Hai bước ‘đột phá’ trong Quy hoạch điện VIII [kỳ 1]: Chuyển đổi nhiên liệu hydrocarbon sang hydro

Dự báo về nguồn khí trong nước, LNG nhập khẩu trong Quy hoạch điện VIII Qua số liệu trong đề án Quy hoạch điện VIII cho thấy: Sản lượng khí cung cấp cho điện tại khu vực Đông Nam bộ và Tây Nam bộ đã, đang giảm dần. Nguồn khí từ Lô B, Cá Voi Xanh, Báo Vàng chỉ đủ cấp cho các dự án điện hạ nguồn đã được quy hoạch. Riêng tiềm năng nguồn khí từ mỏ Kèn Bầu sẽ được làm rõ hơn sau các khảo sát trữ lượng tiếp theo. Còn nhiên liệu LNG nhập khẩu, cơ quan tư vấn đề xuất cần xác định vị trí khả thi để xây dựng nguồn điện sử dụng LNG nhập khẩu, đặc biệt là tại khu vực Bắc bộ... Tổng hợp của chuyên gia Tạp chí Năng lượng Việt Nam.

Toàn văn Quyết định phê duyệt Quy hoạch điện VIII Để bạn đọc tham khảo đầy đủ nội dung Quy hoạch phát triển điện lực quốc gia thời kỳ 2021 - 2030, tầm nhìn đến năm 2050 (Quy hoạch điện VIII), Tạp chí Năng lượng Việt Nam dẫn lại toàn văn Quyết định số 500/QĐ-TTg ngày 15/5/2023 của Thủ tướng Chính phủ phê duyệt Quy hoạch dưới đây. Trân trọng gửi tới bạn đọc.

Phê duyệt Quy hoạch điện VIII - Phân tích một số nội dung mới ‘quan trọng’ và ‘cần thiết’ Thủ tướng Chính phủ vừa ký Quyết định số 500/QĐ-TTg, ngày 15 tháng 5 năm 2023 về việc phê duyệt Quy hoạch phát triển điện lực quốc gia thời kỳ 2021 - 2030, tầm nhìn đến năm 2050 (Quy hoạch điện VIII). Dưới đây là tổng hợp về nội dung chính và phân tích của chuyên gia Tạp chí Năng lượng Việt Nam về một số “điểm nhấn” rất quan trọng, cần thiết trong Quy hoạch lần này.

KỲ 1: CHUYỂN ĐỔI ‘XANH’ TỪ NHIÊN LIỆU HYDROCARBON SANG HYDRO

Trước hết, ở Việt Nam: Hiện nay, các nguồn năng lượng tái tạo (NLTT) - chủ yếu gồm NLTT truyền thống (thủy điện) và NLTT mới (gió, mặt trời, sinh khối). Các nguồn năng lượng hóa thạch (NLHT) gồm than, khí thiên nhiên, dầu DO, FO.

Về chuyển dịch trong sử dụng nguồn năng lượng sơ cấp: Quy hoạch điện VIII đã đề ra giải pháp chuyển đổi rất mạnh từ nhiên liệu hydrocarbon sang nhiên liệu hydro trong giai đoạn 2031 - 2050.

Việc chuyển đổi công nghệ sản xuất điện từ hydrocarbon sang hydro mang tính chất “đột phá”, như vậy cần phải được nghiên cứu chi tiết trước khi được chấp nhận như một giải pháp trong một tài liệu mang tính quy phạm pháp luật như Quy hoạch điện VIII.

Trên thế giới, các vấn đề kinh tế - kỹ thuật của việc chuyển đổi từ hydrocarbon sang hydro vẫn còn đang “bỏ ngỏ”. Cụ thể như sau:

Sản xuất và sử dụng hydro trên thế giới:

Dự báo của Cơ quan Năng lượng Tái tạo Quốc tế (IRENA) [1] cho biết: Đến năm 2050, 8% tổng mức tiêu thụ năng lượng toàn cầu sẽ được cung cấp bởi hydro xanh và 16% tổng lượng điện được tạo ra sẽ được sử dụng để sản xuất hydro.

Rõ ràng là việc áp dụng thành công công nghệ hydro trên quy mô lớn đòi hỏi phải chuyển đổi các mô hình phân phối và tiêu thụ năng lượng hiện có, phát triển công nghệ và cơ sở hạ tầng sản xuất.

Khái niệm “nền kinh tế hydro” chỉ xuất hiện trong thế kỷ XXI. Ở quốc gia giàu về NLHT như LB Nga, lần đầu tiên ở cấp nhà nước, triển vọng phát triển công nghệ hydro đã được thảo luận tại cuộc họp ở Bộ Năng lượng vào ngày 29/8/2019 [2], trong khi ở quốc gia rất nghèo về NLHT như Nhật Bản, lộ trình phát triển hydro và pin nhiên liệu bắt đầu được xây dựng vào tháng 3/2011 chỉ sau tai nạn Fukushima. Đến nay, kinh nghiệm của Nhật Bản với tư cách là nước đi đầu trong nền kinh tế hydro được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực năng lượng toàn cầu.

Vào năm 2017, Sáng kiến ​​chung về pin nhiên liệu và hydro (FCH JU) toàn châu Âu đã được khởi động, tính đến tháng 5/2018, đã có 89 khu vực và thành phố từ 22 quốc gia châu Âu tham gia.

Hiện tại, hydro được sản xuất theo 3 công nghệ chính:

(i) Công nghệ chuyển hóa khí CH4 bằng hơi nước (SMR) từ khí tự nhiên thành hydro xanh lam.

(ii) Công nghệ chuyển hóa khí CH4 thu được trong quá trình khí hóa than thành Hydro xám (hydro được gọi là “xám” vì lượng khí thải carbon đáng kể của công nghệ sản xuất ra nó). Nếu công nghệ này được kết hợp với các công nghệ thu hồi và lưu trữ carbon (CCUS), thì hydro mới được gọi là “xanh lam”.

(iii) Công nghệ chỉ sử dụng điện từ các nguồn NLTT trong điện phân nước tinh khiết để sản xuất hydro xanh. Thông thường, các tổ hợp sản xuất hydro từ các nguồn NLTT được bao gồm trong chuỗi công nghệ Power-to-Gas tổng thể, cho phép tạo ra hydro với lượng khí thải CO2 tối thiểu [5].

Tổng khối lượng sản xuất hydro trên thế giới hiện được ước tính bởi nhiều nguồn khác nhau là 70 triệu tấn. Hơn 90% hydro được sản xuất chính tại nơi tiêu thụ và dưới 10% được cung cấp bởi các công ty chuyên hoạt động trong thị trường khí công nghiệp.

Khả năng lưu trữ ngắn hạn và dài hạn là lợi thế cơ bản của hydro với tư cách là chất mang năng lượng. Đặc điểm chính của vận chuyển hydro là sự đa dạng của các phương pháp được sử dụng.

Theo các chuyên gia châu Âu, cần tiếp tục phát triển các công nghệ sản xuất, lưu trữ và phân phối hydro phi tập trung. Trong ngắn hạn, nếu tính đến các chi phí, lựa chọn hứa hẹn nhất sẽ là phát triển hydro xanh lam. Nhưng, để thực hiện đầy đủ phương pháp này, cần phải tạo ra các tổ hợp để thu giữ/chôn cất khí CO2. Về lâu dài, hy vọng được đặt vào công nghệ sản xuất hydro xanh và các công nghệ sản xuất hydro thay thế hiện đang được nghiên cứu và phát triển. Những công nghệ như vậy mới có thể đóng góp đáng kể cho quá trình khử cacbon trong tương lai.

Trong khâu vận chuyển, không cần thiết phải tạo hệ thống đường ống dẫn hydro riêng, mà có thể sử dụng hệ thống đường ống khí đốt tự nhiên hiện có. Hiện tại, theo quy định hiện hành của châu Âu, từ 0,1% (Bỉ) đến 12% (Hà Lan) hydro có thể được đưa vào mạng lưới khí đốt. Tuy nhiên, các mạng lưới khí đốt hiện có không được thiết kế cho việc vận chuyển lượng hydro lớn hơn. Đối với một số quy trình sản xuất, ngay cả những dao động nhỏ về hàm lượng các thành phần (bao gồm cả hydro) trong khí tự nhiên cũng có thể dẫn đến hậu quả tiêu cực về cháy, nổ.

Theo PJSC Gazprom: Các đường ống dẫn khí hiện đại (ví dụ Nord Stream) có thể vận chuyển tới 70% hydro trong hỗn hợp khí. Do đó, để phát triển năng lượng hydro và nền kinh tế hydro, các nước châu Âu cần cải thiện cơ sở hạ tầng khí đốt để thích ứng với hydro.

IEA ước tính rằng: Việc thêm 20% hydro vào khí đốt tự nhiên sẽ làm giảm gần 7% lượng khí thải carbon dioxide [7].

Hiện nay, một số quốc gia châu Âu đã bắt đầu thực hiện các dự án hydro:

- Ở Đức, “Chiến lược hydro Quốc gia” được phê duyệt ở cấp tiểu bang vào cuối năm 2020 [8, 9].

- Ở Hà Lan, 2 tỉnh Groningen và Drenthe có kế hoạch xây dựng chung một “Thung lũng hydro” trên lãnh thổ của mình. Kế hoạch quốc gia về phát triển năng lượng hydro đến năm 2030 trị giá 2,8 tỷ euro đã được xây dựng, dựa trên việc sử dụng hydro được sản xuất bằng cách sử dụng các nguồn NLTT để điện phân từ nước. Khi sản xuất hydro theo cách truyền thống (chuyển đổi khí tự nhiên), khí thải CO2 được tạo ra trong quá trình chuyển đổi sẽ được bơm vào các cơ sở lưu trữ dưới lòng đất. Các quy trình công nghệ như vậy đã được thực hiện ở quy mô nhỏ và vẫn còn khá đắt.

Các tác giả của kế hoạch hy vọng sẽ giảm chi phí sản xuất và vận chuyển hydro nhờ quy mô kinh tế. Kế hoạch này bao gồm 33 dự án cụ thể (bao gồm xây dựng một kho chứa hydro dưới lòng đất trong các mỏ muối ở Zuidwending, tạo ra một mạng lưới các trạm nạp hydro, bổ sung hydro và khí tổng hợp vào các đường ống dẫn khí hiện có...). Các công ty nổi tiếng như: Shell, Nuon, Engie, BioMCN (nhà sản xuất metanol sinh học), Gasunie (nhà điều hành mạng lưới đường ống dẫn khí) và những công ty khác sẽ tham gia vào các dự án. Công suất của các nhà máy điện phân nước được lên kế hoạch trước tiên là tăng lên 1 MW, sau đó là 1 GW.

Ngoài ra, kế hoạch còn bao gồm việc phát triển và xây dựng các tua bin gió hydro được tích hợp với các máy điện phân nước. Nhà máy điện ở Eemshaven (1,32 GW) được lên kế hoạch chuyển đổi một phần từ khí tự nhiên sang hydro. Sau đó, kho dự trữ hydro dưới lòng đất sẽ biến thành một bộ lưu trữ năng lượng khổng lồ. Từ năm 2020, những sửa đổi cần thiết cho sự phát triển năng lượng hydro quốc gia được đưa vào luật pháp của Hà Lan [10].

- Ở Anh, dự án H21 North of England đang được phát triển bởi một công ty khí đốt địa phương hợp tác với Equinor, liên quan đến việc chuyển đổi mạng lưới khí đốt và thiết bị ở phía Bắc nước Anh thành hydro. Việc xây dựng các đường ống dẫn hydro mới sẽ giúp chuyển gần 4 triệu doanh nghiệp và hộ gia đình sang sử dụng hydro để sưởi ấm. Dự kiến, lượng khí thải CO2 sẽ giảm 20 triệu tấn/năm. Tổng chi phí của dự án ước tính khoảng 30 tỷ USD.

Đánh giá triển vọng của hydro:

Vấn đề đảm bảo an toàn của công nghệ hydro đáng được quan tâm đặc biệt. Hydro dễ nổ khi trộn với không khí trong những điều kiện nhất định, ngọn lửa đốt cháy hydro không màu và do đó vô hình. Hydro có tính khuếch tán cao dẫn đến các vấn đề về giòn kim loại và khó khăn trong lưu trữ hydro. Tất cả các tính năng này của hydro xác định các yêu cầu đặc biệt đối với việc sản xuất, lưu trữ và sử dụng hydro. Ở mỗi quốc gia, các vấn đề an ninh được giải quyết trong khuôn khổ các chương trình quốc gia.

Để đưa hydro lên cấp độ của một nguồn năng lượng mới của thế giới, cần phải phát triển các phương pháp tiếp cận chung để đảm bảo an toàn công nghiệp của các công nghệ hydro.

Điều đáng chú ý là việc áp dụng thành công công nghệ hydro quy mô lớn đòi hỏi phải chuyển đổi các mô hình phân phối và tiêu thụ năng lượng hiện có, phát triển công nghệ và cơ sở hạ tầng sản xuất hydro.

Các mục tiêu được cộng đồng thế giới thông qua nhằm giảm phát thải khí nhà kính (thể hiện bằng CO2 tương đương) nhất thiết phải được kết hợp với đảm bảo an ninh năng lượng và bền vững năng lượng.

Các cơ quan năng lượng lớn đồng ý rằng: Tỷ trọng của các nguồn NLTT mới (NRES) trong cân bằng năng lượng toàn cầu sẽ tăng lên, do đó tỷ trọng của NLTT (RES) trong cân bằng năng lượng của châu Âu sẽ đạt 50% trong trung hạn. Để đảm bảo an ninh cho tổ hợp năng lượng châu Âu, cần có yếu tố ổn định, phát điện bền vững, đó có thể là khí tự nhiên [5, 9]. Châu Âu, vẫn là nhà nhập khẩu khí đốt tự nhiên lớn nhất. Trong làn sóng khử cacbon, hydro là lựa chọn ưu tiên, phù hợp với tất cả những người tham gia thị trường [8, 9].

Cho đến nay, đã có những tiến bộ đáng kể trong việc sử dụng hydro, nhưng cần có thời gian để các công nghệ năng lượng mới thâm nhập vào các thị trường và khắc phục những thiếu sót hiện có.

Ý kiến ​​​​của các chuyên gia trong việc đánh giá quy mô triển vọng của công nghệ hydro rất khác nhau. Các chuyên gia của Hội đồng Hydro [11] dự đoán rằng: Đến năm 2050, hydro sẽ cung cấp tới 18% mức tiêu thụ năng lượng cuối cùng trên hành tinh, trong khi các chuyên gia IRENA ước tính triển vọng cho hydro chỉ ở mức 8% [1]. IRENA thận trọng về tiềm năng phát điện từ hydro sử dụng pin nhiên liệu trong tương lai gần do hiệu suất thấp của toàn bộ chu trình “điện - hydro - điện” và chi phí vốn cao của công nghệ.

Theo Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IEA) [7]: Chi phí sản xuất hydro từ khí thiên nhiên là 1.5 ÷ 3.5 USD/kg. Chi phí cho một kg hydro được sản xuất với sự trợ giúp của các nguồn NLTT cao hơn từ 2 ÷ 6 USD - tức 3.5 ÷ 9.5 USD/kg (thấp nhất ở Trung Quốc và cao nhất ở Nhật Bản).

Theo dự báo của IEA: Vào năm 2030, chi phí sản xuất hydro sẽ giảm 30%. Các chuyên gia của Bloomberg trong nghiên cứu Triển vọng năng lượng mới 2019 dự đoán rằng: Đến năm 2030, chi phí sản xuất hydro từ năng lượng gió, hoặc mặt trời hy vọng có thể giảm xuống còn 1.4 USD/1kg và đến năm 2050 là 0.8 USD/kg.

Nhìn chung trên toàn thế giới, quá trình chuyển đổi nền kinh tế toàn cầu sang hydro, theo ước tính của Hội đồng Hydro, sẽ cần tổng vốn đầu tư 20 ÷ 25 tỷ USD/năm [4]. Bộ Năng lượng Nga ước tính thị trường nhiên liệu hydro toàn cầu vào năm 2040 ở mức 32 ÷ 164 tỷ USD [2]. Theo các chuyên gia của EnergyNet: Để năng lượng hydro có thể được hình thành tại Nga trong giai đoạn 2025 ÷ 2035, Nga cần đầu tư khoảng 2.2 ÷ 3.9 tỷ USD/năm, thu nhập dự kiến ​​sẽ là 1.7 ÷ 3.1 tỷ USD/năm [11].

Các lĩnh vực sử dụng hydro chính hiện nay là lọc dầu và công nghiệp hóa chất. Hydro hiện đang được sử dụng cho nhiều mục đích: Sản xuất phân bón, cải thiện chất lượng xăng, cải thiện tính chất của kim loại, hydro hóa dầu thực vật (trong sản xuất bơ thực vật và chất béo, bánh kẹo). Các qui trình xử lý hydro, hydrodesulfurization, hydrocracking, tái tạo chất xúc tác... không thể thực hiện được nếu không có hydro. Hydro cũng được sử dụng rộng rãi để làm mát cho các tổ máy phát điện (dưới dạng chất tải nhiệt) trong các nhà máy điện.

Như trên đã nêu, hydro cũng được sản xuất bằng nhiều công nghệ và có 3 loại sản phẩm chính, gồm hydro “xanh”, “xanh lam” và “xám”. Theo đó, hydro xanh được sản xuất bằng công nghệ điện phân từ nước, hydro xanh lam được sản xuất bằng công nghệ chuyển đổi ở nhiệt độ cao hơi methan (CH4) từ khí thiên nhiên, còn hydro xám được sản xuất từ than đá và/hoặc dầu mỏ.

Công nghệ sản xuất hydro từ NLHT cũng tạo ra một lượng khí CO2 tính trên 1 tấn hydro rất lớn: Từ khí thiên nhiên tạo ra 10 tấn CO2, từ dầu mỏ là 12 tấn, từ than đá là 19 tấn. Vì vậy, giải pháp chống lại sự nóng lên toàn cầu là sử dụng hydro xanh. Trong khi đó, hydro xanh hiện chỉ chiếm tỷ trọng khoảng 4% trong tổng sản lượng của thế giới (hydro xanh lam - 78% và hydro xám - 18%). Vì vậy, Hydro xanh cần được sản xuất, hoặc là gắn với các nhà máy điện có công suất dư thừa và có sẵn nguồn nước (như thủy điện và hoặc điện hạt nhân), hoặc là gắn với điện gió, điện mặt trời, nhưng phải ở ngoài khơi (sử dụng nước biển cho khâu làm mát quá trình điện phân).

So với hydro xanh lam và hydro xám, chi phí sản xuất hydro xanh rất cao (gấp 3 ÷ 6 lần), trong khi hiệu suất năng lượng rất thấp. Vì, theo công nghệ điện phân từ nước hiện nay trên thế giới, để thu được 1m3 hydro (10.84 MJ) cần tiêu hao 4 ÷ 5 kWh điện, 0.8m3 nước (H2O) tinh khiết 99.99 ÷ 99.9999%. Ngoài ra, cần sử dụng rất nhiều nước để làm mát bình điện phân. Quá trình điện phân diễn ra ở điện áp 1.6 ÷ 2.0 V, với cường độ dòng tới vài trăm Ampe. Công suất máy điện phân càng lớn, việc sản xuất càng không hiệu quả, vì sử dụng điện càng lớn (do gia tăng sử dụng điện cho làm mát, sấy khô và làm sạch hydro).

Hydro là loại nhiên liệu rất “khó tính” trong khâu lưu trữ và vận chuyển. Một kg hydro chứa năng lượng tương đương với khoảng 4 lít xăng. Nhưng ở áp suất khí quyển bình thường, 1 kg hydro chiếm không gian gấp hàng trăm lần. Để giải quyết vấn đề lưu trữ, hydro có thể được hóa lỏng, phải được làm lạnh đến âm -253 độ C (khi làm nhiên liệu cho các động cơ tên lửa), hoặc phải được nén ở áp suất cao (khoảng 700 atm) để một chiếc xe sedan thông thường chạy được 800km chỉ bằng 4kg hydro. Để giải quyết vấn đề vận chuyển hydro cho phát điện, hydro có thể được chuyển thành rượu - metanol, dimethyl ether, trước khi được vận chuyển đến các nhà máy điện.

Ở quy mô nhỏ, hydro xanh thường được sử dụng phân tán dưới dạng “pin nhiên liệu” (một thiết bị điện hóa chuyển đổi năng lượng hóa học của hydro thành năng lượng điện bằng một quá trình ngược lại với quá trình điện phân) với hiệu suất khá cao chủ yếu cho các phương tiện GTVT. Còn để sản xuất điện, thì “pin nhiên liệu hydro” phải kết hợp với pin hóa học thông thường, vì pin nhiên liệu hydro không xử lý được vấn đề “san bằng phụ tải”.

Kỳ tới: Khía cạnh kinh tế của việc chuyển đổi “xanh” bằng sử dụng hydro

PHẠM QUỐC BÌNH, NGUYỄN HỒNG QUÂN, NGUYỄN THÀNH SƠN - ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC HÀ NỘI

Các từ khóa:

Chuyển đổi năng lượng, khử cacbon, công nghệ hydro, phát thải carbon, lợi ích về môi trường, HVDC, HVAC.

Tài liệu tham khảo:

1. IRENA. Global energy transformation: A roadmap to 2050 (2019 edition), 2019 - 52 p. [Electronic resource] - Access mode - URL: https://www.irena.org/publications/2019/Apr/Global-energytransformation-A-roadmap-to-2050-2019Edition

2. A program for the development of hydrogen energy will appear in Russia. [Electronic resource] - Access mode - URL: https://www.vedomosti.ru/business/articles/2019/09/01/8101 61-minenergo-razrabotaet-programmu

3. Hydrogen energy is a trend of the 21st century. [Electronic resource] - Access mode - URL: http://atomicexpert.com/hydrogen_energy

4. Hydrogen economy - even for low-carbon development // Center for Energy, Moscow School of Management SKOLKOVO. - M., 2019 .-- 62 p. [Electronic resource] - Access mode - URL: https://energy.skolkovo.ru/downloads/documents/SEneC/Re search/SKOLKOVO_EneC_Hydrogen-economy_Rus.pdf

5. Popadko N.V., Polaeva GB, Popadko A.M. Transition to lowcarbon energy in Germany: problems and prospects // Innovations and Investments. - 2018. - No. 6. - S. 113-116.

6. Hydrogen as an energy carrier. An evaluation of emerging hydrogen value chains / DNV GL, 2018. [Electronic resource] - Access mode - URL: https://www.dnvgl.com/publications/hydrogen-as-an-energycarrier-134607

7. IEA. World Energy Outlook 2018. [Electronic resource] - Access mode - URL: https://www.iea.org/reports/world-energyoutlook-2018

8. Gas Dialogue 2030 // Dialogprozess Gas 2030 - Erste Bilanz. [Electronic resource] - Access mode - URL: https://www.bmwi.de/Redaktion/DE/Downloads/CD/dialogprozess-gas-2030-erstebilanz.pdf?__blob=publicationFile&v=4

9. Popadko A.M. The place of natural gas in the energy strategy of Germany until 2030. [Electronic resource] - Access mode - https://www.imemo.ru/files/File/ru/conf/2019/13122019/05- Popadyko-02.pdf

10. Hydrogen energy. [Electronic resource] - Access mode - URL: https://energy.hse.ru/hydrenergy

11. Official EnergyNet website: [Electronic resource] - Access mode - URL: https://energynet.ru

12. https://cyberleninka.ru/article/n/vodorodnaya-energetika-etapy-razvitiya-problemy-i-perspektivy

13.https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%92%D0%BE%D0%B4%D0%BE%D1%80%D0%BE%D0%B4%D0%BD%D0%B0%D1%8F_%D1%8D%D0%BD%D0%B5%D1%80%D0%B3%D0%B5%D1%82%D0%B8%D0%BA%D0%B0

14. https://zn.ua/science/vodorod_iz_vody_prosto_i_deshevo.html

15. https://e-b.com.ua/vodorodnye-perspektivy-409

16. https://hi-news.ru/eto-interesno/morskaya-voda-mozhet-stat-beskonechnym-istochnikom-vodoroda.html

17. https://www.electrical4u.com/high-voltage-direct-current-transmission/