Tại sao các nhà máy điện chạy bằng hydro 'sẽ đóng một vai trò quan trọng trong quá trình chuyển đổi năng lượng'
Các giám đốc điều hành cấp cao của Siemens Energy and Equinor nói với Recharge sẽ không thể khử cacbon sâu trong hệ thống điện nếu không đốt H2 sạch để phát điện
Thoạt nhìn, khái niệm về một nhà máy điện sạch hydro có vẻ hoàn toàn vô lý.
Tại sao mọi người lại sử dụng năng lượng tái tạo để tạo ra hydro xanh và sau đó đốt nó để sản xuất điện? Hiệu suất khứ hồi sẽ thấp hơn 40%, vì vậy cứ 10kWh gió hoặc năng lượng mặt trời sẽ cung cấp ít hơn 4kWh điện.
Và tại sao ai đó lại tạo ra hydro màu xanh lam (blue hydrogen) từ khí tự nhiên bằng cách thu giữ và lưu trữ carbon (CCS) - với tất cả các chi phí cộng thêm của quá trình cải tạo methane và nén / hóa lỏng, vận chuyển và lưu trữ H2 khó xử lý - khi bạn chỉ cần thêm CCS vào các nhà máy nhiệt điện khí hiện có?
Tuy nhiên, các công ty năng lượng lớn như Siemens Energy, Equinor và SSE tin rằng có một tương lai tươi sáng cho các nhà máy điện chạy bằng hydro. Tại sao?
Nhà máy điện hydro xanh
Năng lượng Siemens của Đức - được tách ra từ công ty mẹ Siemens vào năm ngoái - hiện đang cung cấp các giải pháp nhà máy điện chạy bằng hydro cho khách hàng.
“Nếu tôi có năng lượng tái tạo, hãy chuyển đổi nó thành hydro và tái điện khí hóa nó, với tổng hiệu suất chu trình nhỏ hơn 40%, rõ ràng điều đó chỉ có ý nghĩa nếu bạn đang sử dụng hydro để lưu trữ lâu dài và bù đắp cho các nguồn năng lượng tái tạo biến đổi, Erik Zindel, Phó chủ tịch kinh doanh sản xuất hydro của Siemens Energy cho biết.
“Nếu bạn thực sự muốn [lưu trữ điện năng] trong nhiều ngày, nhiều tuần, nhiều tháng hoặc để lưu trữ theo mùa - tức là sử dụng năng lượng mặt trời từ mùa hè vào mùa đông hoặc năng lượng gió từ mùa thu sang mùa hè - bạn cần lưu trữ điện trong một cách hóa học.
“Bạn vẫn cần nguồn điện [sạch] cho những khoảng thời gian âm u tối tăm trong mùa đông, khi không có mặt trời và không có gió thổi trong hai hoặc ba tuần - bạn cần phải có nguồn cung cấp hydro”.
Hydro: cường điệu, hy vọng và những sự thật khó xung quanh vai trò của nó trong quá trình chuyển đổi năng lượng
Ông nói với Recharge rằng lưu trữ hydro quy mô lớn cũng sẽ hữu ích để giảm thiểu năng lượng gió và năng lượng mặt trời trong thời gian có gió / nắng.
“Một khi bạn tham gia vào đấu trường hydro xanh, bạn có thể tăng lượng năng lượng tái tạo mà bạn muốn xây dựng trong lưới điện vì bạn có thể tận dụng năng lượng tái tạo dư thừa [nếu không sẽ bị hạn chế vì không thể bán được],” Zindel giải thích.
Erik Zindel, phó chủ tịch kinh doanh sản xuất hydro tại Siemens Energy. Ảnh: Siemens Energy
“Vì vậy, bằng cách điện phân [sử dụng điện năng để phân tách các phân tử nước thành H2 và oxy] và bằng cách có thể lưu trữ năng lượng dư thừa đó dưới dạng hydro, bạn thực sự có thể cho phép hệ thống điện mở rộng năng lượng tái tạo một lượng đáng kể. Vì nếu bạn không làm như vậy thì sẽ nhanh chóng bị hạn chế, vì sẽ có quá nhiều năng lượng thừa mà bạn phải trút bỏ.
“Nhưng một khi bạn có thể tận dụng lượng năng lượng dư thừa đó, thì bạn thực sự có thể tăng gấp đôi, gấp ba, gấp bốn lần lượng năng lượng tái tạo mà bạn muốn xây dựng”.
Nhà máy điện Blue-hydro
Tập đoàn dầu khí khổng lồ Equinor của Na Uy và công ty tiện ích SSE của Scotland gần đây đã công bố kế hoạch xây dựng một nhà máy điện đốt hydro công suất 1,8GW hoàn toàn mới tại Keadby, đông bắc nước Anh, sớm nhất là vào cuối thập kỷ này. Các công ty cho biết nó gần như chắc chắn sẽ được cung cấp bởi hydro xanh carbon thấp và được sử dụng để hỗ trợ năng lượng tái tạo có thể thay đổi, có thể là gió ngoài khơi.
Vậy tại sao một nhà máy điện hydro xanh lại thích hợp hơn một nhà máy phát điện chạy bằng khí đốt tự nhiên với CCS?
Henrik Solgaard Andersen, Phó chủ tịch phụ trách công nghệ carbon thấp của Equinor, nói với Recharge rằng thu giữ carbon ở giai đoạn đốt trước tiết kiệm chi phí hơn rất nhiều so với thu giữ sau quá trình đốt cháy tại một nhà máy điện chạy bằng khí đốt.
Ông giải thích: “Trong khí thải [tại một nhà máy điện khí], áp suất rất thấp và nồng độ CO2 rất thấp ... nên rất khó. “Giống như mò kim đáy bể. Và bạn càng lấy ra nhiều [CO2], thì kim càng nhỏ để tìm thấy [CO2] còn lại. Và cuối cùng, bạn không thể lấy được nó.
“Trong một nhà máy hydro màu xanh lam (blue hydrogen), đó là CO2 áp suất cao. Vì vậy, ban đầu chúng ta có nhiều kim hơn, và đó là lý do tại sao bạn có thể thu được nhiều CO2 hơn trong một nhà máy hydro màu xanh lam so với một nhà máy sau đốt, bởi vì áp suất rất cao - vì vậy bạn có thể giảm tới [97-98%]. ”
Henrik Solgaard Andersen, phó chủ tịch phụ trách công nghệ carbon thấp tại Equinor. Ảnh: Equinor
Sẽ còn ít hiệu quả hơn về chi phí nếu thu giữ CO2 tại một nhà máy điện chạy bằng khí chỉ mới hoạt động được chưa đến 50% thời gian - giống như nhà máy dự phòng Keadby.
Andersen nói: “Nhà máy sau đốt [tức là khí tự nhiên với CCS] phải sẵn sàng thu được 90% lượng CO2 [dư thừa] mỗi khi nó chạy, cho dù đó là thời gian ngắn hay dài,” Andersen nói.
“Chúng tôi nghĩ rằng tất cả những điều này bắt đầu và dừng lại có nghĩa là nhà máy bắt giữ nóng lên và nguội đi quá nhiều, vì vậy nó sẽ không thể thu được lượng CO2 đó.”
Ông cho biết thêm: “Trước đây chưa ai vận hành một nhà máy điện có thể chuyển đổi được với CCS. Không ai biết thực sự hiệu quả năng lượng sẽ như thế nào và tỷ lệ thu được. Vì vậy, có một số bất ổn ở đó ”.
Chi phí cao
Trong khi Equinor và SSE đang có kế hoạch xây dựng một nhà máy điện hydro hoàn toàn mới, Siemens Energy đang dựa trên mô hình kinh doanh của mình xung quanh việc chuyển đổi các nhà máy điện khí hóa thạch hiện có, cũng như xây dựng các nhà máy khí chu trình hỗn hợp “sẵn sàng với hydro” mới- các cơ sở bị loại bỏ.
Tuy nhiên, mặc dù việc chuyển đổi một nhà máy điện khí sang chạy bằng H2 sẽ “khá rẻ”, nhưng việc sử dụng hydro sạch để tạo ra điện ngày nay “không phải là điều có ý nghĩa về mặt kinh tế”, Zindel nói.
Ông giải thích, khí tự nhiên rẻ hơn rất nhiều so với hydro xanh lục (green hydrogen), xanh lam và thậm chí là xám không suy giảm.
Giá của H2 xanh (green H2) được ước tính vào khoảng 2,50-6 đô la / kg hiện nay, với hydro xanh lam (blue H2) ở đâu đó trong khoảng 1,50-4 đô la / kg.
Zindel cho biết, nếu H2 sạch có sẵn ở mức € 2 (2,35 USD) / kg, để cạnh tranh về chi phí với khí hóa thạch, “sẽ yêu cầu giá CO2 trong khoảng 200-250 € / tấn, vì vậy vẫn còn rất xa”. Giá carbon của EU là khoảng 53 € / tấn vào thời điểm công bố.
Zindel tin rằng hydro sạch sẽ không được sử dụng để sản xuất điện quy mô lớn cho đến năm 2035 - một phần vì sẽ tiết kiệm chi phí hơn nếu sử dụng H2 đó trong các lĩnh vực khác như vận tải và công nghiệp nặng.
Ông nói: “Chúng tôi hy vọng quá trình điện khí hóa hydro sẽ xảy ra vào năm 2035 hoặc những năm 2040 trên quy mô lớn - khi chúng tôi thực sự phải đi sâu vào quá trình khử cacbon trong ngành điện.
Equinor đã tuyên bố rằng cơ sở Keadby Hydrogen của họ sẽ chỉ đi trước “khi có các cơ chế chính sách phù hợp”. Nói cách khác, nếu nó được bao cấp nhiều.
Andersen nói với Recharge: “Chúng tôi gặp thất bại trên thị trường. “Vì vậy, chúng tôi đang làm việc trên một mô hình kinh doanh có lẽ phù hợp hơn với một số loại Hợp đồng tạo sự khác biệt của nhà sản xuất. Vì vậy, các nhà sản xuất dư nợ sẽ phải trả một cái giá cho khí tự nhiên, và những người sản xuất hydro màu xanh lam sẽ nhận được một số loại trợ cấp để trang trải [chi phí bổ sung]. "
Tại sao bây giờ?
Nếu Siemens Energy không tin rằng ngành điện sẽ tạo ra điện từ H2 trong 15-20 năm nữa, thì tại sao ngày nay họ lại tiếp thị các giải pháp điện chạy bằng hydro?
Zindel nói: “Vì nhiều lý do khác nhau. “Điều đầu tiên là, chúng tôi biết đó là tương lai, vì vậy chúng tôi phải bắt đầu công việc ngay bây giờ và kế hoạch của chúng tôi là đạt được 100% khả năng H2 vào cuối thập kỷ - vì vậy nó sẽ có sẵn khi chúng tôi có các dự án thương mại.
“Chúng tôi kỳ vọng rằng các nhà máy điện chu trình hỗn hợp sẽ là công nghệ chính được lựa chọn để cung cấp phụ tải dư trong kịch bản điện hoàn toàn khử cacbon, với các chu trình kết hợp này chỉ chạy 20-30% thời gian - không nhiều hơn, bởi vì bạn sẽ có đủ gió và mặt trời trong hệ thống. ”
Ông tiếp tục: “Điểm thứ hai - và quan trọng hơn nhiều - là khách hàng của chúng tôi cần xây dựng các nhà máy điện ngay hôm nay để lấy khí tự nhiên. Vì vậy, nếu bạn có một nhà máy điện khí tự nhiên đang được xây dựng ngày nay, với hoạt động thương mại, giả sử vào năm 2023-24, tuổi thọ thông thường [có nghĩa là]… những nhà máy điện này sẽ vẫn hoạt động vào những năm 2050, khi chúng ta được cho là được khử cacbon hoàn toàn.
“Điều đó có nghĩa là mọi nhà máy điện [chạy bằng khí đốt] mới được xây dựng kể từ bây giờ sẽ phải được trang bị thêm để đốt hydro trong tương lai. Vì vậy, điều rất quan trọng là chúng ta chuẩn bị cây trồng ngay hôm nay để thực hiện điều đó. Đó là những gì chúng tôi gọi là 'khái niệm sẵn sàng cho hydro'. [Vì vậy] chúng tôi đảm bảo rằng chúng tôi có đúng vật liệu, lựa chọn thiết bị điện phù hợp, [và] chúng tôi có đủ không gian cho các hệ thống bổ sung [sẽ cần thiết khi nhà máy được chuyển đổi sang chạy bằng H2].
“Chúng tôi thấy, ít nhất là ở châu Âu, gần như mọi khách hàng đều nói về sự sẵn sàng cung cấp hydro cho các nhà máy điện mới của họ. Nhưng các khu vực khác trên thế giới hiện cũng đang rất tích cực [về giảm thiểu carbon]. Vì vậy, đó là một chủ đề rất quan trọng trong ngành của chúng tôi.
“Họ đã thấy các nhà máy điện hạt nhân bị ngừng hoạt động từ rất lâu trước khi thời gian sử dụng thương mại và kỹ thuật của chúng kết thúc - họ hiện đang chứng kiến các nhà máy đốt than cũng được đưa ra khỏi lưới điện… họ hơi chán ngấy với việc [có ] tài sản bị mắc kẹt, vì vậy họ muốn đảm bảo các chu kỳ kết hợp được xây dựng ngày hôm nay là khả năng chứng minh trong tương lai. "
Làm thế nào để bạn chuyển đổi một nhà máy điện chạy bằng khí đốt thành hydro?
Hydro có các đặc tính khác với khí tự nhiên - ví dụ, nó là một phân tử nhỏ hơn, có mật độ năng lượng thấp hơn và dẫn đến hiện tượng lún thép - vì vậy sẽ cần phải thực hiện nhiều thay đổi khác nhau để cho phép một nhà máy điện chạy bằng khí H2.
“Mật độ thể tích thấp hơn chủ yếu ảnh hưởng đến tất cả các thiết bị thượng nguồn - tuabin khí, hệ thống khí nhiên liệu, bạn sẽ cần các ống dẫn nhiên liệu có đường kính lớn hơn,” Zindel giải thích.
“Vì vậy, nếu bạn biết nhà máy điện sẽ phải chạy bằng hydro trong tương lai, bạn có thể xây dựng ống đường kính gher [ngay từ đầu] sử dụng vật liệu phù hợp. Nếu bạn muốn trang bị thêm, bạn có thể không có không gian [cho các đường ống rộng hơn]. ”
Ông giải thích rằng nếu tuabin cần trục trung tâm của nó được nâng lên để chứa các đường ống rộng hơn “điều đó ngay lập tức đặt câu hỏi về khả năng kinh tế của một trang bị thêm”.
Những thay đổi khác có thể cần thiết bao gồm hệ thống phát hiện điện và khí mới, và - tùy thuộc vào các yêu cầu quy định - việc bổ sung hệ thống khử xúc tác chọn lọc (SCR) để giảm phát thải nitơ oxit (NOx) (khí nhà kính được tạo ra khi đốt hiđro trong không khí giàu nitơ).
Nhưng thay đổi nổi bật nhất sẽ là điều chỉnh tua-bin khí để đốt H2, điều này sẽ yêu cầu thay đổi buồng đốt và đầu đốt mới.
Zindel nói: “Hydro làm nhiên liệu có khả năng phản ứng cao hơn nhiều và tốc độ ngọn lửa cao hơn nhiều so với khí tự nhiên. “Và điều đó có nghĩa là ngọn lửa đến gần đầu đốt hơn nhiều và bạn có nguy cơ ngọn lửa 'ăn' vào đầu đốt và sau đó làm hỏng nó. Vì vậy, bạn cần một thiết kế ổ ghi mới có khả năng chống hồi tưởng. Và đồng thời, bạn phải có nhiệt độ ngọn lửa cao hơn một chút, có nghĩa là lượng phát thải NOx sẽ tăng lên.
Một tuabin khí Siemens Energy có khả năng chạy bằng 30% hydro. Ảnh: Siemens Energy
“Và sau đó là tất cả về ... làm thế nào để bạn khởi động hoặc tắt một thiết bị mà không làm hỏng đầu đốt khi bạn đã có một luồng không khí thấp qua buồng đốt?
“Và đó ít nhiều là thách thức đối với R&D mà chúng tôi phải đối mặt - thiết kế một đầu đốt ổn định và an toàn để đốt cháy hydro, đồng thời kiểm soát được lượng phát thải NOx.
"Bạn không thể loại bỏ chúng hoàn toàn, nhưng bạn có thể giảm chúng đáng kể."
Zindel nói rằng cần phải có một cái nhìn tổng thể về tất cả các loại khí nhà kính. Vì vậy, nó không chỉ là giảm CO2 và NOx, mà còn cả mêtan - một loại khí nhà kính mạnh - có thể được phát ra ngược dòng khi sử dụng khí tự nhiên cho H2 màu xanh.
Tại sao không sử dụng pin nhiên liệu?
Nếu việc đốt cháy hydro sẽ luôn tạo ra một số khí nhà kính NOx, tại sao không chuyển hydro thành điện bằng cách sử dụng pin nhiên liệu không phát thải?
Zindel nói: “Pin nhiên liệu là một công nghệ cạnh tranh so với chu trình hỗn hợp với tuabin khí - nhưng cuối cùng thì ... nó thực sự là về kinh tế”.
“Nếu bạn nhìn vào hiệu quả, các công nghệ chu trình kết hợp ngày nay ... [có] mức hiệu quả từ 63-64%. Vì vậy, con số đó đã cao hơn so với pin nhiên liệu thông thường, thường được giới hạn ở mức 60%.
“Sau đó, chi phí đầu tư cho một nhà máy điện chu trình hỗn hợp cũng rẻ hơn nhiều so với pin nhiên liệu [có kích thước tương tự]. Sẽ mất nhiều, rất nhiều năm cho đến khi [pin nhiên liệu] gần đạt đến LCOE [chi phí năng lượng được quy đổi] của chu trình hỗn hợp, nếu có ”
Ông tiếp tục: “Và sau đó bạn cần phải xem xét tính linh hoạt nhiên liệu cao hơn nhiều của tuabin khí và khả năng trang bị thêm các chu trình hỗn hợp khí thiên nhiên hiện có để đốt cháy hydro, điều này sẽ làm giảm đầu tư cần thiết hơn nữa.
“Tất cả những điều đó nói lên chu trình kết hợp là công nghệ chính để tái điện khí hóa hydro trong tương lai. Pin nhiên liệu, mặc dù là một công nghệ rất hấp dẫn với tiềm năng cải tiến đáng kể, sẽ thấy các lĩnh vực ứng dụng chính của nó trong tính di động và trong các mạng lưới đảo nhỏ, nơi một chu trình kết hợp là không khả thi ”.
Dự án thí điểm
Zindel giải thích rằng Siemens Energy hiện đang xây dựng và vận hành ba nhà máy điện thí điểm sẽ đốt cháy 100% hydro hoặc hỗn hợp khí giàu hydro.
Hai nhà máy đồng phát thương mại mới - một cơ sở 500MW ở miền Tây nước Nga và một dự án 80MW ở bang São Paulo, Brazil - đều sẽ sử dụng hydro sản phẩm phụ từ các nhà máy lọc dầu để cung cấp năng lượng và nhiệt trở lại cho các nhà máy lọc dầu đó, với nồng độ 27% và 60%. tương ứng. Cả hai nhà máy hiện đang được vận hành thử.
Nhưng có thể nói, dự án quan trọng nhất của Siemens Energy sẽ là dự án Hyflexpower 12MW ở Pháp, sẽ sử dụng 100% hydro xanh tại một nhà máy đồng phát điện chạy bằng khí đốt hiện có, cung cấp năng lượng và nhiệt cho một nhà máy giấy ở miền trung Tây nước Pháp.
Zindel cho biết: “Đó là một dự án trình diễn tuyệt vời cho các công nghệ đầu đốt mới của chúng tôi, có khả năng [kết hợp] bất kỳ sự kết hợp nhiên liệu nào giữa khí tự nhiên và hydro và chúng tôi hy vọng sẽ đạt được 100% hydro với lượng khí thải NOx thấp vào năm 2023”. “Và đó sẽ là dự án trình diễn thực tế đầu tiên của chúng tôi trên thực địa.”
Nhà máy giấy Smurfit Kappa ở Saillat-sur-Vienne, miền trung Tây nước Pháp, nơi sẽ xây dựng phi công Hyflexpower. Ảnh: Hyflexpower / Twitter
Cơ sở hiện tại sẽ được chuyển đổi thành hydro bởi một tập đoàn bao gồm Engie Solutions, Trung tâm Hàng không Vũ trụ Đức và bốn trường đại học Châu Âu, và đang được tài trợ bởi chương trình Horizon 2020 của Ủy ban Châu Âu.
'Rất, rất lớn nhưng'
Zindel nói rằng trong khi Siemens Energy không mong đợi các nhà máy năng lượng hydro sẽ được xây dựng ở quy mô lớn trước năm 2035, thì vẫn có "rất, rất lớn nhưng".
“Luật pháp cần tuân theo lộ trình khử cacbon - và thay vì nhanh chóng
