Cách Tạo Điện Năng mà Không Đốt Khí Tự Nhiên
Nhóm tại Sapphire Technologies đã phát triển thiết bị có khả năng tạo điện năng không phát thải carbon, tận dụng chênh lệch áp suất trong đường ống dẫn khí tự nhiên. Freddie Sarhan, CEO của Sapphire, là người đứng ở vị trí thứ sáu từ bên trái trong ảnh.
Sapphire Technologies
Trên toàn cầu, hàng triệu km đường ống truyền tải và phân phối đưa khí tự nhiên đến các thành phố, nhà máy và hộ gia đình. Khi khí trong các đường ống này bị đốt—dù là để quay tuabin khổng lồ hay để đun một ấm trà buổi chiều—CO₂ được thải ra khí quyển, làm gia tăng sự mất cân bằng trong chu trình carbon vốn đã bị rối loạn của hành tinh chúng ta.
Thật bất ngờ khi tôi biết rằng khí tự nhiên không nhất thiết phải bị đốt để tạo ra điện năng. Hai công ty Mỹ—Sapphire Technologies, một công ty tách ra từ một doanh nghiệp kỹ thuật ở Bờ Tây, và Anax Power, một công ty tư nhân ở Bờ Đông—đã hiện đại hóa một thiết bị công nghiệp gọi là turboexpander để biến đường ống dẫn khí tự nhiên thành các nhà máy điện mini không phát thải carbon.
Hãy tưởng tượng một quả bóng biển bật lên mạnh mẽ sau khi bạn nhấn nó xuống dưới nước. Cùng cơ chế đó xảy ra trong các đường ống khí tự nhiên; bất cứ khi nào áp suất khí giảm, chênh lệch áp suất có thể được dùng để sản xuất điện năng mà không cần đốt nhiên liệu.
Việc giảm đốt khí tự nhiên là cách hiệu quả nhất để giảm lượng CO₂ trong khí quyển. Tuy nhiên, vì xã hội vẫn tiếp tục sử dụng khí tự nhiên, một turboexpander duy nhất có thể tạo ra vài gigawatt điện mỗi năm.
Do turboexpander có thể được lắp đặt tại hàng trăm ngàn trạm giảm áp dọc theo các đường ống dẫn khí tự nhiên, một giám đốc trong ngành tin rằng công nghệ này có thể tạo ra tới một phần năm nhu cầu điện năng của Mỹ.
Tạo điện không phát thải carbon từ khí tự nhiên bằng “áp suất thừa”
Turboexpander được phát minh từ nhiều năm trước để thu hồi năng lượng tại các nhà máy hóa dầu. Bất cứ khi nào áp suất khí giảm—như khi khí tự nhiên chuyển từ đường ống truyền tải áp suất cao sang hệ thống phân phối áp suất thấp, hoặc khi LNG được dỡ xuống tại cảng—năng lượng được giải phóng. Turboexpander có thể khai thác sự thay đổi áp suất này để quay máy phát điện thay vì để năng lượng bị lãng phí.
Turboexpander được sử dụng rộng rãi trong các nhà máy hóa dầu, nơi điều kiện vận hành được kiểm soát chặt chẽ và thiết bị có thể được kiểm tra, bảo trì thường xuyên.
Ngược lại, đường ống hoạt động không ổn định—đôi khi khí chảy với áp suất cao, đôi khi thấp, và đôi khi không có khí. Các trạm giảm áp thường nằm ở những nơi xa xôi, khiến việc bảo trì thiết bị khó khăn hơn. Những yếu tố này đã dẫn đến thất bại của thử nghiệm máy phát turboexpander của một công ty đường ống lớn vào năm 2004.
[Hình ảnh minh họa thiết bị Sapphire turboexpander]
Các thiết bị màu xanh dương này là turboexpander của Sapphire, có khả năng tạo điện không phát thải carbon từ chênh lệch áp suất trong đường ống khí tự nhiên. Các tủ màu xám phía sau chứa hệ thống điện tử điều chỉnh việc cung cấp điện đến tải.
Sapphire Technologies và Anax Power đã hiện đại hóa turboexpander truyền thống bằng cách thay ổ bi cơ học bằng ổ bi từ, làm kín vỏ thiết bị và phát triển bộ điều khiển tốc độ biến thiên để thích ứng với thay đổi áp suất khí trong đường ống. Những cải tiến này giúp turboexpander hoạt động với tần suất bảo trì thấp hơn, chịu được điều kiện vận hành thay đổi và nâng cao an toàn.
Nhiều turboexpander có thể được lắp cùng nhau, mỗi thiết bị có khả năng tạo ra lượng điện đáng kể. Tuy nhiên, một hạn chế là điện năng tạo ra phải được phân phối tới nơi tiêu thụ, điều này trở thành thách thức, đặc biệt ở những địa điểm xa xôi, nơi xây dựng hạ tầng điện có thể rất tốn kém.
Giải quyết vấn đề phân phối điện
Đối với các công ty tạo điện mà không đốt khí tự nhiên, cả Sapphire và Anax đều giải quyết vấn đề phân phối điện bằng cách… không phân phối điện.
Các nhà phát triển không ngại xây dựng trung tâm dữ liệu tiêu thụ nhiều điện ở các khu vực xa xôi nơi có thể lắp turboexpander, vì vậy điện từ áp suất thừa có thể được sử dụng ngay. Nhiệt thải từ trung tâm dữ liệu có thể dùng để làm ấm các đường ống tại các trạm giảm áp, điều trước đây phải đốt một phần khí để làm nóng.
Anax đã xây dựng và lắp đặt một turboexpander ở vùng nông thôn Pennsylvania và đang tìm kiếm các hợp đồng lắp đặt thêm. Trong khi đó, Sapphire đã hợp tác với Tallgrass (công ty đường ống) và Evolve (nhà phát triển trung tâm dữ liệu) để thiết lập mạng lưới 72 trung tâm dữ liệu sử dụng turboexpander tại Mỹ.
Hai turboexpander, được lắp tại một cảng LNG ở Nhật Bản, cung cấp điện không phát thải carbon.
Nếu các trạm giảm áp nằm gần điểm nối điện, điện năng có thể được cung cấp lên lưới. Sapphire lắp đặt đơn vị đầu tiên tại Ý, nơi một trạm giảm áp gần đủ để cung cấp điện cho một thị trấn. Dự án thử nghiệm gần đây nhất, tại một cảng LNG ở Nhật Bản, cũng hoạt động theo cách tương tự.
Kinh doanh turboexpander
Mặc dù Sapphire và Anax đều giải quyết cùng một vấn đề với sản phẩm tương tự, Sapphire có vẻ tiến xa hơn trên con đường thương mại hóa.
Sapphire tách ra từ một công ty chuyên thiết kế và sản xuất các sản phẩm đặc thù hoặc sáng tạo, đặc biệt là thiết bị quay tốc độ cao và turbomachinery (ví dụ NASA sử dụng thiết bị lọc CO₂ trên Trạm Vũ trụ Quốc tế do công ty mẹ của Sapphire sản xuất).
Turboexpander ở Ý được xây dựng như dự án thử nghiệm cho một khách hàng lớn trong ngành dầu khí; khi dự án thành công, ban lãnh đạo thấy tiềm năng phát triển kinh doanh dựa trên thiết bị này. Sapphire được thành lập như một công ty riêng, hai giám đốc, bao gồm CEO Freddie Sarhan, được giao nhiệm vụ phát triển kinh doanh dựa trên sáng tạo này.
Năm 2021, Sapphire huy động 10 triệu USD trong vòng tài trợ Series A, bao gồm đầu tư từ Chevron, Equinor và Cooper & Company. Vốn ban đầu này giúp Sapphire phát triển công nghệ chủ lực và hoàn tất lắp đặt thử nghiệm tại cảng Nhật Bản.
Tiếp nối thành công, Sapphire huy động thêm 10 triệu USD trong Series B vào năm 2023 do Energy Capital Ventures dẫn đầu, với sự tham gia của Marathon Petroleum và các nhà đầu tư trước đó. Vốn này được sử dụng để tăng năng lực sản xuất và mở rộng thị trường, bao gồm hợp tác với Tallgrass và Evolve. Sarhan tin rằng công nghệ Sapphire có thể áp dụng ở mọi bước trong chuỗi vận chuyển khí tự nhiên: áp suất tại giếng phải được giảm trước khi vào hệ thống truyền tải và giảm lần nữa trước khi vào hệ thống phân phối.
Anax được tài trợ bởi nhóm nhà đầu tư cá nhân giàu có, và các linh kiện điện tử trên các "skid" turboexpander mô-đun của Anax phần lớn do Longo Electrical-Mechanical, công ty gia đình ở Đông Bắc Mỹ, cung cấp. Mike Longo, phụ trách phát triển kinh doanh tại Anax, cho biết một phần lợi ích kinh tế của dự án turboexpander tại Mỹ là các dự án này đủ điều kiện nhận Thuế đầu tư Liên bang (Federal Investment Tax Credits) để giảm chi phí vốn và điện năng tạo ra có thể nhận Giấy chứng nhận Năng lượng Tái tạo (Renewable Energy Credits), giúp hạ chi phí vận hành.
Công nghệ turboexpander của Sapphire Technologies và Anax Power mang đến cái nhìn về tương lai của việc thu hồi năng lượng trong ngành khí tự nhiên. Bằng cách chuyển áp suất khí dư thừa thành điện sạch, các công ty này giảm dấu chân carbon của đường ống khí tự nhiên đồng thời cung cấp nguồn điện ổn định. Khi cả hai công ty mở rộng triển khai, công nghệ của họ có thể đóng vai trò quan trọng trong quá trình chuyển đổi sang năng lượng sạch toàn cầu.
Các nhà đầu tư thông minh nên lưu ý.
