Than đá trong chuyển dịch năng lượng [kỳ 2]: Các xu hướng sử dụng than trong tương lai

Than đá trong chuyển dịch năng lượng [kỳ 1]: Hiện trạng và dự báo cung, cầu than Mặc dù điện từ năng lượng tái tạo đã phát triển nhanh trong những năm gần đây, nhưng nhiệt điện than vẫn là nguồn cung cấp điện ổn định với chi phí phù hợp, đáp ứng nhu cầu của các phụ tải nền. Ngoài ra, than vẫn là loại năng lượng cơ bản và thiết yếu trong sản xuất thép. Cuộc khủng hoảng than đá ở Trung Quốc năm 2021 cho thấy: Các nguồn năng lượng thay thế cần phải được hoạt động tin cậy. Đề cập đến hiện trạng, dự báo cung, cầu về than trong khu vực APEC để từ đó khẳng định vai trò của than trong giai đoạn chuyển dịch năng lượng, TS. Phùng Quốc Huy - Trung tâm Nghiên cứu Năng lượng châu Á - Thái Bình Dương có chuyên đề viết riêng cho Tạp chí Năng lượng Việt Nam. Trân trọng gửi tới bạn đọc.

KỲ 2: CÁC XU HƯỚNG SỬ DỤNG THAN TRONG TƯƠNG LAI

Hiện trạng sử dụng than:

Hiện nay, một số nền kinh tế trong APEC vẫn phụ thuộc nhiều vào than trong lĩnh vực sản xuất điện (xem hình 5). Tỷ trọng sản lượng điện từ điện than chiếm 65,7% trong tổng sản lượng điện ở Indonesia, tiếp theo là Trung Quốc (63,2%), Malaysia (56,1%), Úc (53,9%), Việt Nam (50,6%), Đài Loan (45%) và Hàn Quốc (36,3%).

Hình 5: Tỷ lệ điện than trong tổng sản lượng điện tại một số quốc gia trong APEC. Nguồn: Tổng hợp của tác giả dựa trên số liệu từ BP (2021).

Các xu hướng sử dụng than trong tương lai được nêu ở hình 6 dưới đây:

Hình 6: Các xu hướng sử dụng than trong tương lai.

1/ Cải thiện hiệu suất nhiệt:

Nhà máy nhiệt điện than thường có tuổi thọ riêng tùy thuộc vào nhà sản xuất, nhưng trung bình khoảng 40 năm. Các nhà máy nhiệt điện than ở khu vực ASEAN được coi là trẻ nhất trên thế giới, với khoảng 60% trong số đó hoạt động dưới 10 năm (ACE - 2021). Với các nhà máy nhiệt điện than có tuổi đời trẻ như vậy thì việc cải thiện hiệu suất nhiệt để giảm lượng than tiêu thụ và giảm lượng khí thải CO2 là rất cần thiết. Cách tiếp cận này cho phép các nhà máy nhiệt điện than được tiếp tục vận hành cho đến hết tuổi thọ kinh tế và kỹ thuật của chúng với lượng khí thải CO2 thấp hơn.

Hiệu suất nhiệt đã được cải thiện đáng kể trong những năm qua trong lĩnh vực sản xuất điện. Hiệu suất nhiệt thấp hơn 40% đối với công nghệ cận tới hạn đã được áp dụng trong vài thập kỷ qua. Ngày nay, với Chu trình kết hợp khí hóa than tích hợp (IGCC), hiệu suất nhiệt có thể tăng lên tới 50%.

Ngoài ra, Nhật Bản đang trình diễn công nghệ Chu trình kết hợp pin nhiên liệu khí hóa than tích hợp (IGFC) nhằm đạt hiệu suất nhiệt 55% vào năm 2030. Công nghệ IGFC dự kiến sẽ giảm 30% lượng khí thải CO2 so với công nghệ Cực siêu tới hạn (USC) - METI Journal. Nhiều nền kinh tế, chẳng hạn như Nhật Bản và một số nước Đông Nam Á mong muốn sử dụng các nhà máy nhiệt điện than hiện có cho đến khi kết thúc vòng đời của chúng.

2/ Phát điện đồng đốt:

Đồng đốt than với sinh khối, hoặc Amoniac sẽ giúp giảm phát thải CO2 do sử dụng lượng than ít hơn. Nhật Bản có kế hoạch áp dụng đồng đốt bằng sinh khối, hoặc Amoniac trong các nhà máy nhiệt điện than hiện có và chuyển từ đồng đốt sang đốt toàn bộ bằng Ammoniac trong tương lai.

Hiện đã có một số nhà máy điện đồng đốt sử dụng 20% Amoniac ở quy mô nhỏ đã được trình diễn tại Nhật Bản.

Vào tháng 5 năm 2022, JERA (công ty liên doanh giữa Công ty Điện lực Tokyo và Điện lực Chubu) và Tập đoàn IHI đã quyết định đẩy nhanh tiến độ thử nghiệm đồng đốt khối lượng lớn nhiên liệu Amoniac (20% giá trị nhiệt) tại tổ máy số 4 của Nhà máy điện Hekinan vào năm tài khóa 2023 - 2024.

Ngoài ra, một dự án khác được tài trợ bởi cơ quan Phát triển Công nghệ Công nghiệp và Năng lượng Mới (NEDO). Theo đó, Tập đoàn JERA và IHI sẽ phát triển một tổ hợp đồng đốt Amoniac mới và lắp đặt tại tổ máy số 4, hoặc số 5 của Nhà máy điện Hekinan, mỗi tổ máy có công suất 1 GW để nâng khối lượng đồng đốt amoniac lên hơn 50% vào năm 2029 (JERA - 2022; SP Global - 2022).

3/ Khí hóa than:

Thay vì đốt than trực tiếp, khí hóa than là một lựa chọn khác. Quá trình này chuyển đổi than thành khí tổng hợp và có thể được sử dụng trong các lĩnh vực khác nhau (phát điện, sản xuất phân bón, khí tổng hợp, metanol). Khí hóa than phù hợp để sản xuất điện thân thiện với môi trường và sản xuất nguyên liệu hóa học từ các loại than chất lượng thấp như than nâu (Chiyoda Corporation). Khí hóa than kết hợp với công nghệ CCS sẽ là công nghệ có mức độ phát thải CO2 thấp.

4/ Sản xuất các sản phẩm từ than:

Than có thể được sử dụng làm vật liệu phi năng lượng. Than là một thành phần thiết yếu trong quá trình sản xuất nhiều sản phẩm khác nhau, từ than hoạt tính được sử dụng trong các bộ lọc để lọc nước, không khí và trong các máy lọc thận cho đến sợi carbon, vật liệu cực kỳ bền nhưng nhẹ được sử dụng trong xây dựng.

Một số sản phẩm hóa học có thể được sản xuất từ các sản phẩm phụ của than trong ngành công nghiệp sản xuất hóa chất từ than. Ví dụ: Xà phòng, dung môi, thuốc nhuộm, nhựa và sợi, nhựa đường (World Coal Association).

Ngoài ra, các nguyên tố đất hiếm, thành phần chính trong sản xuất nam châm vĩnh cửu dùng trong mô tơ xe điện và tua bin gió, có thể được thu hồi từ than đá.

Hoa Kỳ đang tiến hành một nghiên cứu khả thi để đánh giá tiềm năng thu hồi các nguyên tố đất hiếm từ than, sản phẩm phụ của than và vật liệu phế thải. Mục tiêu là sản xuất 1 - 3 tấn đất hiếm mỗi ngày vào năm 2026 (NETL - 2022).

5/ Sản xuất Hydro:

Hydro có thể được sản xuất từ than bằng các quá trình khí hóa. Trung Quốc, Úc là hai nền kinh tế tiên phong trong việc sản xuất Hydro từ than do có sẵn nguồn tài nguyên than dồi dào trong nước và các chính sách hỗ trợ ngành công nghiệp non trẻ này. CarbonNet là dự án xây dựng chuỗi cung ứng năng lượng Hydro hàng đầu thế giới, nằm ở Latrobe Valley (Úc).

Vào tháng 2 năm 2022, tàu chở hydro lỏng đầu tiên trên thế giới (Suiso Frontier) đã dỡ hàng an toàn tại Cảng Kobe (Nhật Bản). Quyết định chuyển sang giai đoạn thương mại đã được đưa ra vào những năm 2020, với các hoạt động được nhắm tới mục tiêu vào những năm 2030 tùy thuộc vào giai đoạn thử nghiệm, hành lang pháp lý, giấy phép hoạt động và nhu cầu hydro (Earth Resource; HESC).

6/ Nhiệt điện than có trang bị CCS:

Mặc dù chưa có nhiều nhiệt điện than được trang bị hệ thống CCS trên thế giới, nhưng công nghệ này mang đến giải pháp khả thi để giảm phát thải CO2, đặc biệt là các nhà máy nhiệt điện than mới đi vào vận hành ở Trung Quốc và các nước APEC Đông Nam Á.

Dự án Boundary Dam CCUS ở Saskatchewan (Canada) được trang bị hệ thống CCS cho nhà máy nhiệt điện đang hoạt động. CO2 thu được từ cơ sở này được sử dụng cho việc thu hồi dầu tăng cường.

Petra Nova là một hệ thống CCUS tích hợp vào nhà máy nhiệt điện đã được sử dụng để tăng cường thu hồi dầu ở Texas (Hoa Kỳ). Tuy nhiên, các hoạt động đã bị đình chỉ vào năm 2020 do các vấn đề bảo trì đang diễn ra và tình hình kinh tế không thuận lợi do đại dịch Covid-19 gây ra. Nhà máy điện Guodian Taizhou thu giữ carbon (0,3 triệu tấn) và ZEROS (1,5 triệu tấn) lần lượt là hai dự án đang được xây dựng ở Trung Quốc và Hoa Kỳ (Global CCS Institute - 2021).

Kết luận:

Cho dù có sự tăng trưởng mạnh mẽ năng lượng tái tạo trong những năm gần đây ở khu vực APEC, than vẫn đóng một vai trò quan trọng tại một số nền kinh tế thành viên APEC vì than là nguồn năng lượng sơ cấp chủ yếu phục vụ cho ngành điện và ngành công nghiệp.

Than vẫn sẽ tiếp tục vai trò quan trọng của nó trong giai đoạn chuyển tiếp, đặc biệt là các nền kinh tế phụ thuộc nhiều vào than như Trung Quốc và các nước APEC Đông Nam Á. Than dự báo sẽ vẫn chiếm khoảng 20% và 9% trong tổng nguồn cung cấp năng lượng sơ cấp của APEC vào năm 2050 tương ứng với kịch bản REF và CN.

Giá khí đốt tự nhiên tăng mạnh vào cuối năm 2021, khiến một số nền kinh tế trong APEC sử dụng nhiều than hơn cho sản xuất điện. Do đó, mức tiêu thụ than của APEC đã tăng khoảng 5% vào năm 2021.

Trong tương lai, ở một số nền kinh tế APEC - nơi mà phụ thuộc nhiều vào than, than cần được sử dụng theo cách sạch nhất có thể để giảm lượng khí thải CO2 trong khi vẫn đảm bảo an ninh năng lượng. Cải thiện hiệu suất nhiệt, phát điện đồng đốt, khí hóa than, sản xuất các sản phẩm từ than, sản xuất hydro và nhiệt điện than trang bị CCS là những giải pháp khả thi trong giai đoạn chuyển đổi.

Trong một thế giới đầy bất ổn chính trị và biến động về giá năng lượng như hiện nay, các giải pháp nêu trên sẽ giúp làm giảm phát thải CO2, cho phép các nền kinh tế APEC tiếp tục sử dụng than trong khi cân bằng các mục tiêu an ninh năng lượng và biến đổi khí hậu.

Tác giả cho rằng, tại một số quốc gia phụ thuộc vào than, hoặc có nguồn tài nguyên than dồi dào, không nhất thiết phải loại bỏ hoàn toàn sử dụng than theo cam kết tại COP26. Than có thể được sử dụng một cách sạch hơn, thân thiện hơn trong giai đoạn chuyển đổi, trong khi vẫn đảm bảo được mục tiêu an ninh năng lượng và trung hòa carbon.

Kỳ tới: Đề xuất giải pháp cho Việt Nam

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

Tài liệu tham khảo:

1/ ACE (2021) Challenges and Implications of Coal Phase-Down to the ASEAN Energy Landscape. https://aseanenergy.org/challenges-and-implicationsof-coal-phase-down-to-the-asean-energy-landscape/

2/ APEC Outlook (2022), Asia-Pacific Energy Research Centre (APERC), APEC Energy Demand and Supply Outlook 8th Edition 2022.

3/ BP (2021), BP Statistical Review of World Energy, 70th edition. http://www.bp.com/statisticalreview

4/ Chiyoda Corporation, https://www.chiyodacorp.com/en/service/environment/coal-gas/

5/ Earth Resource, https://earthresources.vic.gov.au/projects/carbonnet-project/what-is-ccs/benefits-of-ccs

6/ EGEDA - Expert Group on Energy Data Analysis, APEC Energy Working Group, (2021), APEC Energy Database. https://www.egeda.ewg.apec.org/egeda/database_info/index.html

7/ Global CCS Institute (2021). The Global Status of CCS Report 2021. https://www.globalccsinstitute.com/resources/

8/ JERA group, 2022, https://www.jera.co.jp/english/information/20220531_917

9/ NETL - National Energy Technology Laboratory (2022), Rare earth elements and critical minerals.

10/ https://netl.doe.gov/sites/default/files/2022-02/Program-141.pdf

11/ METI Journal, https://www.meti.go.jp/english/publications/pdf/journal2013_10a.pdf

12/ SP Global, 2022, https://www.spglobal.com/commodityinsights/en/market-insights/podcasts/focus/091422-used-cooking-oil-uco-biodiesel-saf-sustainable-aviation-fuel-palm-oil-hvo

13/ HESC, Hydrogen Energy Supply Chain Project, https://www.hydrogenenergysupplychain.com/

14/ World Coal Association, https://www.worldcoal.org/coal-facts/other-uses-of-coal/