Bài toán năng lượng khó của ngành công nghiệp nặng

Kịch bản Phát triển Bền vững của Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IEA) và Thỏa thuận chung Paris về Biến đổi khí hậu vào năm 2015 đã nêu ra các mục tiêu rất quan trọng về giảm phát thải khí nhà kính CO2 ra môi trường. Nội dung này thúc đẩy nhu cầu cấp thiết đối với việc giảm phát thải CO2 với các ngành công nghiệp nặng.

Trong khi các lĩnh vực như sản xuất điện và xây dựng có thể giảm lượng khí thải tương đối dễ dàng bằng cách điện khí hóa (thay thế khí đốt tự nhiên bằng các giải pháp sử dụng năng lượng tái tạo) thì khu vực công nghiệp nặng vẫn còn gặp nhiều trở ngại cho nhiệm vụ này. Hiện tại cũng có một số phương pháp để giảm phát thải như gia tăng hiệu quả sử dụng nguyên liệu, tái chế, sử dụng nhiên liệu sinh khối và áp dụng các quy trình sản xuất hoàn toàn mới. Tuy nhiên, phương pháp giúp giảm phát thải trong ngành công nghiệp nặng được ưa chuộng nhất hiện nay chính là sử dụng nhiên liệu hydro.

Vào năm 2018, Công ty tư vấn năng lượng Châu Âu AFRY (trước đây là Pöyry) đã thực hiện nghiên cứu: “Giảm phát thải cacbon hoàn toàn trong hệ thống năng lượng của Châu Âu vào năm 2050”. Nghiên cứu đã đưa ra một kết luận vô cùng quan trọng rằng hydro là “chìa khóa để giảm phát thải cacbon sâu”. Điều này cũng do việc gia tăng mức độ điện khí hóa luôn đi kèm với các rủi ro tiềm ẩn của việc phụ thuộc vào các yếu tố như điện sinh khối, điện hạt nhân, hiệu suất sử dụng năng lượng, phát triển hệ thống lưới điện…

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”). Trong đó, hydro xám và hydro lam đều được sản xuất từ phương pháp nhiệt hóa khí tự nhiên. Tuy nhiên quá trình sản xuất hydro xám cũng đi kèm với phát thải CO2 còn hydro lam sẽ trải qua quá trình thu hồi và lưu trữ CO2 (Carbon Capture and Storage – CCS). Hydro xanh là sản phẩm thu được từ quá trình điện phân nước bằng năng lượng tái tạo thân thiện với môi trường.

Các phương pháp sản xuất hydro. (Nguồn: Pembina.org)

Như vậy, tương lai của lĩnh vực khí đốt tự nhiên sẽ phụ thuộc rất nhiều vào phương pháp sản xuất hydro nào được sử dụng và mức độ hiệu quả của hệ thống CCS. Trong tài liệu Triển vọng Năng lượng Thế giới (World Energy Outlook) mới được công bố, Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IEA) đã đưa ra dự đoán rằng các ngành công nghiệp nặng sẽ có mức tiêu thụ khí đốt ngày càng cao và sẽ có vai trò quan trọng đối với sự phát triển của ngành khí đốt tự nhiên trong tương lai.

Để CCS trở nên khả thi, mức giá CO2 sẽ cần phải cao hơn nhiều so với hiện nay. Do đó vẫn chưa có nhiều dự án thương mại cho hệ thống CCS. Tuy nhiên, khu vực năng lượng đang dần tham gia mạnh mẽ hơn vào CCS với sự hỗ trợ từ các chính phủ. Vào tháng 10 năm nay, BP, Eni, Shell, Total, Equinor và Northern Grid đã công bố chương trình Quan hệ Đối tác Phương Bắc (Northern Endurance Partnership) để phát triển các cơ sở hạ tầng sử dụng CCS ở Biển Bắc.

Trước đó, vào tháng 7 năm 2020, dự án quy mô lớn Northern Lights CCS đã được cung cấp một khoản tài trợ lớn từ phía chính phủ Na Uy. Các dự án CCS khác ở Anh và Hà Lan cũng đang được tiến hành. Sự quan tâm đến các dự án CCS cũng đang ngày càng tăng lên tại thị trường Bắc Mỹ.

Sự lên ngôi của Hydro lam

Câu hỏi đặt ra hiện nay là các ngành công nghiệp sẽ thực hiện việc chuyển đổi sang nhiên liệu hydro như thế nào. Hans Grünfeld, Giám đốc điều hành của Hiệp hội các ngành công nghiệp nặng Hà Lan (VEMW), cho biết: “Các ngành công nghiệp nặng của Hà Lan tin rằng hydro là cần thiết để giảm thiểu phát thải cacbon. 70% năng lượng chúng ta sử dụng đến từ khí đốt tự nhiên. Điện khí hóa 100% là điều không tưởng. Hydro đã khử cacbon cũng là nguyên liệu không thể thiếu cho một loạt các quá trình xử lý công nghiệp trong lĩnh vực hóa chất và thép”.

Grünfeld cũng cho biết thêm: “Hydro lam là một phần của giải pháp. Có nhiều nhà máy sản xuất hydro từ điện phân nước đã được lên kế hoạch nhưng chúng không thể thành hiện thực và không thể cung cấp lượng hydro cần thiết. Hydro xanh có thể được nhập khẩu từ nơi khác, nhưng công nghệ vận chuyển hydro lỏng chưa sẵn sàng. Hydro cũng có thể được vận chuyển dưới dạng amoniac nhưng quá trình này gây tốn kém và tổn thất năng lượng. Do đó, hydro lam là con đường hiển nhiên đối với chúng tôi”. Grünfeld cũng cho rằng ngành công nghiệp nặng đang ở trong tình trạng rất khó khăn vào lúc này do các mục tiêu khí hậu vào năm 2030 đang đến rất gần.

Công tắc chuyển đổi cho cỗ máy cồng kềnh

Grünfeld lưu ý rằng một trong những thách thức đối với ngành công nghiệp nặng đó là để giảm phát thải cacbon, không chỉ đơn giản là việc gia tăng sử dụng năng lượng tái tạo. Để giảm phát thải, các quá trình công nghiệp phải đối mặt với một công tắc chuyển đổi, làm thay đổi hoàn toàn quy trình sản xuất của mình trong khi chưa chắc chắn đạt được hiệu quả: “Trong hóa chất, hóa dầu và các ngành công nghiệp khác, bạn có các chuỗi giá trị tích hợp, nơi sản phẩm đầu ra của một quá trình chính là nguyên liệu cho quá trình tiếp theo. Bạn không thể đơn giản thay đổi một trong những quy trình này. Chúng phải được thay đổi cùng nhau. Trên thực tế, bạn phải xây dựng một chuỗi giá trị hoàn toàn mới”.

Grünfeld cho biết đây là lý do tại sao ngành công nghiệp nặng Hà Lan đang áp dụng cách tiếp cận dựa trên các cụm công nghiệp: “Hà Lan có 5 cụm công nghiệp lớn, bao gồm khu vực cảng Rotterdam và Amsterdam. Tất cả các cụm này vào tháng 10 năm 2020 đã đệ trình một kế hoạch tổng hợp để giảm phát thải khí nhà kính vào năm 2030, phù hợp với các mục tiêu quốc gia”.

Mặc dù tất cả các cụm đều có cách tiếp cận riêng nhưng chúng đều dựa ít nhất một phần vào việc sử dụng hydro, cả lam và xanh. Ví dụ, khu vực Rotterdam, cảng lớn nhất Châu Âu và là một trong những trung tâm công nghiệp lớn nhất của Châu Âu, đã vạch ra kế hoạch thay thế dầu và khí đốt trong các quy trình công nghiệp và nhiên liệu hóa thạch trong ngành công nghiệp hóa chất bằng điện, nhiên liệu sinh khối và hydro. Hydro lam cùng với CCS đóng một vai trò quan trọng trong kế hoạch này - nhưng hydro xanh cũng vậy. Một vài nhà máy điện phân nước sẽ được xây dựng trong những năm tới, bao gồm một nhà máy công suất 200 MW tại cơ sở lọc dầu của Shell ở Rotterdam chạy bằng năng lượng gió ngoài khơi mà Shell đang phát triển ở Biển Bắc.

Trận chiến ở phía trước

Việc lựa chọn sử dụng hydro lam hay xanh cũng sẽ phụ thuộc vào chính sách của từng nước. Một ví dụ về một quốc gia đang sản xuất hydro xanh là Chile. Tại thời điểm này, khí tự nhiên vẫn đóng một vai trò quan trọng trong việc cung cấp năng lượng cho Chile. Johan Dreyer, Chuyên gia năng lượng và Giám đốc liên doanh tại công ty khai thác khoáng sản Chile GNA cho biết. “Chile đang có khả năng dư thừa sản lượng điện từ năng lượng tái tạo với 5 GW từ các dự án đang được xây dựng và 46 GW đang trong các giai đoạn lập quy hoạch và phát triển khác nhau. Sản xuất hydro xanh và amoniac một giải pháp lý tưởng cho tình trạng dư thừa này về lâu dài”.

Chile dự kiến ​​sẽ có ba làn sóng phát triển khi công bố chiến lược hydro vào đầu tháng 11. “Đầu tiên sẽ là thúc đẩy nhu cầu và hệ thống cung cấp hydro xanh tại chỗ, đặc biệt là cho các ngành công nghiệp lọc dầu và amoniac. Chile đặt mục tiêu lắp đặt 5GW công suất nhà máy điện phân nước vào năm 2025, theo đó chính phủ đã công bố gói hỗ trợ 50 triệu USD cho các dự án hydro xanh. Làn sóng thứ hai chủ yếu sẽ là các giải pháp vận chuyển hydro cũng như xuất khẩu amoniac xanh đầu tiên vào năm 2030. Vào đầu năm 2030, làn sóng thứ ba sẽ chứng kiến ​​Chile nằm trong số ba nhà xuất khẩu amoniac và hydro xanh toàn cầu bởi chi phí sản xuất cạnh tranh nhất thế giới (<1.5$/kg)”.

Hai dự án hydro xanh đầu tiên ở Chile đã được công bố vào tháng 10 năm ngoái, đầu tiên là dự án Hyex, hiện đang được phát triển bởi liên danh Engie-Enaex ở hoang mạc Atacama, dự kiến ​​sẽ sản xuất amoniac xanh vào năm 2024. Thứ hai là dự án Highly Innovative Fuels (HIF) ở Patagonia, hiện đang được phát triển bởi liên danh AME-ENAP-EGP- Siemens-Porsche và đặt mục tiêu sản xuất nhiên liệu xanh dựa trên hydro vào năm 2022.

Cả hydro xanh và lam đều có cơ hội trong các lĩnh vực công nghiệp nặng. Tuy nhiên có nhiều vấn đề phức tạp cần xem xét, dẫn đến nhu cầu, công nghệ sản xuất và giá cả của hydro lam và hydro xanh sẽ khác nhau theo từng vùng. Sự phát triển của hydro lam và công nghệ CCS còn phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố. Tuy nhiên hydro xanh cũng như điện khí hóa cũng đang gặp phải những thách thức tương tự. Đây chính là thời điểm vàng để phát triển CCS. Thực tế là nhiều dự án CCS đã được công bố cho các ứng dụng như điện rác, sản xuất xi măng và nhiệt hóa sử dụng hơi nước và mêtan (steam methane reforming).

Các nghiên cứu hiện nay chủ yếu tập trung vào việc sử dụng hydro để cung cấp năng lượng, trong khi sử dụng hydro làm nguyên liệu cho các quá trình công nghiệp hóa là một hướng đi an toàn hơn lại thường bị coi nhẹ. Vai trò này của hydro cũng có thể giúp phát triển tương lai của ngành công nghiệp khí đốt tự nhiên.

Thực hiện: Phạm Đức Trung

Nguồn tham khảo:

(1)  Karel Beckman. “Cleaning up heavy industry: how gas and hydrogen will help”. Global voice of gas. Issue 02. Vol 01. THE INTERNATIONAL GAS UNION. 2020

(2) '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