‘Đồng đốt’ amoniac tại các nhà máy điện than - Các thử nghiệm và thách thức

Khi nào ‘amoniac xanh nhiên liệu’ khả thi về mặt kỹ thuật và thương mại? Tiềm năng và lợi ích của ‘amoniac xanh nhiên liệu’ là rất lớn. Nhưng câu hỏi đặt ra là: Khi nào thì nguồn năng lượng này mới khả thi về mặt kỹ thuật và thương mại? Tổng hợp của chuyên gia Tạp chí Năng lượng Việt Nam.

Dự án nhiệt điện đồng đốt nhiên liệu bắt nguồn từ công nghệ Mitsubishi:

Theo trang tin điện trực tuyến Asian-power (APC) của Singapore: Công ty Mitsubishi Power thuộc Tập đoàn công nghiệp Mitsubishi Heavy Industries (MHI) của Nhật Bản mới đây đã phát triển hệ thống “đồng đốt” amoniac và than dùng cho lò hơi nhiệt điện. Mục tiêu hệ thống đồng đốt này là để kiểm chứng khả năng đốt amoniac cho lò hơi nhà máy nhiệt điện, tối ưu đặc tính đốt cho nhiên liệu hỗn hợp và nhiên liệu đơn. Xa hơn, quá trình đốt này là nhằm giảm thải CO₂ cho các nhà máy điện và làm cơ sở để phát triển thiết bị có khả năng đốt amoniac dưới dạng nhiên liệu đơn duy nhất.

Bắt đầu từ tháng 8/2021, Mitsubishi Power đã xây dựng kế hoạch phát triển thiết bị đốt (đầu đốt) có thể sử dụng NH₃ làm nhiên liệu, không thải ra khí CO₂ khi được sử dụng trong sản xuất điện. Bằng cách cho phép sử dụng amoniac như một chất thay thế cho than và các nhiên liệu hóa thạch khác thường được sử dụng trong các nhà máy nhiệt điện, hệ thống này sẽ hỗ trợ quá trình khử cacbon trong sản xuất nhiệt điện trong tương lai.

Các thử nghiệm đốt NH₃ + than được Mitsubishi Power tiến hành tại Trung tâm Nghiên cứu - Đổi mới MHI bằng cách sử dụng các lò thử nghiệm đốt cơ bản, mô phỏng các điều kiện đốt cháy của nồi hơi đốt than trong các nhà máy điện. Các thử nghiệm này được sử dụng để tổng hợp dữ liệu cơ bản về đồng đốt amoniac và than, cũng như đốt riêng amoniac. Công ty cũng đã xác định các hệ thống và điều kiện tối ưu cho quá trình đốt cháy sau khi hiểu rõ các đặc điểm của quá trình đốt cháy amoniac. Chúng bao gồm việc tạo ra các oxit nitơ (NO_x) là mối lo ngại đối với quá trình đốt amoniac và khả năng lượng amoniac dư chưa phản ứng thoát ra không khí.

Trong thời gian thử nghiệm, Công ty đã tiến hành thử nghiệm với một số loại vòi đốt dựa trên kinh nghiệm thiết kế vòi và kết quả của các thử nghiệm cơ bản, với mục đích cung cấp vòi đốt độc quyền amoniac cho các nồi hơi công nghiệp và tiện ích ở Nhật Bản, cũng như ở hải ngoại. Các thử nghiệm này đã xác nhận, ngọn lửa vẫn cực kỳ ổn định trong quá trình đốt cháy, vì lượng khí thải NOx được xác định theo mục tiêu thử nghiệm đốt cháy cơ bản, không có amoniac dư.

Các thử nghiệm đốt cháy vòi đốt amoniac này là bước đầu hướng tới sự phát triển của thiết bị đốt cháy. Dựa trên kết quả, Mitsubishi Power sẽ trình diễn công nghệ sử dụng hệ thống đốt cháy cỡ lớn và thực hiện các bước để triển khai công nghệ này tại một cơ sở hiện có, với mục đích dần dần đưa nhiên liệu amoniac vào ngành.

Trong tương lai, Mitsubishi Power sẽ tiếp tục cung cấp các giải pháp mới dựa trên kinh nghiệm sâu rộng về công nghệ đốt, chẳng hạn như sử dụng amoniac như một phương tiện hiệu quả để cắt giảm lượng khí thải CO₂. Công ty giúp MHI theo đuổi quá trình chuyển đổi năng lượng, tập trung vào việc mở rộng và sử dụng rộng rãi các công nghệ phát điện hiệu quả cao, thân thiện với môi trường. Mitsubishi Power cũng sẽ góp phần cung cấp điện ổn định cần thiết cho tăng trưởng kinh tế trên toàn thế giới và giúp bảo vệ môi trường thông qua hỗ trợ quá trình khử cacbon năng lượng.

Dự án đồng đốt amoniac của Mitsubishi cho các nhà máy nhiệt điện ở Chile:

Trang tin điện trực tuyến Mỹ Powermag (PMC) số ra đầu tháng 12-2022 cho biết: Các nhà sản xuất điện của Chile hiện đang khám phá giải pháp trang bị bổ sung cho các nhà máy nhiệt điện than để đồng đốt amoniac - một phần trong chiến lược giảm lượng khí thải carbon dioxide (CO₂) trong tương lai. Dự án mới nhất theo khái niệm này sẽ được ngành điện năng Chile hợp tác với MHI áp dụng ngay trong thực tế.

Theo kế hoạch, ngày 7/12 vừa qua MHI cho hay, họ đã ký một Biên bản ghi nhớ (MOU) với một nhà sản xuất điện độc lập của Chile để bắt đầu nghiên cứu khả thi về đồng đốt amoniac tại một nhà máy điện ở Chile. MHI, với sự hỗ trợ của Mitsubishi Power, sẽ tiến hành nghiên cứu để xác định việc cung cấp vòi đốt amoniac và các thiết bị nồi hơi khác, cùng với các thiết bị bổ sung, cần cho quá trình đồng đốt amoniac.

Theo thông cáo báo chí của MHI: Giai đoạn 1 của nghiên cứu, sẽ kéo dài đến năm 2024, “sẽ là nghiên cứu cơ bản về đồng đốt 30% amoniac để xác định các vấn đề liên quan”. Giai đoạn 2, từ năm 2025 đến năm 2026, “sẽ xem xét các giải pháp cho các vấn đề được xác định trong giai đoạn 1 và lập kế hoạch chi tiết để trình diễn đồng đốt 30% amoniac”.

Theo thông Báo đưa ra hôm thứ Tư (7/12/2022), sau khi hoàn thành giai đoạn 2, Guacolda sẽ tiến hành thử nghiệm trình diễn tại nhà máy và tăng tỷ lệ đồng đốt. Năm ngoái, Mitsubishi đã phát triển một tua bin khí có thể đốt cháy 100% amoniac, đồng thời công bố các dự án ở Singapore và Indonesia. Năm 2021, công ty điện lực lớn nhất Nhật Bản - JERA đã bắt đầu một dự án nhằm chứng minh tính khả thi của việc đồng đốt amoniac với than trong tổ máy 1 GW của Nhà máy Nhiệt điện Hekinan 4,1 GW. Ngay từ đầu năm nay, Chính phủ Nhật Bản đã công bố tài trợ lên tới 500 triệu USD để phát triển, chứng minh công nghệ đồng đốt amoniac ở cả nhà máy nhiệt điện than và khí đốt.

Công nghệ đồng đốt amoniac của Mitsubishi áp dụng cho nhà máy 758 MW:

Nhà máy đốt than đang được sử dụng cho nghiên cứu MHI nằm ở Huasco, Atacama, cách Thủ đô Santiago của Chile khoảng 435 dặm về phía Bắc. Nhà máy có công suất 758 MW với năm tổ máy. MHI đã cung cấp nồi hơi, tua bin hơi và các thiết bị cốt lõi khác cho nhà máy. Kinh nghiệm của công ty tại cơ sở đã dẫn đến việc ký kết MOU cho nghiên cứu.

Jorge Rodriguez - Chủ tịch của Guacolda nói tại lễ ký kết MOU: “Một chính sách hợp lý để giảm khí thải nhà kính nên xem xét việc rút dần việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch, kết hợp chúng với các năng lượng thân thiện hơn như: Hydro xanh, amoniac xanh và năng lượng lâu dài. Các công nghệ lưu trữ thời hạn, theo cách tiết kiệm nhất có thể, nhưng luôn bảo vệ sự an toàn của toàn bộ hệ thống điện”.

Chile đã đặt mục tiêu trung hòa carbon vào năm 2050. Quốc gia này có kế hoạch tăng cường sử dụng năng lượng tái tạo, với mục tiêu 70% điện năng tiêu thụ từ năng lượng tái tạo vào năm 2030.

Những thách thức đối với công nghệ đồng đốt amoniac:

Theo kết quả thử nghiệm của dự án Phát triển Công nghệ tuần hoàn Carbon và Sản xuất nhiệt điện thế hệ tiếp theo/Nghiên cứu, Phát triển và Trình diễn Công nghệ cho Nhiệt điện đồng đốt Amoniac (Development of Technologies for Carbon Recycling and Next - Generation Thermal Power Generation/Research, Development and Demonstration of Technologies for Ammonia Co - Firing Thermal Power Generation) do Tổ chức Phát triển Công nghệ Công nghiệp và Năng lượng Mới (NEITDO) chủ trì, hai đơn vị là JERA và IHI Corporation đã thử nghiệm đồng đốt amoniac tại một nhà máy nhiệt điện than thương mại quy mô lớn. Amoniac cho phép vận chuyển và lưu trữ hydro hiệu quả, chi phí thấp. Ngoài vai trò là chất mang năng lượng, nó còn có thể được sử dụng trực tiếp làm nhiên liệu trong sản xuất nhiệt điện. Là một loại nhiên liệu không thải ra khí carbon dioxide khi đốt cháy, amoniac được kỳ vọng sẽ mang lại lợi ích lớn trong việc giảm phát thải khí nhà kính.

Dự án trình diễn nhằm mục đích thiết lập công nghệ đồng đốt amoniac bằng cách đồng đốt than và amoniac tại một nhà máy điện đốt than thương mại quy mô lớn và đánh giá cả khả năng hấp thụ nhiệt của nồi hơi, cũng như các đặc tính tác động môi trường như khí thải. Dự án sẽ chạy trong khoảng 4 năm (từ tháng 6 năm 2021 đến tháng 3 năm 2025).

Trong dự án, JERA và IHI có kế hoạch chứng minh tỷ lệ đồng đốt amoniac là 20% tại tổ máy số 4 của Nhà máy Nhiệt điện Hekinan của JERA (công suất phát điện 1 GW) vào năm 2024. JERA chịu trách nhiệm thu mua amoniac và xây dựng các cơ sở liên quan như bể chứa và thiết bị hóa hơi, trong khi vai trò của IHI là phát triển các vòi đốt sẽ được sử dụng trong trình diễn. Hai công ty đang triển khai việc thiết kế và xây dựng.

Để đảm bảo độ tin cậy của đồng đốt amoniac khối lượng lớn, hai công ty đã xác minh các thông số cần thiết để phát triển vòi đốt trình diễn bằng cách tiến hành thử nghiệm đồng đốt amoniac quy mô nhỏ sử dụng vòi đốt bằng các vật liệu khác nhau tại tổ máy số 5 của Nhà máy Nhiệt điện Hekinan (công suất phát điện 1 GW) từ tháng 8 đến tháng 12 năm 2021.

Theo phân tích của BloombergNEF (BNEF): Ưu điểm chính của đồng đốt với amoniac tại các nhà máy điện than là giảm phát thải CO₂. Tuy nhiên, nghiên cứu đã chỉ ra rằng: Đốt cháy amoniac có thể dẫn đến phát thải các loại khí nhà kính khác, bao gồm oxit nitơ (N₂O). Vì các phân tử amoniac bao gồm nitơ, quá trình đốt cháy amoniac tạo ra N₂O. BNEF cho biết: Tiềm năng nóng lên toàn cầu của N₂O lớn hơn 273 lần so với CO₂, trong khoảng thời gian 100 năm. Phân tích của BNEF cũng phát hiện ra rằng: Một nhà máy nhiệt điện than được trang bị thêm để đồng đốt amoniac ở tỷ lệ pha trộn 50% hoặc thấp hơn vẫn thải ra nhiều CO₂ hơn so với nhà máy điện chu trình hỗn hợp chạy bằng khí tự nhiên.

Theo một nghiên cứu năm 2022 của Wood Mackenzie: Việc đồng đốt rộng rãi với amoniac sẽ có tác động đáng kể đến thị trường amoniac. Nhóm nhận thấy rằng: Chỉ cần đồng đốt 10% amoniac trong các nhà máy chạy bằng than trên toàn thế giới sẽ dẫn đến nhu cầu 200 triệu tấn (Mt) amoniac./.

KHẮC NAM - CHUYÊN GIA TẠP CHÍ NĂNG LƯỢNG VIỆT NAM

Link tham khảo:

1/ https://www.powermag.com/co-firing-with-ammonia-project-set-for-chilean-coal-plant/

2/ https://asian-power.com/solution-center/mitsubishi-power-develop-ammonia-combustion-systems-thermal-power-plant-boilers-achieve-optimal-combustion-characteristics

3/ https://www.greencarcongress.com/2021/05/20210530-jera.html