Hydrogen - Nhiên liệu sạch cho tương lai và cứu cánh cho hiện tại (Tạm kết)

Hydrogen - Nhiên liệu sạch cho tương lai và cứu cánh cho hiện tại (Kỳ 1)

TẠM KẾT: HYDROGEN - CỨU CÁNH CHO NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO

Hiện tại, việc phát triển các nguồn NLTT (điện gió, điện mặt trời) đang dẫn đến tình trạng bất ổn định của hệ thống điện do biểu đồ phụ tải không được cân bằng theo thời gian (khi có gió và không có gió, khi mặt trời ‘mọc’ và ‘lặn’). Phụ tải của hệ thống điện thường cao, thấp khác nhau trong ngày. Nguồn phát điện thường khi thừa, khi thiếu theo thời gian. Vì vậy, hệ thống điện của các quốc gia (và của Việt Nam) thường phải đầu tư thêm các nguồn nhiệt điện chạy bằng nhiên liệu hóa thạch (than, dầu, khí, uranium) chỉ để “san bằng” biểu đồ phụ tải trong ngày và theo tháng. Đây là việc đầu tư rất không có hiệu quả. Việc giải quyết vấn đề dư thừa công suất của các nguồn điện hóa thạch đã được đầu tư (đặc biệt là điện hạt nhân (ĐHN) - có chi phí đầu tư rất cao, nhưng phải “nhường sân” cho các nguồn điện mặt trời và điện gió) đang được ưu tiên theo hướng “huy động” vào phục vụ con người nguồn năng lượng tái tạo hầu như vô tận là hydrogen (H) bằng nhiều phương pháp khác nhau.

Trước hết, công suất dư thừa của điện hạt nhân và của thủy điện được tận dụng để điện phân H2O thành nhiên liệu H2. Tiềm năng sản xuất H2 bằng các công suất điện hạt nhân dư thừa là rất lớn. Ví dụ, chỉ tính riêng ở Nga, với các nhà máy ĐHN hiện có, khi hệ số huy động công suất đặt ở mức trung bình, tiềm năng sản xuất hydrogen đã lên tới 1,9 triệu tấn/năm. Khi hệ số huy động công suất ở mức 85% - tiềm năng này là 3,5 triệu tấn/năm. Xem đồ thị sau:

Hình 3. Tiềm năng sản xuất hydrogen bằng công suất dư thừa của các nhà máy ĐHN ở Nga.

Công suất dư thừa (dự phòng) của các nhà máy thủy điện cũng được sử dụng để sản xuất hydrogen. Ví dụ, chỉ tính riêng 3 nhà máy điện không dùng than (2 ĐHN và 1 thủy điện) ở Nga, công suất dư thừa (do phải hạn chế phát thải khí nhà kính) có thể huy động để sản xuất 193,2 nghìn tấn hydrogen/năm (xem sơ đồ sau).

Hình 4. Tiềm năng sản xuất hydrogen bằng công suất dư thừa của 2 nhà máy ĐHN và 1 nhà máy thủy điện ở Nga.

Như vậy, việc tận dụng công suất phát điện dự phòng để sản xuất hydrogen ở tất cả các quốc gia là “một mũi tên, hai con thỏ”: (i) là giải pháp quan trọng nhằm tiếp tục phát triển thêm các nguồn điện mặt trời và điện gió; và, (ii) nâng cao hiệu quả của hệ thống điện nhờ nâng cao hệ số huy động công suất đặt (đã đầu tư).

Thứ hai, việc sản xuất nhiên liệu hydrogen sẽ mở ra một triển vọng lớn cho việc phát triển một thị trường quốc tế về hydrogen (tương tự như thị trường của than, dầu mỏ, và khí đốt) vì công nghệ hóa lỏng hydrogen để vận chuyển cũng rất khả thi. Dự báo giá trị thương mại trên thị trường thế giới về hydrogen theo các kịch bản khác nhau được tổng hợp trong bảng sau:

Hình 5. Giá trị thương mại trên thị trường thế giới năm 2050 về hydrogen theo các kịch bản, 1000 tỷ U$/năm.

Thứ ba, hydrogen sẽ là nguồn năng lượng không thể thiếu để giải quyết vấn đề cung cấp điện cho các vùng sâu, vùng xa, không thể xây dựng các nguồn điện truyền thống do có nhạy cảm về sinh thái. Hay nói cách khác, hydrogen là giải pháp quan trọng để đáp ứng nhu cầu năng lượng cho các vùng đặc biệt nhạy cảm về môi trường trên thế giới (ví dụ vùng Bắc cực của thế giới, vùng băng tuyết vĩnh cửu của Nga, cao nguyên Tây Tạng, vùng nội Mông của Trung Quốc v.v...).

Thứ tư, chi phí sản xuất hydrogen có thể so sánh được của các nước được tổng hợp trong đồ thị sau:

Hình 6. Đồ thị so sánh chi phí sản xuất hydrogen ở các nước, $/kg.

Đô thị trên cho thấy, hydrogen hoàn toàn có thể cạnh tranh được với các nguồn năng lượng hiện có. Kết quả nghiên cứu cho trường hợp nhà máy ĐHN Kolxkaia (nêu trên) với hệ số huy động công suất 93% cụ thể như sau:

+ Sản lượng hydrogen: 74,7 nghìn tấn/năm;.

+ Tiêu dùng điện: 4,2 tỷ kWh/năm.

+ Chi phí đầu tư (CAPEX): 55,8 tỷ Rúp.

+ Chi phí vận hành (OPEX): 12,8 tỷ Rúp.

+ Chi phí sử dụng điện: 3 Rúp/kWh.

Tương lai của ngành năng lượng sẽ trở nên rất đa dạng theo hướng “sạch hơn” nhờ có hydrogen. Hydrogen sẽ đóng vai trò trung tâm của ngành năng lượng (xem sơ đồ sau):

Hình 7. Vai trò của Hydrogen trong tương lai của ngành năng lượng.

Giá nhiên liệu hydrogen trong tương lai sẽ ngày càng giảm nhờ các công nghệ điện phân, công nghệ pin nhiên liệu sẽ ngày càng được hoàn thiện và chi phí bảo quản và chi phí vận chuyển được dự báo tương đối cạnh tranh (xem sơ đồ sau).

Hình 8. Dự báo giá của các loại máy điện phân nước.

Hình 9. So sánh giá nhiên liệu được sản xuất bằng các công nghệ hiện tại và trong tương lai.

Hình 10. Dự báo chi phí lưu trữ hydrogen bằng các công nghệ khác nhau.

Hình 11. Dự báo chi phí vận chuyển nhiên liệu hydrogen.

Hình 12. Sơ đồ nguyên lý của pin nhiên liệu.

Trên cơ sở hoàn thiện các công nghệ điện phân nước và pin nhiên liệu, các định hướng chủ đạo trong ngành năng lượng khi chuyển sang “kỷ nguyên Hydrgen” có thể được mô tả tóm tắt trong các sơ đồ sau:

Hình 13. Nguyên lý từ “tái tạo” có mức độ đến “tái tạo” không giới hạn.

Hình 14. Nguyên lý từ "sạch" đến "sạch hơn".

Hình 15. Sơ đồ nguyên lý tích hợp các nguồn NL của Úc.

Hình 16. Kết hợp các nguồn NLTT với điện từ hydrogen.

Hình 17. Nguyên lý kết hợp hydrogen với các nguồn điện một chiều DC.

Hình 18. Sơ đồ nguyên lý của hệ thống năng lượng sạch trong tương lai.

Hình 19. Trạm tiếp nhiên liệu hydrogen cho ô tô của BMW.

NGUYỄN THÀNH SƠN - HỘI ĐỒNG KHOA HỌC TẠP CHÍ NĂNG LƯỢNG VIỆT NAM; TỔNG GIÁM ĐỐC NEW TECHNOLOGY SOLUTIONS

PHAN NGÔ TỐNG HƯNG - PHÓ CHỦ TỊCH HIỆP HỘI NĂNG LƯỢNG VIỆT NAM

Tài liệu tham khảo:

1/ IEA, Navigant Research, Ecofys, IRENA, Hydrogen Council, IAE, ACIL ALLEN Consulting;

2/ CSIRO, Hydrogenics.