Pha trộn Hydrogen vào mạng lưới khí đốt: những thách thức về đứt gãy đường ống, tốc độ dòng chảy nhanh hơn + hơn thế nữa

Pha trộn Hydrogen vào mạng lưới khí đốt: những thách thức về đứt gãy đường ống, tốc độ dòng chảy nhanh hơn + hơn thế nữa

    Pha trộn Hydrogen vào mạng lưới khí đốt: những thách thức về đứt gãy đường ống, tốc độ dòng chảy nhanh hơn + hơn thế nữa


    Một phần quan trọng trong chiến lược đưa hydro vào dòng chính của ngành năng lượng toàn cầu là đưa nó vào cơ sở hạ tầng khí đốt hiện có. Điều đó sẽ được thực hiện bằng cách trộn “đơn giản” nó với khí tự nhiên. Tuy nhiên, có những thách thức và sự không chắc chắn đã được biết rõ, đã được thẩm vấn trong một báo cáo từ NREL và các tổ chức đối tác. Hydrogen, là nguyên tố nhỏ nhất, có thể dễ dàng thấm vào kim loại rắn và khiến thép đường ống dễ bị nứt. Và tác động của nó đối với đường ống nhựa, máy nén, van và các thiết bị phi đường ống khác, chẳng hạn như cơ sở lưu trữ, vẫn cần được đánh giá chính xác. Năng lượng thấp hơn của hydro trên một đơn vị thể tích có nghĩa là lưu lượng dọc theo đường ống sẽ phải tăng lên, đặt ra câu hỏi về hậu quả và chi phí của việc đó. Cuối cùng, báo cáo chỉ ra rằng thiếu các minh chứng trong thế giới thực, mặc dù các dự án hiện đang được tiến hành để minh họa các hệ thống đường ống quy mô lớn hơn với các hỗn hợp hydro khác nhau. Bộ công cụ nâng cấp đường ống khí đốt tự nhiên nguồn mở sẽ được phát hành vào cuối năm 2023.

    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 tỏ 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 quan trọng 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 các đường ống dẫn khí đốt tự nhiên chỉ là một trong những thị trường này, nhưng vô số thách thức và sự không chắc chắn làm phức tạp phương pháp này.

    Nhiều thách thức và sự không chắc chắn
    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 khí đốt tự nhiên: Đánh giá tình trạng công nghệ", khám phá các yếu tố vật liệu, kinh tế và vận hành cần 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 pha trộn hydro vào các đường ống dẫn khí đốt tự nhiên không phải là mới và đã có từ nhiều thập kỷ, nhưng vẫn còn lỗ hổng kiến thức lớn. “Chúng tôi hy vọng nghiên cứu này đóng vai trò là tài liệu tham khảo hữu ích cho những người đang xem xét các cuộc biểu tình pha trộn hoặc các lĩnh vực nghiên cứu liên quan trong tương lai.”

    Mỏi vật liệu: nứt do hydro
    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 khiến 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 nguyên tắc 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 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 đối với các thiết bị không thuộc 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 động 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 do DOE tài trợ (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, độ an toàn và độ tin cậy của việc lưu trữ hydro tinh khiết hoặc hỗn hợp khí hydro-khí tự nhiên 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 hydro trên mỗi đơn vị thể tích 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. Tăng tốc độ dòng chảy của khí hỗn hợp hydro mặc dù các đường ống có thể bù cho công suất giảm, nhưng năng lượng sử dụng để nén cũng phải tăng lên để bù cho sự sụt giảm áp suất tăng 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.

    Thiếu các cuộc biểu tình 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 vài minh chứng 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 các kịch bản đã 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 chuỗi cung ứng hydro và khí đốt tự nhiên để lấp đầy khoảng trống kiến thức hiện tại và cung cấp thông tin tốt hơn cho các nhà hoạch định chính sách và quyết định 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 việc 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 một công cụ nâng cấp đường ống khí đốt tự nhiên nguồn mở sẽ ra mắt vào cuối năm 2023.

    Zalo
    Hotline