Quản lý Nước trong Sản xuất Hydrogen: Vượt qua Thách thức cho một Tương lai Bền vững
Tác giả: Integrated Sustainability
Nguồn: Sách trắng "Hydrogen Production Water Management: Understanding the Challenges" (2024)
Cuộc đua toàn cầu hướng tới một tương lai phát thải carbon thấp đã đưa hydrogen trở thành một nguồn năng lượng then chốt. Canada đặt mục tiêu hydrogen sẽ đóng góp tới 30% năng lượng sử dụng cuối cùng vào năm 2050. Tuy nhiên, tính khả thi của sản xuất hydrogen quy mô lớn lại phụ thuộc chặt chẽ vào một nguồn tài nguyên thường bị bỏ qua: nước. Quản lý nước hiệu quả không chỉ là yêu cầu vận hành mà còn là yếu tố chiến lược cho sự thành công và bền vững của ngành hydrogen.
Mối Liên hệ Giữa Nước và Hydrogen: Con đường Then chốt
Sản xuất hydrogen tiêu thụ nhiều nước. Quy trình này cần nước tinh khiết cao làm nguyên liệu đầu vào và khối lượng lớn cho hệ thống làm mát. Tính khả thi của mọi dự án phụ thuộc vào cách tiếp cận tổng thể về nước, có thể được chia thành năm yếu tố then chốt:
-
Nguồn Nước: Đảm bảo nguồn cung cấp nước bền vững và đáng tin cậy là tối quan trọng. Điều này liên quan đến việc đánh giá tính sẵn có so với độ tin cậy lâu dài, xem xét biến đổi theo mùa và tác động của khí hậu.
-
Nước Làm Mát: Làm mát hiệu quả là cần thiết để duy trì nhiệt độ quy trình tối ưu và có thể là một trong những nhu cầu sử dụng nước lớn nhất.
-
Xử lý Nước Siêu Tinh Khiết: Sản xuất hydrogen đòi hỏi nước khử khoáng hoặc siêu tinh khiết, cần các quy trình xử lý phù hợp.
-
Quản lý Nước Thải: Quy trình tạo ra nước thải ở nhiều giai đoạn, cần được quản lý, xử lý một cách có trách nhiệm và thải bỏ hoặc tái sử dụng.
-
Quy định và Gắn kết Các bên Liên quan: Đáp ứng các quy định về giấy phép khai thác nước và giải quyết mối quan tâm của các bên liên quan là chìa khóa để được chấp nhận.
Nguồn Nước: Vượt ra ngoài Tính Sẵn Có để đến Độ Tin Cậy
Một quan niệm sai lầm phổ biến là Canada có nguồn nước ngọt vô hạn. Thực tế cho thấy sự biến đổi theo vùng và tình trạng khan hiếm nước ngày càng gia tăng. Các dự án phải lập kế hoạch cho độ tin cậy của nguồn nước, chứ không chỉ là tính sẵn có.
-
Nước Mặt (Ngọt): Hạn hán đang trở nên thường xuyên hơn, đặc biệt ở các tỉnh Prairie và phía nam British Columbia. Các giấy phép khai thác nước ở các lưu vực căng thẳng bị giám sát chặt chẽ, và việc cấp phép mới có thể bị hạn chế.
-
Các Nguồn Thay Thế: Để giảm sự phụ thuộc vào nước ngọt, các dự án nên đánh giá:
-
Nước Biển: Một lựa chọn khả thi, đặc biệt để làm mát, nhưng đòi hỏi khử muối tốn nhiều năng lượng nếu dùng cho sản xuất.
-
Nước Ngầm (Ngọt & Mặn): Nước ngầm mặn có thể là nguồn bổ sung hiệu quả về chi phí cho làm mát, giảm áp lực lên nguồn nước ngọt.
-
Nước Thải Công Nghiệp: Nước thải đã qua xử lý từ các đô thị hoặc ngành công nghiệp như bột giấy là một nguồn bền vững và đầy hứa hẹn, giúp cải thiện hồ sơ ESG của dự án.
-
Hydrogen Xanh và Hydrogen Lam: Góc nhìn Từ Nước
Lượng nước tiêu thụ khác biệt đáng kể giữa hai phương pháp sản xuất chính:
-
Hydrogen Lam (từ Khí tự nhiên): Cần khoảng 4.5 lít nước siêu tinh khiết cho mỗi kg H₂ cho phản ứng hóa học (cải reforming hơi nước), cộng thêm khoảng 21 lít cho việc làm mát dạng bay hơi và xả đáy.
-
Hydrogen Xanh (từ Điện phân): Cần khoảng 9 lít nước siêu tinh khiết cho mỗi kg H₂ cho quá trình điện phân, cộng thêm khoảng 35 lít cho làm mát dạng bay hơi và xả đáy.
Các con số này cho thấy trong khi hydrogen xanh có nhu cầu nước cho phản ứng cao hơn, cả hai quy trình đều phụ thuộc rất lớn vào nước cho làm mát. Tổng lượng nước thô thực tế cần còn cao hơn nữa khi tính đến lượng nước thải từ tiền xử lý và từ hệ thống làm mát.
Chiến lược Nâng cao Hiệu quả và Tính Bền vững
Để cải thiện hiệu suất môi trường và hiệu quả vận hành, ngành công nghiệp cần áp dụng các chiến lược tích hợp:
-
Giảm thiểu và Tái chế: Triển khai các hệ thống Xả thải Lỏng Tối thiểu (MLD) kết hợp Thẩm thấu Ngược (RO) với công nghệ bay hơi có thể giảm mạnh lượng nước thải và tái sử dụng nước cất trở lại quy trình.
-
Thu hồi Nhiệt Thải: Thu hồi nhiệt dư từ quá trình sản xuất có thể dùng để vận hành hệ thống khử mặn, gia nhiệt sơ bộ nguyên liệu, hoặc tạo hơi nước, từ đó giảm cường độ năng lượng và nước.
-
Thu hồi Năng lượng trong Khử mặn: Sử dụng bộ trao đổi áp suất trong hệ thống Thẩm thấu Ngược Nước Biển (SWRO) có thể thu hồi 90-95% năng lượng thường bị mất, giúp khử mặn khả thi hơn.
-
Chiến lược Quy định Chủ động: Một chiến lược toàn diện, dự đoán trước các yêu cầu quy định, gắn kết sớm với các bên liên quan và thể hiện sự chuẩn bị kỹ lưỡng là điều cần thiết để vượt qua các rào cản về giấy phép một cách hiệu quả.
Kết luận: Xây dựng Tương lai Hydrogen Thông minh về Nước
Thành công của nền kinh tế hydrogen gắn liền với quản lý nước thông minh. Một cách tiếp cận chủ động, cụ thể cho từng địa điểm và toàn diện, tích hợp ngay từ đầu các khâu tìm nguồn nước, xử lý và tái chế là yếu tố bắt buộc. Bằng cách tận dụng các nguồn nước thay thế, áp dụng công nghệ xử lý tiên tiến và tuân thủ các nguyên tắc tuần hoàn về nước, ngành hydrogen có thể giảm thiểu rủi ro, cắt giảm chi phí và đảm bảo vai trò của mình như một nền tảng cho một tương lai năng lượng bền vững và kiên cường.
