Triển vọng công nghệ điện khí P2X2P trong bối cảnh trung hòa cacbon

Chính sách, công nghệ, tài chính cho nguồn điện gió, mặt trời, điện khí của Việt Nam Trên cơ sở các nội dung tham luận và các ý kiến thảo luận tại “Diễn đàn Năng lượng sạch Việt Nam lần thứ hai - Hướng tới trung hòa các bon - Cơ chế, chính sách, công nghệ, tài chính cho các dự án điện gió, điện mặt trời, điện khí” được tổ chức hồi đầu tháng 4/2022, tại Hà Nội, Hội đồng Khoa học Tạp chí Năng lượng Việt Nam vừa có Văn bản báo cáo Thủ tướng Chính phủ, Trưởng Ban Kinh tế Trung ương, Bộ trưởng Bộ Công Thương... một số nội dung liên quan về cơ chế, chính sách, công nghệ, tài chính cho các dự án năng lượng sạch Việt Nam.

Giá LNG tăng cao và vấn đề phát triển nguồn điện khí ở Việt Nam Quy hoạch điện VIII (giai đoạn 2021 - 2045) đề xuất phát triển điện khí LNG nhằm giảm dần sự phụ thuộc vào nhiệt điện than là định hướng hợp lý, ngoài việc điện khí có ưu điểm linh hoạt, có thể thay đổi công suất khi cần theo nhu cầu phụ tải, lượng phát thải khí CO2 ra môi trường thấp hơn 50% so với nhiệt điện than. Tuy nhiên, giá LNG liên tục tăng trong năm 2021 đến đầu năm 2022 và tăng chóng mặt sau khi xảy ra xung đột Nga - Ucraina. Khi giá khí tăng cao, liệu việc phát triển nguồn điện này của nước ta có còn phù hợp? Phân tích của chuyên gia Tạp chí Năng lượng Việt Nam.

Về công nghệ điện khí P2X2P:

Theo trang tin điện trực tuyến Mỹ Powermag (PMC) số trung tuần tháng 5-2022: Tính đến cuối năm 2020, có khoảng 1.600 GW tua bin khí đã được lắp đặt trên toàn cầu, phần lớn là đốt khí tự nhiên, hoặc mêtan để phát điện. Việc thúc đẩy phát thải ròng bằng 0, hay Net-zero trên phạm vi rộng khiến nguồn tài nguyên này suy giảm trong dài hạn. Để duy trì sự phù hợp trong bối cảnh sự gia tăng ​​của năng lượng tái tạo, dự trữ năng lượng và khí khử cacbon, ngành công nghiệp tua bin khí đang sẵn sàng cho một loạt các ứng dụng mới nổi. Cùng với việc tăng cường kết hợp với năng lượng tái tạo và lưu trữ, các nhà sản xuất tua bin đang khám phá việc đốt nhiên liệu carbon thấp; nâng cao hiệu suất, hiệu quả và tính linh hoạt của tua bin; và cuối cùng, giảm lượng carbon phát thải vào khí quyển. Trong số này có ứng viên sáng giá, công nghệ Power-to-X-to-Power hay P2X2P.

Nguyên thủy, Power-to-X (có tên khác là P2X and P2Y) là thuật ngữ được sử dụng rộng rãi ở Đức, để nói về cách chuyển đổi điện năng, lưu trữ năng lượng và chuyển đổi lại sử dụng năng lượng điện dư thừa. Thường là trong thời gian mà việc sản xuất năng lượng tái tạo dao động vượt nhu cầu phụ tải. Công nghệ Power-to-X cho phép tách nguồn điện từ ngành điện để sử dụng cho các lĩnh vực khác (chẳng hạn như vận tải, hoặc hóa chất), có thể sử dụng điện được cung cấp bởi các khoản đầu tư thêm vào nguồn phát điện.

X trong thuật ngữ đề cập đến một trong những từ sau: Điện thành amoniac, điện thành hóa chất, điện thành nhiên liệu, điện thành khí, điện thành hydro, điện thành chất lỏng, điện thành methane, điện thành thực phẩm, điện thành điện và điện thành khí tổng hợp… Việc sạc xe điện, sưởi ấm và làm mát không gian, và đun nước nóng có thể được thay đổi theo thời gian để phù hợp với việc phát sinh, các hình thức đáp ứng nhu cầu mà một người gọi nó là điện - thành - di - động và điện - thành - nhiệt (power - to - mobility and power - to - heat.).

Triển vọng P2X2P trong chuyển đổi năng lượng:

Theo báo trực tuyến Đức Dw.com: Bằng cách biến điện từ năng lượng tái tạo thành nhiên liệu, P2X2P có thể giải phóng quá trình vận chuyển, sưởi ấm và công nghiệp khỏi nhiên liệu hóa thạch một khi chi phí giảm mạnh. Trên khắp thế giới, ngày càng có nhiều điện năng được tạo ra từ gió và mặt trời. Công nghệ phát triển sôi động trong những thập kỷ gần đây và khi giá điện tái tạo ngày càng giảm mạnh thì P2X2P được ví như hệ thống năng lượng tái tạo 100%.

Nhìn xa, các chương trình chuyển đổi điện năng thành X, sử dụng năng lượng dư thừa thuộc nhóm các biện pháp linh hoạt và đặc biệt hữu ích cho các hệ thống năng lượng có tỷ lệ phát điện tái tạo cao và/hoặc với các mục tiêu khử cacbon lớn. Vào năm 2016, chính phủ Đức đã tài trợ dự án nghiên cứu giai đoạn đầu trị giá 30 triệu euro về các phương án cấp nguồn thành X.

ETN Global - Công ty thương mại phi lợi nhuận có trụ sở tại Brussels (Bỉ), đại diện cho toàn bộ chuỗi giá trị công nghệ tua bin khí lưu ý, việc đáp ứng các thuộc tính như đề cập ở trên đòi hỏi sự hợp tác chiến lược trên tất cả các lĩnh vực, bao gồm cả trong các lĩnh vực kỹ thuật. Tiên phong là một dự án do Liên minh châu Âu (EU) hỗ trợ tìm ra nhiều phương pháp tiếp cận, 21 thành viên ETN Global - bao gồm các công ty công ích năng lượng, công ty công nghệ, học viện và các bên liên quan khác về tua bin khí từ 10 quốc gia, tham gia dự án có tên “FLEXnCONFU” kéo dài 4 năm, bắt đầu từ tháng 4 năm 2020.

Mục tiêu cuối cùng của FLEXnCONFU là “phát triển và chứng minh các giải pháp P2X2P sáng tạo, khả thi về mặt kinh tế và có thể tái tạo, kết hợp tất cả các tùy chọn có sẵn để sử dụng hiệu quả, linh hoạt nguồn điện dư thừa từ năng lượng tái tạo. Đặc biệt, nó cho phép thiết kế và vận hành linh hoạt mô hình nhà máy điện tích hợp hay ‘tua bin khí chu trình hỗn hợp’ (CCGT).

Liên minh có tổng ngân sách là 14,4 triệu đô la (12,6 triệu euro), tiến độ dự kiến hoàn thành bốn “trụ cột” chính của FLEXnCONFU vào tháng 3/2024, bao gồm: Sử dụng nhiên liệu phi truyền thống linh hoạt và bền vững trong CCGT; tích hợp và trình diễn các hệ thống power-to-X trong một nhà máy điện hữu hình; phát triển của một hệ thống điều khiển tiên tiến dành riêng để nâng cao tính linh hoạt của CCGT và khả năng tương tác lưới điện; thúc đẩy một xã hội năng lượng hydro và amoniac.

Về cơ bản, FLEXnCONFU là “dự án trình diễn với thị trường”. Sau khi dự án hoàn thành, các công nghệ này sẽ được nâng cao khả năng các CCGT cung cấp dịch vụ trên thị trường dịch vụ phụ trợ, đảm bảo một hệ thống điện an toàn, sạch sẽ và linh hoạt hơn.

P2X2P thích ứng với nhiều loại nhiên liệu:

Hầu hết mọi hãng sản xuất thiết bị gốc lớn (OEM) đều nhận thấy tính linh hoạt của nhiên liệu tua bin khí. Nó có thể mở ra lợi thế cạnh tranh và gia tăng giá trị thị trường khi thế giới tiến sâu hơn vào mục tiêu Net-zero. Nhiều doanh nghiệp đang “cấu hình lại” hệ thống máy móc của họ với các nguồn nhiên liệu độc đáo (như nhiên liệu sinh học, khí đá phiến và khí tự nhiên hóa lỏng) và nhiên liệu carbon thấp, kể cả hydro và amoniac.

Đáng chú ý, hydro đã trở thành một ưu tiên phát triển, một số OEM thậm chí đã vạch ra lộ trình để đốt cháy 100% hydro cho phần lớn các đội xe của họ.

Cho đến nay, sự phát triển tập trung vào tiến bộ công nghệ oxit nitơ thấp khô (DLN), sử dụng công nghệ đốt hỗn hợp nghèo, hoặc đa cụm để kiểm soát lượng khí thải nitơ oxit (NOx).

Ví dụ hồi tháng 5/2020, Mitsubishi Power của Nhật Bản đã ký hợp đồng hai CCGT 1 × 1 M501JAC cho nhà máy điện 840 MW Intermountain Power Plant ở Delta, Utah (Mỹ), với đảm bảo về mặt thương mại, các tua bin khí sẽ đốt cháy hỗn hợp 30% hydro (tính theo khối lượng) và 70% nhiên liệu khí tự nhiên khi chúng đưa vào vận hành từ năm 2025. Hợp đồng yêu cầu công suất hydro của nhà máy sẽ chuyển sang 100% hydro vào năm 2045, cho phép Sở điện Los Angeles mua điện tối đa, đáp ứng mục tiêu khí hậu nghiêm ngặt của tiểu bang California đề ra.

Theo Michael Ducker - Phó chủ tịch Phân ban cơ sở hạ tầng hydro của Mitsubishi Power: Vào cuối những năm 2030, các tua bin khí có thể hoạt động bằng 100% hydro. Nên muốn mở rộng các dự án hiện có, Mitsubishi Power sẵn sàng hỗ trợ các dự án này. Tuy nhiên, một số chuyên gia trong ngành cảnh báo, việc sử dụng hydro đốt thay cho khí gas tự nhiên để đạt được quá trình khử cacbon sẽ xuất hiện những thách thức mới. Đó là giá trị gia nhiệt và mật độ của hydro nhỏ hơn so với khí tự nhiên.

Tính linh hoạt của tua bin khí chu trình hỗn hợp nổi (CCGT):

Trong nỗ lực nắm bắt các thị trường mới, các nhà phát triển trong nhiều thập kỷ đã cung cấp các nhà máy điện nổi, thường là động cơ diesel, khí đốt, hoặc nhiên liệu kép gắn trên tàu, vì chúng có thể được xây dựng với chi phí hiệu quả và nhanh chóng. Do di động nên lợi thế không cần mặt bằng, diện tích đất, có thể được triển khai ngay cả ở những vị trí xa xôi nhất và trong điều kiện môi trường xung quanh không thân thiện, cho cả nguồn điện tạm thời lẫn lâu dài.

Tuy nhiên, cho đến nay, hầu hết các tua bin khí được lắp đặt trên nền tảng sản xuất nổi và hạ tải (FPSO), cũng như dầu khí (O&G) đều là các mô-đun tua bin khí mở, đơn giản, chủ yếu để tận dụng mật độ công suất cao, tăng tính khả dụng so với động cơ khí và máy phát điện diesel. Nhưng khi nhiều nhà khai thác ngoài khơi cam kết thực hiện các mục tiêu môi trường nghiêm ngặt hơn, thì theo Siemens Energy: “Chu trình kết hợp siêu nhẹ” (ULCC) và “chu trình tạo đáy siêu nhẹ” (ULBC) được xem là ứng viên sáng giá thay thế. Chu trình được thiết kế cho khái niệm nhà máy điện CCGT nổi mà Siemens đã cho ra đời có tên “SeaFloat”, nó tích hợp các lợi thế nói trên.

Được thiết kế giống như một tua bin khí điển hình dùng trong ngành dầu khí, như tua bin khí SGT-A35 và SGT-750 của Siemens Energy. ULCC bao gồm gói tua bin khí, gói tua bin hơi, máy phát hơi nước thu hồi nhiệt một lần (OTSG ), và các chi tiết phụ trợ cần thiết. Theo Hamed Hossain - Giám đốc SeaFloat của Siemens Energy: Chu trình tạo đáy siêu nhẹ, hay ULBC phù hợp cho nồi hơi nước sau các tua bin khí hiện có, có sẵn cho các ứng dụng mới để tối ưu hóa tài sản hiện có.

Trọng lượng của ULBC thấp hơn khoảng 50% so với các nhà máy chu trình hỗn hợp ngoài khơi thông thường nên phát huy tác dụng bảo vệ khí hậu đi đôi với lợi ích kinh tế, theo quan điểm “thuế carbon và yêu cầu giấy phép” mà quốc gia quy định. Ngoài tiết kiệm đất đai, tua bin khí chu trình hỗn hợp nổi còn giảm thiểu carbon, các chất ô nhiễm khác như NOx, carbon monoxide và nmHC lên đến 90% so với động cơ pit tông.

Sản phẩm SeaFloat của Siemens mang lại nhiều lợi ích cho khách hàng. Khái niệm này có thể cung cấp cho nhiều tài sản vẫn đang chạy bằng dầu nhiên liệu nặng với các tùy chọn chạy bằng khí tự nhiên hóa lỏng (LNG). Do đó, hiệu suất cao của nhà máy điện SeaFloat đóng một vai trò quan trọng trong mô hình kinh doanh của các dự án điện từ LNG. Sà lan năng lượng SeaFloat có thể được cung cấp từ kho lưu trữ nổi và đơn vị tái định hóa (FSRU) hoặc giải pháp tích hợp đầy đủ FSRP cùng với bộ lưu trữ và tái định hóa LNG có thể được cung cấp ở mọi nơi trên thế giới thiếu khả năng tiếp cận với nhiên liệu sạch.

Theo Siemens Energy: Các dự án SeaFloat đang được phát triển trên khắp thế giới, và nhắm đến “toàn bộ dòng giá trị năng lượng của Siemens”, bao gồm SeaFloat, bộ pin lưu trữ năng lượng, sản xuất hydro và các giải pháp truyền tải. “Phương pháp tiếp cận toàn diện” này nhằm giúp khách hàng “tìm thấy sự kết hợp năng lượng phù hợp cho tương lai”.

Ví dụ, dự án SeaFloat mới nhất là nhà máy điện Estrella del Mar 3 công suất 145 MW hiện đang được triển khai tại CH Dominica. Thiết kế nhà máy do nhóm kỹ sư của Siemens Energy ở Thụy Điển đảm nhận. Để tối đa hóa việc sử dụng không gian, mỗi thành phần được tối đa hóa về chức năng và diện tích. Với tua bin khí tốt nhất trong phân loại, SGT-800, được sử dụng như một gói thang máy đơn lắp ráp sẵn với kích thước nhỏ.

Ngoài ra, thiết bị tiếp xúc với chuyển động của biển (sóng, thủy triều cuộn cao) được thiết kế, gia cố kết cấu để thỏa mãn nhu cầu hoạt động trong điều kiện bất thuận nhất.

Estrella del Mar 3 là hệ thống pin lưu trữ năng lượng để bù đắp cho tình trạng thiếu điện và sụt giảm tần số trên lưới điện. “Nhìn chung, sà lan mang lại hiệu quả sử dụng không gian và có mật độ năng lượng cao. Hơn nữa, khái niệm này đang được nhóm SeaFloat liên tục tối ưu hóa để cải thiện trọng lượng, không gian, hiệu quả, lượng khí thải và trở thành một phần không thể thiếu của quá trình chuyển đổi năng lượng toàn cầu sang khử cacbon và phân cấp” - Siemens Energy cho hay./.

KHẮC NAM - CHUYÊN GIA TẠP CHÍ NĂNG LƯỢNG VIỆT NAM (THEO: PMC/DW - 5/2022)

Link tham khảo:

1/ https://www.powermag.com/new-realms-for-gas-power-technology/

2/ https://www.dw.com/en/power-to-x-the-secret-to-a-100-renewable-energy-system/a-51662014