Khi thế giới hướng tới mục tiêu đạt mức 0 vào năm 2050, ngành công nghiệp này đang tìm kiếm những cách mới để giảm lượng khí thải và tìm giải pháp thay thế nhiên liệu hóa thạch. Cả hydro và amoniac sẽ đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra một tương lai bền vững hơn với tư cách là nguồn và chất mang năng lượng. Việc khử cacbon trong quá trình sản xuất hydro và amoniac sẽ giúp chúng cạnh tranh hơn về mặt thương mại và tăng nhu cầu, nhưng liệu như vậy đã đủ?
Thị trường amoniac hiện tại được dự đoán sẽ tăng 20% đến năm 2030. Tuy nhiên, hơn 70% sản lượng amoniac ngày nay được thực hiện thông qua cải cách hơi nước. Phương pháp xử lý này tạo ra amoniac màu xám, thải ra một lượng lớn CO2.
Những thay đổi về chính sách, các biện pháp khuyến khích của chính phủ và áp lực bao trùm của cuộc khủng hoảng khí hậu đã dẫn đến sự gia tăng nhu cầu về amoniac xanh hơn, điều này có thể đạt được bằng cách sản xuất hydro tái tạo trước khi kết hợp với nitơ.
Khi các thị trường mới xuất hiện đang tìm cách sử dụng hydro, chẳng hạn như vận tải, vận chuyển và sản xuất điện, nhu cầu tổng thể về amoniac được dự đoán sẽ tăng gấp 3–4 lần so với mức năm 2020 trong kịch bản phù hợp 1,5 ° C lên 560–665 Mt mỗi năm. 2050.[1]
Bạn không thể có cái này mà không có cái kia
Khoảng 40% lượng hydro sản xuất trên toàn cầu được tiêu thụ trong các nhà máy sản xuất amoniac . Nhu cầu sử dụng amoniac ngày càng tăng làm nhiên liệu thay thế, chất mang hydro và lưu trữ năng lượng đã thúc đẩy nhu cầu triển khai các công nghệ hydro tái tạo trên quy mô lớn.
Theo nghiên cứu chuyên đề về Hydro trong năng lượng của GlobalData: “Cường độ carbon hiện tại trong quá trình sản xuất amoniac là một trở ngại, thải ra 1,8 tấn carbon dioxide (TCO2) cho mỗi tấn hóa chất được sản xuất. Việc giảm lượng khí thải của ngành này có thể được giải quyết bằng cách đầu tư vào công nghệ amoniac có hàm lượng carbon thấp, chẳng hạn như amoniac xanh với công nghệ thu giữ và lưu trữ cacbon (CCS), hoặc amoniac xanh được cung cấp bởi các nguồn tái tạo.”
Việc sản xuất amoniac có hàm lượng carbon thấp sử dụng phương pháp tương tự như quy trình Haber-Bosch để sản xuất amoniac xám, kết hợp hydro và nitơ. Sự khác biệt nằm ở chỗ hydro đến từ đâu. Khi lượng khí thải CO2 từ khí tự nhiên được thu giữ hoặc nếu sử dụng hydro tái tạo để thay thế thì việc sản xuất amoniac sẽ có lượng carbon thấp hơn. Theo Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IEA), sản xuất amoniac xám thông qua các phương pháp truyền thống có mức phát thải cao gần gấp đôi so với sản xuất thép thô và gấp bốn lần so với xi măng.
Để sản xuất hydro tái tạo, một công nghệ được gọi là máy điện phân được đưa vào hệ thống, thay vì sử dụng các nhà cải cách thường được sử dụng để sản xuất hydro từ nhiên liệu hóa thạch. Bộ phận điện phân, chạy bằng năng lượng tái tạo, tách nước tinh khiết thành hydro và oxy, nghĩa là chỉ có oxy là sản phẩm kép được thải vào khí quyển.
Để tạo ra amoniac xanh, nitơ, được sản xuất thông qua các đơn vị oxy đông lạnh hoặc PSA, tùy thuộc vào quy mô của cơ sở, có thể được kết hợp với hydro tái tạo. Kịch bản của Cơ quan Năng lượng Tái tạo Quốc tế (IRENA) ước tính rằng 83% amoniac sẽ được sản xuất bằng hydro tái tạo vào năm 2050. Nhưng tại sao điều này lại mất nhiều thời gian để áp dụng?
Điều gì đang làm chậm quá trình sản xuất amoniac xanh quy mô lớn?
Amoniac xanh hiện có giá sản xuất đắt gấp 2 đến 3 lần so với amoniăc xám truyền thống. Để làm cho amoniac xanh trở nên cạnh tranh hơn, việc tăng cường hydro tái tạo sẽ là chìa khóa, nghĩa là cần phải tăng cường đầu tư vào các nguồn năng lượng tái tạo, bao gồm cả gió và mặt trời.
Cristiane Scaldaferri, Chuyên gia tư vấn chuyển đổi năng lượng và khử cacbon tại Advisian, cho biết: “Sẽ cần có sự tăng trưởng đáng kể trong việc cung cấp điện không carbon để cung cấp hydro tái tạo và do đó là amoniac xanh trên quy mô lớn. Các kế hoạch phát triển mạng lưới điện cần phải lường trước nhu cầu điện rất lớn cần thiết để sản xuất hydro tái tạo thông qua điện phân.”
Một thách thức với quá trình sản xuất này là lượng năng lượng tái tạo khổng lồ cần thiết để cung cấp năng lượng cho công nghệ điện phân – khoảng 55 kwh cho 1kg hydro. Công nghệ điện phân đã tồn tại trong nhiều thập kỷ, nhưng chi phí điện tái tạo cao có nghĩa là hydro tái tạo không có khả năng cạnh tranh về mặt chi phí so với sản xuất hydro dựa trên hóa thạch truyền thống.
Theo Ralph Grob, Chuyên gia tư vấn cấp cao về Hóa chất và Nhiên liệu tại Advisian, “Một thách thức khác ảnh hưởng đến việc mở rộng quy mô sản xuất amoniac xanh là thực tế bạn cần hàng tấn hydro, nghĩa là cần rất nhiều chất điện phân và nước tinh khiết”.
“Đưa nước được lọc đến mức cần thiết để tạo ra hydro sẽ là bước hạn chế trong việc đặt máy điện phân ở những khu vực khô cằn hơn trên thế giới. Cho đến khi các máy điện phân có thể sử dụng ít nước tinh khiết hoặc nước muối hơn, chúng ta sẽ thấy rằng chúng ta không thể tăng quy mô amoniac xanh theo cách mà chúng ta đã nghĩ hoặc hy vọng có thể làm được.”
Làm thế nào những thách thức này có thể được giải quyết?
Để đi đúng hướng với Kịch bản không phát thải ròng vào năm 2050, công suất điện phân cần phải tăng tốc đáng kể. Một số quốc gia đang đưa ra các ưu đãi cho các nhà sản xuất máy điện phân do số lượng dự án hydro tái tạo quy mô lớn được đề xuất.
Đầu tư nhiều hơn vào tiêu chuẩn hóa và đổi mới có thể giảm đáng kể chi phí sản xuất hydro so với các phương pháp phân phối dự án hiện có, phần lớn được tùy chỉnh.
Worley hiện đang phát triển một gói tăng tốc bao gồm một bộ sản phẩm tạo ra giải pháp tài sản được tiêu chuẩn hóa và mô-đun hóa. Sản phẩm này sẽ có thể tùy chỉnh theo quy mô và công nghệ điện phân mong muốn mà khách hàng muốn sử dụng trong các dự án hydro tái tạo của họ.
Ngoài ra còn có ngày càng nhiều biện pháp khuyến khích nhằm giảm bớt những chi phí này, từ hỗ trợ pháp lý đến trợ cấp và trợ cấp, thuế carbon và tài trợ cho nghiên cứu & phát triển. Ví dụ, EU có một số quy định được áp dụng để hỗ trợ phát triển nền kinh tế ít carbon, chẳng hạn như Hệ thống mua bán khí thải (chương trình ETS). Hệ thống này hạn chế phát thải khí nhà kính từ ngành năng lượng và công nghiệp sản xuất. Một số khoản phụ cấp miễn phí theo ngành cụ thể được phân bổ, nhưng nếu bất kỳ cơ sở sản xuất nào phát thải nhiều hơn mức cho phép thì phần thiếu hụt phải được mua hàng năm từ thị trường ETS của EU. Các khoản trợ cấp miễn phí này sẽ bắt đầu được loại bỏ dần từ năm 2026 và biến mất hoàn toàn vào năm 2034 do Cơ chế điều chỉnh biên giới carbon (CBAM) được triển khai.
“Với những kế hoạch như thế này được áp dụng, các nhà máy hydro và amoniac xám dựa trên hóa thạch truyền thống cuối cùng sẽ bị loại bỏ trong thập kỷ tới. Hệ thống này sẽ làm tăng chi phí sản xuất của các quy trình phát thải cao và chúng sẽ không còn cạnh tranh về mặt chi phí nữa”, Scaldaferri giải thích.
“Chúng tôi thấy ngày càng có nhiều chính phủ tạo ra các chính sách khuyến khích sử dụng hydro và amoniac tái tạo trong công nghiệp - ví dụ: Chỉ thị Năng lượng tái tạo II.”
Cung cấp năng lượng cho thế giới
Mặc dù sản xuất quy mô nhỏ là hợp lý nhưng điều này lại gây ra vấn đề về chi phí. Các cơ sở không muốn trả phí cao hơn cho sản phẩm cuối cùng sẽ được sử dụng cho mục đích sử dụng cuối cùng giống như amoniac xám rẻ hơn.
Theo IEA , khoảng 70% amoniac được sử dụng làm phân bón và đảm bảo an ninh lương thực toàn cầu, phần còn lại được sử dụng cho nhiều ứng dụng công nghiệp khác nhau. Tuy nhiên, amoniac có thể là một con đường rõ ràng để khử cacbon trong ngành giao thông vận tải. Là một trong những nguồn phát thải carbon dioxide lớn nhất trên thế giới, nhiên liệu có lượng carbon thấp hơn được yêu cầu phải đạt mức 0.
“Chúng tôi hy vọng sẽ thấy nhu cầu đáng kể về cả amoniac xanh và xanh lam trong tương lai như một loại nhiên liệu tiềm năng cho vận tải đường dài và xe tải. Tuy nhiên, cần phải có nhiều nghiên cứu và phát triển hơn để đạt được điều này.” Scaldaferri giải thích.
Grob cho biết thêm: “Có lời kêu gọi có thể sử dụng amoniac làm chất mang hydro vì amoniac vận chuyển dễ dàng và an toàn hơn”. “Bằng cách này, bạn đang kết hợp hydro với nitơ để có thể vận chuyển nó trong xe kéo, xe lửa, xe tải và các đường ống khác, sau đó xử lý amoniac ở phần cuối để tạo ra hydro một lần nữa. Thật không may, crackinh là một cách thực hiện rất tốn kém vì về cơ bản bạn đang tạo ra một sản phẩm, chuyển đổi sang một sản phẩm khác và sau đó lại tạo ra hydro.
“Hiện tại có một số công nghệ bẻ khóa bằng amoniac đã được thương mại hóa. Tuy nhiên, vấn đề là tính kinh tế của các giải pháp. Trước tiên, chúng ta cần tập trung vào việc cung cấp năng lượng cho các máy điện phân để tạo ra hydro.”
Đóng vai trò chủ đạo trong quá trình chuyển đổi
Quá trình chuyển đổi năng lượng ngày nay là không thể ngăn cản. Quy mô và tốc độ thay đổi cần thiết là rất lớn, đặt ra những thách thức đặc biệt cho các doanh nghiệp năng lượng, hóa chất và tài nguyên lớn nhất thế giới. Với hơn 4.100 dự án chuyển đổi năng lượng, Worley và Advisorsian đang hỗ trợ khách hàng trên hành trình hướng tới một thế giới bền vững hơn.
Kinh nghiệm của họ bao gồm hơn 350 dự án hydro trên toàn cầu, chẳng hạn như dự án Holland Hydrogen I của Shell, đây sẽ là một trong những cơ sở sản xuất hydro xanh thương mại lớn nhất trên thế giới sau khi hoàn thành.
Các dự án khác bao gồm nghiên cứu sản xuất hydro tái tạo thành amoniac ở quy mô thương mại của Queensland Nitrate và dự án năng lượng hydro tái tạo của Green Energy Oman (GEO) liên quan đến sản xuất, lưu trữ và xuất khẩu amoniac xanh.
