Một nhóm nghiên cứu từ Viện Nghiên cứu Năng lượng Hàn Quốc (KIER) đã tiến hành phân tích kinh tế về điện phân nước, một công nghệ then chốt cho sản xuất hydro thân thiện với môi trường trong tương lai và đưa ra các chiến lược vận hành tối ưu để tối đa hóa hiệu quả và giảm chi phí. Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Energy Conversion and Management.
Khung khái niệm về Phân tích kinh tế kỹ thuật so sánh điện phân nước kiềm và PEM. Tín dụng: Viện nghiên cứu năng lượng Hàn Quốc
Hydro xanh, được coi là nhiên liệu thân thiện với môi trường quan trọng của tương lai, chủ yếu được sản xuất bằng hai công nghệ: điện phân nước kiềm và điện phân nước màng trao đổi proton (PEM). Trong số các công nghệ này, điện phân nước kiềm là công nghệ được thương mại hóa rộng rãi nhất vì nó cho phép sản xuất hydro với chi phí thấp, quy mô lớn. Tuy nhiên, nó đòi hỏi nguồn cung cấp điện cao và ổn định để vận hành, khiến việc kết hợp hiệu quả với các nguồn năng lượng tái tạo, thường tạo ra điện không liên tục, trở nên khó khăn.
Trong trường hợp điện phân nước PEM, hydro có thể được sản xuất ngay cả với nguồn cung cấp điện tương đối nhỏ, cho phép nó hoạt động chỉ bằng năng lượng tái tạo. Tuy nhiên, nhược điểm của nó bao gồm chi phí lắp đặt ban đầu cao và mức độ trưởng thành về công nghệ thấp hơn so với điện phân nước kiềm. Những thách thức này khiến việc xây dựng cơ sở hạ tầng sản xuất hydro xanh dựa trên chỉ một công nghệ trở nên khó khăn.
Để giải quyết vấn đề này, nhóm nghiên cứu đã tiến hành phân tích so sánh các đặc điểm kỹ thuật và tính khả thi về mặt kinh tế của điện phân nước kiềm và điện phân nước PEM, cuối cùng đưa ra các chiến lược vận hành tối ưu. Đặc biệt, họ đề xuất rằng cách tiếp cận hiệu quả nhất về mặt chi phí là sử dụng lưới điện hiện có làm nguồn điện bổ sung để cung cấp nguồn điện ổn định cho các hệ thống điện phân nước kiềm đang hoạt động.
Nếu không duy trì nguồn điện ổn định cho hệ thống điện phân nước kiềm, các chu kỳ khởi động và tắt máy lặp đi lặp lại có thể gây ra sự xuống cấp, làm giảm cả tuổi thọ và hiệu quả của hệ thống. Để khắc phục điều này, điều cần thiết là phải liên tục cung cấp điện bằng các nguồn phụ trợ như hệ thống lưu trữ năng lượng (ESS).
Tiến sĩ Joungho Park giải thích sự so sánh kinh tế của công nghệ điện phân nước. Tín dụng: Viện nghiên cứu năng lượng Hàn Quốc
Theo phân tích của nhóm nghiên cứu, khi sử dụng năng lượng tái tạo kết hợp với hệ thống lưu trữ năng lượng (ESS) làm nguồn điện dự phòng, chi phí sản xuất hydro ước tính lên tới 8,60 đô la một kg. Ngược lại, việc đảm bảo nguồn điện bổ sung từ lưới điện chạy bằng nhiên liệu hóa thạch hiện có có thể giảm chi phí xuống còn khoảng 6,60 đô la một kg.
Mặc dù hiện tại, việc liên kết với lưới điện hiện có là lựa chọn kinh tế hơn, nhưng cách tiếp cận này không giải quyết được các mối quan ngại về môi trường. Về lâu dài, nghiên cứu cho thấy việc giảm chi phí ESS và tăng tỷ lệ các nguồn điện không phát thải carbon—như sinh khối và năng lượng hạt nhân—sẽ rất cần thiết để đạt được cả tính bền vững về kinh tế và môi trường trong sản xuất hydro.
Đối với quá trình điện phân nước PEM, nhóm nghiên cứu đề xuất rằng việc áp dụng quá tải điện thực sự có thể cải thiện hiệu quả kinh tế. Điều này là do các hệ thống PEM có khả năng hoạt động quá tải, cho phép cung cấp điện năng vượt quá lượng cần thiết để tăng sản lượng hydro. Phân tích cho thấy rằng bằng cách tăng sản lượng năng lượng tái tạo và cung cấp gấp 1,5 lần công suất cần thiết, chi phí sản xuất hydro có thể giảm xuống mức thấp tới 5,80 đô la một kg.
Dựa trên những phát hiện này, nhóm nghiên cứu kết luận rằng điện phân nước PEM là lựa chọn phù hợp nhất trong môi trường có tỷ lệ năng lượng tái tạo cao và nguồn cung cấp điện ổn định. Trong những trường hợp khác, cách tiếp cận lý tưởng là kết hợp điện phân nước kiềm với lưới điện không có carbon.
Ngoài ra, nhóm nghiên cứu đã đề xuất một sự kết hợp sản xuất hydro dựa trên điện phân nước tối ưu phù hợp với bối cảnh năng lượng của Hàn Quốc. Dựa trên phân tích sử dụng dữ liệu khí tượng từ Đảo Jeju, nghiên cứu phát hiện ra rằng, trong tương lai, có thể đạt được nguồn cung cấp hydro ổn định với giá khoảng 4 đô la một kilôgam bằng cách kết hợp hệ thống điện phân nước 100 megawatt (MW) với 100 MW điện gió ngoài khơi và 100 MW điện mặt trời.
Tiến sĩ Joungho Park, người đứng đầu nghiên cứu tại KIER, cho biết: "Nghiên cứu này có ý nghĩa quan trọng vì nó phân tích rõ ràng những khác biệt về mặt kỹ thuật giữa điện phân nước kiềm và PEM và đưa ra các chiến lược thiết kế và vận hành tối ưu phù hợp với các môi trường năng lượng khác nhau.
"Chúng tôi hy vọng những phát hiện này sẽ đóng vai trò là tài liệu tham khảo có giá trị cho việc lựa chọn công nghệ và hướng dẫn các quyết định đầu tư khi xây dựng các hệ thống sản xuất hydro sử dụng năng lượng tái tạo trong tương lai."
Mời các đối tác xem hoạt động của Công ty TNHH Pacific Group.
FanPage: https://www.facebook.com/Pacific-Group
YouTube: https://www.youtube.com/@PacificGroupCoLt
