Với nhu cầu về hydro có hàm lượng carbon thấp ngày càng tăng, việc hiểu được điểm mạnh và điểm yếu của từng chiến lược máy điện phân sẽ là chìa khóa để đưa ra các quyết định đầu tư thông minh.
Để đạt được các mục tiêu khí hậu, các chuyên gia dự đoán rằng nhu cầu hàng năm trên thế giới đối với hydro (hàm lượng carbon thấp) sẽ tăng từ dưới 1 triệu tấn vào năm 2021 lên 20-30 triệu tấn vào cuối thập kỷ này. Việc cung cấp hydro xanh sẽ cần công suất điện phân từ 160-240 gigawatt (GW). Đây là một mục tiêu đầy thách thức do hiện có khoảng 130 GW đang được triển khai trong dự án và tổng sản lượng điện sản xuất ước tính là 270 GW vào năm 2030. Để đạt được mục tiêu này, tất cả các bên liên quan sẽ cần phải hành động nhanh chóng vì cho đến nay, khoản đầu tư cuối cùng đã được quyết định, chỉ được đưa ra cho ít hơn 5% của các dự án được công bố.
Một điều kiện tiên quyết quan trọng khác để vượt qua cột mốc quan trọng này là lựa chọn công nghệ điện phân phù hợp nhất, đây là lựa chọn chủ yếu được xác định bởi chi phí năng lượng cân bằng hydro (levelized cost) (1). Tất cả các công nghệ có sẵn đều có các đặc điểm khác nhau và chi phí của chúng phụ thuộc vào các thông số cụ thể của dự án. Bài báo xu hướng này trình bày sự khác biệt giữa bốn công nghệ điện phân tiên tiến nhất: kiềm, màng trao đổi proton – PEM ( proton exchange membrane), màng kiềm và công nghệ oxit rắn. (1) LCOE (levelized cost of energy) được hiểu chính xác chi phí năng lượng cân bằng hoặc chi phí cào bằng điện. LCOE thước đo chi phí hiện tại ròng trung bình của thế hệ điện cho một nhà máy. Nó được sử dụng để lập kế hoạch đầu tư và so sánh các phương pháp phát điện khác nhau trên cơ sở nhất quán.
Máy điện phân kiềm tạo ra hydro chi phí thấp khi vận hành ổn định dưới tải Máy điện phân kiềm tạo ra hydro từ dung dịch kali hydroxit. Điều này cho phép sử dụng màng xốp, chi phí thấp được gọi là màng ngăn cũng như vật liệu xúc tác (ví dụ: niken) có nguồn cung dồi dào. Tuy nhiên, điều này phải trả giá bằng sự linh hoạt trong hoạt động hạn chế. Điều này là do màng ngăn có thể thấm khí hòa tan trong chất điện phân, hạn chế tải hoạt động thấp hơn ở mức khoảng 20% tải danh nghĩa và yêu cầu các chu kỳ lọc khí kéo dài trong quá trình khởi động nguội. Điều này dẫn đến thời gian khởi động lâu. Độ thẩm thấu cao của thiết bị phân tách cũng hạn chế áp suất đầu ra hydro. Trên hết, máy điện phân kiềm hiện được lựa chọn vì chi phí đầu tư thấp kỷ lục từ 800 đến 1.400 đô la mỗi kilowatt cho các hệ thống quy mô megawatt.
Môi trường dự án lý tưởng cho máy điện phân kiềm là các cơ sở lắp đặt công nghiệp quy mô lớn yêu cầu sản xuất hydro ổn định ở mức áp suất thấp. Trong trường hợp này, máy điện phân thường được kết nối với lưới điện và vận hành với tốc độ sử dụng cao. Chi phí năng lượng cân bằng hydro chủ yếu phụ thuộc vào chi phí điện, trong đó chi phí vận chuyển hydro và đầu tư máy điện phân chỉ một phần nhỏ.
Một dự án điển hình: Máy điện phân kiềm 20 megawatt (MW) do nhà sản xuất thép Thụy Điển Ovako lắp đặt tại nhà máy của họ ở đô thị Hofors (Thụy Điển) để thay thế khí propan hóa thạch được sử dụng trong các lò cao (2). Máy điện phân được kết nối với lưới điện địa phương, cho phép vận hành ổn định, giữ cho chi phí hydro được cân bằng ở mức thấp; Một ví dụ khác là máy điện phân kiềm 5 MW được sử dụng bởi công ty phân phối khí đốt SGN có trụ sở tại vương quốc Anh, để thay thế khí đốt tự nhiên cung cấp cho các hộ gia đình Scotland bằng hydro xanh. Máy điện phân chủ yếu được cung cấp năng lượng bởi một tuabin gió ngoài khơi, nhưng cũng được kết nối với lưới điện để cho phép vận hành ổn định và sản xuất hydro. (2) Lò cao: Một loại lò trong kĩ thuật luyện kim, lò cao được sử dụng để nung chảy quặng thành kim loại.
Màng trao đổi proton (PEM) có thể phản ứng linh hoạt với nguồn điện dao động Không giống như máy điện phân kiềm, máy điện phân có màng trao đổi proton (PEM) sử dụng chất điện phân polyme và tạo ra hydro từ nước tinh khiết. Môi trường axit của PEM đòi hỏi phải sử dụng các vật liệu đắt tiền, như chất xúc tác gốc bạch kim và iridi, màng trao đổi ion perflo hóa và các điện cực gốc titan, khiến chi phí đầu tư lên tới 1.200 đến 1.800 đô la cho mỗi kilowatt điện.
Lợi ích chính của máy điện phân PEM là do đặc tính cản khí cao của màng, cho phép áp suất đầu ra cao, khởi động nguội nhanh và cửa tải hoạt động rộng. Một ưu điểm nữa của việc sử dụng nước tinh khiết thay vì chất điện phân kiềm là giảm tải đặt lên thiết bị phụ trợ (ví dụ: máy bơm, van và ống), dẫn đến khoảng thời hạn bảo trì lâu hơn và chi phí vận hành thấp hơn.
Máy điện phân PEM lý tưởng cho việc lắp đặt ngoài lưới điện, được cung cấp bởi các nguồn năng lượng tái tạo dao động mạnh như nhà máy quang điện PV hoặc tua-bin gió. Cửa tải hoạt động rộng và khởi động nhanh, cho phép tỷ lệ sử dụng cao hơn so với các hệ thống kiềm. Vị trí của máy điện phân PEM gần nhà máy năng lượng tái tạo và thường yêu cầu hydro được nén trước khi vận chuyển và lưu trữ. Bằng cách này, khả năng sản xuất hydro ở áp suất cao lên đến 50 bar của PEM được khai thác. Trong máy điện phân này, chi phí năng lượng cân bằng hydro phần lớn được quyết định bởi chi phí đầu tư máy điện phân và hậu cần hydro, khiến tỷ lệ sử dụng và áp lực sản xuất trở thành những cách để tiết kiệm chi phí.
Do đó, máy điện phân PEM đặc biệt phù hợp với các dự án được kết nối trực tiếp với hệ thống quang điện PV tạo ra lượng điện dao động. Ví dụ: máy điện phân PEM 20 MW do công ty tiện ích Iberdrola của Tây Ban Nha chế tạo, được kết nối với nhà máy quang điện PV 100 MW ở đô thị Puertollano và sản xuất phân bón xanh. Một lĩnh vực sử dụng ưu tiên khác cho máy điện phân PEM là các dự án chạy bằng năng lượng gió dao động, đặc biệt là nơi đặt máy điện phân ngoài khơi. Lợi ích của điện phân PEM cụ thể là khả năng thay đổi tải trọng cao, áp suất đầu ra cao, yêu cầu về không gian và bảo trì thấp. Các ví dụ khác: Dự án PosHYdon thí điểm 1 MW, được đặt trên dàn khoan khai thác khí đốt ở biển Bắc Hà Lan của công ty Neptune Energy; Và tuabin gió ngoài khơi SG 14-222 DD của công ty Siemens Gamesa.
Máy điện phân oxit rắn Máy điện phân oxit rắn sử dụng nhiệt độ cao để tăng hiệu suất hệ thống lên trên 80% và cho phép sử dụng các vật liệu xúc tác sẵn có chi phí thấp. Điều này đòi hỏi một thiết bị tách gốm chịu nhiệt (oxit rắn) để tạo điều kiện thuận lợi cho việc vận chuyển các ion ở nhiệt độ từ 500 đến 900 độ C. Nhiệt độ hoạt động cao làm giảm tính linh hoạt của máy điện phân và gây thêm áp lực lên tất cả các vật liệu tiếp xúc với nhiệt, hạn chế tuổi thọ của chúng. Máy điện phân oxit rắn yêu cầu chi phí nhiệt thấp, để tối đa hóa hiệu suất chuyển đổi và đạt được lợi thế cạnh tranh so với máy điện phân PEM và kiềm. Điều này hạn chế tiềm năng thương mại của loại máy điện phân này. Hệ thống oxit rắn quy mô megawatt đầu tiên trên thế giới được lắp đặt bởi công ty Sunfire tại nhà máy lọc dầu Neste ở thành phố Rotterdam (Hà Lan)
Màng kiềm mang lại lợi ích cho các ứng dụng Máy điện phân màng trao đổi kiềm kết hợp màng trao đổi ion với chất điện phân kiềm. Điều này có nghĩa là chúng mang lại những lợi ích kết hợp của máy điện phân kiềm và PEM, cụ thể là vật liệu xúc tác chi phí thấp và tính linh hoạt trong vận hành do màng polyme kín khí tạo ra. Việc thương mại hóa và sử dụng công nghiệp các máy điện phân màng trao đổi kiềm bị hạn chế chủ yếu do tuổi thọ ngăn xếp thấp, điều này có thể là do độ bền hạn chế của màng trao đổi ion trong môi trường kiềm.
Máy điện phân PEM và kiềm chiếm ưu thế trong các dự án ngắn hạn. Loại máy điện phân được sử dụng đã được thiết lập sẵn cho khoảng 10% trong số khoảng 130 GW dự án đang được triển khai cho năm 2030. Theo dữ liệu này, máy điện phân kiềm và PEM được dự đoán sẽ chiếm thị phần gần như bằng nhau trên thị trường, trong khi oxit rắn vẫn là một công nghệ thích hợp.
Đường ống dự án điện phân 2030 theo công nghệ.
Các máy điện phân kiềm dự kiến sẽ được triển khai với quy mô dự án trung bình là 120 MW, gần gấp đôi so với các dự án máy điện phân PEM, dự kiến sẽ được sử dụng chủ yếu trong các cơ sở phi tập trung với quy mô dự án trung bình khoảng 70 MW. Máy điện phân kiềm đã được chọn cho tất cả các dự án được kết nối với lưới điện và cho mục đích dự phòng. Mặt khác, công nghệ PEM mang lại lợi ích chi phí tiềm năng so với máy điện phân kiềm khi nó được kết nối trực tiếp với các nguồn năng lượng tái tạo dao động phi tập trung. Khoảng 60% dự án được công bố có kết nối trực tiếp với các nguồn năng lượng tái tạo, được thiết lập để sử dụng máy điện phân PEM, trong khi khoảng 40% dự kiến sẽ sử dụng máy điện phân kiềm.
Chi phí điện thuận lợi và định nghĩa nghiêm ngặt về hydro xanh của châu Âu đã thúc đẩy tỷ lệ các dự án có kết nối trực tiếp với các nhà máy điện tái tạo lên khoảng 90%. Điều này hỗ trợ nhu cầu ngày càng tăng đối với máy điện phân linh hoạt và tăng khả năng cạnh tranh của điện phân PEM mặc dù chi phí đầu tư cao. Việc sử dụng máy điện phân PEM thay vì điện phân kiềm có dẫn đến chi phí hydro được định mức thấp hơn hay không tùy thuộc vào quy mô của dự án và tỷ lệ sử dụng của nó.
Điều này có thể được minh họa bằng một đường cong đồng chi phí cho các tỷ lệ sử dụng khác nhau và chi phí vốn (CAPEX). Việc tăng tỷ lệ sử dụng khoảng 10% có thể chứng minh chi phí đầu tư cao hơn lên tới 15 – 20% cho dự án 10 MW với tỷ lệ sử dụng cơ sở là 70% và CAPEX là 1.000 đô la cho mỗi kilowatt điện, trong khi vẫn giữ nguyên chi phí chi phí năng lượng cân bằng hydro là 5,9 đô la/kgH2. Chênh lệch CAPEX tối đa có thể được bù đắp bằng cách sử dụng cơ sở là 50%.
Mô hình chi phí năng lượng cân bằng hydro theo quy định của ©Apricum
Đường cong chi phí đồng nhất cho các máy điện phân có tỷ lệ sử dụng và chi phí vốn CAPEX khác.
Máy điện phân lý tưởng kết hợp tính linh hoạt của điện phân PEM với chi phí điện phân kiềm. Đây chính xác là những gì các nhà sản xuất hiện đang nghiên cứu, với cả hai công nghệ dự kiến sẽ được cải thiện đáng kể trong tương lai. Các máy điện phân kiềm trong tương lai sẽ cung cấp phạm vi tải mở rộng và thời gian khởi động ngắn hơn bằng cách kết hợp các thiết bị phân tách thế hệ tiếp theo với các rào cản khí được cải thiện và tăng cường lưu thông chất điện phân. Đồng thời, các máy điện phân PEM trong tương lai có khả năng hoạt động với lượng kim loại nhóm bạch kim thấp hơn, điều này sẽ làm giảm chi phí đầu tư.
Với những lợi thế bổ sung cho nhau, cả hai công nghệ vẫn được dự đoán sẽ cùng tồn tại trong thập kỷ tới. Về lâu dài, các hệ thống hybrid dự kiến sẽ được giới thiệu kết hợp các ngăn điện phân kiềm hoạt động với tải cơ bản với các ngăn PEM bổ sung để hấp thụ các đỉnh công suất tạm thời.
Để xem các tin bài khác về “Năng lượng sạch”, hãy nhấn vào đây.
(Nguồn: Intersolar)
