HYDRO THAY THẾ KHÍ TỰ NHIÊN – BẰNG NHỮNG CON SỐ
Gần đây đã có rất nhiều cuộc thảo luận về hydro như một chất thay thế cho khí đốt tự nhiên. Kế hoạch này nhằm bổ sung dần H2 vào lưới khí đốt tự nhiên, trong đó H2 được tạo ra từ nước sử dụng điện tái tạo "dư thừa" khi có sẵn. Nhưng cuối cùng, có những người nghĩ rằng chúng ta nên cung cấp hydro tinh khiết cho nhà của mình thay vì khí tự nhiên, sử dụng cùng một mạng lưới phân phối và truyền tải đường ống mà chúng ta có hiện nay. Trong suy nghĩ của họ, tất cả những gì chúng tôi phải làm là khởi động lại tất cả các nồi hơi, lò nung, bếp nấu và lò nướng của chúng tôi và chúng tôi sẽ tham gia các cuộc đua. Không cần phải bỏ tất cả số vốn đắt đỏ đó- chúng ta sẽ chỉ thay đổi nhiên liệu! Chúng ta sẽ đốt hydro không màu, không mùi, chỉ tạo ra hơi nước và sự nóng lên toàn cầu sẽ tiến thêm một bước nữa để được giải quyết.
Âm thanh tuyệt vời! Tôi ký ở đâu?
Chờ đã- không quá nhanh!
Thay thế khí bằng hydro là sử dụng năng lượng không hiệu quả
Lời chỉ trích đầu tiên và rõ ràng nhất đối với kế hoạch này là tính hiệu quả. Không quan trọng nếu bạn bắt đầu với khí đốt tự nhiên hay điện, điều tốt nhất bạn có thể làm là chuyển đổi khoảng 70% năng lượng thức ăn (giá trị nhiệt thấp hơn (LHV) của khí mê-tan, hoặc kWh điện) thành LHV của hydro sản phẩm. Trường hợp tốt nhất. Nếu giải pháp thay thế là sử dụng trực tiếp khí đốt tự nhiên hoặc điện, thì hydro chẳng mang lại gì ngoài tổn thất cho phương trình đó.
Rõ ràng, toàn bộ ý tưởng ở đây là loại bỏ lượng khí thải nhà kính (GHG) hóa thạch liên quan đến quá trình đốt cháy đang diễn ra ở cuối đường ống của bạn. Hydrogen cung cấp tùy chọn để làm điều đó. Bạn có thể bắt đầu với khí mê-tan sinh học từ quá trình phân hủy kỵ khí, vì vậy CO2 bạn thải ra khi tạo ra hydro chỉ là một phần của chu trình carbon tự nhiên. Hoặc bạn có thể thu lại toàn bộ hoặc một phần CO2 được tạo ra khi sản xuất hydro từ khí tự nhiên hóa thạch tại nhà máy hydro hoặc bằng cách nhiệt phân khí mê-tan và bán carbon dưới dạng sản phẩm phụ cho các mục đích sử dụng khác ngoài đốt cháy hoặc bạn có thể tránh khí CO2 hoàn toàn bằng cách tạo ra điện bạn cung cấp cho máy điện phân của mình từ gió hoặc mặt trời, hạt nhân, thủy điện, địa nhiệt, v.v. Đây là tất cả những cách mà bạn có thể sử dụng để tạo ra nhiên liệu hóa thạch không phát thải GHG cho lò đốt của mình - lý tưởng nhất là giả sử bạn có đủ khả năng chi trả.
Tất nhiên, thay vào đó, bạn có thể cung cấp khí mê-tan từ khí sinh học cho lưới điện- nhưng mặc dù tôi tin rằng khí sinh học sẽ là nhiên liệu quan trọng cho những mục đích sử dụng nhiên liệu mà chúng ta thực sự cần trong tương lai hậu hóa thạch, nhưng không ai nên cố gắng thuyết phục bạn rằng sẽ có đủ khí sinh học từng để thay thế nguồn cung cấp khí đốt tự nhiên hiện có- hoặc thậm chí là một phần nhỏ của nguồn cung cấp đó. Vì vậy, nếu bạn muốn giữ lại các lò đốt của mình và không thải ra khí GHG hóa thạch, hydro có vẻ như là lựa chọn duy nhất của bạn. Và đó chính xác là những gì ngành công nghiệp khí đốt tự nhiên đang nói với các chính phủ trên toàn thế giới.
Tất nhiên, các công ty gas và nhà cung cấp máy điện phân này không đưa ra lời khuyên của họ mà không tính đến lợi ích cá nhân. Họ đang bắt đầu từ vị trí mà họ cần để duy trì hoạt động kinh doanh, và bạn cần phải giữ vững mục tiêu của mình- đủ công bằng! Giải pháp thay thế rõ ràng là thay thế đầu đốt của bạn trực tiếp bằng điện hoặc gián tiếp thông qua máy bơm nhiệt điện và loại bỏ người trung gian hydro bị thất thoát, nhưng điều đó sẽ khiến họ ngừng kinh doanh. Đối với hệ thống sưởi ấm trong nhà và thậm chí cả nước nóng sinh hoạt, máy bơm nhiệt sẽ không chỉ giúp bạn tiết kiệm 30% tổn thất chuyển đổi thành hydro mà còn cung cấp cho bạn nhiệt lượng trị giá khoảng 3 kWh cho mỗi kWh điện bạn cung cấp. Xa, hiệu quả hơn rất nhiều. Nhưng không hề rẻ - máy bơm nhiệt sẽ tiêu tốn của bạn một vài đô la - và trong khi điện tái tạo ngày càng rẻ hơn, điện lưới vẫn được bán với giá gấp nhiều lần chi phí khí đốt tự nhiên trên mỗi đơn vị năng lượng - vì thuế carbon là không đủ, và bởi vì ở một số nơi, nhiên liệu hóa thạch vẫn cung cấp năng lượng cho lưới điện.
Đối với bếp nấu của bạn, lò sưởi cảm ứng sẽ mang lại cho bạn hiệu suất thậm chí còn tốt hơn so với ngọn lửa - bạn có thể phải vứt bỏ một số nồi và chảo nhôm cũ của mình, nhưng nếu không thì bạn có thể sẽ rất hài lòng với sự thay đổi đó. Và lò nướng của bạn sẽ hoạt động tốt với một lò sưởi điện trở cũ đơn giản - với khả năng kiểm soát nhiệt độ tốt hơn nhiều.
Nhắc lại cho tôi chính xác thì chúng ta cần xăng để làm gì? Tôi chỉ biết một câu trả lời cho điều đó- ngay bây giờ, khí đốt tự nhiên là một loại nhiên liệu rất, rất rẻ nếu bạn bỏ qua lượng khí thải GHG hóa thạch từ cả quá trình sản xuất, phân phối và đốt cháy. Thay thế việc sử dụng khí đốt tự nhiên để sưởi ấm trong nhà sẽ là một cuộc đấu tranh khó khăn bất kể chúng ta làm điều đó như thế nào- bởi vì các giải pháp thay thế sẽ đắt hơn, ít nhất là ban đầu.
Mặt khác, hydro không phải là một loại nhiên liệu rẻ tiền. Và rõ ràng là nó không bao giờ có thể rẻ như khí đốt tự nhiên hoặc điện mà từ đó nó được tạo ra.
Phân phối hydro là thất thoát và tốn kém
Ngay cả khi giả sử rằng bạn đã quá gắn bó với các thiết bị khí đốt của mình đến mức không thể chia tay chúng, thì ngành công nghiệp khí đốt vẫn cần khắc phục một số vấn đề nghiêm trọng chưa được thảo luận trước khi hydro bắt đầu chảy qua lưới khí đốt tự nhiên.
Nếu chúng ta đang đi
để tạo ra hydro, cho dù đó là hydro “xanh” được tạo ra từ khí tự nhiên có thu hồi và lưu trữ carbon hay hydro “xanh” được tạo ra từ nước sử dụng điện tái tạo, nó vẫn phải đến từ nơi nó được sản xuất để đến nhà bạn. Và nó không đơn giản chỉ là thay đổi dòng chảy qua các đường ống.
Nén- kẻ giết người giao dịch
Để di chuyển bất kỳ loại khí nào một cách kinh tế, nó cần phải được nén. Và hóa ra đây là vấn đề lớn đối với việc phân phối hydro - chẳng hạn, đó là lý do mà 85% hydro được sản xuất ở Châu Âu, về cơ bản không di chuyển xa đến nơi tiêu thụ, bởi vì nó được sản xuất ngay trên cùng một địa điểm hoặc ngay bên cạnh.
Khí tự nhiên đậm đặc hơn khoảng 8,5 lần so với hydro và các khí đậm đặc dễ di chuyển hơn (tiết kiệm năng lượng hơn) so với các khí ít đậm đặc hơn. Hydro bù đắp một phần cho thực tế đó bằng cách đậm đặc năng lượng hơn trên một đơn vị khối lượng - gấp khoảng 3 lần so với khí tự nhiên. Nhưng thật đáng buồn, công (năng lượng cơ học) cần thiết để chạy máy nén có liên quan tuyến tính với số mol khí mà chúng ta nén, thay vì khối lượng hoặc thể tích của chúng. Nó cũng phụ thuộc, yếu hơn và theo một cách phức tạp hơn, vào tỷ lệ nhiệt dung riêng của khí - hóa ra, tạo ra một sự khác biệt nhỏ (có lợi cho khí tự nhiên), tỷ lệ này tăng lên khi tỷ số nén tăng lên. Nhưng khi chúng ta so sánh LHV của hydro trên mỗi mol với LHV của khí tự nhiên trên mỗi mol, chúng ta thấy rằng khí tự nhiên gấp khoảng 2,9 lần mật độ năng lượng tính theo đơn vị mol. Nói cách khác, nếu bạn cung cấp nó dưới dạng hydro thì sẽ tốn khoảng ba lần năng lượng để nén năng lượng nhiệt trị giá của MJ so với khi bạn cung cấp nó dưới dạng khí tự nhiên. Và điều này, thưa các bạn, ít nhất là một phần giải thích tại sao chúng ta không vận chuyển hydro nhiều bằng đường ống. Thay vào đó, chúng tôi vận chuyển khí đốt tự nhiên đến nơi cần hydro và xây dựng nhà máy hydro ở đó. (Xem phần cuối của bài viết để chứng minh)
Công việc nén tăng gấp 3 lần đó không chỉ tiêu tốn năng lượng mà còn tiêu tốn một khoản tiền lớn cho tiện ích khí đốt, vì điều đó có nghĩa là mọi máy nén trong mạng của họ sẽ cần được thay thế bằng một thiết bị mới có công suất gấp 3 lần, đồng thời lớn hơn về mặt vật lý - với lực hút dịch chuyển gấp 3 lần. Và vì hydro rất nổi tiếng là rò rỉ, nên lưu lượng thể tích hydro cao hơn đối với một dòng nhiệt nhất định trong đường ống, v.v., máy nén sẽ cần phải là những loại máy hoàn toàn khác - những loại đắt tiền hơn đáng kể.
Hydrogen đã là số tròn trịa, khoảng 37% trường hợp tốt nhất về hiệu suất chu trình khi bắt đầu và kết thúc bằng điện. Trong khi khí đốt tự nhiên và điện có chi phí và hiệu suất phân phối gần như bằng nhau trên cơ sở mỗi đơn vị năng lượng, thì hydro sẽ có giá gấp khoảng 3 lần so với khí đốt tự nhiên do năng lượng bị mất, chỉ để di chuyển khí. Và vì thiết bị hạ nguồn chỉ đạt hiệu suất 50-60% trong việc sản xuất điện trở lại nên bạn sẽ phải di chuyển khoảng gấp đôi năng lượng hydro đến đích để thực hiện công việc tương tự như khi bạn di chuyển điện. Đó là quên đi chi phí vốn bổ sung cũng cần phải chi tiêu.
Sụt áp trong đường ống- A Wash
Bạn sẽ nghĩ rằng mình sẽ phải chịu thêm một hình phạt khi di chuyển hydro qua đường ống sau khi đạt được áp suất mong muốn - đó chắc chắn là ấn tượng đầu tiên của tôi. Nhưng hóa ra, câu trả lời cho câu hỏi đó khá phức tạp và nó phụ thuộc vào điều kiện mà bạn thực hiện các phép tính. Hydro ít đậm đặc hơn, ít nhớt hơn và đậm đặc năng lượng hơn trên một đơn vị khối lượng so với khí tự nhiên. Nhưng khi bạn chạy phép tính độ sụt áp ở các loại vận tốc và độ sụt áp được sử dụng trong các đường ống vận chuyển khí ở khoảng cách xa (nơi áp suất giảm theo thứ tự 5 psi trên mỗi dặm đường ống, thay vì 5 psi trên 100 ft đường ống điển hình trong đường ống của nhà máy hóa chất), khí hydro và khí tự nhiên thoát ra gần như đồng đều ở một tốc độ nhất định của nhiệt LHV truyền mỗi giờ xuống một đường ống có kích thước nhất định. Điều đó thực sự thay đổi tại các điểm khác nhau trong hệ thống phân phối và theo phép tính gần đúng thứ nhất, giá trị trung bình cho thấy một đường ống dẫn khí đốt hiện tại có thể mang khoảng 90% năng lượng ở dạng hydro mà nó có thể mang theo nếu được cung cấp năng lượng. khí tự nhiên trung bình nó được thiết kế cho. Vận tốc sẽ cao hơn khoảng ba lần, nhưng mật độ chỉ bằng 1/8,5 lần và cùng với độ nhớt thấp hơn một chút, các yếu tố gần như triệt tiêu lẫn nhau. Tuy nhiên, vì mỗi kWh năng lượng bị mất do ma sát trong đường ống phải đến từ máy nén, điều đó vẫn có nghĩa là hydro tốn gấp khoảng 3 lần trên mỗi đơn vị năng lượng để di chuyển từ nguồn đến đích trong đường ống.
“Gói hàng”- Đó là gì? Một vấn đề khác…
Như đã hứa với độc giả của mình, tôi chỉnh sửa các bài viết của mình khi họ dạy tôi những điều mới hoặc chỉ ra những sai lầm của tôi. Và một kết nối hiểu biết đã khiến tôi chú ý đến vấn đề khá lớn này, đó là kết quả của mật độ năng lượng thấp hơn trên mỗi đơn vị thể tích của hydro. “Gói đường ống” là tên được đặt cho lượng khí đốt tự nhiên được lưu trữ trong chính hệ thống truyền tải và phân phối đường ống. Và
trừ khi chúng ta tăng áp suất của hệ thống phân phối - điều mà chúng ta không thể làm nếu không có đường ống mới - việc chuyển đổi sang hydro sẽ khiến chúng ta mất một phần lớn dung lượng lưu trữ đó. Một hệ thống gas thông thường dường như có thể xử lý nhu cầu trung bình khoảng 3-4 giờ chỉ bằng cách sử dụng khí dự trữ trong đường dây. Hydro tinh khiết, có mật độ năng lượng bằng 1/3 trên một đơn vị thể tích, sẽ giảm thời gian đó xuống còn ~ 1 giờ. Điều đó có thể có nghĩa là có sự khác biệt lớn về độ tin cậy của hệ thống phân phối, tần suất và thời gian mất điện cũng như khả năng của lưới điện khi nó tồn tại để xử lý các biến thể về nhu cầu - mức tăng đột biến khi mọi người về nhà, khởi động lò sưởi hoặc nồi hơi và bật chẳng hạn như bếp nấu của họ.
Tôi đã biết rằng đôi khi, các phân khu phát triển nhanh hơn tốc độ mà các tiện ích gas có thể lắp đặt các đường dây mới cho chúng. Theo đó, một số tiện ích làm bay hơi khí tự nhiên lỏng từ các bể chứa vào các điểm ở hạ lưu của “cổ chai” để giữ cho các lò và bếp hoạt động tốt trong giờ cao điểm. Làm điều đó với hydro sẽ rất tốn kém và rất nguy hiểm, vì hydro lỏng chiếm khoảng 40% năng lượng TRONG hydro chỉ để hóa lỏng nó, sôi ở 24 Kelvin (24 độ trên độ không tuyệt đối - metan lỏng sôi ở nhiệt độ cân bằng 112 Kelvin hoặc -161 C)- và ở dạng lỏng, nó vẫn chỉ 71 kg/m3– khí mê-tan là khoảng 420 kg/m3 so với dạng lỏng.
Đường ống và Thiết bị
Nếu bạn không làm nóng nó quá nhiều, hydro khá an toàn khi mang trong đường ống thép nhẹ - thậm chí với áp suất khá lớn. Điều được nhắc đến nhiều về “sự giòn do hydro” không phải là một yếu tố đối với đường ống thép nhẹ mềm hoặc thép hợp kim thấp, chẳng hạn như những gì được sử dụng trong hầu hết các đường ống của nhà máy hóa chất.
Tuy nhiên, các đường ống dẫn khí đốt tự nhiên - đặc biệt là các đường ống dẫn khí đốt tự nhiên đi xa hoặc dưới nước - không được làm từ thép nhẹ. Chúng được làm từ thép cứng hơn, chắc hơn với cường độ năng suất cao hơn. Theo nhiều báo cáo, những loại thép đó dễ bị ảnh hưởng bởi các cơ chế hư hỏng khác liên quan đến hydro, đặc biệt là ở các mối hàn và vùng chịu ảnh hưởng nhiệt của chúng - ngay cả ở áp suất và nhiệt độ khá khiêm tốn.
Theo các báo cáo đáng tin cậy được viết bởi chính các tiện ích phân phối khí đốt tự nhiên, chẳng hạn như báo cáo tuyệt vời này:
https://www.northerngasnetworks.co.uk/wp-content/uploads/2017/04/H21-Report-Interactive-PDF- July-2016.compressed.pdf
-hầu hết hệ thống phân phối khí tự nhiên áp suất cao và trung bình sẽ cần phải được thay thế hoàn toàn để xử lý hydro tinh khiết. (xem trang 12 của tài liệu tham khảo đó, nơi nó nói điều này bằng bao nhiêu từ- và những người này, những người sở hữu các đường ống, nên biết rõ nhất!) Đó là một chi phí lớn - đặc biệt là chi cho việc thay đổi loại nhiên liệu có thể tốt hơn thay thế bằng điện nào.
Lưu ý rằng sự phá hủy hydro và làm giòn hydro là các chủ đề luyện kim phức tạp và hydro mới sinh (các nguyên tử hydro được tạo ra bởi tác động điện hóa như trong quá trình ăn mòn) gây ra thiệt hại mà hydro phân tử không thể cho đến khi có sự kết hợp giữa áp suất cao và nhiệt độ cao. Nhưng các báo cáo về các vấn đề tương thích hydro với các đường ống dẫn khí đốt tự nhiên đã được chứng minh khá rõ ràng, bởi những người hiểu rõ vấn đề này hơn tôi rất nhiều.
Đây là một tài liệu tham khảo khác, từ tiêu chuẩn AIGA 087/20:
Từ Tiêu chuẩn AIGA-087/20 (Hiệp hội Khí Công nghiệp Châu Á) Mục 4.2.1- Kim loại
“… Đối với các ứng dụng áp suất cao, thép carbon phải được sử dụng một cách thận trọng. Thép cacbon có hàm lượng cacbon cao và thép cacbon hợp kim thấp, cường độ cao dễ bị giòn và lan rộng vết nứt. Việc sử dụng thép carbon hoặc thép hợp kim đòi hỏi phải kiểm soát độ bền kéo, xử lý nhiệt, vi cấu trúc và độ hoàn thiện bề mặt cũng như kiểm tra ban đầu và định kỳ đối với các tạp chất và các khuyết tật giống như vết nứt khi sử dụng theo chu kỳ”
Và một cái khác, từ Phòng thí nghiệm quốc gia Sandia:
Một hội thảo trên web mà tôi đã tham dự (ngày 21 tháng 9 năm 2022) trên nền tảng “Mission-Hydrogen”, đã xác nhận những lo ngại này. Giảng viên là Tiến sĩ Milos Djukic của Đại học Belgrade, thành viên cấp cao của Hiệp hội Toàn vẹn Kết cấu Châu Âu, người có bài báo tóm tắt về các vấn đề liên quan đến thiệt hại hydro và cơ chế giòn trong thép và hợp kim đã được trích dẫn hơn 100 lần. Trong buổi nói chuyện, Tiến sĩ Djukic đã xác nhận rằng 1-5% H2 là đủ để gây lo lắng về sự phát triển của vết nứt do mỏi do hydro hỗ trợ, rằng sự mệt mỏi có thể tăng lên hơn 10 lần (thực sự Tiến sĩ Djukic xác nhận tốc độ có thể tăng lên tới 30 lần ), và khả năng chống đứt gãy có thể giảm hơn 50% và tất cả các loại thép API ứng suất cao thông thường đều dễ bị ảnh hưởng. Tiến sĩ Djukic đã kết luận trong bài nói chuyện của mình như sau (nhấn mạnh là của ông):
“Người ta tin rằng các đường ống dẫn khí hiện có được trang bị thêm để vận chuyển hỗn hợp khí tự nhiên-H2, CH4-H2 và N2-H2, đồng thời được tái sử dụng để vận chuyển 100% H2, là những lựa chọn khả thi và an toàn cho việc sử dụng lâu dài trong tương lai. Tuy nhiên, mặc dù thực tế là vận chuyển khí H2 qua các đường ống dẫn khí hiện có là một lựa chọn chi phí thấp để cung cấp khối lượng lớn
của H2, có một mối đe dọa nghiêm trọng về thiệt hại hydro và sự cố thảm khốc, đặc biệt là đối với các đường ống dẫn khí lâu năm, sau dịch vụ H dài hạn trong tương lai. ”
Hệ thống phân phối áp suất thấp chủ yếu được tạo thành từ thép carbon thấp và ống nhựa HDPE, và bạn có thể chạy hydro qua đó đủ dễ dàng.
(ngay cả HDPE cũng có thể gặp một số vấn đề với hydro, theo báo cáo gần đây của NREL (10/2022): xem https://www.nrel.gov/docs/fy23osti/81704.pdf)
Tuy nhiên, đường ống được thiết kế để không làm rò rỉ khí tự nhiên có thể làm rò rỉ rất nhiều hydro do tỷ trọng hydro thấp và khả năng khuếch tán cao. Và đáng buồn thay, các chất gây mùi hôi thối như thiols (mercaptans) được sử dụng trong khí tự nhiên để giúp phát hiện rò rỉ, không hoạt động hiệu quả với hydro như với khí tự nhiên, và đặc biệt là không hoạt động với hydro được sử dụng để cung cấp cho pin nhiên liệu PEM chẳng hạn như được sử dụng trong xe cộ. Các chất xúc tác trong các pin nhiên liệu đó cực kỳ nhạy cảm với các hợp chất lưu huỳnh như vậy. Do phạm vi gây nổ cực rộng của hydro - bất kỳ hỗn hợp nào từ 4% đến 75% hydro trong không khí đều dễ nổ - việc thiếu chất tạo mùi hôi để giúp bạn phát hiện rò rỉ dường như là một vấn đề rất khó khăn đối với việc phân phối nhiên liệu này cho các hộ gia đình và doanh nghiệp.
Hỗn hợp hydro/khí tự nhiên
Tất cả các dự án ban đầu đều cố gắng giải quyết những vấn đề này bằng cách trộn một ít hydro vào khí tự nhiên thay vì tạo ra bước nhảy vọt thành hydro tinh khiết. Và khi bạn nghe về việc “thay thế 20% khí đốt tự nhiên bằng hydro”, bạn sẽ nghĩ rằng điều đó sẽ tạo ra sự khác biệt lớn!
Nghĩ lại.
Hỗn hợp 20% H2 trong khí tự nhiên là hỗn hợp 20% theo thể tích. Hỗn hợp đó chỉ có 86% năng lượng của một loại khí tự nhiên trung bình, nghĩa là bạn phải đốt thêm 14% thể tích khí để tạo ra cùng một lượng nhiệt joules hoặc BTU. Mức tiết kiệm khí thải GHG không ở mức gần 20% - chúng gần bằng 7% nếu chỉ nhìn vào quá trình đốt cháy (giả sử hydro xanh hoàn toàn không có carbon) và ít hơn mức đó khi bạn xem xét quá trình nén và tổn thất áp suất đã nêu ở trên. Mức giảm như vậy sẽ khiến những người dùng nhạy cảm với nội dung nhiệt kêu gào, vì vậy hãy quên việc chuyển sang 30% H2! Đối với một lượng năng lượng nhất định được cung cấp, hỗn hợp 20% hydro trong khí tự nhiên sẽ tốn thêm 13% năng lượng để nén và sẽ mất thêm khoảng 10% áp suất trên một đơn vị chiều dài ống so với khi bạn sử dụng khí tự nhiên- bởi vì khí phải chảy nhanh hơn, nhưng mật độ không đủ thấp để bù lại. Những yếu tố đó sẽ ăn một số khoản tiết kiệm phát thải khí nhà kính của bạn. Và mặc dù người dùng công nghiệp sẽ được bảo vệ - họ trả tiền cho mỗi BTU hoặc joule LHV hoặc HHV mà họ được cung cấp bởi công ty khí đốt - một số người dùng có thể bị thiếu hụt vì thay vào đó họ trả tiền cho mỗi đơn vị khối lượng.
Tín dụng hình ảnh: Rosemary Barnes, từ video Engineering With Rosie của cô ấy, liên kết được cung cấp trước đó
Tất nhiên, để đạt được bất kỳ sự giảm thiểu đáng kể nào về lượng khí thải GHG, bạn cần sử dụng hydro "xanh" (được tạo ra bằng cách điện phân sử dụng năng lượng không có hóa thạch). Điều đó không tồn tại ngoài một số lượng nhỏ (dưới 0,03% sản lượng thế giới) trên thị trường hiện nay- nó quá đắt. Vì vậy, những gì được đưa đến để giải cứu? Cái gọi là hydro “xanh lam”, được tạo ra theo cách thông thường, từ hóa thạch, nhưng có thu hồi và lưu trữ carbon (CCS). Đáng buồn thay, phương pháp đó tốt nhất chỉ tạo ra hydro có màu xanh đen, màu bầm tím, như bài báo này của Howarth và Jacobson được xuất bản trên tạp chí Khoa học và Kỹ thuật Môi trường đã chỉ rõ. Những người ủng hộ hóa thạch đã coi thường bài báo vì nó sử dụng lượng khí thải mêtan cao hơn mức họ muốn thừa nhận và vì nó sử dụng tiềm năng hiệu ứng nhà kính trong khoảng thời gian 20 năm của khí mêtan so với CO2 là ~84x CO2. Nhưng ngay cả khi bạn sử dụng phân tích độ nhạy trong bài báo để giảm lượng rò rỉ khí mê-tan ước tính và bạn tưởng tượng rằng tất cả quá trình sản xuất hydro “xanh lam” sẽ sử dụng các thiết bị chuyển hóa nhiệt tự động thổi oxy mới để quá trình thu hồi carbon có thể hoàn thiện hơn, hydro “xanh lam” dường như là một chiến lược rất kém để khử cacbon. Ngược lại, đó là một chiến lược tuyệt vời theo quan điểm của ngành công nghiệp nhiên liệu hóa thạch, bởi vì mục tiêu của họ là duy trì hoạt động kinh doanh chứ không thực sự khử cacbon cho bất cứ thứ gì.
Nhưng còn “Các ngành công nghiệp khó khử cacbon” thì sao?
Một lý do khác mà chúng tôi nghe được về nhu cầu sử dụng hydro để thay thế khí đốt tự nhiên là để “sưởi ấm công nghiệp ở nhiệt độ cao”. Vì một số lý do, mọi người dường như chỉ cho rằng vì chúng tôi chạy một số thiết bị ngay bây giờ bằng cách đốt nhiên liệu, thay vào đó chúng tôi không thể sử dụng điện. Các ví dụ về sản xuất thép và xi măng thường xuyên được đưa ra, nhưng cũng có nhiều ví dụ khác.
Ở đây tôi phải mang theo những gì tôi đã làm để kiếm sống trong 26 năm. Tôi đã thiết kế và xây dựng các nhà máy thí điểm, là những đơn vị nguyên mẫu để thử nghiệm các quy trình hóa học mới. Những nhà máy này có thể thay đổi từ các đơn vị phòng thí nghiệm nhỏ đến các cơ sở khá lớn mà người bình thường trông giống như bất kỳ nhà máy hóa chất thực sự nào khác. Nhưng một thứ mà một nhà máy thí điểm hầu như sẽ thiếu hoàn toàn không có ngoại lệ là bất kỳ thiết bị đốt nào. Có những trường hợp ngoại lệ, nhưng ngoài chức năng xử lý các dòng chất thải của vật liệu dễ cháy, mọi chức năng đi kèm
đánh vào một nhà máy hóa chất thương mại sử dụng thiết bị đốt cháy được thực hiện bằng cách sử dụng điện thay vì trên một nhà máy thí điểm. Tại sao vậy? Nhiều lý do:
1) Điện an toàn và dễ kiểm soát hơn nhiều so với lửa, đặc biệt là ở quy mô nhỏ. Hệ thống sưởi điện cung cấp khả năng kiểm soát nhanh chóng, chính xác và giảm các điểm nóng, giảm rủi ro đối với vật liệu xây dựng, v.v.
2) Điện tốn nhiều hơn nhiên liệu như một nguồn nhiệt, nhưng chi phí năng lượng của một nhà máy thí điểm hiếm khi là yếu tố quan trọng nhất đối với những người vận hành nó.
3) Lò sưởi đốt thường cần giấy phép thải khí và có thể yêu cầu kiểm tra khí thải - chi phí mà nhà máy thí điểm tránh được bằng cách sử dụng lò sưởi điện.
4) Để làm nóng một dòng đến nhiệt độ cao bằng cách sử dụng đầu đốt, bạn sẽ để lại khí thải có nhiệt độ cao thoát ra khỏi thiết bị. Các nhà máy hóa chất sử dụng khí thải nóng đó để làm nóng nhiều dòng khí khác nhằm giữ cho khí không bị lãng phí - hoặc sử dụng khí này để tạo ra hơi nước chạy thiết bị hoặc giữ nhiệt cho mọi thứ. Trên một nhà máy thí điểm, thật không đáng để thực hiện kiểu tích hợp nhiệt đó
5) Thiết bị nung đắt hơn thiết bị đốt nóng bằng điện
6) Khi bạn cần nhiệt độ cao nhất, đôi khi sưởi ấm bằng điện là lựa chọn khả thi duy nhất.
Trong sản xuất thép, nhu cầu thực sự về hydro không phải là để sưởi ấm - lò hồ quang điện để sản xuất thép đã khá phổ biến. Hydro là cần thiết để thay thế chất khử carbon monoxide hóa học làm từ than cốc, được sử dụng để khử oxit sắt thành kim loại sắt. Bản thân điều đó có thể là một cách sử dụng tốt bất kỳ loại hydro xanh nào mà chúng ta có thể mua được. Tuy nhiên, có các phương pháp khử điện hóa trực tiếp cũng đang được phát triển, vì vậy có thể một ngày nào đó chúng ta cũng có thể sản xuất thép mà không cần sử dụng hydro.
Trong nhiều ứng dụng khác, sưởi ấm bằng điện có thể dễ dàng được sử dụng để loại bỏ nhu cầu đốt cháy nhiên liệu. Tuy nhiên, nó sẽ yêu cầu sửa đổi các bộ phận chính của thiết bị, có thể có chi phí đáng kể. Nhưng nếu giải pháp thay thế là chi tiêu gấp bội số chi phí đó cho hydro được sản xuất từ điện, thì khoản tiết kiệm đó có thể trả cho một khoản vốn khá lớn.
Trên thực tế, nếu bạn tiếp cận với một tờ giấy mới và không có hộp cứu hỏa trên đầu, thì hầu hết các ứng dụng trong hệ thống sưởi công nghiệp hiện đang phục vụ bằng lửa vì lý do chi phí (vì nhiên liệu rẻ hơn, miễn là bạn có thể thải CO2 hóa thạch vào khí quyển), có thể dễ dàng được chuyển đổi thành hệ thống sưởi điện để thay thế.
Tất cả những gì chúng ta thực sự cần là định giá lượng khí thải carbon hóa thạch ở mức đủ cao- và đủ lâu dài- để làm cho các khoản đầu tư vốn liên quan trở nên đáng giá về mặt kinh tế đối với các ngành bị ảnh hưởng.
Khí thải độc hại hydro
Bạn sẽ thường nghe câu chuyện cổ hủ rằng khi đốt cháy hydro, bạn sẽ chẳng thu được gì ngoài nước! Mặc dù điều đó ĐÚNG nếu bạn “đốt cháy” hydro bằng xúc tác trong pin nhiên liệu ở nhiệt độ thấp, nhưng điều đó KHÔNG đúng về mặt tổng quát.
Đốt bất cứ thứ gì trong không khí sẽ tạo ra các oxit nitơ (NOx) được tạo ra bởi phản ứng giữa oxy và nitơ trong không khí. Nhiệt độ đốt cháy càng cao, bạn càng tạo ra nhiều NOx. Và bạn càng thêm nhiều H2 vào hỗn hợp khí tự nhiên, thì nhiệt độ đốt cháy không khí tự do thu được sẽ càng cao và do đó, lượng phát thải NOx sẽ càng cao.
NOx bao gồm hai oxit nitơ quan trọng và một loại thoáng qua. NO2 là một loại khí màu nâu nguy hiểm, độc hại, tạo ra "mưa axit" và là tiền chất của sương mù quang hóa. Tuy nhiên, nó khá hòa tan trong nước (do đó có mưa axit) và vì vậy nó không bền với môi trường.
N2O (nitơ oxit) không độc hại- nó được dùng làm chất gây mê và thậm chí nó có thể được tạo ra trong chính cơ thể chúng ta. Tuy nhiên, đây là một loại khí nhà kính mạnh, dai dẳng với tiềm năng hiệu ứng nhà kính trong 100 năm gấp 300 lần so với CO2.
Thiết bị đốt công nghiệp đốt cháy hỗn hợp giàu hydro hoặc H2 có thể được trang bị các bộ khử xúc tác chọn lọc (SCR), phản ứng NOx với hydro để tạo ra N2 và lại nước. Tuy nhiên, với các thiết bị gia dụng thì không như vậy - về cơ bản là không thể với những thứ như bếp nấu vì những lý do rõ ràng, và nó cũng không thực tế về mặt kinh tế với các thiết bị như lò sưởi, thiết bị sưởi trên mái nhà, bình đun nước nóng và nồi hơi sưởi ấm.
Vấn đề này dường như bị lãng quên một cách thuận tiện. Việc đốt khí đốt tự nhiên trong nhà đã là nguồn chính gây ô nhiễm không khí trong nhà và dường như cũng là nguyên nhân chính gây ra bệnh hen suyễn ở trẻ vị thành niên. Hydro sẽ làm cho điều đó trở nên tồi tệ hơn chứ không phải tốt hơn so với khí tự nhiên.
Tầm nhìn ngọn lửa
Đừng để “Thế vận hội hydro” ngu ngốc đánh lừa bạn. Ngọn lửa hydro rất giàu tia cực tím và phát ra một lượng rất hạn chế ánh sáng khả kiến. Chúng chỉ có thể nhìn thấy vào ban đêm, trừ khi H bị nhiễm thứ gì đó. Ngọn lửa Olympic đã bị nhiễm natri cacbonat một cách có chủ ý, tạo cho nó ánh sáng màu cam kỳ lạ từ các vạch phát xạ quang phổ của natri.
Hydrogen để lưu trữ năng lượng theo mùa
Một lập luận khác mà tôi thường nghe là do lượng năng lượng lớn hơn gấp đôi cần thiết để sưởi ấm và sản xuất năng lượng mặt trời thấp hơn vào mùa đông, chúng ta sẽ cần hydro để bù đắp cho sự thiếu hụt. Chúng tôi sẽ cần
để tạo ra một lượng lớn hydro vào mùa hè và lưu trữ nó trong các hang muối cho đến mùa đông. Mặc dù một số loại nhiên liệu được lưu trữ có thể là một phần hữu ích trong kế hoạch ứng phó khẩn cấp trong bất kỳ tương lai nào sau khi sử dụng nhiên liệu hóa thạch, nhưng nó không phải là thứ tự nhiên chỉ vì có thể sử dụng hydro cho mục đích này, làm như vậy sẽ thực sự tạo ra năng lượng hoặc nghĩa kinh tế. Khí mê-tan, dù là từ khí sinh học hay thậm chí là khí tự nhiên hóa thạch, dường như là một lựa chọn hợp lý hơn để lưu trữ, vì chúng ta đã có sẵn các kho dự trữ khí tự nhiên chiến lược và khẩn cấp. Và chúng ta có thể dễ dàng tích trữ lượng khí mê-tan đủ dùng cho một năm cũng như chúng ta có thể tìm ra cách tạo ra lượng hydro dư thừa vào mùa hè.
Vấn đề kinh tế chính của hydro xanh với tư cách là một phương tiện lưu trữ năng lượng là chi phí của máy điện phân và thiết bị lưu trữ- và như chúng ta đã thấy trong bài báo này, chi phí phân phối cũng sẽ không thấp như một số người mong đợi. Nhân hệ số công suất thấp của một đơn vị sản xuất gió hoặc mặt trời với một hệ số công suất theo mùa khác, chẳng hạn như 0,5 hoặc thấp hơn, không làm tăng thêm chi phí vốn thấp cho mỗi kg hydro được lưu trữ. Nhiên liệu được lưu trữ này thực sự sẽ rất đắt, ngay cả khi bản thân năng lượng khá rẻ.
Tại sao chúng ta làm điều này một lần nữa?
Tài liệu của NREL phát hành vào tháng 10 năm 2022 về pha trộn hydro (xem https://www.nrel.gov/docs/fy23osti/81704.pdf) chứa một bản tóm tắt rất hay về những thách thức liên quan đến việc thay thế khí hóa thạch bằng hydro, bao gồm cả bảng tuyệt vời này:
Tóm lại, đối với tôi, có vẻ khá rõ ràng rằng vai trò thay thế khí đốt tự nhiên của hydro liên quan nhiều hơn đến nhu cầu của các công ty sản xuất và phân phối khí đốt để duy trì hoạt động kinh doanh bằng cách có thứ gì đó để bán, hơn là bất kỳ lợi ích phát thải khí nhà kính thực sự hoặc lợi ích kỹ thuật quan trọng nào. nhu cầu. Và nếu họ muốn thực hiện các khoản đầu tư cần thiết hoàn toàn bằng niken của mình, để cung cấp hydro thực sự xanh hoặc thậm chí thực sự “xanh lam” (theo định nghĩa của Liên minh Khoa học Hydro về hydro sạch- ít hơn 1 kg CO2e mỗi kg) thông qua một nâng cấp mạng để thay thế khí tự nhiên, có lẽ điều đó ổn với tôi. Đáng buồn thay, có vẻ như khá rõ ràng rằng họ đang nắm trong tay, tiếp cận với khu vực công để tài trợ cho các khoản đầu tư cơ sở hạ tầng cần thiết. Cá nhân tôi nghĩ rằng điều này sẽ ném tiền tốt sau khi xấu.
TUYÊN BỐ MIỄN TRỪ TRÁCH NHIỆM: đây là những ý kiến cá nhân của tôi, dựa trên kiến thức và thực hành của tôi về kỹ thuật hóa học trong hơn 30 năm qua. Ý kiến của tôi là của riêng tôi và không được nhầm lẫn với ý kiến của những người chủ cũ hoặc khách hàng hiện tại hoặc trước đây. Tôi chỉ được thúc đẩy bởi mong muốn chân thành là loại bỏ nhiên liệu hóa thạch và bằng cách đó, loại bỏ GHG hóa thạch và khí thải độc hại liên quan đến việc đốt chúng, với chi phí và tác động đến xã hội thấp nhất mà chúng ta có thể quản lý. Nhận xét của tôi không được thúc đẩy dưới bất kỳ hình thức nào vì lợi ích tài chính cá nhân của tôi hoặc của chủ lao động của tôi hoặc khách hàng của họ. Mỗi bài tôi viết đều có thể khiến khách hàng này hay khách hàng khác tức giận- bạn yên tâm về điều đó!
Tôi đã cố gắng hết sức để chính xác những gì tôi đã nói, thực hiện các tính toán xác nhận của riêng tôi. Tôi có thể cung cấp thông tin cơ bản về những điều đó cho bất kỳ ai hỏi. Nhưng tôi là con người và do đó dễ mắc lỗi. Tôi cũng không nhất thiết phải tuyên bố mình biết mọi thứ cần biết về chủ đề này, đó là nơi mà một số người đã dành cả sự nghiệp của họ. Nếu bạn có thể chỉ cho tôi biết tôi đã sai ở đâu trong phân tích hoặc tính toán của mình, với các tài liệu tham khảo hoặc ví dụ đáng tin cậy, tôi sẽ rất biết ơn khi chỉnh sửa phần của mình để phản ánh những kiến thức mới này từ phía tôi.
RUỘT THỪA:
Đây là logic rút gọn đằng sau lý do tại sao để di chuyển một lượng H2 LHV nhất định cần năng lượng máy nén gấp 3 lần so với di chuyển cùng một số lượng J hoặc BTU của khí tự nhiên LHV.
Trong đó a và b là các hằng số, khác nhau đối với từng loại khí, nhưng chỉ khác một chút giữa H2 và khí tự nhiên và r là tỷ số nén, tức là P2/P1, P1 là áp suất tuyệt đối ban đầu và V1 là thể tích ban đầu, công của nén đoạn nhiệt được đưa ra bởi một công thức có dạng sau:
W = a P1V1 (1-r(1/r)^b)
Theo định luật khí lý tưởng, P1V1 = nRT1, trong đó n là số mol khí, R là hằng số khí lý tưởng và T1 là nhiệt độ ban đầu.
Lấy các khí 1 và 2 có giá trị a và b gần bằng nhau (để tránh nhận được kết quả thay đổi theo r) và lấy chúng ở cùng áp suất, thể tích và nhiệt độ ban đầu, có thể chỉ ra rằng:
W1/W2 = ~n1/n2
Hydro có LHV phân tử là 240 kJ/mol và khí tự nhiên ở mức trung bình có thể có LHV là 695 kJ/mol. Do đó, tỷ lệ công là ~2,9:1 đối với hydro so với khí tự nhiên, nếu chúng ta di chuyển một lượng kJ LHV không đổi trên mỗi hành trình nén hoặc trên một đơn vị thời gian.
Các giá trị thực tế của a và b (liên quan đến tỷ lệ Cp/Cv) đối với H2 và khí tự nhiên ở các tỷ lệ nén đáng kể về mặt thương mại sẽ điều chỉnh tỷ lệ 2,9:1 này thành khoảng 3:1.
