Năng lượng Nhật Bản [kỳ 94]: Kết quả thử nghiệm đốt kèm amoniac + than quy mô lớn

Năng lượng Nhật Bản [kỳ 89]: Bài học về cách tiếp cận điện gió ngoài khơi cho thị trường mới nổi Dưới đây là 5 bài học và kinh nghiệm của ngành năng lượng gió ngoài khơi được Nhật Bản tư vấn cho Chính phủ Brazil. Tài liệu được thu thập từ các chuyên gia Nhật Bản, Brazil, dựa trên 137 cuộc phỏng vấn, bảng câu hỏi định tính và định lượng. Chuyên gia Tạp chí Năng lượng Việt Nam tổng hợp, lược dịch nội dung chính dưới đây để chúng ta có thể tham khảo cho các dự án tương tự trong tương lai.

Năng lượng Nhật Bản [kỳ 90]: Liên minh Mitsubishi rút khỏi các dự án điện gió tại 3 khu vực biển Tập đoàn Mitsubishi và Công ty Điện lực Chubu (Liên minh Mitsubishi) vừa thông báo rút khỏi kế hoạch xây dựng các dự án điện gió ngoài khơi tại 3 khu vực ngoài khơi tỉnh Chiba và Akita. Quyết định này được đưa ra sau khi tái đánh giá kế hoạch kinh doanh trong bối cảnh đồng yên mất giá và chi phí vật liệu tăng cao, khiến việc tiếp tục dự án được coi là không khả thi.

Năng lượng Nhật Bản [kỳ 91]: Bài học về nguyên tắc vận hành an toàn nhà máy điện hạt nhân Bài viết này sẽ phân tích một cách hệ thống các nguyên nhân trực tiếp và sâu xa dẫn đến sự cố tại Nhà máy điện hạt nhân Fukushima Daiichi (năm 2011), bao gồm: Điều kiện địa điểm và các mối nguy hại bên ngoài, khung pháp quy và cơ chế giám sát, thiết kế và vận hành nhà máy, các biện pháp quản lý sự cố, yếu tố con người và tổ chức. Qua đó, bài viết làm rõ câu hỏi: Vì sao ba nguyên tắc cốt lõi trong an toàn hạt nhân (kiểm soát độ phản ứng, duy trì làm mát nhiên liệu và ngăn chặn phát tán phóng xạ) đã không được bảo đảm tại Nhà máy điện hạt nhân Fukushima Daiichi? Mục tiêu là rút ra những bài học có giá trị không chỉ cho Nhật Bản, mà còn cho cộng đồng hạt nhân quốc tế, nhằm tăng cường khả năng phòng ngừa, giảm thiểu rủi ro và củng cố niềm tin của công chúng đối với điện hạt nhân trong tương lai.

Năng lượng Nhật Bản [kỳ 92]: Mitsubishi, Toshiba, IHI... đầu tư lớn vào điện hạt nhân ở Hoa Kỳ Dựa trên thỏa thuận thuế quan, Nhật Bản và Hoa Kỳ đã thiết lập khung đầu tư với tổng quy mô 550 tỷ USD (khoảng 84 nghìn tỷ yên), trong đó tối đa 200 tỷ USD dự kiến sẽ đầu tư vào lĩnh vực hạt nhân.

Năng lượng Nhật Bản [kỳ 93]: Chuyển đổi nhiệt năng đại dương (OTEC) thành điện năng Trong bối cảnh toàn cầu đang đối mặt với những thách thức về an ninh năng lượng, biến đổi khí hậu, việc tìm kiếm các nguồn năng lượng tái tạo, ổn định và sạch, trở nên cần thiết hơn bao giờ hết. Trong nỗ lực đa dạng hóa danh mục năng lượng sạch, “nhiệt năng đại dương” nổi lên như một giải pháp tiềm năng, khai thác sự khác biệt nhiệt độ tự nhiên giữa nước biển bề mặt ấm và nước biển sâu lạnh để tạo ra điện năng một cách liên tục, ổn định.

I. Giới thiệu chung:

Hiện nay, các ngành công nghiệp trên toàn cầu đang nỗ lực triển khai các biện pháp giảm thiểu khí nhà kính nhằm ngăn chặn sự nóng lên toàn cầu. Trong đó, ngành nhiệt điện - vốn phụ thuộc nhiều vào nhiên liệu hóa thạch - đang đứng trước áp lực chuyển đổi nhiên liệu mạnh mẽ. Amoniac sản xuất từ năng lượng tái tạo đã được đề xuất như một nhiên liệu thay thế tiềm năng, vì không chứa carbon trong cấu trúc phân tử, do đó không phát thải CO2 trong quá trình đốt cháy.

Tuy nhiên, việc sử dụng amoniac làm nhiên liệu cho các lò hơi công nghiệp quy mô lớn không phải là điều đơn giản. Amoniac có đặc tính khó cháy và tiềm ẩn nguy cơ làm tăng phát thải NOx do chứa nguyên tử nitơ trong thành phần. Vì vậy, thách thức kỹ thuật cốt lõi là đạt được sự cháy ổn định đồng thời kiểm soát lượng NOx ở mức thấp trong các nhà máy nhiệt điện.

Tập đoàn IHI đã bắt đầu tập trung nghiên cứu công nghệ đốt amoniac từ giữa những năm 2010. Lộ trình nghiên cứu được triển khai bài bản qua nhiều giai đoạn:

Giai đoạn 2017-2018: Nghiên cứu tiềm năng đốt amoniac trong lò hơi của các nhà máy nhiệt điện than hiện đang hoạt động thuộc Chương trình thúc đẩy đổi mới chiến lược liên bộ của Chính phủ Nhật Bản.

Giai đoạn 2019-2020: Nghiên cứu chi tiết dựa trên điều kiện vận hành của Nhà máy Nhiệt điện Hekinan theo ủy quyền của Tổ chức Phát triển Công nghệ Công nghiệp và Năng lượng mới (NEDO).

Giai đoạn 2021-2024: Triển khai dự án trình diễn thực tế đốt kèm 20% amoniac tại tổ máy số 4 của Nhà máy Nhiệt điện Hekinan.

II. Cải tiến thiết bị và cơ sở hạ tầng:

Để triển khai đốt kèm amoniac tại một nhà máy nhiệt điện than đang vận hành thương mại như Hekinan (tổ máy số 4, công suất 1.000 MW), IHI đã thiết kế các giải pháp cải tiến tối ưu nhằm giảm thiểu sự thay đổi cấu trúc hiện có, nhưng vẫn đảm bảo hiệu suất của nhà máy.

Hình 1: Sơ đồ khối hệ thống thiết bị sau cải tiến.

1. Cải tiến hệ thống lò hơi và đầu đốt:

Tổ máy số 4 của Hekinan được trang bị 48 đầu đốt, được cung cấp than bởi 6 máy nghiền và đầu phun than (trong đó 5 máy vận hành và 1 máy dự phòng). Cải tiến quan trọng nhất đối với lò hơi là việc lắp đặt bổ sung các vòi phun amoniac vào các đầu đốt hiện có.

Đáng chú ý, các đầu đốt được trang bị vòi phun amoniac của IHI có khả năng vận hành linh hoạt. Khi không sử dụng amoniac, lò hơi vẫn có thể vận hành hoàn toàn bằng than đơn thuần như trạng thái ban đầu, giúp duy trì năng lực vận hành của nhà máy trong mọi điều kiện cung ứng nhiên liệu. Các đường ống dẫn amoniac được kết nối với vòi phun bằng mặt bích kín được thiết kế riêng để loại bỏ hoàn toàn khả năng rò rỉ khí ra môi trường.

Hình 2: Sơ đồ tổng quan hệ thống thiết bị lò hơi trước (trái) và sau khi cải tiến (phải).

2. Hệ thống cung cấp và xử lý amoniac:

Hệ thống cung cấp amoniac là một tổ hợp hạ tầng hoàn chỉnh để nhận, lưu trữ và chuyển đổi nhiên liệu từ dạng lỏng sang dạng khí trước khi đưa vào lò hơi. Các thành phần chính bao gồm:

- Cầu cảng và thiết bị tiếp nhận: Cho phép tàu chở amoniac cập bến và bốc dỡ nhiên liệu thông qua các tay nạp nhiên liệu.

- Bể chứa amoniac: Một bể chứa hình cầu dung tích 2.000 m3 được sử dụng làm bể chứa đệm.

- Hệ thống hóa hơi: Sử dụng nước biển để hóa hơi amoniac lỏng thành dạng khí.

- Thiết bị phụ trợ: Bao gồm máy nén khí để xử lý phần khí bay hơi tự nhiên trong bể chứa, bơm xả, thiết bị gia nhiệt siêu cấp và hệ thống đường ống, van điều khiển.

- Hệ thống an toàn: Bể khử độc, bể thoát nước và bể phun sương được trang bị để ứng phó với các tình huống khẩn cấp.

III. Kết quả:

Thử nghiệm trình diễn tại tổ máy số 4, Nhà máy Nhiệt điện than Hekinan được thực hiện trong khoảng 3 tháng nhằm thiết lập quy trình vận hành và đánh giá các đặc tính cháy.

1. Các cột mốc quan trọng:

Việc đốt amoniac bắt đầu từ ngày 1/4/2024. Đến ngày 10/4/2024, nhà máy đã thành công đạt mức đốt kèm 20% amoniac tại công suất định mức 1.000 MW đúng theo kế hoạch. Khái niệm “đốt kèm 20%” ở đây được hiểu là amoniac chiếm 20% tổng lượng nhiệt đầu vào lò hơi, 80% còn lại do than cung cấp.

2. Hiệu suất đốt cháy và kiểm soát phát thải:

Một trong những lo ngại lớn nhất là phát thải NOx khi sử dụng amoniac. Tuy nhiên, kết quả thực tế cho thấy nồng độ NOx khi đốt kèm 20% amoniac đạt mức 106 ppm, thấp hơn rõ rệt so với mức 134 ppm khi đốt than đơn thuần.

Bảng dưới đây là kết quả thử nghiệm đồng đốt amoniac 20% tại tổ máy số 4, Nhà máy Nhiệt điện Hekinan (Nhật Bản):

Kết quả trên khẳng định rằng: Việc kết hợp cơ chế cháy của amoniac với các công nghệ giảm NOx hiện có của IHI đã mang lại hiệu quả vượt mong đợi. Lượng phát thải CO2 giảm khoảng 20%, tương ứng với tỷ lệ nhiên liệu thay thế. Đặc biệt, nồng độ N2O - một loại khí nhà kính cực mạnh và lượng amoniac chưa cháy hết đều ở mức bằng, hoặc thấp hơn giới hạn cho phép, đảm bảo tính thân thiện với môi trường của công nghệ.

3. Khả năng vận hành và quản trị rủi ro:

Thử nghiệm cũng tập trung vào khả năng vận hành thực tế của toàn nhà máy:

- Cân bằng khử nitơ: Việc đốt kèm 20% amoniac không làm thay đổi sự phân bổ NOx, do đó không cần điều chỉnh thêm lượng amoniac bơm vào hệ thống khử nitơ.

- Thử nghiệm thay đổi phụ tải: Nhà máy duy trì khả năng điều khiển linh hoạt tương tự như khi vận hành bằng nhiên liệu truyền thống.

- Ngắt amoniac khẩn cấp: Trong thử nghiệm cắt amoniac đột ngột, các thông số của hệ thống vẫn nằm trong phạm vi của kế hoạch, hệ thống được ngắt một cách an toàn mà không có bất kỳ sự rò rỉ nào.

Do amoniac là chất có tính độc và chưa từng được sử dụng làm nhiên liệu tại nhà máy này trước đây, JERA và IHI đã dành nhiều thời gian để đảm bảo an toàn tuyệt đối. Một quy trình đánh giá rủi ro toàn diện đã được thực hiện để lập kế hoạch phòng chống thiên tai cho nhà máy.

Ngoài ra, nhà máy đã phối hợp chặt chẽ với chính quyền địa phương và cơ quan cứu hỏa để thực hiện các cuộc diễn tập ứng phó sự cố, giúp tăng cường sự chuẩn bị và tin tưởng từ cộng đồng.

IV. Kế hoạch phát triển tiếp theo:

Thành công của dự án đốt kèm 20% amoniac tại nhà máy nhiệt điện Hekinan đã thu hút sự quan tâm lớn từ các cơ quan, tổ chức và giới học giả ngành năng lượng trên toàn cầu. Vì đây được coi là giải pháp nhanh nhất và kinh tế nhất để giảm phát thải CO2 quy mô lớn.

Dựa trên kết quả này, IHI đã vạch ra lộ trình phát triển tiếp theo như sau:

1. Tăng tỷ lệ đốt kèm: IHI đang chuẩn bị cho các thử nghiệm đốt kèm với tỷ lệ hơn 50% amoniac tại tổ máy số 5 của Nhà máy Nhiệt điện Hekinan.

2. Đốt amoniac 100%: Công nghệ đốt hoàn toàn bằng amoniac đang được nghiên cứu. IHI đã thành công trong việc trực quan hóa ngọn lửa cháy amoniac bằng camera và kính lọc đặc biệt (do ngọn lửa amoniac khó nhìn thấy bằng mắt thường trong điều kiện sáng). Dự kiến, đầu đốt 100% amoniac sẽ hoàn thiện phát triển vào thời gian sớm nhất.

3. Mở rộng ứng dụng: Áp dụng công nghệ đầu đốt này cho các loại lò hơi nhỏ hơn và các lò nung công nghiệp trong các lĩnh vực khác.

Hình 3: Lộ trình phát triển công nghệ đồng đốt amoniac với than của Tập đoàn IHI.

V. Kết luận:

Dự án đồng đốt amoniac tại tổ máy số 4, Nhà máy Nhiệt điện Hekinan là một cột mốc mang tính bước ngoặt, khẳng định rằng “amoniac không còn là nhiên liệu của tương lai, mà đã trở thành giải pháp thực tế hiện nay”. Bằng cách tận dụng hạ tầng nhà máy nhiệt điện than đang hoạt động và chỉ thực hiện những cải tiến tối thiểu, các quốc gia có thể nhanh chóng giảm dấu chân carbon mà không cần phá bỏ hoàn toàn các tài sản, thiết bị hiện có.

Tập đoàn IHI cam kết sẽ tiếp tục thúc đẩy việc thiết lập chuỗi cung ứng amoniac toàn cầu và cung cấp các giải pháp đa dạng để đáp ứng nhu cầu xã hội, hướng tới mục tiêu tối thượng là một xã hội trung hòa carbon vào năm 2050.

Đón đọc kỳ tới...

TS. PHÙNG QUỐC HUY - TRUNG TÂM NGHIÊN CỨU NĂNG LƯỢNG CHÂU Á - THÁI BÌNH DƯƠNG (APERC)

Tài liệu tham khảo:

- IHI Engineering Review Vol. 58 No. 1 2025: “Successful Demonstration Test of Amoniac Firing Conducted at Commercial Power Station”.

- Tổ chức Phát triển Công nghệ Công nghiệp và Năng lượng mới (NEDO).