Hai bước ‘đột phá’ trong Quy hoạch điện VIII [kỳ 2]: Khía cạnh kinh tế của hydro

Hai bước ‘đột phá’ trong Quy hoạch điện VIII [kỳ 1]: Chuyển đổi nhiên liệu hydrocarbon sang hydro Trong Quy hoạch điện VIII có 2 đột phá về kỹ thuật - công nghệ cung cấp điện năng cho nền kinh tế: (i) Về phát triển nguồn điện, chuyển rất mạnh từ sử dụng các nguồn năng lượng/nhiên liệu hóa thạch “hữu hạn” sang sử dụng các nguồn năng lượng/nhiên liệu tái tạo được coi là “sạch”, “xanh” và “vô hạn”; (ii) Về truyền tải điện, định hướng áp dụng mới công nghệ cao áp một chiều (HVDC) sau năm 2030. Dưới đây là trao đổi của nhóm chuyên gia Đại học Điện lực Hà Nội về một số vấn đề có liên quan đến một số “đột phá” của Quy hoạch lần này. Rất mong nhận được sự chia sẻ của bạn đọc.

KỲ 2: KHÍA CẠNH KINH TẾ CỦA VIỆC CHUYỂN ĐỔI ‘XANH’ BẰNG HYDRO

Năng lượng hydro chỉ được coi là năng lượng thay thế, khi hydro được sản xuất bằng các nguồn năng lượng tái tạo (NLTT). Để thu được 1 kg hydro (nhiệt trị của 1 kg H ở hiệu suất 100% sẽ tương đương với khoảng 40 kWh), cần tiêu hao 40 ÷ 50 kWh điện. Ngoài ra, cần tiêu thụ lượng nước lớn để sản xuất hydro, như đã nêu (trong kỳ 1).

Ngày 8/7/2020, Liên minh châu Âu (EU) đã thông qua chiến lược phát triển năng lượng hydro đến năm 2050 đầy tham vọng. Để giảm lượng khí thải CO2, chương trình ưu tiên sản xuất hydro bằng cách điện phân nước sử dụng điện thu được từ các nguồn năng lượng mặt trời và gió. Trong 5 năm đầu, từ 2020 ÷ 2024 dự kiến ​​đưa vào vận hành các nhà máy điện phân sản xuất hydro với tổng công suất 6 GW để sản xuất 1 triệu tấn hydro mỗi năm. Đến năm 2030, công suất của các máy điện phân sẽ tăng lên 40 GW và sản lượng hydro sẽ tăng lên 10 triệu tấn/năm. Đến năm 2050, dự kiến sẽ giảm chi phí sản xuất hydro từ các nguồn NLTT xuống còn 1 USD/kg.

Năng lượng hydro xanh được lên kế hoạch xây dựng ở châu Âu, châu Á và Úc. Theo những người ủng hộ công nghệ, hydro xanh - loại được sản xuất bằng điện phân được cung cấp bởi các tấm pin mặt trời, gió và các nguồn NLTT khác - là cách tốt nhất để loại bớt các chất gây ô nhiễm môi trường.

Hiện tại có rất nhiều cuộc thảo luận về việc giảm chi phí năng lượng gió, mặt trời và cách chúng sẽ sớm tạo ra hydro xanh.

Điện phân là quá trình sử dụng dòng điện để tách nước thành các nguyên tố hydro và oxy. Quá trình này được thực hiện trong máy điện phân và kèm theo tỏa nhiệt. Khi những người ủng hộ hydro nói về tương lai tươi sáng của công nghệ này, họ tập trung vào chi phí liên quan đến điện năng cần thiết cho quá trình điện phân. Nhưng để điện phân, ngoài điện, cần có nước. Không phải tất cả các chi phí liên quan đến việc sản xuất hydro xanh từ các nguồn NLTT đều là chi phí đã được tính cho các nguồn năng lượng này. Vì ngoài chi phí về điện, thì chi phí về nước tinh khiết để cấp cho máy điện phân và chi phí nước để làm mát cho các máy điện phân cũng cần được tính đến, nhưng không ai muốn thảo luận về chi phí cho 2 loại nước này.

Cần trung bình 9 tấn nước để sản xuất 1 tấn hydro bằng phương pháp điện phân. Nhưng để có được 9 tấn nước này, chỉ bơm nước về từ các con sông/hồ gần nhất là không đủ. Nước cấp cho điện phân phải được làm rất sạch, vì các máy điện phân đòi hỏi độ tinh khiết của nước rất cao. Nước tự nhiên đòi hỏi phải qua các quá trình lọc. Các hệ thống lọc nước hiện đại cũng cần tới 2 tấn nước tự nhiên để tạo ra 1 tấn nước tinh khiết.

Nói cách khác, 1 tấn hydro thực sự cần đến không phải chỉ 9 mà là 18 tấn nước. Nếu tính đến tổn thất, tỷ lệ này đạt tới 20 tấn nước/tấn hydro.

Trong công nghệ hóa hữu cơ, phương pháp lọc nước dễ nhất là chưng cất. Phương pháp này rẻ vì chỉ cần điện, nhưng năng suất không lớn (không nhanh). Tiêu hao năng lượng trung bình khoảng 2.58 MJ để chưng cất một lít nước (tương đương 0.717 kWh/lít nước). Về lý thuyết, có vẻ đơn giản, nhưng ở quy mô công nghiệp vấn đề sẽ hoàn toàn khác.

Đức là quốc gia có nhiều tham vọng nhất về hydro xanh. Trước khi diễn ra Chiến dịch quân sự đặc biệt của Nga ở Ukraine, giá điện cho người tiêu dùng không phải là công dân ở Đức trung bình là 0.19 USD (0.16 euro) cho mỗi kWh. Do đó, với mức tiêu thụ năng lượng là 0.717 kWh, việc chưng cất một lít nước sẽ tiêu tốn 0.14 USD (0.1147 euro). Tính cho 1m3 nước sẽ là 135.14 USD (114.72 euro).

Với mức tiêu hao 18 tấn nước để sản xuất ra một tấn hydro xanh bằng công nghệ điện phân, thì riêng chi phí xử lý nước để sản xuất 1 tấn hydro sẽ là 2.432 USD (2.065 euro).

Tất nhiên, ngoài phương pháp chưng cất, còn có nhiều phương pháp khác nhanh hơn, nhưng đắt tiền hơn bằng cách sử dụng các chất (nhựa) trao đổi ion công nghiệp, hoặc phương pháp chiết lỏng theo phân đoạn. Theo các nhà hóa học, các lựa chọn thay thế khác cho quá trình chưng cất là không đáng tin cậy ở giai đoạn này.

Việc cung cấp đúng loại nước cho quá trình điện phân sẽ tốn tiền và trong khi 2.432 USD/tấn hydro nghe có vẻ không nhiều, chi phí lọc nước không phải là chi phí duy nhất. Vì chúng ta còn phải tính đến chi phí vận chuyển nước đến máy điện phân.

Vận chuyển nước đến máy điện phân là chi phí hậu cần cao. Để giảm thiểu, ta có thể chọn một nơi có nhiều nước, chẳng hạn như gần sông, hoặc biển, hoặc cách khác (gần nhà máy xử lý nước). Điều này hạn chế việc lựa chọn vị trí thích hợp cho các nhà máy điện phân lớn. Vì một máy điện phân phải được cung cấp bởi các nguồn NLTT để thân thiện với môi trường, nên nó cũng phải được đặt gần một trang trại năng lượng mặt trời, hoặc gió.

Như chúng ta biết, các nguồn NLTT không thể được xây dựng ở bất cứ đâu. Ở Việt Nam, các trang trại năng lượng mặt trời có hiệu quả cao nhất ở những địa điểm có nhiều ánh nắng mặt trời (Ninh Thuận, Bình Thuận) lại là nơi khan hiếm nước nhất. Còn các trang trại gió hoạt động tốt nhất ở những nơi có gió mạnh xa bờ (ngoài khơi). Nếu đưa điện vào bờ để điện phân nước thì vấn đề khó khăn về nước ngọt, cũng tương tự như trường hợp sử dụng điện mặt trời trên bờ. Còn nếu sử dụng nước biển để điện phân, chi phí sản xuất nước ngọt từ nước biển phải cộng thêm chi phí khử mặn.

Ngoài ra, điện gió ngoài khơi lại là nguồn điện có chi phí đầu tư cao nhất trong số ba nguồn điện mặt trời, gió trên bờ và gió ngoài khơi. Theo Rystad Energy: Chi phí vốn của một trang trại gió ngoài khơi cao gấp 2 lần so với trên đất liền và gấp 4 lần so với một nhà máy năng lượng mặt trời tương đương.

Có thể, chi phí cung cấp, lưu trữ và xử lý nước là không đáng kể so với các chi phí khác cần được giải quyết trước tiên. Tuy nhiên, đây là những chi phí thực tế cần được cộng vào giá điện khi đánh giá tính khả thi về kinh tế của công nghệ sản xuất điện bằng hydro xanh được điện phân bằng NLTT.

Hiện tại, các chuyên gia dường như nhất trí rằng: Nếu cộng cả chi phí nước cho điện phân thì việc chuyển đổi từ hydrocarbon sang hydro hiện nay là không khả thi (kể cả khi có sự hỗ trợ đáng kể của Chính phủ).

Chuyển dịch “xanh” và chuyển dịch cơ cấu đầu tư:

Một báo cáo vừa được Trung tâm Tài chính Khí hậu tại Trường Kinh doanh Đại học Imperial và Cơ quan Năng lượng Quốc tế công bố cho biết: NLTT đã tạo ra lợi nhuận tổng thể cao hơn đáng kể trong mười năm qua, 422,7% so với 59% đối với năng lượng hóa thạch, hoặc hơn 7 lần lợi nhuận. Trong 5 năm, năng suất này thấp hơn, nhưng vẫn cao hơn 3 lần so với nhiên liệu hóa thạch. Điều này xảy ra vì một số lý do:

Thứ nhất: Danh mục NLTT toàn cầu ít tương quan với thị trường lớn so với nhiên liệu hóa thạch.

Thứ hai: Mối tương quan hiện tại đã giảm trong thời kỳ suy thoái kinh tế gần đây, làm nổi bật tiềm năng của các cơ hội đa dạng hóa.

Thứ ba: Sự biến động kinh tế gần đây đã dẫn đến sự suy giảm các nguyên tắc cơ bản trong lĩnh vực năng lượng, trong đó NLTT cho thấy khả năng phục hồi cao hơn.

Đây là một xu hướng có khả năng tiếp tục khi nhiều quốc gia đặt mục tiêu bằng “net zero” cho năm 2050, cũng như mối quan tâm của nhà đầu tư và công chúng ngày càng tăng về tác động tiêu cực của sản xuất năng lượng. Rủi ro khí hậu, cả về vật chất và cơ hội chính trị, đặc biệt là xung quanh thuế carbon sẽ ảnh hưởng nhiều hơn đến lĩnh vực này. Nhưng vẫn còn một chặng đường dài để đi. Đầu tư NLTT vẫn còn chậm so với nhu cầu và chưa có bằng chứng về hiệu quả kinh tế.

Có ít vốn hơn trong lĩnh vực NLTT, nên trong danh mục đầu tư của các nhà đầu tư chỉ có một phần là NLTT. Việc thiếu vốn này cũng làm lo ngại về việc liệu các khoản đầu tư có thể được tổ chức lại đủ nhanh để đáp ứng các mục tiêu năm 2050 hay không.

IRENA trước đây đã cảnh báo rằng: Các khoản đầu tư vào lĩnh vực năng lượng phải được cơ cấu lại để đáp ứng các mục tiêu năm 2050. Báo cáo mang tên “Triển vọng Chuyển đổi Năng lượng Thế giới: 1.5 độ C” của cơ quan này cho biết: Thế giới sẽ cần chuyển đầu tư năng lượng sang các giải pháp thay thế ít carbon nếu muốn đạt được các mục tiêu năm 2050. Điều này có nghĩa là không chỉ tăng dòng đầu tư hiện tại lên 30% mà còn phải từ bỏ các mô hình đầu tư hiện tại.

IRENA dự đoán: Để đáp ứng các mục tiêu “net zero” vào năm 2050, đòi hỏi phải đầu tư tổng cộng 131 nghìn tỷ USD, (tương đương 4,4 nghìn tỷ USD/năm). Số vốn này cần được đầu tư không chỉ vào các nguồn NLTT mà còn vào các công nghệ năng lượng ít carbon khác, cũng như đầu tư vào các công nghệ làm nền tảng cho quá trình chuyển đổi năng lượng (như nâng cao hiệu quả năng lượng, điện khí hóa người dùng cuối, lưới điện, đổi mới linh hoạt (hydro) và các biện pháp loại bỏ carbon).

Trong kịch bản 1.5 độ C, tổng mức tiêu thụ năng lượng hóa thạch sẽ liên tục giảm từ năm 2021 và sản lượng năng lượng hóa thạch sẽ giảm hơn 75% vào năm 2050. Vì vậy, trước quá trình chuyển đổi năng lượng, thị trường tài chính và các nhà đầu tư đã chuyển vốn từ năng lượng hóa thạch sang các công nghệ năng lượng khác (bao gồm cả năng lượng tái tạo).

Kỳ 3: Đột phá về truyền tải điện bằng công nghệ cao áp một chiều (HVDC) trong Quy hoạch điện VIII

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/