Nhiệt phân mêtan – trường hợp sử dụng hydro sạch hơn với cơ sở hạ tầng hiện có
Hydro có tiềm năng khử cacbon đáng kể cho nhiều lĩnh vực. Theo quan niệm thông thường, chúng ta phải xây dựng các đường ống hydro mới chuyên dụng và cơ sở hạ tầng xử lý trong những thập kỷ tới để hiện thực hóa tiềm năng này. Sẽ thế nào nếu chúng ta đã có một cách hiệu quả và hiệu suất cao để vận chuyển (và lưu trữ) hydro trên khắp Hoa Kỳ? Sẽ thế nào nếu hệ thống này có thể giúp chúng ta loại bỏ đáng tin cậy lượng khí thải carbon từ quá trình sản xuất hydro hiện có, bắt đầu thay thế dầu diesel, nhiên liệu phản lực và nhiên liệu vận chuyển, đồng thời giúp thúc đẩy nhu cầu sử dụng mới khác ngay lập tức? Đồng thời, sẽ thế nào nếu hệ thống này sản xuất bền vững các vật liệu cho các sản phẩm sạch hơn để chuyển đổi năng lượng và giảm sự phụ thuộc của chúng ta (ít nhất là phần nào) vào khai thác mỏ?
Chúng tôi có hệ thống như vậy.
Nói một cách đơn giản, chúng ta có thể sử dụng cơ sở hạ tầng hiện có để vận chuyển (và lưu trữ) khí đốt tự nhiên trên khắp đất nước, như chúng ta đang làm hiện nay. Tại điểm sử dụng (ví dụ, cơ sở sản xuất amoniac hoặc trạm dừng xe tải) trong hệ thống, chúng ta có thể chuyển đổi khí đốt tự nhiên thành hydro bằng hàng nghìn đơn vị nhiệt phân mêtan có thể triển khai, dễ bảo trì và vận hành — một phương pháp sản xuất ít được thảo luận và tương đối hoàn thiện, chỉ tạo ra hydro và carbon rắn (ví dụ, carbon đen, than chì hoặc ống nano carbon) mà không phát thải carbon dioxide.
Trong 100 năm qua, Hoa Kỳ đã xây dựng khoảng ba triệu dặm đường ống dẫn khí đốt tự nhiên và phân phối để cung cấp cho một loạt các hộ gia đình, doanh nghiệp, nhà máy và nhà máy điện. Chúng tôi cũng đã đầu tư vào khả năng lưu trữ ngầm khổng lồ, có khả năng cân bằng nhu cầu năng lượng theo mùa. Chúng tôi có thể tiếp tục cải thiện (tức là thay thế các đường ống cũ, sửa chữa rò rỉ) và tận dụng khoản đầu tư cơ sở hạ tầng khổng lồ này để loại bỏ khí thải từ sản xuất hydro và bắt đầu bù đắp khí thải trong nhiều lĩnh vực khác.
Điều quan trọng là Hoa Kỳ được ban tặng một nguồn tài nguyên khí đốt tự nhiên khổng lồ và rất nhiều chuyên môn trong việc định vị, tiếp cận và khai thác nó. Một ước tính gần đây đưa ra tổng trữ lượng khí đốt tự nhiên đã được chứng minh là 692 nghìn tỷ feet khối (Tcf). Để tham khảo, chúng ta tiêu thụ khoảng 32,5 Tcf hàng năm. Vì vậy, đó là giá trị của hơn 21 năm. Với một vài ngoại lệ trong thập kỷ qua, sự phong phú của khí đốt tự nhiên trong nước này đã dẫn đến giá rất thấp.
Tuy nhiên, có một vấn đề với mức tiêu thụ khí đốt tự nhiên hiện tại; đốt cháy nó tạo ra carbon dioxide, tích tụ trong bầu khí quyển của chúng ta, làm nóng hành tinh và tạo ra biến đổi khí hậu nguy hiểm. Hơn nữa, khí thải phát tán từ quá trình sản xuất và phân phối khí đốt tự nhiên cũng là một nguồn phát thải khí nhà kính mạnh mẽ. Chúng ta phải tiếp tục giảm thiểu khí thải phát tán và phải đốt ít hơn (trừ khi chúng ta đang thu giữ và cô lập hoặc sử dụng các phân tử carbon dioxide).
Nhiệt phân mêtan (còn được gọi là hydro "màu ngọc lam") đã tồn tại trong nhiều thập kỷ, nhưng do đầu vào năng lượng cao và các thách thức kỹ thuật khác nên nó không hoàn thiện như cải cách mêtan bằng hơi nước (SMR). SMR, cũng chuyển đổi khí tự nhiên thành hydro, là một quá trình phát thải nhiều, chịu trách nhiệm cho 95 phần trăm sản lượng hydro của Hoa Kỳ ngày nay. Mặc dù nhiệt phân chỉ cần ít hơn một phần ba lượng điện tiêu thụ của quá trình điện phân, nhưng nó sử dụng nhiều khí tự nhiên hơn SMR trên mỗi lượng hydro được sản xuất. Ngoài ra, việc mở rộng công nghệ lên mức thương mại đã được chứng minh là một thách thức. Nhìn chung, Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IEA) xếp loại các thiết kế công nghệ nhiệt phân mêtan hiện có từ ba đến tám trên thang mức độ sẵn sàng về mặt công nghệ (TRL) của mình - với điểm chín ngụ ý mức độ sẵn sàng về mặt thương mại. Một loạt các phân tích hiện tại cho thấy nhiệt phân mêtan có chi phí trên một đơn vị hydro được sản xuất tương tự hoặc thấp hơn một chút so với hydro "xanh" (tức là SMR có thu giữ carbon), nhưng nó gần như không phát thải carbon dioxide, không cần phải cô lập hoặc vận chuyển carbon dioxide đã thu giữ và có thể có chi phí thấp hơn tùy thuộc vào giá trị của carbon rắn được tạo ra.
Carbon rắn ở nhiều dạng được tạo ra trong quá trình nhiệt phân mang lại tiềm năng doanh thu bổ sung (cao hơn giá trị hydro), có thể khuyến khích các công ty theo đuổi con đường sản xuất này hơn nữa. Carbon đen, một loại bột đen mịn, đã được sử dụng trong sản xuất lốp xe, in ấn, nhựa, nhựa đường và lớp phủ. Graphite, một dạng carbon có cấu trúc hơn, được khai thác ở nhiều quốc gia để làm cực dương pin, trong số những thứ khác. Nếu nó được sản xuất như một phần của quá trình nhiệt phân, nó sẽ giảm áp lực lên hoạt động khai thác than chì - một chiến thắng về mặt môi trường. Các ống nano carbon có lẽ là dạng carbon rắn có giá trị nhất. Chúng cực kỳ nhẹ, nhưng lại bền hơn thép gấp nhiều lần. Khi thay thế, chúng sẽ bù đắp cho hoạt động sản xuất thép và khai thác sắt có hàm lượng khí thải cao (ở một mức độ nào đó). Hơn nữa, việc sử dụng các ống nano trong các cấu trúc làm tăng độ bền và giảm trọng lượng (ví dụ: phương tiện hàng không vũ trụ, máy bay, ô tô và xe tải), giúp chúng tiết kiệm năng lượng hơn. Cuối cùng, các ống nano carbon dẫn điện, có khả năng giúp làm cho pin xe điện nhẹ hơn và giảm nhu cầu đối với các khoáng sản quan trọng khác được khai thác.
Các công ty đang ở nhiều giai đoạn phát triển khác nhau với nhiệt phân. Năm 2021, Monolith, một công ty hóa chất và năng lượng có trụ sở tại Nebraska, đã nhận được khoản vay 1 tỷ đô la từ Bộ Năng lượng Hoa Kỳ để mở rộng công nghệ độc quyền của mình bằng cách sử dụng khí đốt tự nhiên và điện sạch; công ty có kế hoạch sử dụng vốn để mở rộng sản xuất hydro sạch và muội than. Hydro do công ty sản xuất được sử dụng để tạo ra amoniac sạch và phân bón, được sử dụng tại các trang trại gần đó. Ngoài ra, Monolith đã hợp tác với một nhà sản xuất lốp xe lớn, giúp họ giảm lượng khí thải bằng cách sản xuất lốp xe điện bằng nguồn muội than phát thải thấp. Một công ty có trụ sở tại Washington, Modern Hydrogen, đã phát triển một phương pháp tiếp cận "container vận chuyển" dạng mô-đun để mở rộng khối lượng sản xuất hydro mà người dùng cuối cần. Tại Đức, công ty hóa chất BASF đã phát triển một quy trình độc quyền và xây dựng một cơ sở thí điểm tại Ludwigshafen; hiện tại, công ty đang nghiên cứu cách mở rộng quy mô sản xuất và đang khám phá các ứng dụng kinh tế cho carbon rắn mà công ty tạo ra. Ngoài ra, công ty hóa chất Huntsman của Hoa Kỳ đang thương mại hóa kỹ thuật nhiệt phân độc quyền của mình, tạo ra một sản phẩm ống nano carbon rắn có giá trị hơn ngoài hydro.
Molten Industries, C-Zero, Aurora hydrogen và Transform Materials đang trong giai đoạn phát triển ban đầu. Công ty khởi nghiệp Molten Industries đang tập trung vào sản xuất than chì (tức là một dạng cacbon rắn khác) cho pin lithium-ion và hydro cho ngành công nghiệp hóa chất và thép. C-Zero có trụ sở tại California ban đầu tập trung vào thị trường châu Á. Tại Canada, Aurora Hydrogen gần đây đã nhận được sự hỗ trợ của chính phủ cho công nghệ nhiệt phân vi sóng (tức là điện) mô-đun có thể mở rộng quy mô của mình, công nghệ này sản xuất hydro tại điểm sử dụng, loại bỏ nhu cầu về cơ sở hạ tầng vận chuyển dành riêng cho hydro. Tương tự như vậy, Transform Materials sản xuất hydro, axetilen và các sản phẩm có giá trị khác bằng năng lượng vi sóng và nhiệt phân. Vì hydro là khí nhà kính gián tiếp nên việc sản xuất gần nơi tiêu thụ có thể giúp giảm thiểu rò rỉ và tác động của nó đến biến đổi khí hậu.
Chúng ta nên sử dụng hydro để làm gì? Có sự đồng thuận rộng rãi ở đây. Đầu tiên, chúng ta nên thay thế sản xuất hydro bẩn hiện tại (tức là SMR) bằng các phương pháp sạch hơn càng nhanh càng tốt. Tiếp theo, chúng ta nên tập trung vào các lĩnh vực khó giảm thiểu như công nghiệp (ví dụ: sản xuất amoniac), vận tải đường dài hạng nặng (ví dụ: xe tải) và tạo ra các con đường rẻ hơn, có thể mở rộng quy mô để giảm lượng carbon trong nhiên liệu (ví dụ: nhiên liệu hàng không bền vững).
Với một mạng lưới vận chuyển và lưu trữ an toàn, hiệu quả đã có sẵn, chúng ta có thể bắt đầu kết nối các thành phần bổ sung của con đường sản xuất nhiệt phân mêtan gần như ngay lập tức. Chúng ta không cần phải chờ đợi nhiều năm hoặc nhiều thập kỷ (và chi thêm hàng tỷ đô la) để xây dựng một hệ thống vận chuyển hydro chuyên dụng 100 phần trăm để bắt đầu nhận ra sự giảm phát thải đáng kể. Cơ sở hạ tầng hiện tại của chúng ta cung cấp cho chúng ta một khởi đầu phi thường. Việc đồng sản xuất carbon rắn (ví dụ, carbon đen, than chì và ống nano carbon) mang lại một loạt các lợi ích kinh tế và môi trường rất hấp dẫn.
Nhiệt phân mêtan là một trong nhiều con đường sản xuất hydro sạch mà chúng ta nên theo đuổi mạnh mẽ. Đối với việc tiếp tục sử dụng nhiên liệu hóa thạch, những lợi ích đạt được từ nhiệt phân (hoặc thu giữ carbon) có thể bị hủy bỏ hoặc trở nên tồi tệ hơn nếu không có sự quản lý đồng bộ. Ngành công nghiệp khí đốt tự nhiên phải làm tốt hơn trong việc loại bỏ khí thải từ tất cả các phân đoạn phát triển sản phẩm (tức là thăm dò, sản xuất, thu thập, truyền tải, lưu trữ và phân phối). Ngoài ra, những tác động tiêu cực đến các cộng đồng lân cận phải được xem xét và cải thiện.
Một nhóm các công ty sáng tạo, tận dụng cơ sở hạ tầng hiện có và khí đốt tự nhiên giá rẻ, dồi dào, có thể giảm đáng kể lượng khí thải toàn cầu trong thập kỷ tới. Mặc dù vẫn còn một số thách thức về kỹ thuật, con đường ít kháng cự nhất này nên được hỗ trợ và cho phép ở mức tối đa.
Nhiệt phân mêtan – trường hợp sử dụng hydro sạch hơn với cơ sở hạ tầng hiện có
Mời các đối tác xem hoạt động của Công ty TNHH Pacific Group.
FanPage: https://www.facebook.com/Pacific-Group
YouTube: https://www.youtube.com/@PacificGroupCoLt
