Cách vận chuyển và lưu trữ hydro

Cách vận chuyển và lưu trữ hydro

    Chúng ta cần xem xét không chỉ việc sản xuất và sử dụng—cách chúng ta lưu trữ và vận chuyển hydro ảnh hưởng đến cả lượng khí thải và chi phí.

    Adria Wilson
    GIÁM ĐỐC, CHÍNH SÁCH VÀ ỦNG HỘ MỸ, NĂNG LƯỢNG ĐỘT PHÁ

    Sâu dưới lòng đất ở Delta, Utah, hai hang muối rỗng khổng lồ đang được trang điểm. Đủ lớn để chứa 4,5 triệu thùng dầu, những không gian trống rộng lớn này đang được chuyển đổi thành cơ sở lưu trữ hydro sạch lớn nhất quốc gia. Được gọi là Trung tâm lưu trữ năng lượng sạch tiên tiến , nó sẵn sàng chứng minh quy mô và triển vọng của việc lưu trữ hydro (dưới lòng đất) địa chất.

    Chúng ta đã nói về đầu tư của khu vực công và tư nhân đổ vào hydro và nhiều cách khác nhau để sản xuất và sử dụng hydro . Trong bài đăng này, tôi sẽ tập trung vào lưu trữ và vận chuyển, hai bước quan trọng không kém—nhưng thường bị bỏ qua—trong hệ thống hydro. Bởi vì chúng ta không chỉ cần xem xét việc sản xuất và sử dụng—cách chúng ta lưu trữ và vận chuyển hydro ảnh hưởng đến cả lượng khí thải và chi phí.

    Tôi thích nghĩ về hydro sạch như một cuộc phiêu lưu do chính bạn lựa chọn.

    Chính tính linh hoạt của hydro với tư cách là chất mang năng lượng đã khiến nó trở thành một công cụ mạnh mẽ như vậy trong bộ công cụ khử cacbon của chúng tôi. Nó đặc biệt có giá trị khi không có lựa chọn thay thế hợp lý nào khác tồn tại, chẳng hạn như các quy trình công nghiệp mà bạn không thể dễ dàng điện khí hóa hoặc nơi bạn cần nó làm nguyên liệu. Giải quyết cách phát thải thấp nhất, chi phí thấp nhất để đưa hydro vào những mục đích sử dụng đó có nghĩa là bạn phải xem xét cách bạn sử dụng nó, bạn đang sử dụng nó cách xa nơi sản xuất nó bao xa và bạn sẽ cần sử dụng trong bao lâu trong tương lai Nó. Những yếu tố đó sẽ quyết định cách nó được vận chuyển và lưu trữ, và nói rộng ra, nó sẽ ở dạng nào trên hành trình đó từ sản xuất đến sử dụng.

    Có nhiều tùy chọn để xây dựng phần giữa của hành trình này, hay còn gọi là “chuỗi giá trị”, được minh họa ở dạng đơn giản hóa bên dưới (để xem sơ đồ kỹ lưỡng hơn, hãy xem Hình 4 tại đây).

    Như bạn có thể thấy, các tùy chọn vận chuyển và lưu trữ có thể yêu cầu thay đổi trạng thái vật lý của hydro từ chất khí sang chất lỏng hoặc chất rắn, nén hoặc chuyển đổi hóa học thành chất mang khác. Những biến đổi này có thể làm cho việc chứa và di chuyển hydro dễ dàng hơn vì nói chung, ở dạng khí, hydro nhẹ hơn không khí và không đậm đặc năng lượng theo thể tích. Tuy nhiên, việc chuyển đổi, vận chuyển và lưu trữ không phải là không có sự đánh đổi, vì mỗi bước mới hoặc dạng phức tạp trong quy trình đều tăng thêm chi phí. Hãy đi sâu vào các tùy chọn.

    Có một số cách để vận chuyển hydro.

    xe tải

    Hydro có thể được vận chuyển bằng xe tải theo một trong hai cách: thông qua xe chở chất lỏng hoặc bằng “xe kéo ống ” có bình chứa khí nén. Vận tải đường bộ là một lựa chọn linh hoạt để cung cấp hydro cho các khu vực có nhu cầu vẫn đang phát triển. Đó cũng là cách các phòng thí nghiệm và các cơ sở khác yêu cầu khối lượng nhỏ hơn nhận hydro ngày nay. Tuy nhiên, chỉ một khối lượng hạn chế có thể vừa với một chiếc xe tải và tất nhiên những chiếc xe tải này cần có nhiên liệu riêng để tự di chuyển hydro.

    đường ống

    Đường ống phù hợp nhất để cung cấp hydro sạch cho người dùng cuối có nhu cầu lớn và ổn định, chẳng hạn như nhà máy thép, trên một khoảng cách dài. Mặc dù chúng tôi chưa biết chúng tôi sẽ cần bao nhiêu công suất đường ống để hỗ trợ việc sử dụng hydro như một công cụ khử cacbon ở Hoa Kỳ, nhưng chúng tôi biết rằng việc tái sử dụng cơ sở hạ tầng khí đốt tự nhiên hiện có cho hydro là không cần thiết vì hydro có xu hướng làm suy giảm các đường ống không được thiết kế đặc biệt cho Nó. Tuy nhiên, IEA gợi ý rằng một khi đi vào hoạt động, các đường ống là một cách cạnh tranh về chi phí để vận chuyển hydro ở khoảng cách xa lên tới 5000 km.

    Tàu thuyền

    Trên những khoảng cách thậm chí còn xa hơn, việc di chuyển hydro ở dạng lỏng nào đó (nhiều hơn một chút) bằng tàu có thể là kinh tế. Chuyến vận chuyển hydro lỏng đường dài đầu tiên trên thế giới đã được hoàn thành vào năm ngoái, có thể là bước đầu tiên trong việc xây dựng chuỗi cung ứng hydro sạch toàn cầu. Chi phí và việc sử dụng năng lượng vẫn còn cao, và còn lâu mới chắc chắn rằng chúng ta sẽ vận chuyển hydro ở dạng tinh khiết; Cơ quan Năng lượng Tái tạo Quốc tế ước tính rằng gần một nửa lượng hydro được giao dịch giữa các quốc gia vào năm 2050 sẽ ở dạng amoniac .

    Vẫn còn rất nhiều câu hỏi về việc chúng ta sẽ cần vận chuyển hydro bao xa và ở dạng nào. Nhưng trong ngắn hạn, khi chúng ta học hỏi từ những nỗ lực đầu tiên để sử dụng hydro theo những cách mới, việc duy trì sản xuất và sử dụng hydro ở mức gần sẽ tốt hơn ở giai đoạn đầu này vì nó sử dụng ít năng lượng hơn và tốn ít tiền hơn. Đó là lý do tại sao chiến lược mở rộng quy mô hydro của Bộ Năng lượng tập trung vào các trung tâm khu vực. Vào cuối ngày, chúng ta có thể sẽ thấy sự kết hợp của tất cả những điều trên.

    Có bốn cách chính để lưu trữ hydro.

    lưu trữ địa chất

    Hydro có thể được lưu trữ dưới dạng khí dưới lòng đất trong các hang muối rỗng, tầng ngậm nước cạn kiệt hoặc các mỏ dầu khí đã ngừng hoạt động. Trên thực tế, đã có tiền lệ lưu trữ khí dưới lòng đất như thế này từ lâu. Làm như vậy được gọi là lưu trữ "địa chất" và đó là một lựa chọn lý tưởng để lưu trữ hydro trong thời gian dài, cần thiết cho lưu trữ năng lượng theo mùa. Đây là một trong những lựa chọn rẻ nhất và có quy mô lớn nhất hiện nay, nhưng không phải ở đâu cũng có.

    Khí nén

    Giống như bất kỳ loại khí nào, hydro có thể được nén và lưu trữ trong các thùng chứa. Nhưng hydro đòi hỏi bình áp suất rất cao chứa một lượng năng lượng hạn chế. Cho dù chúng ta đang nói về xe tăng trên mặt đất hay xe tải ống, khí nén là một trong những lựa chọn tốn kém nhất và ít tốn năng lượng nhất mà chúng ta có ngày nay, nhưng nó cũng là một trong những lựa chọn đơn giản nhất.

    Lưu trữ chất lỏng và đông lạnh (Hoặc lưu trữ trong giai đoạn khác)

    Hydrogen đậm đặc năng lượng hơn nhiều dưới dạng chất lỏng. Nhược điểm là để đạt được điều đó có nghĩa là làm mát nó đến gần độ không tuyệt đối, đòi hỏi năng lượng đáng kể và các thùng cách nhiệt phức tạp. Trong lịch sử, điều này chỉ có ý nghĩa đối với du hành vũ trụ dưới dạng nhiên liệu tên lửa, nhưng có thể được sử dụng để vận chuyển đường dài. Nhóm Nghiên cứu sinh năng lượng đột phá Verne đang phát triển một phương pháp làm cho hydro đông lạnh trở nên kinh tế hơn để lưu trữ hydro làm nhiên liệu cho xe tải và tàu hạng nặng.

    Như đã đề cập ở trên, hydro cũng có thể được chuyển đổi thành chất mang lỏng như amoniac , có mật độ năng lượng cao hơn và cơ sở hạ tầng toàn cầu phát triển vì nó đã được sử dụng để sản xuất phân bón và hóa chất.

    Lưu trữ tài liệu

    Hydro cũng có thể được liên kết hóa học với các vật liệu đóng gói khí hydro dày đặc hơn thông qua một quá trình gọi là hấp phụ, mặc dù chúng ta cần nhiều R&D hơn để hiểu chi phí và khả năng mở rộng.

    Dưới đây là một bản phác thảo đơn giản về quá trình biến điện năng thành hydro, lưu trữ và sau đó chuyển đổi thành điện năng. Biến điện năng thành hydro chỉ để tạo ra điện trở lại là không hiệu quả, vì vậy làm như vậy chỉ có ý nghĩa trong một số ứng dụng – như lưu trữ năng lượng theo mùa hoặc cung cấp nhiên liệu cho pin nhiên liệu, chẳng hạn như cho vận tải hạng nặng và hàng không.

    Hydrogen đặt ra một vài thách thức lớn.

    Các tùy chọn vận chuyển và lưu trữ ở trên sẽ ngày càng rẻ hơn và hiệu quả hơn khi chúng tôi thực hiện chúng nhiều hơn. Nhưng phân tử kỳ diệu này và các hệ thống phức tạp mà nó yêu cầu đều đặt ra những thách thức độc đáo.

    Đầu tiên, hydro hoạt động khác với các loại nhiên liệu khác. Nó dễ cháy hơn khí đốt tự nhiên —và ngọn lửa gần như vô hình, cần có các cảm biến đặc biệt.

    Và bởi vì các nguyên tử hydro quá nhỏ nên chúng có thể thấm vào một số vật liệu, khiến chúng trở nên giòn và gây ra các vết nứt và rò rỉ. Điều đó làm cho việc lựa chọn vật liệu phù hợp cho bể chứa và đường ống là vô cùng quan trọng . Tuy nhiên, có những phương pháp hay nhất cho phép ngành công nghiệp hiện tại sử dụng hydro một cách an toàn. Chúng tôi chỉ cần đảm bảo rằng các giao thức mới được phát triển để đáp ứng các trường hợp sử dụng mới.

    Ngoài việc tối đa hóa sự an toàn và giảm thiểu rủi ro, chúng ta cần nghiên cứu thêm về rò rỉ hydro và các tác động khí hậu của nó. Hydro có thể gián tiếp đóng vai trò là khí nhà kính nếu được thải vào khí quyển bằng cách kéo dài thời gian phát thải khí mê-tan và hiện tại chúng tôi không có dữ liệu chính xác về lượng hydro rò rỉ và từ đâu. Mặc dù vậy, phân tích cho thấy rằng việc sử dụng hydro sạch thay vì nhiên liệu hóa thạch dẫn đến lượng khí thải tổng thể thấp hơn nhiều trong thời gian ngắn, ngay cả khi xảy ra rò rỉ hydro, khiến nó trở thành lựa chọn tốt hơn (dành cho những người mọt sách muốn xem dữ liệu, hình nàycho thấy lượng khí thải liên quan đến hydro thấp hơn nhiều so với nhiên liệu hóa thạch và cách chúng nhanh chóng giảm xuống 0 - lượng khí thải liên quan đến hydro “xanh” ở đây bao gồm cả lượng khí thải từ rò rỉ khí mê-tan được sử dụng để sản xuất hydro).

    Điểm mấu chốt:

    Các nhà hoạch định chính sách, nhà phát triển dự án và những người ủng hộ nên xem xét mọi giai đoạn của quy trình hydro và đạt được sự cân bằng giữa những gì rẻ hơn và những gì có tiềm năng khử cacbon cao nhất. Giải pháp tối ưu có thể khác nhau tùy theo dự án và khu vực. Nghiên cứu và Phát triển đang tiến triển với tốc độ chóng mặt và kiến ​​thức của chúng ta đang được cải thiện nhanh chóng, vì vậy những quyết định mà chúng ta đưa ra ngày hôm nay có thể khác trong một thập kỷ tới.

    Trong bài đăng tiếp theo của tôi, chúng ta sẽ khám phá cách toàn bộ vòng đời của hydro—cách chúng tôi sản xuất, di chuyển, vận chuyển và sử dụng hydro—tác động đến tiềm năng của nó như một công cụ khử cacbon.

     
    Zalo
    Hotline