Phân tích vai trò hydrogen trong quá trình khử carbon ngành lọc hóa dầu và công nghiệp nặng

Triển vọng và thách thức của hydrogen phát thải thấp trong chiến lược chuyển đổi năng lượng toàn cầu Để bạn đọc có cái nhìn tổng thể và thông tin chuyên sâu về hydrogen phát thải thấp trong chiến lược chuyển đổi năng lượng toàn cầu, Tạp chí Năng lượng Việt Nam giới thiệu chùm bài viết của TS. Phùng Quốc Huy - Trung tâm Nghiên cứu Năng lượng châu Á - Thái Bình Dương (APERC). Bài viết đầu tiên của chuyên đề, tác giả sẽ phân tích tổng quan về tình hình nhu cầu, cũng như sản xuất hydrogen; đánh giá tiến triển trong các lĩnh vực then chốt; xem xét thách thức hiện tại và đề xuất giải pháp chính sách để thúc đẩy vai trò của hydrogen trong chiến lược chuyển đổi năng lượng toàn cầu.

1. Giới thiệu:

Trong bối cảnh biến đổi khí hậu toàn cầu, việc giảm phát thải khí nhà kính từ các ngành công nghiệp có cường độ năng lượng cao trở thành ưu tiên hàng đầu. Ngành công nghiệp nặng và lọc hóa dầu đóng vai trò quan trọng trong nền kinh tế toàn cầu, nhưng đồng thời cũng là nguồn phát thải carbon đáng kể. Hydrogen phát thải thấp, với tiềm năng cung cấp năng lượng sạch và làm nguyên liệu đầu vào cho các quá trình công nghiệp, đang được xem là một trong những giải pháp then chốt để khử carbon cho các lĩnh vực này.

Báo cáo Global Hydrogen Outlook 2024 của Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IEA) chỉ ra rằng: Mặc dù hydrogen phát thải thấp đóng vai trò then chốt trong việc giảm phát thải, sự chuyển đổi này đang diễn ra chậm hơn nhiều so với yêu cầu để đạt được mục tiêu phát thải ròng bằng không vào năm 2050, đòi hỏi các chính sách hỗ trợ mạnh mẽ hơn, đầu tư lớn hơn từ cả khu vực công và tư nhân.

2. Tình hình hiện tại của hydrogen trong ngành lọc hóa dầu:

2.1. Nhu cầu và xu hướng sử dụng:

Nhu cầu hydrogen trong lĩnh vực lọc dầu đạt 43 triệu tấn (Mt) vào năm 2023, tăng hơn 1 Mt so với kỷ lục trước đó vào năm 2022. Sự tăng trưởng nhu cầu tập trung chủ yếu ở Trung Quốc (+0,9 Mt) và Trung Đông (+0,5 Mt), trong khi nhu cầu ở các khu vực chính khác vẫn giữ nguyên so với năm 2022. Sự tăng trưởng ở Trung Quốc là kết quả của việc thay đổi chính sách của Chính phủ về hạn chế xuất khẩu, cũng như việc dỡ bỏ các biện pháp liên quan đến đại dịch, dẫn đến nhu cầu kỷ lục và hoạt động lọc dầu ở mức cao kỷ lục vào đầu năm 2023.

Hình 1: Nhu cầu hydrogen cho ngành lọc hóa dầu theo khu vực. (Nguồn: IEA, 2024).

Hình 2: Nhu cầu hydrogen cho ngành lọc hóa dầu theo nguồn sản xuất. (Nguồn: IEA, 2024).

Chú thích: “Onsite - by-product”: Sản xuất tại chỗ, sản phẩm phụ;” Onsite - fossil w/o CCUS”: Sản xuất tại chỗ, nhiên liệu hóa thạch không có CCUS; “Onsite - fossil w CCUS”: Sản xuất tại chỗ, nhiên liệu hóa thạch có CCUS; “Onsite - electricity”: Sản xuất tại chỗ, sử dụng điện (ví dụ: điện phân nước); “Merchant” - Mua từ bên ngoài (thương mại).

Hiện nay, nhu cầu hydrogen trong các nhà máy lọc dầu chủ yếu được đáp ứng bằng ba nguồn chính: Sản xuất tại chỗ từ nhiên liệu hóa thạch (45%), sản xuất phụ từ các hoạt động khác nhau (hơn 35%), chẳng hạn như cải tạo xúc tác naphtha và nguồn cung cấp từ bên ngoài dưới dạng hydrogen thương mại (gần 20%), chủ yếu được sản xuất từ nhiên liệu hóa thạch.

2.2. Tình hình triển khai hydrogen phát thải thấp trong lọc dầu:

Trong năm 2023, nhu cầu hydrogen phát thải thấp trong lọc dầu đạt gần 250 kt, chỉ tăng 4% so với năm 2022. Gần như toàn bộ sự tăng trưởng này đến từ việc mở rộng của dự án trình diễn tích hợp thu giữ và lưu trữ carbon Yanchang (bắt đầu hoạt động vào giữa năm 2022) và cơ sở Kuqa của Sinopec (bắt đầu hoạt động một phần vào năm 2023) - cả hai đều ở Trung Quốc.

Dự án Kuqa hiện là nhà máy điện phân lớn nhất đang hoạt động với công suất 260 MW, nhưng đã gặp phải những thách thức vận hành liên quan đến hiệu suất thấp hơn dự kiến và vấn đề về khả năng xử lý biến động điện năng từ các thiết bị phát điện năng lượng tái tạo. Điều này đã hạn chế sản xuất và dự kiến nhà máy sẽ không hoạt động ở công suất đầy đủ cho đến năm 2025.

2.3. Các dự án mới và triển vọng trong ngành lọc dầu:

Kể từ khi Global Hydrogen Review 2023 được công bố, một số dự án lớn để sản xuất hydrogen phát thải thấp cho các nhà máy lọc dầu đã đạt được quyết định đầu tư cuối cùng (FID), đáng chú ý là:

- Hai dự án điện phân 100 MW, một từ GALP tại Nhà máy Lọc dầu Sines (Bồ Đào Nha) và một từ Shell tại Nhà máy Lọc dầu Rheinland (Đức) - mỗi dự án có khả năng sản xuất tới 15 nghìn tấn/năm (ktpa) hydrogen từ năng lượng tái tạo.

- Giai đoạn đầu tiên của dự án HyVal của BP tại Castellon (Tây Ban Nha), với công suất 25 MW (có khả năng sản xuất gần 4 ktpa H₂), dự án này có thể được mở rộng lên tới 2 GW trong tương lai.

- Hai dự án từ Air Liquide và Air Products, để sản xuất khoảng 100 kt hydrogen từ khí tự nhiên với CCUS (cả hai đều nâng cấp các đơn vị sản xuất hydrogen hiện có) liên kết với dự án thu giữ và lưu trữ carbon (CCS) Porthos ở Rotterdam.

Nếu tất cả các dự án sản xuất hydrogen phát thải thấp đã công bố được thực hiện đúng tiến độ, 1,6 triệu tấn/năm (Mtpa) hydrogen phát thải thấp có thể được sử dụng trong các hoạt động lọc dầu vào năm 2030. Châu Âu hiện đang dẫn đầu về các dự án đã công bố, tiếp theo là Bắc Mỹ.

3. Hydrogen trong ngành công nghiệp nặng:

3.1. Tổng quan về nhu cầu hydrogen trong công nghiệp:

Nhu cầu hydrogen toàn cầu trong công nghiệp đạt 54 Mt vào năm 2023, tăng gần 2% so với năm trước. Khoảng 60% nhu cầu này dành cho sản xuất amoniac, 30% cho methanol và 10% cho DRI (khử trực tiếp quặng sắt) trong ngành thép - phân bố ngành tương tự như những năm trước.

Phần lớn hydrogen sử dụng trong công nghiệp được sản xuất từ nhiên liệu hóa thạch tại các cơ sở - nơi nó được sử dụng sau đó. Việc thu giữ carbon là một thực tiễn phổ biến trong một số ngành công nghiệp phụ, mặc dù phần lớn 140 Mtpa CO₂ thu giữ được sử dụng cho các ứng dụng công nghiệp khác (như sản xuất urê) và cuối cùng được thải ra, chỉ có một số ít dự án lưu trữ CO₂ dưới lòng đất.

Hình 3: Nhu cầu hydrogen trong công nghiệp theo phân ngành. (Nguồn: IEA, 2024).

Chú thích: “Onsite - fossil w/o CCUS”: Sản xuất tại chỗ, nhiên liệu hóa thạch không có CCUS; “Onsite - fossil w CCU”: Sản xuất tại chỗ, nhiên liệu hóa thạch có CCU; “Onsite - fossil w CCS”: Sản xuất tại chỗ, nhiên liệu hóa thạch có CCS; “Onsite - electricity”: Sản xuất tại chỗ, sử dụng điện (ví dụ: điện phân nước); “Merchant” - Mua từ bên ngoài (thương mại).

Hình 4: Nhu cầu hydrogen trong công nghiệp theo công nghệ sản xuất. (Nguồn: IEA, 2024).

3.2. Phân bố khu vực và xu hướng:

Trung Quốc vẫn là quốc gia tiêu thụ hydrogen chính trong các ứng dụng công nghiệp, chiếm 34% lượng sử dụng công nghiệp toàn cầu, tiếp theo là Trung Đông (15%), Bắc Mỹ (10%), Ấn Độ (9%) và châu Âu (6%).

Trung Đông hiện đang chứng kiến một số tốc độ tăng trưởng nhanh nhất về nhu cầu trong công nghiệp, với mức tăng 4% trong năm 2023. Điều này chủ yếu do sản xuất methanol (tăng 8% trong năm 2023), đặc biệt là ở Iran (+20%), nước này đang đầu tư vào sản xuất methanol để đáp ứng nhu cầu của ngành công nghiệp hóa chất và vận tải.

Ở châu Âu, mức tăng trưởng 10% trong nhu cầu hydrogen công nghiệp năm 2023 phải được xem xét trong bối cảnh sụt giảm 30% nhu cầu vào năm 2022, khi sản xuất amoniac giảm một phần ba do cuộc khủng hoảng năng lượng sau cuộc chiến Nga - Ukraine.

3.3. Những tiến triển đáng chú ý trong công nghiệp nặng:

Những tiến triển quan trọng liên quan đến hydrogen phát thải thấp trong ngành công nghiệp nặng kể từ khi phát hành Báo cáo Global Hydrogen Review 2023 bao gồm:

- AM Green đã đạt FID (Final Investment Decision) cho dự án điện phân 1,3 GW (Ấn Độ) có khả năng sản xuất khoảng 1 Mtpa amoniac để sản xuất phân bón.

- Shanghai Electric - Taonan Wind Power with Biomass for Green Methanol (Trung Quốc) đã bắt đầu xây dựng nhà máy để sản xuất 250 kt methanol mỗi năm sử dụng hydrogen điện phân.

- Dự án Hy4Chem-El (Đức) đang bắt đầu xây dựng dự án điện phân 54 MW, với công suất sản xuất ước tính khoảng 8 ktpa H₂ cho ngành công nghiệp hóa chất.

- Dự án phân bón xanh của Yara tại Porsgrunn, Herøya (Na Uy) đã bắt đầu hoạt động vào tháng 5 năm 2024, sử dụng thiết bị điện phân 24 MW để sản xuất hydrogen cho sản xuất amoniac.

Ngành thép cũng đã có những tiến bộ đáng kể trong việc sử dụng hydrogen để sản xuất thép phát thải thấp. Vào tháng 2 năm 2024, một thử nghiệm sản xuất DRI (khử trực tiếp quặng sắt) sử dụng 100% hydrogen tại Thụy Điển đã đạt được kết quả khả quan, với chất lượng sản phẩm tương đương quy trình truyền thống.

4. Phân tích kinh tế và chi phí của hydrogen phát thải thấp:

4.1. So sánh chi phí giữa các phương pháp sản xuất hydrogen:

Hiện nay, sản xuất hydrogen từ nhiên liệu hóa thạch vẫn là phương pháp rẻ nhất. Chi phí sản xuất hydrogen phát thải thấp (từ điện phân với năng lượng tái tạo hoặc từ nhiên liệu hóa thạch với CCUS) cao hơn đáng kể so với phương pháp truyền thống.

Hình 5: Chi phí sản xuất hydrogen quy dẫn năm 2023, USD/KgH2. (Nguồn: BloombergNEF).

Cụ thể, hydrogen xám, được tạo ra từ khí tự nhiên, có chi phí sản xuất từ 0,98 đến 2,93 đô la Mỹ mỗi kilôgam hydrogen (USD/KgH₂). Hydro xanh dương (hydrogen được sản xuất từ nhiên liệu hóa thạch, nhưng có áp dụng công nghệ thu giữ carbon) có giá từ 1,8 đến 4,7 USD/KgH₂. Còn hydrogen xanh (được tạo ra bằng cách điện phân nước) thì có giá rất cao, từ 4,5 đến 12 USD/KgH₂ xem hình 5 (BloombergNEF, 2023).

Hình 6: Dự báo chi phí sản xuất hydrogen quy dẫn năm 2030, USD/KgH2. (Nguồn: BloombergNEF).

Với mức triển khai trong Kịch bản Net Zero Emissions (NZE) của IEA: Chi phí sản xuất hydrogen phát thải thấp từ điện tái tạo dự kiến giảm xuống còn 2-9 USD/kg H₂ vào năm 2030 - giảm nhiều so với chi phí sản xuất hiện tại. Khoảng cách chi phí so với sản xuất từ nhiên liệu hóa thạch cũng dự kiến thu hẹp xuống còn 1-3 USD/kg H₂ vào năm 2030. Theo dự báo của BloombergNEF: Chi phí sản xuất hydrogen xanh ở một số thị trường chỉ còn từ khoảng 2-4 USD/KgH₂ (xem Hình 6).

4.2. Tác động đến giá thành sản phẩm cuối cùng:

Mặc dù giá hydrogen phát thải thấp hiện cao hơn so với hydrogen từ nhiên liệu hóa thạch, tác động đến chi phí sản phẩm cuối cùng thường không đáng kể trong nhiều trường hợp. Chi phí bổ sung của hydrogen phát thải thấp giảm dần theo chuỗi giá trị - có nghĩa là người tiêu dùng cuối cùng thường chỉ thấy mức tăng giá khiêm tốn đối với các sản phẩm cuối cùng.

Ví dụ, việc sử dụng thép sản xuất bằng hydrogen tái tạo hiện nay trong sản xuất xe điện (EV) sẽ chỉ làm tăng tổng giá xe EV khoảng 1%. Điều này cho thấy tiềm năng để các ngành công nghiệp hạ nguồn hấp thụ chi phí bổ sung của hydrogen phát thải thấp, đặc biệt là trong các ứng dụng có giá trị cao.

4.3. Kinh tế quy mô và vai trò của thị trường carbon:

Kinh tế quy mô đóng vai trò quan trọng trong việc giảm chi phí sản xuất hydrogen phát thải thấp. Khi công nghệ được triển khai rộng rãi hơn, chi phí đơn vị sẽ giảm đáng kể. Ví dụ, Trung Quốc, với 60% công suất sản xuất điện phân toàn cầu, đang dẫn đầu về giảm chi phí điện phân thông qua sản xuất hàng loạt.

Các thị trường carbon và cơ chế định giá carbon cũng đóng vai trò quan trọng trong việc thu hẹp khoảng cách chi phí giữa hydrogen phát thải thấp và hydrogen từ nhiên liệu hóa thạch. Các cơ chế như thuế carbon, hệ thống mua bán khí thải và các công cụ chính sách như Hợp đồng bù chênh lệch giá carbon (Carbon Contracts for Difference) có thể làm cho hydrogen phát thải thấp cạnh tranh hơn về mặt kinh tế.

5. Thách thức và triển vọng:

5.1. Thách thức kỹ thuật và vận hành:

Việc chuyển đổi sang hydrogen phát thải thấp trong ngành công nghiệp nặng và lọc hóa dầu đối mặt với nhiều thách thức kỹ thuật và vận hành. Các thách thức này bao gồm:

- Độ tin cậy của công nghệ: Như đã thấy từ dự án Kuqa, các nhà máy điện phân quy mô lớn có thể gặp phải các vấn đề về hiệu suất và khả năng xử lý sự biến động từ nguồn điện tái tạo.

- Tích hợp hệ thống: Việc tích hợp hydrogen phát thải thấp vào các quy trình công nghiệp hiện có đòi hỏi sự điều chỉnh quy trình và đầu tư vào thiết bị mới.

- Hạ tầng và lưu trữ: Thiếu cơ sở hạ tầng để vận chuyển và lưu trữ hydrogen phát thải thấp là một rào cản lớn, đặc biệt là đối với các cơ sở công nghiệp không có khả năng sản xuất tại chỗ.

- Thu giữ và lưu trữ carbon: Đối với sản xuất hydrogen từ nhiên liệu hóa thạch với CCUS, việc phát triển cơ sở hạ tầng thu giữ, vận chuyển và lưu trữ CO₂ vẫn là một thách thức đáng kể.

5.2. Thách thức kinh tế và chính sách:

Bên cạnh các thách thức kỹ thuật, còn có các thách thức kinh tế và chính sách quan trọng:

- Khoảng cách chi phí: Như đã phân tích ở trên, chi phí sản xuất hydrogen phát thải thấp vẫn cao hơn đáng kể so với phương pháp truyền thống, đòi hỏi hỗ trợ chính sách để thu hẹp khoảng cách này.

- Thiếu cơ chế khuyến khích: Hiện tại, nhiều quốc gia thiếu các cơ chế khuyến khích mạnh mẽ để các doanh nghiệp đầu tư vào chuyển đổi sang hydrogen phát thải thấp, đặc biệt là trong bối cảnh cạnh tranh quốc tế.

- Bất ổn về chính sách: Sự không chắc chắn về quy định và chính sách trong tương lai làm tăng rủi ro đầu tư và có thể làm chậm quá trình chuyển đổi. Ví dụ: Chính sách phát triển năng lượng sạch của chính quyền hiện tại của Hoa Kỳ đã có nhiều thay đổi, thậm chí là đảo ngược với các chính sách của chính quyền tiền nhiệm.

- Tiêu chuẩn và chứng nhận: Thiếu các tiêu chuẩn quốc tế thống nhất về hydrogen phát thải thấp gây khó khăn cho việc phát triển thị trường toàn cầu.

5.3. Triển vọng:

Mặc dù đối mặt với nhiều thách thức, triển vọng của hydrogen phát thải thấp trong ngành công nghiệp nặng và lọc hóa dầu vẫn đầy hứa hẹn. Nếu tất cả các dự án được hiện thực hóa, sản xuất hydrogen phát thải thấp từ nhiên liệu hóa thạch với CCUS có thể đạt 1,5 Mtpa vào năm 2030, và sản xuất từ điện phân có thể đạt 4,8 Mtpa. Tổng cộng, 6,2 Mt hydrogen phát thải thấp có thể đáp ứng khoảng 60% yêu cầu của Kịch bản NZE cho ngành công nghiệp.

Tuy nhiên, để đạt được mục tiêu phát thải ròng bằng không vào năm 2050, sản xuất hydrogen phát thải thấp cần tăng từ dưới 1 Mt hiện nay lên khoảng 70 Mt vào năm 2030 trong Kịch bản NZE. Điều này đòi hỏi tốc độ tăng trưởng bình quân gần 100% mỗi năm - một mục tiêu đầy thách thức, nhưng không phải không thể đạt được với sự hỗ trợ mạnh mẽ từ chính sách và đầu tư.

6. Kết luận:

Hydrogen đóng vai trò quan trọng trong chiến lược khử carbon cho ngành công nghiệp nặng và lọc hóa dầu - hai lĩnh vực vốn khó giảm phát thải thông qua điện khí hóa trực tiếp. Hiện tại, nhu cầu hydrogen trong hai ngành này chiếm phần lớn tổng nhu cầu hydrogen toàn cầu, nhưng tỷ lệ hydrogen phát thải thấp vẫn còn rất nhỏ.

Dữ liệu từ Báo cáo Global Hydrogen Outlook 2024 của IEA cho thấy: Sự tiến triển trong việc chuyển đổi sang hydrogen phát thải thấp, với nhiều dự án đổi mới đã đạt FID và nhiều dự án khác đang được lên kế hoạch. Tuy nhiên, tốc độ chuyển đổi hiện tại vẫn còn chậm so với yêu cầu để đạt mục tiêu phát thải ròng bằng không vào năm 2050.

Thách thức chính trong quá trình chuyển đổi này bao gồm chi phí sản xuất cao hơn, thiếu cơ sở hạ tầng vận chuyển và lưu trữ, cũng như các vấn đề kỹ thuật liên quan đến việc tích hợp hydrogen phát thải thấp vào các quy trình công nghiệp hiện có. Để khắc phục những thách thức này, cần có sự kết hợp giữa các chính sách hỗ trợ mạnh mẽ, đầu tư vào nghiên cứu, phát triển và hợp tác quốc tế.

Về tương lai, vai trò của hydrogen phát thải thấp trong ngành công nghiệp nặng và lọc hóa dầu dự kiến sẽ tăng lên đáng kể, đặc biệt là khi chi phí giảm nhờ kinh tế quy mô và tiến bộ công nghệ. Với sự hỗ trợ chính sách phù hợp và đầu tư chiến lược, hydrogen phát thải thấp có thể trở thành một công cụ quan trọng trong nỗ lực khử carbon của các ngành công nghiệp này, đóng góp đáng kể vào mục tiêu ứng phó với biến đổi khí hậu toàn cầu.

Kỳ tới: Công nghệ sản xuất hydrogen phát thải thấp - So sánh, chi phí và tiềm năng phát triển

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

Tài liệu tham khảo:

1. IEA, 2024. International Energy Agency. Global Hydrogen Outlook 2024.

2. BloombergNEF, 2023. Green Hydrogen to Undercut Gray Sibling by End of Decade.