Khi nào ‘amoniac xanh nhiên liệu’ khả thi về mặt kỹ thuật và thương mại?

Năng lượng hydro: Cơ hội cho mục tiêu phát triển bền vững PVN trong tương lai Trong tương lai, hydro sẽ là nguồn năng lượng sạch đóng một vai trò quan trọng trong cơ cấu năng lượng toàn cầu và là giải pháp không thể thiếu trong chuyển dịch năng lượng và cắt giảm phát thải khí nhà kính. Tập đoàn Dầu khí Việt Nam (PVN) đã nắm bắt các cơ hội và chuẩn bị các bước đi nhằm tiếp cận sớm với xu hướng phát triển ngành công nghiệp hydro như thế nào? Bài viết dưới đây của các chuyên gia PVN sẽ nêu tổng quát về năng lượng hydro, chiến lược phát triển của các nước trên thế giới, đồng thời đưa ra nhận định về cơ hội phát triển năng lượng hydro của PVN, các kiến nghị để nắm bắt cơ hội và có sự chuẩn bị nhằm tiếp cận với với xu hướng phát triển ngành công nghiệp hydro khi có điều kiện.

‘Hydrogen xanh’ cần có tên trong ‘chiến lược quốc gia’ của Việt Nam Quá trình chuyển đổi năng lượng không phải là điều gì đó đang chờ đợi chúng ta trong thập kỷ tới. Ngược lại, đó là một quá trình mà chúng ta đã có nhiều nghiên cứu rất sâu và nó đang diễn ra. Mục tiêu hướng tới là tạo ra một xã hội trung tính với các-bon bằng việc phát triển các nguồn năng lượng tái tạo để thay thế cho nhiên liệu hóa thạch. Tuy nhiên, do tính chất không liên tục của nguồn tái tạo, việc lưu trữ năng lượng có một vai trò thiết yếu trong quá trình chuyển đổi này. Công nghệ hydrogen với nhiều tiến bộ của nó đã được công nhận là sự lựa chọn hứa hẹn nhất. Chuyên gia của Tạp chí Năng lượng Việt Nam xin chia sẻ một số thông tin về vấn đề này để bạn đọc cùng tham khảo.

Dân số tăng nhanh, nhu cầu năng lượng, trong đó khí tự nhiên không thể thiếu trong cấu trúc năng lượng thế giới. Riêng amoniac xanh được xem là ứng viên sáng giá, giúp nhân loại có thể đạt mục tiêu ‘net - zero’ vào năm 2050 theo như Thỏa thuận Paris.

Amoniac xanh - nhiên liệu sạch cho tương lai:

Theo Tổng quan khí đốt toàn cầu đến 2050 (Global Gas Outlook 2050) vừa được Diễn đàn các nước xuất khẩu khí đốt (GECF) công bố: Nhu cầu về khí đốt tự nhiên dự kiến sẽ tăng 50%, từ 3,950 tỷ mét khối (bcm) năm 2019 lên 5,920 bcm vào năm 2050. Do đó, khí tự nhiên sẽ là một phần không thể thiếu, nguồn cung cấp năng lượng quan trọng cho thế giới trong tương lai.

Tiến sĩ Hussein Moghaddam - chuyên gia cấp cao về năng lượng thuộc Ban Thư ký GECF, thành viên soạn thảo tổng quan nói trên cho hay: Amoniac xanh đóng vai trò quan trọng trong quá trình chuyển đổi sang nhiên liệu sạch. Còn các nhà sản xuất khí thì coi khí tự nhiên như một véc tơ của quá trình chuyển đổi năng lượng, đặc biệt là hydro, do đó, để đạt được các mục tiêu giảm phát thải lâu dài, các hãng sản xuất khí bắt đầu coi hydro là nhiên liệu quan trọng cho quá trình khử cacbon bền vững trên quy mô toàn cầu.

Cùng với hydro, amoniac xanh cũng nổi lên như một nguyên liệu quan trọng để thúc đẩy nền kinh tế các-bon thấp. Năm 2021, GECF đã phát triển “Kịch bản về hydro”, cũng như “Kịch bản trung hòa cacbon”. Trong hai giải pháp này, một loạt các giải pháp thực hiện đã được đưa ra nhằm hướng tới khử cacbon, như dùng hydro xanh dương, amoniac xanh và ứng dụng thu giữ, sử dụng và lưu trữ cacbon (CCUS).

Kết quả ban đầu cho thấy amoniac xanh có tiềm năng làm nhiên liệu trong tương lai cho các ngành hàng hải và sản xuất điện. Các nước thành viên GECF được xem là “hậu phương” vững chắc về nguồn cung cấp amoniac xanh. Hiện tại, amoniac là một trong những hóa chất đóng góp lớn nhất cho nền kinh tế của Trinidad và Tobago. Đất nước này có 11 nhà máy amoniac, với tổng công suất 5,2 triệu tấn năm, đưa Trinidad và Tobago trở thành một trong những nhà xuất khẩu amoniac lớn nhất hành tinh.

Một dự án mới: Nga và Nhật Bản đang có kế hoạch hợp tác nghiên cứu khả năng vận chuyển amoniac xanh được sản xuất ở Siberia của Nga để sử dụng tại các nhà máy phát điện chạy bằng than ở Nhật Bản. CO2 được tạo ra từ quá trình sản xuất sẽ được thu gom và bơm vào các mỏ dầu phía đông Siberi để tăng cường thu hồi dầu.

Đôi nét về amoniac xanh:

Theo Hiệp hội Năng lượng Amoniac Thế giới: Mức sản xuất amoniac hiện đang đạt khoảng 200 triệu tấn mỗi năm, trong đó khoảng 10% được giao dịch trên thị trường toàn cầu. Gần 98% nguyên liệu để sản xuất amoniac có nguồn gốc từ nhiên liệu hóa thạch, trong đó 72% sử dụng khí tự nhiên làm nguyên liệu.

Theo hãng công nghệ hóa chất Stamicarbon của Hà Lan, EU đã đề ra mục tiêu đạt mức phát thải ròng bằng 0 (net-zero) vào năm 2050 theo như Thỏa thuận Paris. Để đáp ứng mục tiêu này công nghệ amoniac xanh Stami của Stamicarbon có thể đóng một vai trò quan trọng để giảm phát thải. Theo Stamicarbon, 80% lượng amoniac toàn cầu được sử dụng làm nguyên liệu sản xuất phân đạm. Khoảng 180 triệu tấn amoniac đã được sản xuất vào năm 2019 để đáp ứng nhu cầu nói trên. Ngoài ra, amoniac còn đóng một vai trò quan trọng trong sản xuất thực phẩm, tuy nhiên, việc sản xuất amoniac gây ra 1% tổng lượng phát thải khí nhà kính (KNK) toàn cầu. Điều này chủ yếu là do sản xuất amoniac truyền thống sử dụng nhiên liệu hóa thạch (như than, hoặc khí tự nhiên) làm nguyên liệu.

Nhưng, điều gì sẽ xảy ra nếu chúng ta có thể phát triển amoniac mà không cần nhiên liệu hóa thạch? Điều gì sẽ xảy ra nếu chúng ta có thể làm cho amoniac có màu xanh lá cây chỉ bằng cách sử dụng mặt trời, không khí và nước? Ứng viên tiềm ẩn cho câu hỏi này là amoniac xanh, nó được tạo ra từ các yếu tố tự nhiên như năng lượng mặt trời, năng lượng gió, hydro từ nước thay vì nhiên liệu hóa thạch và nitơ từ không khí. Do đó, nó thể hiện một bước tiến nhảy vọt đáng kể cho sự bền vững trong ngành phân bón, đồng thời mang đến cơ hội hợp tác thú vị giữa thị trường phân bón và năng lượng trong tương lai.

Amoniac xanh được sản xuất bằng cách sử dụng điện phân nước để tạo ra hydro và thu nitơ từ không khí. Nhiệt độ và áp suất cần thiết cho phản ứng hydro-nitơ trong vòng tổng hợp amoniac sẽ được cung cấp năng lượng bền vững, chẳng hạn như năng lượng gió, hoặc năng lượng mặt trời. Đầu ra là amoniac phi cacbon - còn được gọi là amoniac xanh; nguyên liệu chính cho phân bón xanh.

Cần lưu ý, amoniac được phân loại là ‘xanh lam’, khi nó được sản xuất từ nguyên liệu khí đốt tự nhiên và CO2 thải ra được thu giữ bằng công nghệ CCS/CCUS, hoặc nó có thể được dán nhãn là ‘xanh lá cây’, khi nó được tạo ra từ quá trình điện phân trong quá khứ, sự tăng trưởng liên tục trong sản xuất khí và dòng LNG đã cho phép các nhà sản xuất khí và các ngành công nghiệp mở rộng sản xuất amoniac xanh. Theo đó, sự tăng trưởng trong sản xuất amoniac và sự suy giảm cường độ carbon của nó là phù hợp với các mục tiêu toàn cầu về chuyển đổi nhiên liệu dựa trên carbon.

Hiện nay, amoniac được hưởng nhiều lợi thế như người dùng rộng rãi do là nguyên liệu cho sản xuất phân bón. Bên cạnh đó, cơ sở hạ tầng phát triển tốt và các cơ sở sản xuất amoniac quy mô lớn có sẵn trên khắp thế giới, làm cho việc sản xuất của nó trở nên khả thi hơn.

Ngoài ra, còn phải kể đến tiến bộ công nghệ. Như công nghệ động cơ tua bin đã dẫn đến việc sử dụng amoniac ngày càng nhiều, trực tiếp để đốt cháy, hoặc gián tiếp bằng cách biến đổi nó trở lại thành nitơ và hydro như một nguyên liệu công nghiệp.

So với hydro, amoniac không yêu cầu làm lạnh đến nhiệt độ cực đoan và cũng có mật độ năng lượng cao hơn hydro lỏng, giúp vận chuyển và lưu trữ hiệu quả hơn. Ngược lại, một thách thức đáng kể đối với hydro là chi phí cho lưu trữ cao, yêu cầu lớn về độ tinh khiết và vận chuyển. Những so sánh này cho thấy amoniac có thể dễ dàng trở thành một lựa chọn cạnh tranh như một giải pháp để khử cacbon trong ngành công nghiệp, nơi năng lượng được sử dụng nhiều, nhất là trong lĩnh vực phát điện và giao thông vận tải.

Tuy nhiên, amoniac lại phải đối mặt với những thách thức nhất định, chẳng hạn như độc tính và tính ăn mòn lớn, do sản xuất oxit nitơ, khả năng dễ cháy trong động cơ và tua bin truyền thống. Cụ thể, nhiệt độ bắt lửa cao và tốc độ ngọn lửa thấp, sản xuất amoniac xanh ở quy mô thương mại rất tốn kém do chi phí vốn của nhà máy điện phân để sản xuất hydro chiếm phần đáng kể.

Amoniac xanh - ứng viên có thể giúp đạt mục tiêu ‘net-zero’ vào năm 2050:

Không chỉ có Liên minh châu Âu (EU) mà nhiều quốc gia trên thế giới đã đặt mục tiêu đạt mức phát thải ròng ‘net - zero’ vào năm 2050 theo như Thỏa thuận Paris đã cam kết. Để đáp ứng mục tiêu này, công nghệ amoniac xanh đã nổi lên như một trong những nhiên liệu thay thế triển vọng để khử cacbon. Ví dụ như trong ngành vận tải biển chẳng hạn.

Tổ chức Hàng hải Quốc tế (IMO) đặt mục tiêu giảm 40% phát thải khí nhà kính (KNK) vào năm 2030 và tăng tiếp lên 70% vào năm 2050, so với mức năm 2008, cuối cùng loại bỏ hoàn toàn tất cả các dạng phát thải có hại. Bắt đầu từ tháng 1/2020, kế hoạch này đã được triển khai quyết liệt, IMO yêu cầu ngành vận tải biển phải có nghĩa vụ hạn chế hàm lượng lưu huỳnh trong nhiên liệu.

Để đáp ứng tham vọng của IMO về giảm phát thải khí nhà kính, nhu cầu nhiên liệu thay thế đang được cân nhắc và thay thế triệt để, amoniac xanh được xác định là một trong những giải pháp quan trọng trong lộ trình của ngành vận tải biển hướng tới các mục tiêu khử cacbon, đặc biệt là dài hạn.

Ngoài ra, ứng dụng khác của amoniac là trong các nhà máy nhiệt điện than dùng để khử cacbon. Nhật Bản đang đặt mục tiêu tăng cường sử dụng amoniac để đạt được mục tiêu khử cacbon vào năm 2050 theo Thỏa thuận Paris đề ra.

Vào tháng 9/2020, lô hàng amoniac xanh đầu tiên thế giới được gửi từ Ả Rập Xê Út đến Nhật Bản để sử dụng để sản xuất điện. Sản phẩm nói trên của Ả Rập Xê Út được sản xuất trong một nhà máy khí tự nhiên, trong đó khí tự nhiên đã được sử dụng để sản xuất hydro và sau đó kết hợp với nitơ để tạo ra amoniac xanh.

Theo Viện Kinh tế Năng lượng Nhật Bản (JIEE), amoniac xanh rất quan trọng để duy trì sự cân bằng giữa môi trường và nền kinh tế, trong bối cảnh Nhật Bản đang có tham vọng duy trì phát thải carbon bằng zero. Dự báo, khoảng 10% điện năng mỗi năm của Nhật Bản có thể được tạo ra bằng cách sử dụng 30 triệu tấn amoniac xanh.

Khi nào thì ‘amoniac xanh nhiên liệu’ khả thi về mặt kỹ thuật và thương mại?

Tiềm năng, lợi ích của ‘amoniac xanh nhiên liệu’ là rất lớn và câu hỏi dư luận quan tâm là khi nào thì nguồn năng lượng này mới khả thi về mặt kỹ thuật và thương mại?

Để trả lời câu hỏi này, trung tuần tháng 8/2021, Tập đoàn dầu khí BP của Anh cho hay: Việc sản xuất hydro và amoniac xanh sử dụng làm năng lượng tái tạo trên quy mô lớn hiện đã khả thi về mặt kỹ thuật ở Australia.

Kết luận này của BP đưa ra trên nghiên cứu khả thi được Cơ quan Năng lượng Tái tạo Australia, hãng năng lượng mặt trời Lightsource BP và công ty dịch vụ chuyên nghiệp GHD Advisory hỗ trợ.

BP, GHD Advisory đã nghiên cứu chuỗi cung ứng hydro, thị trường nội địa, cũng như xuất khẩu theo các quy mô khác nhau và phát hiện thấy amoniac xanh được tạo ra thông qua sự kết hợp của hydro xanh và nitơ từ không khí. Amoniac sau đó có thể được sử dụng như một “chất mang hydro” và sẽ đưa vào sản xuất thương mại từ năm 2030.

BP nhấn mạnh thêm:, Australia là một nơi lý tưởng để mở rộng quy mô sản xuất hydro xanh và amoniac xanh trong tương lai, đặc biệt là miền Tây Australia.

Còn theo Hiệp hội Hóa học Hoàng gia Anh (RSC): Amoniac xanh được sản xuất bằng cách sử dụng hydro từ quá trình điện phân nước, được cung cấp bởi các nguồn tái tạo (gió và mặt trời). Dự báo sẽ có mặt trên thị trường vào năm 2030 bằng phương pháp sản xuất thông thường.

Dự báo này của RSC được dựa vào nghiên cứu phân tích ở 534 địa điểm ở 70 quốc gia và tối ưu hóa sự kết hợp của nguồn năng lượng tái tạo (gió và mặt trời), thiết kế nhà máy sản xuất amoniac xanh và hoạt động của nó để giảm thiểu chỉ số LCOA (chi phí năng lượng cân bằng hay chi phí cào bằng điện).

Nó cũng được xem xét tới các rủi ro tài chính theo từng quốc gia cụ thể dựa trên những địa điểm có tiềm năng năng lượng khác nhau. Hiện tại, có thể đạt mức LCOA là 473 USD t^-1, nhiều địa điểm được dự đoán sẽ đạt được mức LCOA dưới 350 USD t^-1 vào năm 2030, với máy điện phân CAPEX và OPEX là các thành phần chi phí chính của các dự án này.

Để kết thúc bài viết, các chuyên gia năng lượng của JIEE cho rằng: Amoniac xanh có tiềm năng quan trọng trong việc chuyển đổi năng lượng toàn cầu sang hệ thống năng lượng xanh và ít CO2 hơn. Sự có mặt của Amoniac xanh được xem là “động lực xanh hóa ngành công nghiệp năng lượng toàn cầu”. Và cho dù amoniac là xanh nước biển, hay xanh lá cây thì đều có tác dụng tích cực đến kinh tế, môi trường lẫn sức khỏe con người./.

KHẮC NAM - CHUYÊN GIA TẠP CHÍ NĂNG LƯỢNG VIỆT NAM

(THEO: PNC/SC-9/2021)

Link tham khảo:

1/ https://power.nridigital.com/future_power_technology_jun21/blue_ammonia_clean_fuel

2/ https://www.stamicarbon.com/what-we-do/green-ammonia?

3/ https://www.bp.com/en/global/corporate/news-and-insights/press-releases/bp-study-confirms-feasibility-of-large-scale-production-of-green-hydrogen-and-green-ammonia-using-renewable-energy-in-australia.html

4/ https://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2020/ee/d0ee01707h