ mới mà trong đó sẽ sử dụng cơ bản hydro “xanh lá” (green hydrogen), hydro “xanh da trời” (blue hydrogen) và khí sinh học để cung cấp năng lượng. Trong những điều kiện như vậy, phát thải carbon trong các công nghiệp hóa chất và luyện kim sẽ giảm đáng kể.

Hydro có tiềm năng trở thành nguyên liệu chính để sản xuất khí tổng hợp, được sử dụng làm nguyên liệu đầu vào trong ngành công nghiệp hóa chất, như các dây chuyền sản xuất amoniac (power to ammonia); metan nhân tạo (power to methane). Ví dụ: tại miền bắc Hà Lan đang triển khai dự án hóa chất Chemport Europe với mục tiêu hình thành cụm công nghiệp hóa khí hoàn chỉnh, hoạt động độc lập bằng việc sử dụng các nguồn nguyên liệu sinh học địa phương và năng lượng tái tạo, tiến tới đạt trung hòa carbon vào năm 2050. Sơ đồ tổng thể về dự án này được trình bày trong hình 30 (figure 30):

Chất thải sinh khối gỗ được xử lý. Nguồn carbohydrate thu được sau xử lý được đưa vào các quá trình hóa học;

- Điện năng từ các trạm điện gió ngoài khơi cung cấp cho các tổ hợp điện phân nước tạo thành hydro và oxy;

- Oxy và hydro được sử dụng các quá trình hóa học (hydro được sử dụng trong sản xuất methane “xanh”), còn oxy tham vào quá trình khí hóa sinh khối tái chế từ các cánh đồng địa phương, có diện tích canh tác hơn 1 triệu ha;

- Khí tổng hợp thu được sau quá trình khí hóa sinh khối tái chế. Thành phần khí tổng hợp gồm hydro, CO2 và CO. Khí hydro được sản xuất từ năng lượng tái tạo cũng được pha trộn vào khí tổng hợp.

- Từ khí tổng hợp điều chế ra axit nitric (HNO3), khí metan, khí etilen, propilen, butilen. Đây là các hóa chất có thể thay thế hoàn toàn dầu thô và khí thiên nhiên làm nhiên liệu đầu vào cho ngành hóa chất.

- Khí tổng hợp có thể xử lý hóa lỏng (bio-LNG), tiếp nhiên liệu cho các phương tiện vận tải và sử dụng cho các nhu cầu khác.

Dự án có tổng vốn đầu tư ban đầu là 50 triệu euro, trong đó có 15 triệu euro được cung cấp bởi các khoản tài trợ từ Liên minh châu Âu. Các nhà phát triển dự án tuyên bố, sẽ đưa giá thành sản xuất khí tổng hợp xuống gần hơn với chi phí sản xuất khí thiên nhiên.

Trong khuôn khổ xu hướng ứng dụng hydro trong ngành công nghiệp nhằm giảm phát thải ra môi trường, một số công ty đang bắt đầu triển khai các dự án cụ thể. Vào tháng 02/2019, công ty hóa chất Nouryon và công ty khí Gasuine đã xem xét dự án sản xuất green hydrogen với công suất 3.000 tấn/năm cho cụm công nghiệp hóa chất ở thành phố Delfzijl (Hà Lan) nhằm sản xuất khí metan sinh học. Đến tháng 01/2020, Nouryon, Gasunie và bốn đối tác khác đã giành được khoản hỗ trợ tài chính trị giá 11 triệu euro cho phát triển dự án này từ Fuel Cells and Hydrogen Joint Undertaking (FCH-JU), một đối tác của Ủy ban châu Âu trong hỗ trợ và phát triển các công nghệ hydro cải tiến.

Hydro cũng được ứng dụng trong chuyển đổi quá trình khử carbon trong ngành luyện kim sang quá trình khử sắt trực tiếp, có nghĩa là sử dụng nhiên liệu hydro thay thế cho than và khí thiên nhiên trong lò cao. Dự án HYBRIT tại Thụy Điển đã sử dụng hydro làm nhiên liệu chính trong quá trình luyện kim kiểu mới (figure 31). Dự án được triển khai thí điểm tại thành phố Luleo vào năm 2018 và dự kiến sẽ thương mại hóa công nghệ luyện kim sử dụng hydro vào năm 2035.

Công nghệ mới cho kết quả tốt về mặt kinh tế và kỹ thuật. Tuy chi phí sản xuất thép vẫn cao hơn 20 -30% so với công nghệ truyền thống, song công nghệ này có triển vọng cạnh tranh tốt khi than cốc, CO2 phát thải đang chịu áp lực về giá và chi phí thu hồi để bảo vệ môi trường.

An toàn và quản lý kỹ thuật trong sử dụng hydro

Tính an toàn đối với các công nghệ hydro là chủ đề quan trong trong các cuộc thảo luận kéo dài nhiều thập kỷ. Thế giới vẫn còn nhớ thảm họa khinh khí cầu Hindenburg năm 1937 hay thậm chí là vụ tai nạn nhà máy điện hạt nhân Chernobyl năm 1986. Hơn 80 năm đã trôi qua kể từ vụ tai nạn đầu tiên, số lượng xe buýt hydro toàn cầu đã tăng lên hàng trăm phương tiện, các trạm tiếp nhiên liệu hydro đã được bố trí gần các tòa nhà dân cư. Trong thảm họa Chernobyl, lò phản ứng hạt nhân có thể bị phá hủy bởi vụ nổ hỗn hợp hydro và oxy, nhưng hỗn hợp này được hình thành bởi một chuỗi các thao tác sai lầm của nhân viên nhà máy hoặc do lỗi thiết kế lò phản ứng. Hydro không phải là “thủ phạm” trong thảm họa này.

Sau nhiều thập kỷ được ứng dụng các ngành công nghiệp và đời sống xã hội, hydro đã và đang thể hiện vai trò là nguồn năng lượng mới, không phải là một loại khí thiên nhiên mới. Những tính chất hóa lý của hydro đã được nghiên cứu và cơ bản hoàn toàn khác so với tính chất hóa lý của metan, propan và xăng (figure 32).

Xét từ góc độ an toàn phòng cháy và những tác động nhiệt, hydro là một nguồn năng lượng ít rủi ro, nhưng có thể gây nguy hiểm cao nếu xảy ra thay đổi áp suất đột ngột.

- Sự khác biệt giữa hydro và hydrocarbon là:

- Giới hạn về khả năng kích nổ và tính dễ cháy

- Giá trị năng lượng thấp để đánh lửa và kích nổ

- Ngọn lửa không màu

- Tốc độ phân tán, khả năng khuếch tán nhanh

Để xử lý các thách thức trên, hiển nhiên là cần ứng dụng các công nghệ an toàn hydro.

- Hydro chỉ gây nổ lớn khi trộn với không khí trong một số điều kiện nhất định (đặc biệt là trong phòng kín), không giống như acetylene có thể nổ trong điều kiện không có không khí. Một bình nhiên liệu hydro nén không nguy hiểm hơn một bình xăng hoặc bình dầu hỏa;

- Ngọn lửa từ việc đốt hydro thường không nhìn thấy được, nhưng các cảm biến đặc biệt được sử dụng để phát hiện ngọn lửa;

- Hydrua hóa kim loại có thể xảy ra do khuếch tán, nhiễm các nguyên tử hydro vào cấu trúc kim loại. Điều này có thể xảy ra, đặc biệt là ở các vị trí biến dạng dẻo của kim loại (vết lõm, vết nứt). Vì vậy, điều quan trọng là phải chọn chính xác những vật liệu có khả năng chịu tải. Ngoài ra, vật liệu tổng hợp thường không dễ bị hydro hóa.

- Hydro có thể thẩm thấu qua bất kỳ vật liệu nào theo thời gian, song điều này không có nghĩa là không thể lưu trữ loại nhiên liệu này. Sự rò rỉ qua van lưu trữ trong thực tế là không đáng kể.

Sự an toàn của các công nghệ hydro là một thành phần quan trọng của các chương trình hydro quốc gia. Ví dụ trong chương trình FCH JU của châu u, có một sáng kiến gọi là Bảng an toàn hydro của châu U. Bản chất toàn cầu của nền kinh tế hydro trong tương lai đòi hỏi phải tăng cường hợp tác quốc tế, bao gồm điều chỉnh hài hòa các tiêu chuẩn quốc gia trong toàn bộ chuỗi công nghệ với sự tham gia tích cực của các nhà sản xuất hydro, thiết bị sản xuất hydro, các công ty lưu trữ, vận chuyển, sử dụng hydro, các chuyên gia độc lập, các tổ chức giám sát an toàn sản phẩm.

Do đó, quy định kỹ thuật có vai trò chính trong việc đảm bảo sự an toàn của các công nghệ hydro. Hiện nay Ủy ban chuyên ngành ISO-ISO/TC 197 là cơ quan nghiên cứu tiêu chuẩn quốc tế đối với sự an toàn của các công nghệ hydro.