Pha trộn hydro như một con đường hướng tới quá trình khử cacbon của Hoa Kỳ
của Natasha Nguyen, Phòng thí nghiệm năng lượng tái tạo quốc gia
Ảnh: Pixabay/CC0
Cơ sở hạ tầng khí đốt tự nhiên của Hoa Kỳ đang mở rộng, cung cấp dịch vụ cho 32% mức tiêu thụ năng lượng của quốc gia vào năm 2021. Để giảm lượng khí thải từ dịch vụ khí đốt tự nhiên, việc trộn hydro vào các đường ống dẫn khí đốt tự nhiên có thể chứng minh là một con đường đầy hứa hẹn và tiết kiệm chi phí. Nó sẽ không chỉ sử dụng cơ sở hạ tầng khí đốt tự nhiên hiện có mà còn phục vụ những người dùng cuối chính ở những nơi điện khí hóa không kinh tế.
Hydro là chất mang năng lượng có thể được sản xuất và tiêu thụ với lượng khí thải gần như bằng không ở một số thị trường trọng điểm nơi khí thiên nhiên được sử dụng ngày nay. Trộn hydro vào đường ống dẫn khí đốt tự nhiên chỉ là một trong những thị trường này, nhưng nhiều thách thức và sự không chắc chắn làm phức tạp phương pháp này.
Một báo cáo kỹ thuật do các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Năng lượng Tái tạo Quốc gia (NREL), Phòng thí nghiệm Quốc gia Sandia và Phòng thí nghiệm Quốc gia Tây Bắc Thái Bình Dương đồng tác giả đã xem xét tình trạng của công nghệ pha trộn hydro để đưa ra định hướng cho nghiên cứu pha trộn hydro trong tương lai. Báo cáo có tiêu đề "Hòa trộn hydro vào cơ sở hạ tầng đường ống dẫn khí đốt tự nhiên: Đánh giá về tình trạng công nghệ", khám phá các yếu tố vật chất, kinh tế và vận hành phải được xem xét, bao gồm tóm tắt các nghiên cứu đã phát triển các mô hình toán học có liên quan được sử dụng để nghiên cứu tác động của việc pha trộn hydro vận hành cơ sở hạ tầng truyền tải và phân phối khí thiên nhiên.
Mark Chung, trưởng nhóm phân tích hệ thống hydro của NREL cho biết: “Khái niệm trộn hydro vào các đường ống dẫn khí đốt tự nhiên không phải là mới và đã xuất hiện trong nhiều thập kỷ, nhưng vẫn còn những lỗ hổng kiến thức lớn. "Chúng tôi hy vọng nghiên cứu này đóng vai trò là tài liệu tham khảo hữu ích cho những ai đang xem xét các cuộc biểu tình pha trộn hoặc các lĩnh vực nghiên cứu liên quan trong tương lai."
Chống mỏi vật liệu
Một trong những thách thức chính đối với quá trình pha trộn hydro là quá trình nứt do hydro gây ra. Kim loại rắn có thể dễ dàng thấm qua hydro vì nó là nguyên tố nhỏ nhất trong vũ trụ. Khi các nguyên tử hydro được hấp thụ và khuếch tán trong thép đường ống, chúng có thể ảnh hưởng đến các đặc tính chống mỏi và chống đứt gãy của vật liệu. Những tác động này có thể làm cho thép đường ống dễ bị nứt hơn.
Báo cáo kỹ thuật thảo luận về nghiên cứu cần thiết để chống lại hiện tượng này. Mặc dù có các hướng dẫn thiết kế để đánh giá áp suất vận hành phù hợp đối với các vật liệu đường ống thông thường, nhưng cần có thêm thử nghiệm độ bền mỏi và đứt gãy của thép cổ điển được sử dụng trong hệ thống đường ống dẫn khí đốt tự nhiên của Hoa Kỳ để xác định hành vi hạn chế trong môi trường hydro. Ngoài ra, tác động của hydro đối với các vật liệu và thiết bị khác nhau, chẳng hạn như đường ống nhựa, máy nén, van và các thiết bị phi đường ống khác, chẳng hạn như cơ sở lưu trữ, cũng cần được đánh giá. Ví dụ, sự hiện diện của hydro trong một số thành tạo lưu trữ địa chất có thể kích thích và phát triển các vi sinh vật dưới bề mặt đã tồn tại từ trước sao cho hydro chứa trong đó được tiêu thụ để tạo ra chất gây ô nhiễm hydro.
Tác dụng của hydro đối với vi sinh vật trong các cơ sở lưu trữ địa chất chưa được nghiên cứu kỹ nhưng rất cần thiết để hiểu cách đảm bảo tính toàn vẹn của quá trình pha trộn hydro. Thông qua dự án SHASTA (Đánh giá, lưu trữ và tăng tốc công nghệ hydro dưới bề mặt), nhiều phòng thí nghiệm quốc gia đang làm việc cùng nhau để xác định khả năng tồn tại, an toàn và độ tin cậy của việc lưu trữ hydro tinh khiết hoặc hỗn hợp khí tự nhiên hydro trong môi trường dưới bề mặt.
cân nhắc hoạt động
Sự xuống cấp của vật liệu đường ống không phải là thách thức duy nhất mà hydro đưa ra. Mật độ năng lượng của hydro cũng đưa ra những thách thức về truyền năng lượng. Ở mức giảm áp suất cố định dọc theo chiều dài của đường ống, năng lượng trên một đơn vị thể tích của hydro thấp hơn so với khí tự nhiên làm giảm khả năng vận chuyển năng lượng của đường ống và có thể không đáp ứng đủ nhu cầu năng lượng của người dùng cuối. Việc tăng tốc độ dòng chảy của khí hydro pha trộn mặc dù đường ống có thể bù cho công suất giảm, nhưng năng lượng dùng để nén cũng phải tăng để bù cho sự sụt giảm áp suất dọc theo đường ống. Làm như vậy có thể dẫn đến chi phí bổ sung cho nhà điều hành đường ống và cuối cùng là người dùng cuối.
Báo cáo kỹ thuật tóm tắt các cân nhắc vận hành này để đánh giá kinh tế các cơ hội pha trộn hydro. Chi phí cơ hội liên quan đến việc giảm khả năng truyền năng lượng của hỗn hợp hydro cũng như các bước cần thiết để chuẩn bị mạng lưới đường ống và các ứng dụng sử dụng cuối cho quá trình trộn hydro cần được tính đến.
Trình diễn trong thế giới thực
Một thách thức khác đối với việc triển khai các hệ thống pha trộn hydro là thiếu nghiên cứu và trình diễn pha trộn hydro. Một số cuộc biểu tình trên khắp thế giới trong những năm gần đây đã chứng minh rằng hỗn hợp hydro thấp với khí tự nhiên là khả thi, nhưng những kịch bản được minh chứng này bị hạn chế trong mục đích sử dụng cuối cùng.
Nghiên cứu trường hợp nhỏ chỉ là khởi đầu. Nghiên cứu sâu hơn là cần thiết trên toàn bộ hydro và chuỗi cung ứng khí đốt tự nhiên để lấp đầy lỗ hổng kiến thức hiện tại và cung cấp thông tin tốt hơn cho những người ra quyết định và chính sách về các dự án pha trộn hydro trong tương lai. Các dự án hiện đang được tiến hành để chứng minh các hệ thống đường ống quy mô lớn hơn với hỗn hợp cao hơn và dòng hydro tinh khiết.
Sáng kiến HyBlend, tạo ra báo cáo kỹ thuật, do Văn phòng Công nghệ tế bào nhiên liệu và hydro của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ tạo ra để giải quyết các rào cản kỹ thuật đối với việc pha trộn hydro trong các đường ống dẫn khí đốt tự nhiên. NREL dẫn đầu một dự án R&D hợp tác trong HyBlend bao gồm ba phòng thí nghiệm quốc gia khác—Phòng thí nghiệm Quốc gia Sandia, Phòng thí nghiệm Quốc gia Tây Bắc Thái Bình Dương và Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne—và hơn 30 đối tác từ ngành công nghiệp và học viện. Báo cáo cung cấp thông tin về quá trình phát triển các mô hình và công cụ phân tích để đánh giá các yêu cầu kỹ thuật của việc pha trộn hydro như một phần trong các mục tiêu của sáng kiến HyBlend, bao gồm công cụ nâng cấp đường ống dẫn khí đốt tự nhiên nguồn mở sẽ ra mắt vào cuối năm 2023.
