Pin nhiệt: Điện khí hóa hệ thống sưởi ấm tại các nhà máy hóa chất
Hướng dẫn đưa pin nhiệt vào các nhà máy hóa chất và lọc dầu trên khắp Hoa Kỳ.
Ngày 28 tháng 10 năm 2024
Nhu cầu sưởi ấm của các ngành hóa chất và lọc dầu chiếm từ 5 đến 6 phần trăm lượng khí thải nhà kính của Hoa Kỳ. Ngày nay, phần lớn lượng nhiệt này được tạo ra bằng cách đốt khí đốt tự nhiên hoặc các nhiên liệu hóa thạch khác. Khi ngành công nghiệp phải đối mặt với áp lực ngày càng tăng trong việc giảm phát thải, tiềm năng giảm tới 99 phần trăm lượng khí thải nhiệt hiện tại của pin nhiệt khi kết hợp với năng lượng tái tạo khiến chúng trở thành một giải pháp thay thế hấp dẫn cho hệ thống sưởi ấm công nghiệp.
Hướng dẫn này được thiết kế để giúp các bên liên quan trong ngành và chính sách hiểu rõ hơn về nơi và cách các ngành công nghiệp hóa chất và lọc dầu có thể triển khai pin nhiệt hiện nay, cũng như cách chính sách có thể hỗ trợ điện khí hóa công nghiệp.
Pin nhiệt là gì? (Pin nhiệt)
Pin nhiệt được chế tạo bằng vật liệu có khả năng hấp thụ và lưu trữ nhiệt cao, chẳng hạn như than chì, đá dăm và gạch. Những vật liệu này được nung nóng đến nhiệt độ lên tới 1800°C bằng điện. Các vật liệu được làm nóng được bọc trong lớp cách nhiệt để lưu trữ nhiệt hiệu quả trong vài ngày và giải phóng nhiệt khi cần thiết cho các nhà máy công nghiệp để sử dụng như sưởi ấm cho phản ứng, chưng cất và sấy khô.
Pin nhiệt thường sạc trong 4 đến 8 giờ mỗi ngày và tận dụng các giai đoạn giá điện thấp đến âm trong thời gian sử dụng lưới điện ngoài giờ cao điểm, cắt giảm chi phí sạc tới 50 phần trăm. Vì các giai đoạn giá điện thấp có xu hướng xảy ra khi có thặng dư năng lượng tái tạo trên lưới điện, nên pin nhiệt cắt giảm lượng khí thải khi so sánh với hệ thống sưởi ấm bằng khí đốt. Đối với các nhà máy có quyền truy cập vào năng lượng tái tạo ngoài lưới điện, thông qua quyền sở hữu trực tiếp hoặc thông qua các thỏa thuận mua điện (PPA), pin nhiệt mang lại lợi ích về độ tin cậy bằng cách đệm sự không liên tục của năng lượng gió và năng lượng mặt trời để cung cấp nhiệt trạng thái ổn định.
Hình dung về pin nhiệt trong hầu hết mọi nhà máy hóa chất
Pin nhiệt là một công nghệ đa năng; chúng có thể được sử dụng theo nhiều cách khác nhau để giảm lượng khí thải. Công dụng chính của nhiệt trong các nhà máy hóa chất là để phản ứng và tách.
Lò phản ứng là nơi diễn ra phản ứng hóa học để tạo ra những thứ chúng ta sử dụng trong cuộc sống hàng ngày như phân bón và các hóa chất cơ bản của nhựa. Thông thường, phản ứng hóa học này đòi hỏi một lượng nhiệt đáng kể ở nhiệt độ cao, lên tới 1100°C, tùy thuộc vào phản ứng. Pin nhiệt có thể làm nóng trước các chất phản ứng đi vào lò phản ứng hoặc làm nóng trực tiếp lò phản ứng.
Thông thường, hỗn hợp hóa chất thoát ra khỏi lò phản ứng và cần được tách ra. Chưng cất tách các hóa chất dựa trên điểm sôi của chúng, tạo ra các luồng hóa chất tinh khiết hơn. Trong các nhà máy hóa chất, chưng cất đòi hỏi nhiệt ở nhiệt độ từ 100°C đến 300°C. Hầu hết các nhà máy đốt khí đốt tự nhiên để đun nước thành hơi nước, sau đó dẫn hơi nước qua một mạng lưới đường ống rộng lớn đến các cột chưng cất, lò phản ứng, máy sấy và vô số người sử dụng nhiệt khác trong nhà máy. Pin nhiệt có thể thay thế hoặc bổ sung cho các lò hơi khí đốt tự nhiên hiện có và với sự tích hợp chu đáo, chúng cũng có thể cải thiện độ tin cậy của nguồn cung cấp hơi nước.
Cắm Pin Nhiệt vào Nhà máy Hóa chất
Các nhà máy hóa chất có thể giảm đáng kể lượng khí thải nhà kính, cải thiện hiệu quả năng lượng và có khả năng giảm chi phí năng lượng bằng cách tích hợp pin nhiệt cho nhu cầu sưởi ấm của họ.
Pin nhiệt là ứng dụng mới của các công nghệ hiện có, đã được chứng minh bao gồm sưởi ấm trực tiếp và gạch chịu lửa, và việc tích hợp chúng vào các nhà máy rất đơn giản và nằm trong khả năng của hệ sinh thái hiện có của các nhà cung cấp dịch vụ tham gia vào các trung tâm công nghiệp của Hoa Kỳ như các công ty kỹ thuật, mua sắm và xây dựng.
Các bước tích hợp sẽ bao gồm:
Đánh giá và lập kế hoạch: Đánh giá các yêu cầu sưởi ấm hiện tại, xác định các điểm tích hợp tiềm năng và thiết kế một hệ thống phù hợp với nhu cầu vận hành và mục tiêu giảm phát thải.
Thiết kế và cải tạo: Sửa đổi các hệ thống hơi nước, lò sưởi hoặc các lò sưởi khác hiện có để kết nối pin nhiệt. Điều này có thể liên quan đến việc lắp đặt bộ trao đổi nhiệt và cập nhật các hệ thống điều khiển để tích hợp liền mạch.
Tự động hóa và Kiểm soát: Triển khai các hệ thống tự động để quản lý các chu kỳ sạc và xả của pin nhiệt dựa trên tín hiệu giá điện và nhu cầu nhiệt.
Giám sát và Bảo trì: Thiết lập các giao thức để giám sát và bảo trì thường xuyên nhằm đảm bảo hiệu suất tối ưu và tuổi thọ của hệ thống pin nhiệt.
Đưa ra quyết định đầu tư đúng đắn
Đánh giá kỹ lưỡng các yếu tố được liệt kê dưới đây sẽ giúp các nhà máy hóa chất đưa ra quyết định sáng suốt về việc tích hợp pin nhiệt, tối đa hóa lợi ích kinh tế và môi trường.
Nhu cầu năng lượng và mô hình sử dụng: Hiểu được mô hình tiêu thụ năng lượng của nhà máy quyết định quy mô và cấu hình của hệ thống pin nhiệt. Các nhà máy nên xem xét pin nhiệt là thành phần của kế hoạch điện khí hóa dài hạn của họ và xây dựng tính linh hoạt để đáp ứng các mô hình tiêu thụ và dòng năng lượng hiện tại và tương lai.
Điều kiện lưới điện và thị trường: Giá điện địa phương, độ tin cậy của lưới điện và tính khả dụng của các nguồn năng lượng tái tạo có thể ảnh hưởng đến khả năng kinh tế và tiềm năng giảm phát thải của dự án.
Chi phí vốn và vận hành: Đánh giá khoản đầu tư ban đầu cần thiết cho việc lắp đặt và các chi phí vận hành liên tục, bao gồm chi phí bảo trì và năng lượng, là rất quan trọng. Các nhà sản xuất pin nhiệt có thể cung cấp nhiệt sạch dưới dạng dịch vụ, trong đó họ vận hành và bảo trì pin nhiệt và lập hóa đơn năng lượng hàng tháng như một phần của hợp đồng dài hạn. Các công ty có hạn chế về vốn nên cân nhắc mô hình mua sắm năng lượng mới nổi này trong lĩnh vực công nghiệp. Ngoài ra, các nhà máy phải cân nhắc chặt chẽ các nâng cấp cơ sở hạ tầng điện cần thiết cho kế hoạch điện khí hóa của họ: khi lập kế hoạch nâng cấp này, họ nên làm việc với các công ty tiện ích địa phương để thương lượng giá, chia sẻ chi phí để nâng cấp lưới điện và các ưu đãi khác.
Bối cảnh chính sách và quy định: Hiểu được môi trường quy định, bao gồm tín dụng thuế, trợ cấp và cơ chế định giá carbon, có thể tác động đến tính khả thi về mặt tài chính của việc lắp đặt.
Tác động môi trường: Xem xét các lợi ích đồng thời, bao gồm giảm ô nhiễm không khí và khí thải nhà kính; và cải thiện hiệu quả năng lượng, có thể hỗ trợ quá trình ra quyết định. Ngoài ra, giá nội bộ về khí thải nhà kính có thể giúp củng cố trường hợp kinh doanh cho pin nhiệt.
Pin nhiệt theo số liệu
Pin nhiệt là công nghệ hoàn thiện có thể cung cấp nhiệt ở nhiệt độ lên đến 1800°C với tiềm năng giảm phát thải lên đến 99 phần trăm so với hệ thống sưởi ấm bằng khí đốt tự nhiên, khi được sạc bằng điện tái tạo. Chi phí nhiệt được san bằng (LCOH) được cung cấp dao động từ 20 đến 87 đô la cho mỗi megawatt giờ (MWh). 20 phần trăm đến 40 phần trăm chi phí là chi phí vốn; phần còn lại là chi phí vận hành, chủ yếu là điện mua vào. Cấu hình sạc thông minh, chẳng hạn như pin nhiệt được kết nối lưới điện hai chiều, có thể giúp các nhà máy hóa chất đưa LCOH vào mức thấp hơn của phạm vi.
Khi so sánh các công nghệ pin nhiệt, nhiệt dung riêng (khả năng lưu trữ nhiệt), độ dẫn nhiệt (khả năng dẫn nhiệt) và hiệu suất (khả năng chống mất nhiệt) là các chỉ số hiệu suất chính cần xem xét. Ngoài ra, đối với người tiêu dùng cần kết hợp cung cấp nhiệt và điện, các nhà sản xuất pin nhiệt sẽ tạo sự khác biệt thông qua phương pháp chuyển đổi nhiệt thành điện của họ. Một số đã chọn thiết kế các hệ thống có thể tích hợp các tua-bin hơi hiện có trong khi những nhà sản xuất khác đang phát triển công nghệ chuyển đổi như tấm pin nhiệt quang điện (TPV) vốn trước đây tốn kém và kém hiệu quả nhưng đang trở nên cạnh tranh về chi phí với hiệu suất chuyển đổi hàng đầu lớn hơn 40 phần trăm.
Nếu không phải là pin nhiệt, thì sao?
Quá trình gia nhiệt lên đến 200°C, chiếm 60 phần trăm lượng khí thải liên quan đến sưởi ấm, có thể được khử cacbon trên khắp Hoa Kỳ bằng cách sử dụng máy bơm nhiệt. Máy bơm nhiệt cải thiện hiệu quả năng lượng bằng cách nâng cấp và sử dụng nhiệt cấp thấp, nếu không sẽ bị lãng phí. Máy bơm nhiệt thường có thể được triển khai cùng với pin nhiệt để tối đa hóa hiệu quả năng lượng và giảm phát thải. Các nhà máy hóa chất nên đánh giá cả hai công nghệ và xác định cấu hình, cho dù họ sử dụng một hay cả hai công nghệ, để phù hợp với nhu cầu quy trình cụ thể của họ.
Có ít lựa chọn hơn cho nhiệt quy trình nhiệt độ cao thường cần thiết cho quá trình chưng cất và phản ứng. Nhiệt mặt trời là một lựa chọn có thể khử cacbon cho nhiệt quy trình từ 300°C lên đến 1200°C tùy thuộc vào loại công nghệ (tháp Fresnel tuyến tính so với tháp heliostat), nhưng chi phí, nhu cầu lưu trữ nhiệt để chống lại sự không liên tục và tính khả dụng của tài nguyên mặt trời làm giảm khả năng mở rộng tiềm năng của nó trong nhiều tình huống. Có thể sử dụng các nhiên liệu thay thế như hydro và sinh khối, mặc dù mục đích cao hơn của chúng có thể là làm nguyên liệu cho các hóa chất trong tương lai của ngành công nghiệp phát thải thấp, với một số trường hợp ngoại lệ khi hydro có thể được sử dụng làm nhiên liệu một cách tiết kiệm và bền vững.
Chính sách thúc đẩy: Khoản tín dụng thuế sản xuất tiên tiến 45X và khoản tín dụng dự án năng lượng tiên tiến 48C
Pin nhiệt đủ điều kiện được tín dụng theo các mục 45X và 48C của Bộ luật thuế thu nhập. Điều này sẽ giúp giảm chi phí nhiệt bình quân từ pin nhiệt, khiến chúng trở thành nguồn nhiệt quy trình cạnh tranh cho một số khách hàng. Khoản tín dụng thuế có hiệu lực trong 10 năm; với chu kỳ lập kế hoạch vốn dài từ 3 đến 7 năm và chu kỳ bảo dưỡng nhà máy từ 1 đến 3 năm, giờ là lúc đánh giá công nghệ này trong quá trình lập kế hoạch chiến lược của bạn.
Chính sách cho phép
Cần có các chính sách cấp tiểu bang để pin nhiệt có khả năng cạnh tranh với nhiều khách hàng hơn và trên thị trường điện trên toàn quốc:
Quyền truy cập giá điện bán buôn: Cho phép pin nhiệt tiếp cận giá bán buôn để có thể sử dụng năng lượng tái tạo dư thừa mà nếu không sẽ bị cắt giảm trong giờ thấp điểm. Đối với khách hàng, điều này sẽ làm giảm chi phí vận hành. Đối với lưới điện, điều này sẽ cải thiện hiệu quả và độ tin cậy.
Cải cách cấp phép cho các lô đất không liền kề: Cho phép các đường dây phân phối riêng và PPA trên các lô đất không liền kề. Các quy tắc hiện hành của địa phương và tiểu bang đôi khi đảm bảo cho các tiện ích độc quyền truyền tải điện qua các quyền đi lại công cộng, ngăn chặn việc bán điện thương mại trên các lô đất không liền kề. Điều này cản trở khả năng của ngành công nghiệp trong việc xây dựng các nguồn năng lượng tái tạo chuyên dụng gần các nhà máy của họ. Vì hầu hết các nhà máy công nghiệp không nằm trên các lô đất đủ lớn, không bị gián đoạn để xây dựng công suất phát điện mà họ cần, điều này hạn chế tiềm năng điện khí hóa hoạt động của họ. Việc đặt chung các tải linh hoạt như pin nhiệt với các nguồn năng lượng tái tạo và các nhà máy thương mại và công nghiệp khác có nghĩa là chi phí đầu tư riêng lẻ thấp hơn, thời gian sạc chiến lược có thể cắt giảm thêm chi phí điện cho người dùng cuối và hỗ trợ tải đỉnh cho lưới điện.
Các giải pháp cho hàng đợi truyền tải và kết nối: Cải cách hàng đợi truyền tải và kết nối có thể tạo điều kiện tích hợp nhanh hơn thế hệ điện sạch mới vào lưới điện, đảm bảo nguồn cung cấp năng lượng sạch đáng tin cậy và có thể tiếp cận được cho pin nhiệt. Điều này cũng giúp giải phóng khả năng truyền tải khi hệ thống truyền tải mới có thể không được xây dựng đủ nhanh để đáp ứng nhu cầu công nghiệp ngày càng tăng.
Chính sách công nghiệp và thương mại: Cung cấp trợ cấp cho các sản phẩm công nghiệp ít carbon hoặc sản xuất nhiệt quy trình công nghiệp sạch và áp dụng định giá carbon đối với các sản phẩm phát thải cao tạo ra động lực tài chính để các ngành công nghiệp áp dụng pin nhiệt và các giải pháp điện khí hóa khác, thúc đẩy thị trường áp dụng rộng rãi hơn. Việc áp dụng các quy tắc ba trụ cột (bổ sung, khớp lệnh theo giờ và tính khu vực) đối với các công nghệ điện khí hóa này sẽ rất quan trọng để đảm bảo hồ sơ phát thải thấp của các quy trình hoặc sản phẩm đó, đồng thời đẩy nhanh quá trình khử cacbon và phục hồi lưới điện.
Nắm bắt cơ hội
Pin nhiệt có tiềm năng trở thành nền tảng của nhiệt điện khí hóa phát thải thấp đáng tin cậy trong các nhà máy hóa chất và lọc dầu trên khắp cả nước. Bằng cách tận dụng các ưu đãi chính sách hiện có và vận động các biện pháp hỗ trợ mới, chúng ta có thể khai thác toàn bộ tiềm năng của pin nhiệt, thúc đẩy giảm phát thải đáng kể, hướng tới ngành công nghiệp hóa chất phù hợp với khí hậu.
