Sự kết hợp giữa gió ngoài khơi và hydro đi kèm với những lựa chọn lớn và tốn kém
Ý KIẾN | Khai thác gió trên biển để cung cấp năng lượng cho sản xuất H2 xanh là một khái niệm hấp dẫn nhưng các lựa chọn để đưa vào thực tế đều đi kèm với những thách thức, Ibrahim Muritala viết
Ibrahim Muritala, người đứng đầu về hydro toàn cầu tại ABS. Ảnh: ABS
Các nhà phát triển dễ hiểu khi bị thu hút bởi khái niệm ghép nối các máy điện phân với các trang trại gió ngoài khơi để sản xuất hydro xanh trên biển. Điều này kết hợp lời hứa về năng lượng tái tạo dồi dào ngoài khơi với tính linh hoạt của hydro, với các ứng dụng tiềm năng trải dài từ sản xuất điện và nhiên liệu thay thế đến tạo ra amoniac cho ngành phân bón.
Tuy nhiên, việc triển khai các máy điện phân cùng với gió ngoài khơi cũng có những thách thức riêng, từ chi phí vốn cao đến các vấn đề về an toàn. Hydro được sản xuất ngoài khơi phải cạnh tranh với sản xuất trên bờ vốn được hưởng lợi từ cơ sở hạ tầng và chi phí bảo trì thấp hơn, và nền kinh tế đằng sau hydro xanh nói chung là rất thách thức.
Khái niệm gió ngoài khơi sang hydro xanh rất đơn giản. Khái niệm này đòi hỏi phải đặt các máy điện phân tại các trang trại gió ngoài khơi, nơi điện được tạo ra từ các nguồn tái tạo sẽ được sử dụng để phân tách nước thành hydro và oxy. Hiện nay, có ba công nghệ điện phân khác nhau — kiềm, màng trao đổi proton (PEM) hoặc oxit rắn — mỗi công nghệ có hiệu suất, chi phí vốn và đặc điểm vận hành khác nhau, có thể kết hợp với tua-bin gió nổi hoặc cố định đáy.
Hydro được sản xuất ngoài khơi sau đó có thể được vận chuyển qua đường ống hoặc lưu trữ tại chỗ bằng công nghệ khí nén hoặc hydro lỏng và có khả năng chuyển đổi thành chất mang hóa học như amoniac để vận chuyển hiệu quả vào bờ. Việc lựa chọn công nghệ và kiến trúc hệ thống sẽ phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm các điều kiện cụ thể của địa điểm, tính khả dụng của nguồn năng lượng và quy mô sản xuất mong muốn.
Hydro được sản xuất ngoài khơi khai thác nguồn năng lượng tái tạo dồi dào đồng thời tránh xung đột sử dụng đất. Nó cũng tạo ra việc làm ở các vùng ven biển xa xôi và tăng cường an ninh năng lượng bằng cách đa dạng hóa các nguồn năng lượng và giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch.
Bất chấp những thách thức mà các dự án phát triển hydro xanh ngoài khơi phải đối mặt, các công ty tiên phong vẫn đang thúc đẩy các dự án của riêng họ.
Ví dụ, tại Scotland, một số người chiến thắng trong vòng đấu gió nổi ScotWind có quy mô kỷ lục đã đưa sản xuất hydro trở thành một phần quan trọng trong kế hoạch của họ.
Tại Đức, dự án AquaVentus tìm cách thiết lập một cơ sở sản xuất hydro ngoài khơi quy mô lớn được cung cấp năng lượng bởi các trang trại gió Biển Bắc chuyên dụng, với công suất sản xuất mục tiêu là 10GW hydro xanh vào năm 2035.
Đây là một dự án lớn quy tụ nhiều bên liên quan, bao gồm các công ty năng lượng, nhà cung cấp công nghệ, viện nghiên cứu và cơ quan chính phủ.
Sản xuất hydro ngoài khơi có thể theo hai chiến lược riêng biệt: máy điện phân cấp tuabin hoặc hệ thống dựa trên nền tảng tập trung. Một chiến lược toàn diện khác bao gồm các đảo năng lượng.
Máy điện phân cấp tuabin đơn
Theo quan điểm tích cực, cách tiếp cận này không chỉ giảm tổn thất truyền tải điện bằng cách chuyển đổi điện thành hydro tại nguồn mà còn cho phép triển khai theo mô-đun và có thể mở rộng quy mô trong khi giảm rủi ro cắt giảm cho từng tuabin. Bất chấp những lời hứa này, vẫn có chi phí vốn cao do trùng lặp các hệ thống (máy điện phân, khử muối, nén). Ngoài ra, việc bảo trì sẽ trở nên phức tạp do các địa điểm phân tán, đặc biệt là trong môi trường ngoài khơi khắc nghiệt. Hơn nữa, các thách thức về an toàn và khả năng tiếp cận tăng lên theo quy mô và khoảng cách của tuabin.
Thách thức kinh tế của chiến lược điện phân cấp tuabin là Opex sẽ tăng mạnh do chi phí tiếp cận và bảo dưỡng. Quy mô kinh tế bị hạn chế và việc dự phòng tài sản khó có thể biện minh được trừ khi kết hợp với các ứng dụng cục bộ hoặc ứng dụng thích hợp (ví dụ: tiếp nhiên liệu cho tàu O&M ngoài khơi).
Sản xuất trên nền tảng: Điện phân tập trung cho các trang trại gió
Trái ngược với phương pháp điện phân cấp tuabin đơn, sản xuất trên nền tảng cho phép tiết kiệm quy mô về kích thước điện phân, khử muối, nén và lưu trữ. Nó cũng đơn giản hóa hoạt động và giảm sự dư thừa bảo trì và rất phù hợp để tích hợp các chức năng bổ sung như đệm pin hoặc tích hợp nhiệt.
Cũng có thể mong đợi Capex nền tảng cao từ tuyến đường này và sẽ đòi hỏi kỹ thuật phức tạp cho các cơ sở lắp đặt lớn. Với ngành năng lượng tái tạo đang phải đối mặt với tình trạng thiếu hụt kỹ năng đáng kể, hạn chế tăng trưởng và triển khai nhanh chóng, đây có thể là một vấn đề lớn.
Việc xuất khẩu hydro đòi hỏi cơ sở hạ tầng bổ sung (đường ống ngầm dưới biển hoặc hóa lỏng) và có thể dễ bị hỏng tại một điểm nếu không có sự dự phòng.
Theo quan điểm kinh tế, cách tiếp cận này cung cấp chi phí hydro được cân bằng tốt hơn do hiệu quả về quy mô.
Tuy nhiên, khả năng cạnh tranh về chi phí của nó sẽ phụ thuộc rất nhiều vào tuyến đường xuất khẩu: khí
đường ống so với chuyển đổi amoniac so với chất mang hydro hữu cơ lỏng (LOHC). Người ta cũng cân nhắc rằng LOHC bổ sung thêm sự đánh đổi về độ tinh khiết, hiệu quả và khả năng tương thích với thị trường.
Các đảo năng lượng hoặc trung tâm hydro
Các kế hoạch thành lập các đảo năng lượng đã được tiến hành trên khắp châu Âu. Những đảo này dự kiến sẽ tối đa hóa sự tích hợp trên nhiều trang trại gió, máy điện phân, kho lưu trữ, chuyển đổi và bộ kết nối. Chúng có thể tạo điều kiện cho các mô hình lai (xuất khẩu điện và hydro) và đóng vai trò là trung tâm năng lượng xanh xuyên quốc gia cho sự hợp tác khu vực rộng lớn hơn, ví dụ như các quốc gia Biển Bắc và các quốc gia vùng Vịnh.
Cũng có tiềm năng cho các mô hình lai sẽ sử dụng năng lượng dư thừa từ gió ngoài khơi và nhiệt thải từ các lĩnh vực khác, như hạt nhân hoặc chuyển đổi chất thải thành năng lượng, để cải thiện hiệu quả của máy điện phân hoặc để tổng hợp hỗ trợ nhiệt nhằm tạo điều kiện cho việc sản xuất amoniac để xuất khẩu.
Điều này cho thấy, các dự án phát triển có thời gian triển khai dài và đòi hỏi phải đầu tư vốn ban đầu đáng kể. Mặc dù có kế hoạch xây dựng các đảo năng lượng ở Bỉ, Đan Mạch, Hà Lan và Đức, nhưng chỉ có một dự án đảo năng lượng nhân tạo đang được xây dựng ở châu Âu: Đảo Princess Elisabeth ở Biển Bắc, ngoài khơi bờ biển Bỉ.
Sự chậm trễ này cũng có thể là do thiếu quản lý, các khu vực pháp lý khác nhau và sự phức tạp trong phối hợp thị trường, đặc biệt là nếu là xuyên biên giới.
Các rào cản về mặt pháp lý có thể làm chậm các dự án, làm phức tạp quá trình ra quyết định và làm dấy lên mối lo ngại về các tiêu chuẩn an toàn.
Có những thách thức đáng kể về mặt pháp lý và pháp lý khi xây dựng các đảo năng lượng, bao gồm đảm bảo các giấy phép cần thiết, tuân thủ luật hàng hải quốc tế và phù hợp với các chính sách năng lượng của quốc gia và EU.
Các đảo năng lượng cũng có thể làm tăng rủi ro địa chính trị nếu không được đưa vào các khuôn khổ tiếp nhận an toàn. Chúng thường nằm ở các khu vực hàng hải đang có tranh chấp hoặc gần biên giới quốc gia. Điều này có thể dẫn đến tranh chấp về quyền sở hữu, quyền đối với tài nguyên và quyền kiểm soát cơ sở hạ tầng. Ở một số khu vực, việc xây dựng các đảo năng lượng có thể gây ra căng thẳng giữa các nước láng giềng, đặc biệt là trong bối cảnh độc lập và an ninh năng lượng.
Xem xét ưu và nhược điểm của ba phương pháp tiếp cận khái niệm đối với hydro xanh ngoài khơi, trước hết các nhà phát triển nên cân nhắc bốn điểm chính:
1. Các mô hình lai sẽ thắng thế: Tương lai có thể nằm ở các cấu hình lai xem xét điện phân tập trung + kết nối lưới điện + chuyển đổi một phần (thông qua power-to-X) thành các dẫn xuất như amoniac hoặc metanol.
2. Chia sẻ cơ sở hạ tầng do chính sách dẫn dắt: Hỗ trợ của công chúng đối với các nền tảng ngoài khơi và đường ống hydro chung (để pha trộn khí đốt tự nhiên) có thể giảm gánh nặng Capex và giảm rủi ro cho những người áp dụng sớm.
3. Thiết kế theo mô-đun và mở rộng theo từng giai đoạn: Xây dựng các đảo năng lượng và nền tảng có khả năng mở rộng quy mô, cho phép tăng trưởng gia tăng cùng với nhu cầu trưởng thành và đường cong học tập công nghệ.
4. Nhu cầu về các mỏ neo nhu cầu đồng vị trí: Sản xuất hydro ngoài khơi sẽ khả thi hơn với nhu cầu đồng vị trí (ví dụ, tiếp nhiên liệu cho hành lang vận chuyển xanh, khử cacbon cho ngành công nghiệp ngoài khơi, khử cacbon cho các cảng gần đó, v.v.).
Những khó khăn trong lưu trữ và tiêu thụ
Mặc dù tiềm năng của hydro như một nguồn năng lượng sạch là rất lớn, nhưng nó cũng đi kèm với những thách thức to lớn, đặc biệt là đối với các nhà phát triển đi theo những tuyến đường đã đề cập ở trên. Khó khăn chính đối với các nhà phát triển là liệu có nên lưu trữ hydro ngoài khơi (rủi ro, khối lượng và công nghệ chưa hoàn thiện) hay xuất khẩu ngay lập tức qua đường ống hoặc phương tiện vận chuyển (cơ sở hạ tầng nặng nề, tốn kém).
Bản chất dễ cháy cao của hydro đòi hỏi các quy trình an toàn nghiêm ngặt để lưu trữ và xử lý trong suốt quá trình sản xuất ngoài khơi, làm tăng thêm sự phức tạp và chi phí. Nó cũng đi kèm với nhu cầu về cơ sở hạ tầng chuyên biệt; sản xuất hydro ngoài khơi đòi hỏi các cơ sở lưu trữ chuyên dụng. Các đặc tính độc đáo của hydro, đặc biệt là mật độ thấp, đòi hỏi các giải pháp lưu trữ áp suất cao hoặc đông lạnh (cực lạnh) đắt tiền.
Các nhà phát triển có thể xuất khẩu hydro ngay lập tức qua đường ống hoặc phương tiện vận chuyển, nhưng cơ sở hạ tầng này rất tốn kém.
Khi cân nhắc xuất khẩu hydro, điều quan trọng là phải cân nhắc xem hydro sẽ cần được vận chuyển xa đến đâu. Khi vận chuyển hydro lỏng trên tàu, cần một lượng năng lượng đáng kể để giữ hydro trong điều kiện đông lạnh. Do những thách thức về vận chuyển, có thể hiệu quả hơn khi sản xuất hydro gần nơi sử dụng hơn, chẳng hạn như nhà máy lọc dầu hoặc các địa điểm công nghiệp khác.
Hơn nữa, việc chuyển đổi amoniac hoặc LOHC để vận chuyển sẽ làm tăng chi phí đầu tư, tiền phạt năng lượng và chi phí chuyển đổi lại.
Với tất cả những cân nhắc này, các thỏa thuận mua hàng rất quan trọng đối với việc tài trợ. Ở đây, chính phủ có thể đóng vai trò quan trọng thông qua các hợp đồng mua sắm công khác biệt hoặc các nhiệm vụ pha trộn (ví dụ: trong đường ống hoặc nhiên liệu vận chuyển).
Gió Ngoài khơi là một cơ hội đáng kể
Mặc dù có nhiều trở ngại, hydro vẫn là một cơ hội đáng kể trong quá trình vận chuyển fị trí cho các hệ thống năng lượng sạch hơn.
Những nỗ lực hợp tác giữa ngành công nghiệp tư nhân, chính phủ và các viện nghiên cứu có thể vượt qua các rào cản và giúp hydro xanh ngoài khơi đạt được tiềm năng của nó như là nền tảng của tương lai ít carbon. Điều này có thể đạt được thông qua việc tiếp tục hỗ trợ cho các quy trình phát triển cơ sở hạ tầng và chứng nhận.
Việc tối đa hóa các cơ hội này sẽ đòi hỏi những tiến bộ liên tục trong công nghệ điện phân, đặc biệt là những tiến bộ nâng cao hiệu quả, độ bền và khả năng mở rộng dẫn đến việc giảm chi phí sản xuất và cải thiện hiệu suất.
Tương tự như vậy, những tiến bộ trong công nghệ lưu trữ hydro, có thể cho phép lưu trữ hydro an toàn và tiết kiệm chi phí cả ngoài khơi và trên bờ, sẽ rất quan trọng để tích hợp sản xuất ngoài khơi vào hệ thống năng lượng rộng lớn hơn.
Ibrahim Muritala là người đứng đầu hydro toàn cầu tại Cục Vận tải Biển Hoa Kỳ (ABS)
