Nghiên cứu Đường ống Hydro Mới So với HVDC Ít Sai, Rõ Ràng Hơn
Trong vài năm qua, đã có một nhánh nghiên cứu cố gắng giả vờ rằng việc sản xuất hydro ở một nơi và sử dụng đường ống để vận chuyển nó đến những nơi khác tốt hơn là chỉ vận chuyển các electron bằng cách truyền tải HVDC. Đến lượt Viện Nghiên cứu Năng lượng Oxford mắc sai lầm, mặc dù họ ít sai hơn so với những nỗ lực trước đó.
Khoảng một năm trước, tôi đã xem qua một vài bài báo đầu tiên và có một số điểm nổi bật. Đó là bài báo "Chi phí tương đối của việc vận chuyển năng lượng điện và hóa học" năm 2018 của Saadi và cộng sự và bài báo "Chi phí truyền tải năng lượng đường dài bằng các nguồn khác nhau" năm 2021 của DeSantis và cộng sự.
Như tôi đã lưu ý lúc đó, chúng có những sai lầm chung, và khi xem xét các nghiên cứu khác, tôi cũng thấy những sai lầm tương tự. Vấn đề đầu tiên là họ cho rằng có một nguồn phân tử hydro xanh rất lớn tại một địa điểm duy nhất, phù hợp để đưa vào đường ống dài 1.000 km. Điều này không đúng trừ khi bạn sản xuất hydro từ khí tự nhiên tại một mỏ khí. Tất cả các đường ống hydro hiện tại, chỉ dài vài km, đều có hệ thống cải tạo hơi nước khí tự nhiên tập trung và sử dụng vài trăm km đường ống để đưa khí tự nhiên đến các hộ tiêu thụ công nghiệp lớn, chủ yếu là các nhà máy lọc dầu. Điều này đúng ở Đức và cũng đúng ở Alberta.
Họ cho rằng hydro rất rẻ để sản xuất, chỉ từ 2-4 đô la một kg theo nghiên cứu năm 2021. Vì hydro xanh tiêu thụ từ 50 đến 60 kWh điện cho mỗi kg, tùy thuộc vào cân bằng của nhà máy, để sản xuất, tách nước và nén, và vì một nhà máy điện phân 28 thành phần có chi phí vốn cao, nên điều này sẽ cần 0,02 đô la điện 24/7/365. Hệ số công suất cao đòi hỏi điện ổn định, nghĩa là nhiều trang trại gió và mặt trời trải rộng trên một diện tích lớn, một số hệ thống lưu trữ và rất nhiều đường truyền đến nhà máy điện phân, tất cả điều này đồng nghĩa với việc giá điện sẽ không ở mức 0,02 đô la/kWh.
Điều này có nghĩa là các đánh giá đã bỏ qua một loạt cơ sở hạ tầng cần thiết cho cơ sở điện phân và do đó, một loạt chi phí. Điện ổn định sẽ có giá gần 0,10 đô la/kWh trong thực tế trong nhiều thập kỷ, ngoại trừ một số nơi có các đập thủy điện lớn như miền bắc Na Uy, Quebec và British Columbia, nơi có thể tìm thấy giá 0,5-0,06 đô la/kWh. Điều đó có nghĩa là hydro đắt hơn ít nhất 2,5 lần, từ 5 đến 10 đô la/kg, chỉ tính riêng chi phí sản xuất. Nghiên cứu trước đó thậm chí còn sử dụng hydro với giá 1 đô la/kg, điều này đòi hỏi điện miễn phí và một nhà máy điện phân miễn phí do một bên khác cung cấp mà không kèm theo bất kỳ điều kiện ràng buộc hay chi phí nào.
Các bài báo giả định rằng hydro và điện tự nhiên xuất hiện ở cuối đường ống và hệ thống truyền tải, thay vì hydro tiêu thụ một phần lớn năng lượng trong điện. Sau đó, họ lại cho rằng, một cách sai lầm, các đường dây HVDC là và phải nhỏ, trong khi đường ống hydro lại lớn.
Ngay cả với tất cả những điều này, với mức giá 1 đô la một kg trong một bài báo, hydro vẫn có giá gấp đôi so với khí đốt tự nhiên trên một đơn vị năng lượng.
Tất nhiên, điện được đưa vào lưới điện phân phối hiệu suất cao, trong khi ở cuối hệ thống truyền tải, hydro trở nên đắt đỏ hơn nhiều do chi phí phân phối. Để dễ hình dung, hydro giá rẻ được sản xuất từ khí đốt tự nhiên có giá từ 1-2 đô la để sản xuất, nhưng hiện tại có giá từ 15 đến 25 euro tại các trạm bơm ở châu Âu và 36 đô la tại hầu hết các trạm bơm ở California. Chi phí tăng vọt ngay khi bạn rời khỏi đường ống.
Sau đó, cả hai bài báo đều bỏ qua việc hydro, với tư cách là chất mang năng lượng, phải được sử dụng ở đầu bên kia, và các phân tử hầu như luôn kém hiệu quả hơn so với việc sử dụng điện. Pin nhiên liệu có hiệu suất trung bình 50% trong việc chuyển đổi hydro thành điện cho động cơ, trong khi điện được sử dụng trực tiếp hoặc thông qua pin hiệu quả hơn nhiều.
Đốt cháy hydro để tạo nhiệt dưới 200°C cạnh tranh trực tiếp với máy bơm nhiệt, vốn có hiệu suất trung bình cao gấp ba lần, và trong môi trường công nghiệp thường hiệu quả hơn. Do đó, không có chỗ cho hệ thống sưởi ấm dân dụng hoặc thương mại.
Phần lớn các ứng dụng sưởi ấm công nghiệp trên 200°C đều có thể điện khí hóa trực tiếp, thường có hiệu suất cao hơn so với việc sử dụng nhiên liệu đốt. Ngay cả khi cân bằng năng lượng, chi phí năng lượng vẫn sẽ tăng gấp bội vì rất nhiều điện năng bị thất thoát giữa tuabin gió và nhiệt.
Đây là năng lượng sinh ra. Các nghiên cứu về đường ống dẫn hydro đã bỏ qua nó.
Năm nay, có nghiên cứu của DNV, Đặc tả về Xương sống Hydro Ngoài khơi Châu Âu, trong đó bốn nhà phân tích phân tử năng lượng thuộc bộ phận phân tử năng lượng của công ty đã làm việc trên một báo cáo do Hiệp hội Đường ống Châu Âu mua và trả tiền. Hiệp hội này thực sự cần các phân tử để năng lượng trở thành một thứ gì đó, nếu không Hiệp hội và các thành viên của Hiệp hội sẽ không còn tồn tại. Vâng, không có xung đột lợi ích nào ở đây cả.
Tôi đã đánh giá nó trong một bài viết ban đầu và bài viết tiếp theo vài tháng trước. Nó tốt hơn một chút so với nghiên cứu năm 2018 và 2021, ở chỗ nó bao gồm nhiều hơn sự cân bằng của thực vật đối với hydro. Liệu nó có sửa được những sai sót ở trên không? Chỉ là hydro đã...
đắt hơn một chút vì chúng bao gồm nhiều yêu cầu thực tế hơn, nhưng vẫn khẳng định rằng hydro xanh được sản xuất ngoài khơi sẽ được vận chuyển đến cuối đường dây truyền tải với giá 3,21 euro/kg vào năm 2050 trong trường hợp tốt nhất, và điều này rẻ hơn bất kỳ phương thức truyền tải điện tử nào.
Vẫn còn thiếu sự cân bằng giữa các nhà máy. Chi phí vận hành và cơ sở hạ tầng ngoài khơi thấp. Sử dụng hệ thống truyền tải HVAC thay vì hệ thống truyền tải HVDC để đưa điện vào bờ cho quá trình điện phân trên bờ. Việc truyền tải HVDC gây ra tổn thất truyền tải rất cao so với hiệu suất đường ống hydro. Chúng làm cho chi phí vận hành đường ống thấp hơn nhiều so với chi phí vận hành HVDC, mặc dù HVDC không có bộ phận chuyển động trong khi đường ống có rất nhiều bộ phận chuyển động. Chúng làm cho hệ số công suất gió ngoài khơi rất cao đối với điện phân hydro. Chúng làm cho hệ số công suất năng lượng mặt trời trên bờ rất thấp.
Với tất cả những yếu tố này, hydro vẫn đắt gấp mười lần so với khí tự nhiên hóa lỏng, dạng điện đắt nhất mà bất kỳ quốc gia nào nhập khẩu hiện nay. Đây không phải là nền tảng cho một nền kinh tế năng lượng, mà là nền tảng cho một thảm họa kinh tế. Họ có so sánh như vậy không? Không, không, họ không làm vậy.
Một lần nữa, đây chỉ là giai đoạn cuối của quá trình truyền tải hydro, nhưng trước khi chi phí phân phối tăng lên gấp bội.
Toàn bộ báo cáo được xây dựng để đáp ứng nhu cầu của khách hàng, cho rằng việc sản xuất các phân tử hydro ngoài khơi tại các trang trại gió, sau đó xây dựng đường ống dẫn đến các trung tâm nhu cầu lớn là mô hình hiệu quả nhất về mặt chi phí, và các nhà phân tích của DNV đã bóp méo các con số và chuỗi thời gian không gian cho đến khi nhu cầu của khách hàng được đáp ứng.
Và vì vậy, trong bối cảnh này, Viện Nghiên cứu Năng lượng Oxford đã đưa ra báo cáo tháng 11 năm 2023 của họ: Đường ống dẫn hydro so với đường dây HVDC: Chúng ta nên truyền các phân tử xanh hay electron?
Họ đã làm đúng một vài điều, đáng chú ý là. Thứ nhất, họ bắt đầu với cùng một lượng điện ở đầu đường ống và HVDC, 9.600 MWh. Sau đó, họ áp dụng hầu hết các tổn thất năng lượng của cơ sở điện phân trước khi đưa hydro vào đường ống, và áp dụng các tổn thất hiệu suất nhỏ hơn nhiều vào điện trước khi truyền tải. Điều này là tốt. Điều này gần giống với việc so sánh tương đương.
Họ tính toán năng lượng được cung cấp ở cuối đường ống hoặc đường truyền là 1.152-5.712 MWh cho đường ống và 7.872-8.832 MWh ở cuối đường dây truyền tải. Nếu tinh mắt, bạn sẽ thấy rằng năng lượng ở cuối đường dây truyền tải lớn hơn rất nhiều. Nếu lạc quan về đường ống và thận trọng về đường truyền, sau đó tính trung bình đơn giản của cả hai cặp số, ta thấy đường ống đạt 3.432 MWh, tương đương 34% điện xanh được cung cấp, và đường truyền đạt 8.352 MWh, tương đương 87%.
Điều đó có nghĩa là đường dẫn hydro chỉ cung cấp 40% năng lượng trong đường dẫn electron. Điều đó có nghĩa là nếu tất cả các yếu tố khác đều bằng nhau, năng lượng sẽ có giá gấp 2,5 lần giá điện. Họ thực hiện thêm một số công việc để định lượng chi phí điện phân ban đầu và sau đó khẳng định chi phí truyền tải HVDC cao hơn so với đường ống, nhưng điều đó không đúng.
Họ gây gánh nặng cho việc truyền tải điện một chút với yêu cầu chôn điện lớn hơn so với đường ống, điều này khá kỳ lạ vì đường ống cũng thường được chôn ngầm ở một đoạn dài. Điều này cũng chẳng đáng là bao.
Nhưng thôi, chỉ 40% năng lượng được cung cấp từ các trang trại gió vì họ thực sự đã thực hiện một số công việc về điện phân, khử muối và nén. Ít nhất thì điều này cũng gần giống với việc so sánh ngang bằng.
Nhưng rồi họ lại vấp ngã. Trước hết, họ lưu ý rằng việc cung cấp điện ổn định với số lượng đủ lớn cho một cơ sở điện phân ngoài khơi sẽ cần nhiều trang trại gió hơn, nhưng sau đó lại không tính đến chi phí xây dựng tất cả các trang trại gió và cáp điện bổ sung đó vào phương trình. Giống như các báo cáo trước đó, họ giả vờ rằng tất cả điện năng chỉ cần một cách kỳ diệu là đến được giàn điện phân ngoài khơi và đường ống bắt đầu từ đó.
Và cơ sở điện phân của họ khá nhẹ, thiếu một bộ phận chính là máy hút ẩm hydro, bộ phận này giúp loại bỏ hơi nước khỏi nó trước khi truyền tải. Vì có quá nhiều bộ phận, họ đang bỏ qua một chút sự cân bằng của nhà máy. Tuy nhiên, ít nhất họ cũng có sự cân bằng về thực vật, điều mà như tôi đã chỉ ra trong các báo cáo đầy sai sót của Hội đồng Vận tải Sạch Quốc tế liên quan đến hydro thường bị thiếu trong các đánh giá.
Nhưng rồi ở đầu kia của đường ống, họ lại thất bại trong vấn đề năng lượng. Họ coi năng lượng được cung cấp dưới dạng phân tử và năng lượng được cung cấp dưới dạng electron là bằng nhau, trong khi thực tế không phải vậy. Pin nhiên liệu có hiệu suất trung bình 50% trong việc chuyển đổi hydro thành điện, cần lượng điện gấp 5 lần khi bắt đầu hành trình thay vì sử dụng điện trực tiếp hoặc thông qua pin. Đối với nhiệt độ dưới 200°C, cần lượng điện gấp 7,5 lần khi bắt đầu hành trình. Đối với nhiệt độ trên 200°C, khi có
Hầu như luôn luôn là một lựa chọn điện và nó thường hiệu quả hơn, ngay cả khi giả định năng lượng nhiệt bằng nhau trong hydro và điện đồng nghĩa với lượng điện gấp 2,5 lần vào thời điểm ban đầu.
Họ lưu ý rằng hiện nay không có thị trường năng lượng hydro, nhưng lại sử dụng các đơn vị năng lượng cho hydro gần như hoàn toàn. Họ trích dẫn phạm vi nhu cầu hydro, nhưng không bao giờ đặt câu hỏi về kỳ vọng về một lượng lớn hydro hoặc các giải pháp thay thế cho trường hợp sử dụng lưu trữ năng lượng mà họ coi là giá trị của đường ống. Họ lưu ý rằng có rất nhiều đường dây truyền tải HVDC đang hoạt động, đã được phê duyệt và đang được xây dựng, và các đường ống hydro mới hầu như chỉ đang ở giai đoạn thiết kế và không có ngành công nghiệp tư nhân nào tham gia xây dựng chúng, và sau đó giả định rằng các đường ống hydro sẽ được xây dựng.
Và, một lần nữa, chi phí phân phối hydro bị bỏ qua.
Dữ liệu trong báo cáo của họ cho thấy rõ ràng rằng hầu như không có nơi nào mà việc đưa electron vào máy điện phân để tạo ra hydro đưa vào đường ống lại có ý nghĩa tài chính nhỏ nhất so với việc truyền electron, nhưng họ kết luận rằng các công nghệ này bổ sung cho nhau và cả hai sẽ được sử dụng với số lượng lớn. Họ không đặt câu hỏi về toàn bộ tiền đề của hydro như một chất mang năng lượng mặc dù ngày nay nó gần như không được sử dụng cho mục đích đó.
Việc coi những công nghệ này là đối thủ cạnh tranh độc lập đã phủ nhận bản chất bổ sung của chúng. Trong bối cảnh năng lượng đang nổi lên, chúng sẽ là những thành phần không thể thiếu của một hệ thống phức tạp.
Họ không đủ can đảm để nêu rõ những gì dữ liệu cho thấy. Sẽ không ai xây dựng đường ống dẫn hydro để cung cấp năng lượng. Điều sắp xảy ra là HVDC sẽ được sử dụng để mang electron đi khắp mọi nơi, và ở những nơi có nhu cầu công nghiệp về hydro làm nguyên liệu đầu vào, nó sẽ được sản xuất tại điểm sử dụng, giống như 85% lượng hydro được tiêu thụ hiện nay.
