Một thế giới “khát” hydro

Hydro là loại nhiên liệu không tạo ra CO₂ khi cháy. Bằng cách sử dụng hydro làm nhiên liệu đốt cho các tuabin khí hiện đại, ta có thể tìm ra lời giải cho bài toán tạo ra nguồn điện công suất lớn ổn định, đồng thời vẫn giảm thiểu phát thải CO₂. Là một nguồn năng lượng không chứa cacbon, hydro sẽ đóng một vai trò quan trọng đối với việc hạn chế phát thải khí nhà kính khi được sử dụng thay thế cho các nguồn nhiên liệu hóa thạch.

Hydro (H₂) là nguyên tố phổ biến thứ 3 trên Trái đất, nhưng không có sẵn để khai thác trực tiếp mà phải được tạo ra từ các nguồn sơ cấp ban đầu như nước hoặc các hợp chất hydrocacbon.

Ở thời điểm hiện tại, khoảng 80 triệu tấn hydro được sản xuất mỗi năm. Tuy nhiên với yêu cầu cấp thiết của việc giảm phát thải khí nhà kính và xây dựng một nền kinh tế hydro thân thiện với môi trường, nhu cầu hydro sẽ còn tăng nhanh hơn nữa trong tương lai. Dự kiến tới 2050, sản lượng hydro có thể đạt được tới 600 – 700 triệu tấn một năm.

Tùy vào phương pháp sản xuất, hydro có thể được phân loại thành 3 nhóm như sau: grey hydrogen (hydro “xám”), blue hydrogen (hydro “lam”) và green hydrogen (hydro “xanh”). Chi tiết về phương pháp sản xuất các loại hydro này có thể được xem tại đây.

Sự khác nhau giữa grey hydrogen - blue hydrogen - green hydrogen và xu hướng sản xuất hydro trong tương lai

Nguồn: Internet

Sử dụng hydro làm nhiên liệu cho các tuabin khí: sự chuyển đổi không dễ dàng

Cho dù đã được chứng minh là giúp giảm thiểu phát thải CO₂, việc chuyển đổi sang sử dụng khí hydro làm nhiên liệu cho tuabin khí vẫn phải đối mặt với những thách thức và khó khăn do sự khác biệt giữa hydro và các loại nhiên liệu hydrocacbon truyền thống.

Nhiệt trị thấp của hydro là 120 MJ/kg. Tính theo khối lượng, hydro có mật độ năng lượng cao gấp 2 lần khí mêtan. Tuy nhiên, tính theo thể tích, hydro lại có mật độ năng lượng thấp hơn 3 lần khí mêtan. Điều đó có nghĩa là cần một thể tích khí hydro lớn gấp 3 lần thể tích khí mêtan để cung cấp cùng một nhiệt lượng (năng lượng) đầu vào cho tuabin khí. Do đó, để vận hành tuabin khí sử dụng 100% hydro, đòi hỏi một hệ thống đường dẫn nhiên liệu được thiết kế phù hợp với lưu lượng khối lượng khí hydro cần thiết.

Một số đặc tính của mêtan và hydro (nguồn: GE Power)

Đối với quá trình đốt cháy nhiên liệu trong buồng đốt tuabin khí, tốc độ (vận tốc) ngọn lửa là tốc độ lan truyền ngọn lửa trong quá trình cháy (hay có thể coi là tốc độ mà nhiên liệu khí lan truyền vào ngọn lửa). Tốc độ ngọn lửa là một đặc tính quan trọng được sử dụng để xác định khả năng cháy ngược của ngọn lửa vào vùng trộn trước nhiên liệu trong buồng đốt. Theo dõi bảng bên dưới có thể thấy tốc độ ngọn lửa của hydro nhanh hơn nhiều so với các loại nhiên liệu hydrocacbon khác.

Tốc độ ngọn lửa của hydro và các nhiên liệu hydrocacbon khác. (nguồn: GE Power)

Thông thường, buồng đốt của tuabin khí được thiết kế để vận hành với các loại nhiên liệu có tốc độ ngọn lửa nằm trong một khoảng nhất định. Do sự khác biệt đáng kể về tốc độ ngọn lửa, các hệ thống buồng đốt được thiết kế để hoạt động bằng khí mêtan có thể không phù hợp để vận hành bằng nhiên liệu hydro. Việc sử dụng nhiên liệu hydro sẽ đòi hỏi thiết kế buồng đốt và vòi đốt riêng cho các điều kiện cháy đặc biệt của loại nhiên liệu này.

Các thách thức đối với việc sử dụng hydro cho tuabin khí còn liên quan đến các điều kiện an toàn. Đầu tiên, hydro khi cháy có độ sáng ngọn lửa thấp, khó phát hiện bằng mắt thường, do đó đòi hỏi cần có hệ thống nhận biết ngọn lửa riêng. Thứ hai, khí hydro có thể khuếch tán qua các vòng đệm được coi là kín khí. Các hệ thống đệm làm kín đang sử dụng cho nhiên liệu khí hydrocacbon cần được thay thế bằng các loại đệm kín đặc biệt hoặc cần được hàn lại với nhau. Thứ ba, sự rò rỉ hydro có thể tạo ra rủi ro lớn về an toàn, do hydro là chất khí rất dễ bắt cháy. Hydro có thể cháy khi mật độ chỉ có 4% (so với 5% của khí mêtan), do đó đòi hỏi các quy trình và tiêu chuẩn an toàn khắt khe hơn cho các nhà máy, các khu vực chứa hydro.

Ngọn lửa hydro khó phát hiện bằng mắt thường (nguồn: GE Power)

Với những thách thức kể trên, và trong điều kiện khả năng sản xuất hydro trên toàn cầu còn ở mức thấp, phương pháp đang được sử dụng phổ biến hiện nay là hòa trộn khí hydro với các khí nhiên liệu khác (khí thiên nhiên NG) theo tỷ lệ nhất định để phù hợp hơn với thiết kế của tổ máy tuabin khí.

Tăng tốc hướng đến một “xã hội hydro”

Việc sản xuất các tuabin khí công nghiệp nặng dùng cho sản xuất điện ngày nay được chi phối bởi một vài nhà sản xuất chính như: General Electric (GE), Siemens, Mitsubishi Hitachi Power Systems (MHPS) và Ansaldo Energia. Với mục tiêu hướng đến sự phát triển năng lượng bền vững (không phát thải CO₂), các nhà chế tạo này đang tích cực phát triển các tổ máy tuabin khí có khả năng đốt nhiên liệu khí với hàm lượng hydro lên tới 100%.

MHPS - liên doanh giữa hai gã khổng lồ Nhật Bản Mitsubishi Heavy Industries và Hitachi – đã công bố sẽ theo đuổi kế hoạch của Chính phủ Nhật Bản để biến Nhật Bản trở thành một “xã hội hydro” vào năm 2050. Kế hoạch này được công bố sau trận động đất và sóng thần năm 2011 dẫn đến sự cố tại nhà máy điện hạt nhân Fukushima Daiichi.

Kể từ năm 1970, MHPS đã cho hoạt động 29 tổ máy tuabin khí với hàm lượng hydro trong nhiên liệu từ 30% đến 90%, đạt được tổng cộng hơn 3,5 triệu giờ vận hành thử nghiệm. MHPS hiện cũng đang thử nghiệm dự án chuyển đổi một trong ba tổ máy tại nhà máy điện chu trình hỗn hợp Magnum của Vattenfall ở Groningen, Hà Lan sang nhiên liệu hydro vào năm 2023. Dự án này sẽ cải tiến công nghệ đốt cháy của tuabin khí M701F với công suất 440 MW để có thể đốt 100% nhiên liệu hydro.

Nhà máy điện chu trình hỗn hợp Magnum của Vattenfall tại Hà Lan. (nguồn: MHPS)

MHPS sẽ phải đối mặt với sự cạnh tranh từ Siemens, hãng ước tính có thể hoàn thành công nghệ đốt khí hydro cho tổ máy có công suất từ 25 MW đến 50 MW trong vòng hai năm tới. Siemens đang phát triển các hệ thống vòi đốt và buồng đốt phát thải NOx thấp để có thể đốt nhiên liệu hydro ở nhiệt độ cao. Những cải tiến này cho phép Siemens hoàn thành một nguyên mẫu tuabin khí sử dụng 100% hydro vào giữa tháng Hai năm nay tại Đức.

Hãng sản xuất tuabin khí đến từ Ý - Ansaldo Energia, cũng đang đạt được nhiều thành tựu trong công nghệ nhiên liệu hydro qua các thử nghiệm đã chứng minh đốt cháy 100% hydro là có thể. Ansaldo Energia đã cung cấp các tuabin khí tiên tiến được thiết kế với khả năng sử dụng nhiên liệu là hỗn hợp khí thiên nhiên và khí hydro có hàm lượng hơn 30% như tuabin khí lớp F GT26 và tuabin khí lớp H GT36.

Trong khi đó, General Electric (GE) đã cung cấp các hệ thống đốt có khả năng hoạt động với mức hydro cao cho cả tuabin khí hạng nặng và tuabin khí dạng động cơ máy bay. Các tuabin khí dạng động cơ máy bay được thiết kế với buồng đốt kiểu vành có thể hoạt động với nhiều loại nhiên liệu trộn lẫn với hydro. GE cho biết đã có hơn 2.500 tổ máy tuabin khí được trang bị hệ thống đốt này. GE cũng đã phát triển hệ thống đốt cho hơn 1.700 tuabin khí hạng nặng để có thể sử dụng nhiên liệu có hàm lượng hydro cao hơn bao gồm vòi phun trên các tuabin khí lớp B và E, và buồng đốt cho các tuabin lớp E và F.

GE đang tham gia thực hiện một số dự án có sử dụng nhiên liệu với hàm lượng hydro rất cao: nhà máy lọc dầu Daesan ở Hàn Quốc sử dụng tuabin khí 6B.03 đã hoạt động với nhiên liệu hydro 70% trong vòng 20 năm. Nhà máy Fusina của ENEL ở Ý sử dụng tuabin khí GE-10 công suất 11.4 MW với nhiên liệu có hơn 97,5% hydro theo thể tích cũng đã được khánh thành và hoạt động từ 2010.

Thế giới ngày càng chú ý đến Hydro. Rõ ràng bước tiến lớn tiếp theo trong quá trình chuyển đổi sang mô hình năng lượng sạch sẽ dựa trên loại nhiên liệu có thành phần cấu tạo đơn giản này. Với các công nghệ tiên tiến đã và đang được thử nghiệm, bài toán sử dụng nhiên liệu hydro trên các tuabin khí đang dần tìm ra lời giải, giúp các nhà máy điện tuabin khí trở thành yếu tố then chốt trong nền kinh tế hydro tương lai.

Thực hiện: Phạm Đức Trung

Nguồn tham khảo:

1. Dr. Jeffrey Goldmeer. “Power to gas: Hydrogen for power generation”. General Electric Company. 02/2019.
2. “High-Volume Hydrogen Gas Turbines Take Shape”. POWER magazine. May 1, 2019. https://www.powermag.com/high-volume-hydrogen-gas-turbines-take-shape/
3. 'Hồi Chuông' đánh thức 'Nền Kinh Tế Hydro'. Nhi Đỗ. 07/2020. http://www.pecc2.com/Detail.aspx?isMonthlyNew=1&newsID=101458&MonthlyCatID=17&year=2020