Pha trộn hydro: chuẩn bị thị trường, công cộng và cơ sở hạ tầng

Hydro mang đến một cơ hội thú vị để cách mạng hóa hệ thống năng lượng của chúng ta và là một công cụ mạnh mẽ để giảm lượng khí thải nhà kính trong các lĩnh vực khó giảm thiểu. Pha trộn hydro là một ứng dụng ngày càng trở nên quan trọng hơn khi chúng ta cố gắng khử cacbon trong việc sử dụng khí đốt tự nhiên. Sự thay đổi này có khả năng giảm đáng kể lượng khí thải carbon, mang lại giải pháp thay thế hấp dẫn cho điện khí hóa thông thường. 

Sức hấp dẫn của hydro không chỉ giới hạn ở lợi ích môi trường của nó; nó mở rộng đến một bối cảnh kinh tế rộng lớn. Tiềm năng thị trường toàn cầu về hydro xanh được ước tính là hơn 1 nghìn tỷ USD vào năm 2050. Con số hoành tráng này nhấn mạnh triển vọng to lớn của hydro. Các chính phủ cũng đang đưa ra các quyết định đầu tư và chính sách táo bạo để cung cấp cho người dân và nền kinh tế của họ nguồn năng lượng carbon thấp, đáng tin cậy, giá cả phải chăng – tận dụng tiềm năng của việc trộn hydro với khí tự nhiên. 

Việc giải quyết các thách thức và hạn chế của việc pha trộn hydro đòi hỏi một cách tiếp cận có chủ ý, tập trung hoàn toàn vào các dự án giảm rủi ro, thông qua sự tham gia của các bên liên quan sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho cơ quan quản lý và công chúng chấp nhận, cũng như thử nghiệm quan trọng. Bước tiến chiến lược này sẽ sử dụng cơ sở hạ tầng hiện có, tận dụng mạng lưới đường ống dẫn khí đốt tự nhiên rộng khắp trải dài trên 3,5 triệu dặm ở Bắc Mỹ.

GHD đã khám phá sâu vấn đề này trong báo cáo H2 Now được phát hành gần đây, trong đó đi sâu vào (1) sự sẵn sàng của thị trường đối với việc pha trộn hydro, (2) vai trò của cộng đồng và các bên liên quan trong việc cải tiến công nghệ và (3) làm thế nào để triển khai hydro vào cơ sở hạ tầng đường ống hiện có.

Sự sẵn sàng của thị trường
Một số câu hỏi chính phải được xem xét khi các công ty xem xét việc thực hiện pha trộn hydro. Những thách thức và hạn chế phải được hiểu rõ cũng như các bước cần thiết để vượt qua chúng.

Một trong những cột mốc quan trọng trong quá trình chuyển đổi này là trộn hydro vào các hệ thống khí tự nhiên. Pha trộn hydro là bơm hydro vào các hệ thống khí tự nhiên hiện có bằng cách sử dụng cơ sở hạ tầng truyền thống rộng rãi để cung cấp năng lượng sạch hơn cho người dùng cuối, chẳng hạn như nhà máy điện, ngành công nghiệp, doanh nghiệp và cộng đồng.

Ngành hydro đã phát triển đáng kể trong vài năm qua và chúng ta đang chứng kiến ​​sự tiến bộ của ngành này trong thực tế. Những tiến bộ công nghệ, phát triển cơ sở hạ tầng, nhu cầu theo ngành và sự chấp nhận của người dùng cuối giúp cho thấy những dấu hiệu yên tâm về sự tiến bộ và sẵn sàng thương mại hóa rộng rãi của ngành công nghiệp hydro.

Những tiến bộ về công nghệ và cơ sở hạ tầng
Những tiến bộ trong công nghệ sản xuất, lưu trữ và sử dụng hydro là đáng chú ý, bao gồm cả những tiến bộ đáng kể trong các máy điện phân và pin nhiên liệu hiệu quả hơn và tiết kiệm chi phí hơn. Việc thiết lập cơ sở hạ tầng phân phối hydro chuyên dụng trong mạng lưới khí hiện có đảm bảo vận chuyển hydro đáng tin cậy đến người dùng cuối, tạo điều kiện thuận lợi cho khả năng mở rộng và thâm nhập thị trường của ngành.

Ngày nay, có thể đạt được tỷ lệ pha trộn 5–20% hydro trong mạng lưới phân phối khí đốt hiện có mà không ảnh hưởng xấu đến các thiết bị công nghiệp sử dụng cuối cùng cũng như các thiết bị thương mại và dân dụng hiện có. Đối với người tiêu dùng khí đốt tự nhiên thông thường, hydro và metan có thể được sử dụng để phát điện và sưởi ấm, đưa hydro vào xã hội một cách hiệu quả.

Nhu cầu về hydro không chỉ giới hạn ở một lĩnh vực duy nhất; nó mở rộng sang các ngành công nghiệp như thép, giao thông vận tải, xi măng, sưởi ấm và nông nghiệp. Các lĩnh vực này tích cực tìm kiếm các giải pháp năng lượng sạch, tạo ra sức hút thị trường mạnh mẽ cho các giải pháp thay thế dựa trên hydro. Pha trộn hydro - cùng với các ứng dụng hydro khác như phương tiện chạy bằng pin nhiên liệu cho vận tải hạng nặng, hàng hải và đường sắt - đóng một vai trò then chốt trong việc khử cacbon cho các ngành công nghiệp sử dụng nhiều khí thải này.

Dòng vốn đầu tư và tài trợ
Hỗ trợ tài chính ngày càng tăng từ các chính phủ, nhà đầu tư và nhà đầu tư mạo hiểm làm nổi bật niềm tin của thị trường vào tiềm năng của hydro. Trong các chính sách như Đạo luật giảm lạm phát của Hoa Kỳ, có các biện pháp khuyến khích sản xuất, phân phối và tiêu thụ hydro, thúc đẩy môi trường thuận lợi cho sự tăng trưởng và ổn định của thị trường cũng như dòng vốn đầu tư từ phía tư nhân. Quan hệ đối tác hợp tác cũng đang hình thành giữa những người chơi chủ chốt trong ngành, các tổ chức nghiên cứu và chính phủ để giải quyết các thách thức về kỹ thuật, quy định và thị trường - giúp gắn kết các bên liên quan và thúc đẩy ngành phát triển.

Tính cấp bách của việc đầu tư vào các dự án hydro ngày nay lớn hơn bao giờ hết, thể hiện qua sự phục hồi của lượng khí thải carbon lên trên mức trước COVID và các vấn đề về chuỗi cung ứng do căng thẳng địa chính trị gây ra. Tuy nhiên, Canada và Hoa Kỳ vẫn cần đầu tư nhiều hơn để đạt được mức phát thải ròng bằng 0 vào năm 2050. Ở cả hai quốc gia, chúng ta đã thấy việc đưa ra các biện pháp khuyến khích mạnh mẽ cho các ngành công nghiệp có lượng khí thải carbon cao chuyển đổi sang các giải pháp dựa trên hydro. Đây là động lực thúc đẩy quá trình khử cacbon nhanh chóng. Các chính sách khen thưởng việc giảm phát thải thông qua việc sử dụng hydro, chẳng hạn như ưu đãi, tín dụng thuế và cơ chế định giá carbon, có thể kích thích nhu cầu và tăng trưởng thị trường. Đạo luật Giảm lạm phát là một ví dụ điển hình về chính sách gắn liền với các biện pháp khuyến khích.

Việc phát triển các tiêu chuẩn và chứng nhận được công nhận trên toàn cầu về sản xuất, lưu trữ, vận chuyển và sử dụng hydro có thể nâng cao niềm tin vào độ an toàn, độ tin cậy và khả năng tương tác của ngành. Các tiêu chuẩn này có thể hợp lý hóa các quy trình quản lý, khuyến khích đầu tư và đảm bảo chất lượng cũng như ứng dụng nhất quán trong chuỗi giá trị hydro. Số lượng các trung tâm nghiên cứu và phát triển chuyên dụng tập trung vào hydro cũng đang phát triển đều đặn.

Giảm chi phí sản xuất hydro
Mặc dù hydro có hàm lượng carbon thấp chưa thể cạnh tranh với các nguồn năng lượng truyền thống, nhưng có thể giảm chi phí đáng kể thông qua những tiến bộ trong các nguồn năng lượng tái tạo, công nghệ thu giữ và lưu trữ carbon cũng như tính kinh tế theo quy mô.

Tổng chi phí của việc chuyển đổi bất kỳ hệ thống phân phối khí tự nhiên nào, dù bằng cách trộn hydro vào đường ống hiện có hay kết hợp trực tiếp hydro vào các ứng dụng của người dùng cuối, đều bao gồm hai thành phần chính: vốn đầu tư và chi phí của hydro được phân phối. Vốn đầu tư bao gồm chi phí thiết bị trộn, sửa đổi đường ống, chương trình đánh giá và thử nghiệm để chứng minh việc sử dụng an toàn và đáng tin cậy. Để đánh giá hiệu quả chi phí của quá trình chuyển đổi này, chúng ta cần so sánh chi phí hydro tại điểm pha trộn với chi phí khí tự nhiên trên cơ sở tương đương năng lượng (ví dụ trên một triệu đơn vị nhiệt Anh – MMBtu). Một khi mức năng lượng tương đương này được thiết lập, bất kỳ chi phí bổ sung nào của hydro trên mức tương đương này đều phản ánh chi phí giảm lượng khí thải carbon, được đo bằng đô la cho mỗi tấn CO 2  được loại bỏ.

Các thông số ảnh hưởng đến chi phí vốn của thiết bị trộn bao gồm:

• Lưu trữ hydro (ở dạng lỏng hoặc khí đông lạnh);
• Thiết bị trộn, bao gồm đo lường và kiểm soát lưu lượng hydro và khí tự nhiên, phát hiện rò rỉ hydro, thiết bị và điều khiển, điện, đường ống và các thiết bị cơ khí khác, kết cấu và bất kỳ tòa nhà mới nào;
• Chuẩn bị mặt bằng dân dụng và khác; Và
• Giấy phép trang web và bất kỳ quy tắc và tiêu chuẩn cụ thể nào khác về hydro.

Hydro có thể được lấy từ các nhà cung cấp bên thứ ba dưới dạng hydro lỏng ở dạng khí hoặc đông lạnh. Hydro tại chỗ cũng có thể được sản xuất thông qua quá trình điện phân và có thể được lưu trữ để pha trộn thêm hoặc pha trộn trực tiếp vào hệ thống phân phối khí tự nhiên. Sản xuất hydro tại chỗ có thể giảm chi phí hydro tổng thể và từ đó giảm chi phí khử cacbon tổng thể nếu hydro có thể được tạo ra và trộn trực tiếp vào hệ thống phân phối khí tự nhiên, do đó loại bỏ nhu cầu nén hoặc lưu trữ hydro đáng kể.

Sự sẵn có của các thiết bị và dụng cụ dành cho người dùng cuối, chẳng hạn như nồi hơi và lò nung hydro dùng trong dân dụng, nêu bật sự tiến bộ của ngành và sự chấp nhận của người tiêu dùng đối với các giải pháp năng lượng bền vững. Một số thiết bị hiện có đã được chứng minh là có thể sử dụng hydro ở một lượng nhất định, trong khi các thiết bị khác đang được trang bị thêm để cho phép sử dụng hydro và thiết bị mới đang được phát triển để cho phép sử dụng tới 100% hydro.

Con đường phía trước rõ ràng
Hội đồng Nghiên cứu Đường ống Quốc tế (PRCI) đã tổng hợp các kết quả nghiên cứu từ khắp nơi trên thế giới để giúp thiết lập một lộ trình rõ ràng cho việc pha trộn hydro. Năm 2021, GHD chủ trì một nghiên cứu với sự tham gia trực tiếp của 20 công ty khí đốt và viện nghiên cứu ở Bắc Mỹ, Châu Âu và Úc. Nghiên cứu đã phân tích quá trình pha trộn hydro hiện đại, xác định các khoảng trống và ưu tiên nghiên cứu đề xuất về các chủ đề kỹ thuật khác nhau, bao gồm tính toàn vẹn của đường ống, an toàn, đo lường, quản lý mạng lưới, lưu trữ dưới lòng đất và mục đích sử dụng cuối cùng trong phân phối áp suất cao và áp suất thấp. hệ thống.

Tạo ra một môi trường được kiểm soát để thử nghiệm và triển khai các công nghệ hydro có thể đẩy nhanh quá trình tích hợp chúng vào các hệ thống năng lượng hiện có. Điều này cho phép chủ sở hữu tài sản và nhà đổi mới thử nghiệm các thiết bị khác nhau và thử nghiệm các giải pháp mới trong khi các cơ quan quản lý giám sát và điều chỉnh các khuôn khổ cho phù hợp.

Bằng cách nắm bắt những cơ hội này cùng với các dấu hiệu về sự sẵn sàng của ngành đã nêu trước đó, ngành hydro có thể đẩy nhanh con đường thương mại hóa và tự khẳng định mình là lực lượng biến đổi trong bối cảnh năng lượng toàn cầu. Những chiến lược bổ sung này có thể cùng nhau khai thác toàn bộ tiềm năng của hydro, cho phép nó giải quyết những thách thức năng lượng phức tạp và đóng góp cho một tương lai bền vững.

Theo Hội đồng Hydro, sự tăng trưởng của hydro là điều hiển nhiên, với hơn 600 dự án hydro quy mô lớn đang được phát triển. Các dự án này bao gồm các thí điểm pha trộn đường ống để kiểm tra một lượng nhỏ hydro trong hệ thống khí đang hoạt động và các dự án nghiên cứu tập trung vào việc pha trộn hydro với khối lượng lớn hơn trong các cơ sở thử nghiệm tiện ích. Trong bối cảnh sẵn sàng kinh doanh thương mại, việc chuyển đổi sang một tương lai bền vững và ít carbon phụ thuộc vào việc thương mại hóa thành công ngành công nghiệp hydro. Các doanh nghiệp thương mại đang tiến lên phía trước, biến hydro thành nguồn năng lượng chủ đạo.

Sự sẵn sàng của cộng đồng và các bên liên quan
Việc phát động các chiến dịch giáo dục và nâng cao nhận thức cộng đồng toàn diện có thể làm sáng tỏ công nghệ hydro, xóa tan những quan niệm sai lầm và thúc đẩy sự chấp nhận của người tiêu dùng và các bên liên quan khác. Các chiến dịch này có thể nêu bật những lợi ích của việc sử dụng hydro và giải quyết các mối lo ngại liên quan đến tính an toàn và tính khả thi. Sự tham gia của các bên liên quan là rất quan trọng đối với các dự án pha trộn hydro vì nó thúc đẩy sự chấp nhận của công chúng, tuân thủ quy định, xác định rủi ro và hợp tác.

Việc thu hút các bên liên quan như cộng đồng, nhóm môi trường và đại diện ngành cho phép các nhà phát triển dự án hiểu được mối quan tâm, giải quyết chúng một cách minh bạch và xây dựng sự hỗ trợ. Nó cũng giúp đáp ứng các yêu cầu quy định và đảm bảo tuân thủ các tiêu chuẩn về môi trường và an toàn. Bằng cách thu hút sự tham gia sớm của các bên liên quan, các nhà phát triển có thể xác định và giảm thiểu rủi ro tiềm ẩn, quản lý các mối lo ngại, khai thác kiến ​​thức địa phương và nâng cao kết quả dự án thông qua hợp tác và hợp tác. Cần phải dự đoán trước những lo ngại về cả sự an toàn của việc pha trộn hydro và nó sẽ tác động như thế nào đến chi phí năng lượng của hộ gia đình đối với người dân.

Nghiên cứu 'Sốc' của GHD cho thấy 70% số người được hỏi C-Suite từ lĩnh vực năng lượng toàn cầu đồng ý với tuyên bố rằng sự phản đối của cộng đồng là một trong những trở ngại lớn nhất để các dự án năng lượng sạch mới được phê duyệt. Các phát hiện chứng minh rằng cách cộng đồng nhìn nhận những dự án này - tích cực hoặc tiêu cực - có khả năng tác động đáng kể đến tiến trình hướng tới một tương lai không có ròng.

Xác định sự sẵn sàng của cơ sở hạ tầng
Đánh giá rủi ro nhằm đánh giá tất cả các mối đe dọa và hậu quả tiềm ẩn sẽ xác định tính khả thi của việc pha trộn hydro và xác định những nâng cấp nào đối với hệ thống phải diễn ra trước khi bắt đầu triển khai. Mọi thay đổi cần thiết phải được thực hiện đối với hồ sơ vận hành, quy trình O&M và hồ sơ thiết kế để phản ánh những thay đổi về chất lỏng vận hành và thiết bị. Có thể cần phải có sự chấp thuận thay đổi dịch vụ đối với những thay đổi về chất lỏng trong đường ống.

Việc trộn hydro trực tiếp vào các đường ống dẫn khí đốt tự nhiên hiện có đòi hỏi phải xem xét cẩn thận để vận hành an toàn và hiệu quả. Khả năng tương thích của đường ống là rất quan trọng vì các vật liệu được sử dụng trong các đường ống cũ có thể cần được đánh giá và nâng cấp tiềm năng để ngăn ngừa các vấn đề liên quan đến hiện tượng giòn hydro. Tỷ lệ pha trộn xác định lượng hydro cần thiết trong hỗn hợp với khí tự nhiên cần được tối ưu hóa để cân bằng giữa việc giảm phát thải và đốt cháy an toàn.

Các biện pháp kiểm soát chất lượng đảm bảo độ tinh khiết và tính nhất quán của hydro được pha trộn. Các quy trình an toàn, chẳng hạn như hệ thống phát hiện rò rỉ và đánh giá rủi ro, là yếu tố then chốt và cần được sửa đổi phù hợp vì hydro có các đặc tính khác với khí tự nhiên. Việc tuân thủ quy định với các yêu cầu của địa phương là điều cần thiết, đồng thời hệ thống giám sát và bảo trì thường xuyên giúp theo dõi quá trình pha trộn và đảm bảo tính toàn vẹn của hệ thống. Người ta ước tính rằng chi phí tái sử dụng tài sản đường ống hiện có cho dịch vụ hydro chiếm 10–20% chi phí xây dựng cơ sở hạ tầng mới.

Hydro khác với khí tự nhiên và các đặc tính phân tử của nó ảnh hưởng đến cách tái sử dụng cơ sở hạ tầng khí đốt hiện có. Một trong những biện pháp kiểm soát an toàn quan trọng nhất là định lượng tác động của hydro lên vật liệu đường ống. Ngoài vật liệu đường ống, cần phải kiểm tra cơ sở vật chất và cụm đường ống. Để đảm bảo quá trình chuyển đổi suôn sẻ và an toàn, cần phải cập nhật hồ sơ thiết kế, đánh giá mức độ phù hợp cho dịch vụ và đưa ra các quy trình vận hành và bảo trì. Đường ống truyền tải đặt ra những thách thức đặc biệt cho việc vận chuyển hydro và hỗn hợp hydro so với khí tự nhiên. Tác động của hydro ngày càng tăng và trong nhiều trường hợp còn tăng tốc khi hỗn hợp hydro và áp suất vận hành ngày càng tăng. Do đó, bắt buộc phải thực hiện các thử nghiệm và thử nghiệm toàn diện để đảm bảo các hoạt động trộn hoạt động tốt.

Trong số các đánh giá quan trọng cần thiết để xác định tính toàn vẹn và khả năng tương thích của đường ống đối với quá trình trộn hydro là:

• Kiểm tra mức độ bền nứt : Hydro có thể khuếch tán vào thép đường ống, làm giảm độ bền, độ dẻo và đẩy nhanh tốc độ phát triển vết nứt mỏi. Việc theo dõi mức độ giảm độ dẻo dai và tốc độ phát triển vết nứt là rất quan trọng.
• Thành phần đường ống : Tác động của hydro lên thép có thể khác nhau tùy theo thành phần và cấu trúc vi mô. Tay nghề và điều kiện toàn vẹn của đường ống phải được đánh giá ở điều kiện vận hành đề xuất, vì hydro có thể gây ra hiện tượng giòn của nhiều vật liệu khác được sử dụng trong hệ thống truyền tải, bao gồm hợp kim thép cường độ cao, thép martensitic và hợp kim niken.
• Giám sát hoạt động thủy lực : Hydro có mật độ năng lượng thấp hơn và các đặc tính nhiệt động khác với khí tự nhiên, điều này làm thay đổi hoạt động thủy lực của chất lỏng khi hỗn hợp tăng lên. Vận tốc khí cao hơn trong đường ống gây ra các vấn đề về ứng suất, độ rung và cảm ứng âm thanh khác nhau.
• Kiểm tra vật liệu bịt kín : Hydro là phân tử nhỏ hơn nhiều so với metan, nghĩa là độ rò rỉ từ thân, khớp và phần đóng kín cao hơn.

Một nghiên cứu điển hình hấp dẫn là dự án PG&E Hydrogen to Infinity ở Bắc California, dự định nghiên cứu tính khả thi của việc trộn hydro từ một cơ sở sản xuất gần đó vào vòng đường ống quy mô đầy đủ và thiết bị liên quan bắt chước các hệ thống truyền tải hiện có sẽ cần được sử dụng. Để làm được điều này, họ sẽ cộng tác với ngành và các đối tác khác để tiến hành thử nghiệm ở ba thành phần chính:

• Một vòng đường ống quy mô đầy đủ - được xây dựng và vận hành giống như các đường ống truyền khí tự nhiên trong thế giới thực, nhưng hoàn toàn độc lập để có thể tiến hành thử nghiệm một cách an toàn;
• Cơ sở thử nghiệm phá hủy quy mô đầy đủ – xây dựng cơ sở để đảm bảo khả năng tương thích của thiết bị, vật liệu rò rỉ và thử nghiệm tính toàn vẹn, được đẩy đến mức phá hủy để giúp xác định các giới hạn an toàn; Và
• Thử nghiệm trong phòng thí nghiệm – trung tâm điều khiển cơ sở nghiên cứu và thử nghiệm tiên tiến và cơ sở hạ tầng kỹ thuật số để giám sát và kiểm soát đường ống và thiết bị thử nghiệm.

Nhìn về phía trước
Khi ngành công nghiệp pha trộn hydro phát triển - và với sự chuẩn bị thích hợp, liên lạc với các bên liên quan và thử nghiệm nơi đặt đường ống - số lượng và quy mô của các dự án sẽ tiếp tục tăng đáng kể như một thành phần quan trọng của nền kinh tế hydro, thúc đẩy quá trình khử cacbon trên nhiều ngành công nghiệp, doanh nghiệp, thành phố và cộng đồng.

Mời đối tác xem hoạt động của Công ty TNHH Pacific Group.
FanPage:    https://www.facebook.com/Pacific-Group
YouTube:    https://www.youtube.com/@PacificGroupCoLt