Các dự án hydro hạt nhân hỗ trợ quá trình chuyển đổi năng lượng sạch: Cập nhật về các sáng kiến quốc tế và hoạt động của IAEA
Điểm nổi bật
•
- Hydro được dự đoán sẽ là yếu tố thay đổi cuộc chơi trong cuộc chiến chống biến đổi khí hậu.
- Năng lượng hạt nhân đang ở vị thế thuận lợi để phục vụ nền kinh tế hydro đang phát triển.
- Một lò phản ứng hạt nhân công suất 1000 MW có thể sản xuất hơn 200.000 tấn H2 mỗi năm.
- Một số quốc gia đang xem xét các dự án trình diễn hydro hạt nhân.
- IAEA có nhiều nguồn lực sẵn có để sản xuất hydro hạt nhân.
Tóm tắt
Hydro được kỳ vọng sẽ là yếu tố thay đổi cuộc chơi trong cuộc chiến chống biến đổi khí hậu, có khả năng hỗ trợ quá trình chuyển đổi năng lượng sạch thông qua nhiều vai trò khác nhau: khử cacbon cho các ngành công nghiệp khó giảm thiểu khác nhau (như sản xuất thép, xi măng) và vận tải (trong các phương tiện đường dài, vận tải biển và hàng không), sử dụng trực tiếp làm nhiên liệu, nguyên liệu hóa học hoặc dưới dạng nhiên liệu tổng hợp và cung cấp khả năng tích hợp với các hệ thống năng lượng lai và năng lượng tái tạo, tăng cường lưu trữ năng lượng và khai thác toàn bộ tiềm năng của các nguồn năng lượng tái tạo. Do đó, dự kiến sẽ có sự mở rộng đáng kể trong sản xuất hydro do nhu cầu tăng vào năm 2050, với tất cả các thế hệ đến từ các quy trình không carbon (chu trình điện phân/nhiệt hóa học sử dụng điện và nhiệt sạch) hoặc từ quy trình sản xuất carbon thấp sử dụng cải cách khí mê-tan bằng hơi nước với thu giữ và lưu trữ carbon. Năng lượng hạt nhân có thể được tận dụng từ cả điện và nhiệt để cung cấp nguồn hydro sạch và đáng tin cậy thông qua nhiều quy trình khác nhau. Hiện nay, có nhiều dự án trình diễn đang được tiến hành ở một số quốc gia để giới thiệu việc sử dụng năng lượng hạt nhân để sản xuất hydro sạch, xem xét cả đội tàu lò phản ứng hiện tại và các lò phản ứng tiên tiến. Bài báo này cung cấp tổng quan về các dự án này, đưa ra cái nhìn sâu sắc về tiềm năng sử dụng năng lượng hạt nhân để sản xuất hydro và tình trạng hiện tại của các dự án hiện có. Bài báo cũng nêu bật các hoạt động của Cơ quan Năng lượng Nguyên tử Quốc tế về đánh giá kỹ thuật và kinh tế về sản xuất hydro bằng năng lượng hạt nhân để triển khai trong tương lai gần.
Giới thiệu
Hydro là một loại hóa chất hàng hóa đóng vai trò quan trọng trong nhiều ngành công nghiệp. Tính đến ngày nay, các ngành công nghiệp như lọc hóa dầu, sản xuất metanol và amoniac, cũng như sản xuất thép, cần lượng hydro lớn nhất, tổng cộng khoảng 70 Mt mỗi năm [1].1 Hydro được sản xuất gần như hoàn toàn từ nhiên liệu hóa thạch (khí tự nhiên: 48%; khí thải: 30%; than: 18%; điện phân nước: 4% [2]), dẫn đến lượng khí thải CO2 khoảng 830 triệu tấn mỗi năm [1,3]. Khoảng 6% khí đốt tự nhiên toàn cầu và 2% than toàn cầu cung cấp nguyên liệu cho sản xuất hydro cần thiết [1]. Là một loại nhiên liệu, hydro có hàm lượng năng lượng cao nhất theo trọng lượng (cao gấp 3 lần so với xăng) và việc sử dụng hydro không giải phóng bất kỳ carbon dioxide nào khi đốt cháy. Tuy nhiên, nó có thể có cường độ carbon cao ở thượng nguồn tùy thuộc vào nguồn năng lượng và nguyên liệu đầu vào được sử dụng để tạo ra nó. Hydro là nguyên liệu đầu vào quan trọng cho toàn bộ ngành công nghiệp hóa chất, bao gồm cả nhiên liệu lỏng. Ủy ban Chuyển đổi Năng lượng2 ước tính mức sử dụng hydro sẽ tăng gấp 5-7 lần so với mức hiện tại vào năm 2050 [4]. Thách thức mà các nhà hoạch định chính sách cần giải quyết là tìm ra các cơ chế hiệu quả để kích thích sản xuất hydro "sạch" mà không tạo ra khí thải nhà kính vì phần lớn hydro hiện nay đến từ nhiên liệu hóa thạch. Nhiên liệu hóa thạch vẫn chiếm thị phần lớn nhất trong sản xuất hydro vì mức tiêu thụ năng lượng trong quá trình này thấp hơn mức cần thiết cho quá trình điện phân nước [5] và chi phí sản xuất cũng thấp hơn. Công nghệ phổ biến nhất để tạo ra hydro (chiếm khoảng 76% lượng hydro được sản xuất [3]) là cải cách metan bằng hơi nước (SMR). Hydro cũng có thể được sản xuất bằng phương pháp khí hóa than và phương án này được đại diện tốt ở Trung Quốc, nơi có hơn 80% các nhà máy khí hóa than trên thế giới. Phương pháp này có chi phí sản xuất hydro thấp nhất [3]. Công nghệ SMR tạo ra 10 tấn CO2/1 tấn H2 trong khi khí hóa than tạo ra 19 tấn CO2/1 tấn H2.
Ngoài ra còn có các con đường khác để sản xuất hydro - chẳng hạn như nhiệt phân, chu trình nhiệt hóa học, phân hủy phóng xạ và quang phân - nhưng tình trạng phát triển công nghệ và kinh tế vẫn chưa đủ điều kiện để ứng dụng trên quy mô lớn.
Năng lượng hạt nhân được định vị thuận lợi để hỗ trợ nền kinh tế hydro mới nổi bằng cách cung cấp điện và nhiệt sạch. Sử dụng tất cả các công nghệ lò phản ứng hạt nhân hiện có cũng như các công nghệ mới nổi, hydro có thể được sản xuất với số lượng lớn bằng cách cải cách hóa học nhiên liệu hóa thạch và sinh khối, sử dụng nhiệt hạt nhân, bằng điện phân nước/hơi nước cũng như bằng các quy trình nhiệt hóa học (vẫn đang được phát triển), bằng cách sử dụng năng lượng hạt nhân và nhiệt hạt nhân. Bài báo này nhấn mạnh vai trò của hydro sản xuất bằng hạt nhân trong việc hỗ trợ quá trình chuyển đổi năng lượng sạch, với mục tiêu chính là nâng cao nhận thức trong cộng đồng hạt nhân mà còn vượt ra ngoài việc xem xét năng lượng hạt nhân trong số các nguồn năng lượng carbon thấp khác để hỗ trợ sản xuất hydro sạch.
Bên cạnh việc sử dụng như một sản phẩm hóa học, hydro có tiềm năng đáng kể, do tính linh hoạt của nó như một chất mang năng lượng, giúp xã hội đạt được tương lai năng lượng bền vững, khi xem xét việc tạo ra nó được thực hiện thông qua một nguồn năng lượng carbon thấp (như hạt nhân, các nguồn năng lượng tái tạo hoặc nhiên liệu hóa thạch với thu giữ, sử dụng và lưu trữ carbon (CCUS)). Thị trường hydro dự kiến sẽ tăng mạnh sau sự chuyển dịch sang "nền kinh tế hydro". Điều này có tầm nhìn cao hơn và sự ủng hộ chính trị mạnh mẽ hơn do tiềm năng khử cacbon cho một số lĩnh vực nhất định như giao thông vận tải với sự phát triển của các công nghệ như xe chạy bằng pin nhiên liệu.
Vào tháng 8 năm 2021, Ủy ban liên chính phủ về biến đổi khí hậu (IPCC) đã công bố một phần Báo cáo đánh giá thứ sáu [6] cảnh báo về nhu cầu hành động ngay lập tức để giảm mạnh lượng khí thải trên toàn thế giới. Nếu không có điều này, việc hạn chế sự nóng lên toàn cầu xuống còn 2 °C sẽ không thể thực hiện được. Hơn nữa, để đạt được con đường Net Zero cần phải triển khai rộng rãi tất cả các công nghệ năng lượng sạch hiện có và giảm mạnh việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch. Cuộc chạy đua giảm mạnh lượng khí thải nhà kính để đạt được các mục tiêu Net Zero đã dẫn đến việc cân nhắc nhiều hơn đến khái niệm về nền kinh tế năng lượng hydro, tức là sản xuất hydro theo cách thân thiện với môi trường và tiết kiệm chi phí, sau đó sử dụng hydro để lưu trữ năng lượng trong các hệ thống năng lượng lai cho phép tích hợp năng lượng tái tạo, để sưởi ấm trong các tòa nhà, cũng như hỗ trợ quá trình khử cacbon trong nhiều lĩnh vực, chẳng hạn như vận tải đường dài, công nghiệp hóa chất, sản xuất thép và sắt. Theo Hydrogen Council3 [7], tầm nhìn về hydro sẽ đạt được khoảng 20% lượng CO2 cần thiết để giảm vào năm 2050 thông qua các lĩnh vực ứng dụng khác nhau của nó.
Cơ quan Năng lượng Quốc tế dự đoán rằng các công nghệ đã có trên thị trường sẽ có tác động lớn nhất đến việc giảm lượng khí thải CO2 vào năm 2030, nhưng đến năm 2050, các công nghệ hiện đang ở giai đoạn trình diễn hoặc nguyên mẫu sẽ dẫn đến gần một nửa lượng giảm [8]. Dự đoán của họ chỉ ra rằng đến năm 2040, điện sẽ trở thành cốt lõi của hệ thống năng lượng, đòi hỏi phải tăng đáng kể tính linh hoạt của các hệ thống điện bao gồm nguồn cung cấp pin và nhiên liệu hydro đáng tin cậy. Các loại nhiên liệu này sẽ trở nên quan trọng trong các lĩnh vực mà điện không thể dễ dàng hoặc kinh tế thay thế nhiên liệu hóa thạch hoặc với nguồn nhiên liệu sinh học hạn chế, chẳng hạn như trong hàng không, vận tải biển và vận tải đường dài, sản xuất sắt thép, sản xuất hóa chất, nhiệt công nghiệp nhiệt độ cao và sưởi ấm tòa nhà [1].
Việc sử dụng năng lượng tái tạo để sản xuất hydro xanh nhận được sự chú ý tối đa trong hầu hết các chính sách liên quan đến năng lượng và các thỏa thuận xanh ở cấp quốc gia hoặc khu vực. Đó là cơ sở để công bố một số chiến lược hydro xanh quốc gia trong vài năm qua. Nhưng vai trò bổ sung của năng lượng hạt nhân để sản xuất hydro xanh hàng loạt thông qua các cơ sở sản xuất tập trung cho đến nay vẫn là chủ đề ít được quan tâm và phân tích. Nghiên cứu này cố gắng giải quyết vấn đề thiếu hụt này. Với sự hồi sinh của các chương trình năng lượng hạt nhân ở một số quốc gia và tiềm năng đưa năng lượng hạt nhân vào phân loại tài chính bền vững, ứng dụng năng lượng hạt nhân khả thi này cũng có khả năng được chú trọng hơn trong tương lai gần. Giống như sự kết hợp năng lượng đa dạng sử dụng tất cả các nguồn năng lượng carbon thấp là một phần cần thiết của hành động ứng phó với biến đổi khí hậu, một cách tiếp cận tương tự để phát triển các vectơ năng lượng carbon thấp hoặc không carbon mới như hydro cũng là điều cần thiết. Nghiên cứu này tóm tắt tình hình hiện tại trong sản xuất hydro carbon thấp và xem xét khả năng sử dụng năng lượng hạt nhân để hỗ trợ các công nghệ này.
Các diễn biến quốc gia khác nhau trong lĩnh vực này được nêu bật và các hoạt động cụ thể do Cơ quan Năng lượng Nguyên tử Quốc tế (IAEA) thực hiện để hỗ trợ các Quốc gia Thành viên (MS) được phản ánh. Bài báo này nhằm mục đích cung cấp tổng quan về các bản cập nhật hydro hạt nhân hiện tại cho nhiều bên liên quan trong lĩnh vực này.
Trích đoạn phần
Các lựa chọn công nghệ đã hoàn thiện
Cải cách khí mê-tan bằng hơi nước. Hiện nay, công nghệ thương mại được sử dụng rộng rãi nhất để sản xuất hydro là thông qua cải cách khí mê-tan bằng hơi nước. Mê-tan từ khí thiên nhiên được đốt bằng hơi nước, dưới áp suất 3–25 bar, thường có chất xúc tác, để tạo ra hỗn hợp cacbon monoxit và hydro có thể được sử dụng làm nhiên liệu và trong quá trình tổng hợp các hợp chất hữu cơ.
Điện phân nước ở nhiệt độ thấp. Con đường duy nhất đã trưởng thành về mặt kỹ thuật-thương mại để sản xuất hydro quy mô lớn ngoài quy trình này
Tiềm năng sử dụng năng lượng hạt nhân trong sản xuất hydro
Quan tâm đến sản xuất hydro hạt nhân
đang phát triển trên phạm vi quốc tế do tiềm năng của năng lượng hạt nhân trong việc cung cấp điện và nhiệt để tổng hợp hydro theo cách bền vững, ít carbon và hiệu quả về mặt chi phí. Một lò phản ứng hạt nhân 1000 MW có thể sản xuất hơn 200.000 tấn hydro mỗi năm [15]. Có rất nhiều lý do tại sao hạt nhân nên được xem xét và khuyến khích trong các chiến lược hydro, đặc biệt là đối với các quốc gia đã có cơ sở hạ tầng hạt nhân hoặc đang xem xét
Các dự án hydro hạt nhân trên toàn thế giới
Theo Hội đồng Hydrogen, hiện có hơn 30 quốc gia có lộ trình hydro và 359 dự án hydro quy mô lớn được công bố trên toàn chuỗi giá trị [21], với hơn 80% nằm ở Châu Âu, Châu Á và Úc [22]. Hơn 30 quốc gia có các chiến lược hydro cụ thể với Châu Âu là trung tâm phát triển hydro, chiếm hơn 50% các dự án đã công bố và ước tính đầu tư 130 tỷ đô la [21].
Tổng quan toàn diện về các dự án hydro trên toàn thế giới, trong
Những thách thức liên quan đến sản xuất hydro hạt nhân và nhu cầu ngành công nghiệp hạt nhân phải chuyển động với tốc độ nhanh hơn
Sản xuất hydro hạt nhân không phải là một khái niệm mới, nhưng nó có một số thách thức cần được giải quyết và giải quyết trong ngắn hạn và trung hạn (có khả năng trong thập kỷ này), chứng minh tính khả thi và cho phép chuyển sang sản xuất quy mô thương mại nếu hạt nhân đóng vai trò trong sản xuất hydro cho quá trình chuyển đổi năng lượng sạch. Tổng quan được trình bày trong bài báo này chỉ ra rằng các dự án như vậy đang tiến triển và có triển vọng trên toàn thế giới để xem xét vai trò của
Điểm nổi bật về các hoạt động của IAEA để hỗ trợ sản xuất hydro hạt nhân
IAEA đã phát triển nhiều nguồn lực khác nhau để sản xuất hydro, bao gồm.
- Các công cụ miễn phí tải xuống, dễ cài đặt và sử dụng, và được cập nhật thường xuyên:
Máy tính Hydrogen5 có thể được áp dụng để đánh giá sơ bộ nhanh chóng về chi phí sản xuất hydro bằng nhiều công nghệ khác nhau (như điện phân nhiệt độ thấp và cao, tách nước nhiệt hóa học và cải cách khí mê-tan bằng hơi nước), dựa trên
Tóm tắt và kết luận
Ở nhiều khu vực trên thế giới, nền kinh tế hydro đang trở nên rõ ràng hơn và được chính phủ hỗ trợ nhiều hơn. Thông qua các trụ cột công việc chính của mình - bảo vệ hạt nhân, an toàn và an ninh hạt nhân và sử dụng công nghệ hạt nhân vì mục đích hòa bình, IAEA hỗ trợ nhiều hoạt động khác nhau về sản xuất hydro hạt nhân, nhằm mục đích cung cấp chuyên môn kỹ thuật, cơ chế chuyên dụng và công cụ cho các quốc gia thành viên đang xem xét sản xuất hydro hạt nhân trong các chiến lược quốc gia của họ về phi cacbon hóa
Tuyên bố về lợi ích cạnh tranh
Các tác giả tuyên bố rằng họ không có lợi ích tài chính cạnh tranh hoặc mối quan hệ cá nhân nào có thể ảnh hưởng đến công việc được báo cáo trong bài báo này.
Lời cảm ơn
Tác giả xin cảm ơn những hiểu biết sâu sắc và đánh giá có giá trị của bài báo này do cô Rupsha Bhattacharyya, Trung tâm nghiên cứu nguyên tử Bhabb, Bộ năng lượng nguyên tử, Ấn Độ cung cấp.
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
