Tận dụng nguồn lực địa phương ở Hokkaido trong một thị trấn chăn nuôi bò sữa: Chuỗi cung ứng hydrogen của “Shikaoi Hydrogen Farm”

Nhu cầu hydrogen ngày càng tăng trên toàn cầu

Trong 28 năm tới, dự báo nhu cầu hydrogen toàn cầu sẽ tăng gấp năm lần.
Người ta cho rằng 14,5% khí thải nhà kính toàn cầu xuất phát từ ngành chăn nuôi, trong đó phần lớn là từ phân động vật. Việc biến thứ có thể coi là “rắc rối”, tức phân động vật, thành khí sinh học hoặc hydrogen như một phần của các biện pháp chống biến đổi khí hậu đã thu hút sự quan tâm đáng kể.

Tại châu Âu, đặc biệt ở những nước tiên tiến như Đan Mạch, khí sinh học từ phân được sử dụng để phát điện và cung cấp nhiệt cho các tòa nhà trong khu vực thông qua các “mạng lưới nhiệt”.
Nhu cầu hydrogen trên toàn thế giới dự kiến sẽ tăng mạnh hơn nữa trong các ngành như luyện thép, hóa chất, vận tải và phát điện, trên con đường hướng tới trung hòa carbon. Đến năm 2050, nhu cầu hydrogen có thể cao gấp khoảng năm lần so với năm 2022.

Nhu cầu hydrogen toàn cầu và các ngành liên quan
Nguồn: Dựa trên “Lộ trình Net-Zero” của IEA (tháng 9/2023)

Chuyển hóa phân ở các vùng chăn nuôi bò sữa thành hydrogen

Hokkaido chiếm hơn một nửa tổng sản lượng sữa tươi của Nhật Bản. Tại Tokachi, một trong những vùng chăn nuôi bò sữa hàng đầu, khoảng 240.000 con bò sữa được nuôi. Ở khu vực này, có một sáng kiến sản xuất hydrogen từ phân động vật.
Hãy cùng tìm hiểu “Shikaoi Hydrogen Farm,” nơi tận dụng đặc điểm của một vùng chăn nuôi bò sữa phát triển mạnh.

Thách thức và giải pháp địa phương

Nhà máy khí sinh học được xây dựng để giải quyết vấn đề mùi hôi

Tại thị trấn Shikaoi, trung tâm Hokkaido, với dân số 5.000 người, có khoảng 100 trang trại chăn nuôi 21.000 con bò sữa.
Vì trung tâm thị trấn gần các trang trại, mùi hôi từ xử lý phân đã là vấn đề lâu nay. Khi các trang trại mở rộng, khối lượng phân và công sức xử lý tăng đáng kể. Người dân và khách du lịch bày tỏ lo ngại, khiến việc tìm giải pháp trở thành ưu tiên cấp bách.

Đáp lại, thị trấn thành lập Trung tâm Bảo tồn Môi trường vào năm 2007 và bắt đầu vận hành một nhà máy khí sinh học tập trung. Hiện có hai nhà máy đang hoạt động.
Khí sinh học sản xuất được dùng để phát điện. Nó cũng được tinh chế và nén để sử dụng trong các đốt cháy thiết kế cho khí methane. Hơn nữa, nhiệt dư còn được dùng để nuôi cá tầm và thậm chí trồng xoài nhiệt đới vào mùa đông. Các ứng dụng này đang mở rộng trong khu vực.

Hokkaido sở hữu hơn nửa số nhà máy khí sinh học của Nhật Bản

Tại Đức, một nước dẫn đầu toàn cầu về phát điện bằng khí sinh học, gần 10.000 nhà máy đang hoạt động.
Tại Nhật Bản, tổng số nhà máy khoảng 200, và hơn một nửa—khoảng 150—nằm ở Hokkaido, với các biện pháp kiểm soát mùi là yếu tố thúc đẩy, nhiều nhà máy tập trung tại Tokachi.

Hoạt động của “Shikaoi Hydrogen Farm”

Nhằm tận dụng khí sinh học hiệu quả hơn, các bên liên quan đã chọn hydrogen làm bước tiếp theo.
Một con bò tạo ra khoảng 23 tấn phân mỗi năm. Từ lượng này, có thể sản xuất đủ hydrogen để chạy xe fuel cell khoảng 10.000 km.

Bắt đầu từ năm 2015, Air Water và Kajima Corporation khởi động các dự án thí điểm được Bộ Môi trường hỗ trợ, và vào năm 2022, họ chuyển sang kinh doanh chính thức. Đây là cơ sở đầu tiên tại Nhật Bản sản xuất hydrogen từ khí sinh học từ phân trên quy mô thương mại. Cơ sở tọa lạc trên khuôn viên Trung tâm Bảo tồn Môi trường của thị trấn, bao gồm cả một trạm hydrogen.

Air Water ban đầu tập trung phát triển công nghệ liên quan đến khí sinh học ở Hokkaido, sở hữu chuyên môn cao như chuyển đổi khí sinh học từ phân thành biomethane lỏng (LBM), có thể thay thế LNG.
Sáng kiến biến sinh khối địa phương thành hydrogen này thu hút sự quan tâm lớn, thu hút khách tham quan cả trong nước lẫn từ Đức, Chile, Lào, cùng các phương tiện truyền thông quốc tế.

Quy trình sản xuất hydrogen

Quy trình sản xuất hydrogen như sau:

1. Tách carbon dioxide khỏi khí sinh học để lấy khí methane.

2. Từ methane, tạo ra hydrogen và carbon monoxide.

3. Carbon monoxide phản ứng với hơi nước tạo thêm hydrogen.

4. Hydrogen được nén để trở thành nhiên liệu sử dụng được.

Shikaoi Hydrogen Farm có thể sản xuất đến 500.000 Nm³ hydrogen mỗi năm—tương đương lượng phân từ khoảng 550 con bò. Hydrogen được nén tại trạm và bán làm nhiên liệu cho xe fuel cell, cũng như cung cấp cho xe nâng fuel cell tại cơ sở. Trong tương lai, họ hướng tới lưu trữ và vận chuyển hydrogen trong bình áp suất cao để phân phối.

Kinh doanh bền vững nhờ hiểu biết địa phương và chuyên môn kỹ thuật

Một lợi thế lớn của Shikaoi Hydrogen Farm là sự chấp nhận từ cộng đồng địa phương và nhiều năm tích lũy chuyên môn.

• Đảm bảo nguồn phân làm nguyên liệu là yếu tố không thể thiếu.

• Thị trấn hỗ trợ các nỗ lực xử lý phân đúng cách.

• Từ sản xuất đến vận chuyển hydrogen, doanh nghiệp tận dụng kinh nghiệm sâu rộng của Air Water trong cung cấp khí công nghiệp.

Công nghệ có khả năng sản xuất hydrogen từ khí sinh học trong điều kiện nhiệt độ mùa đông xuống tới khoảng -20°C, một lợi thế rõ rệt.
Hydrogen được vận chuyển bằng mạng lưới phân phối hiện có của Air Water, có thể chứa trong bình khí áp suất cao, với các thử nghiệm cung cấp nhiên liệu hàng ngày cho một trạm fuel cell cách 30 km. Công ty cũng cung cấp nhân sự được chứng nhận vận hành trạm hydrogen.

Thay vì dựa vào công nghệ cực kỳ mới, Shikaoi Hydrogen Farm xây dựng kinh doanh bền vững nhờ kỹ năng và nguồn nhân lực vững chắc nhiều năm. Hydrogen sản xuất cung cấp cho xe fuel cell của thị trấn và doanh nghiệp tư nhân, phục vụ công việc hành chính và bán hàng.
Như vậy, thị trấn 5.000 dân đã xây dựng toàn bộ chuỗi cung ứng: “sản xuất hydrogen,” “vận chuyển và lưu trữ,” và “sử dụng.”

Chủ tịch Suenaga chia sẻ: “Con người tạo nên cộng đồng. Muốn dự án tiến triển, cần có sự đồng thuận và ủng hộ từ cộng đồng, giúp xây dựng tương lai. Trong việc thúc đẩy Green Transformation, hợp tác chặt chẽ với cộng đồng địa phương càng quan trọng hơn bao giờ hết.”

Thúc đẩy sử dụng hydrogen tại Sapporo

Tại Sapporo, đang phát triển quy hoạch đô thị tận dụng năng lượng hydrogen.

• Thành phố tuyên bố Zero Carbon vào 2020 và đạt nhiều tiến bộ chống biến đổi khí hậu.

• Sau sự cố mất điện lớn trong trận động đất Hokkaido Eastern Iburi 2018, việc đảm bảo năng lượng ổn định ngay cả trong khẩn cấp trở thành thách thức.

Khu vực trung tâm được chọn làm khu thử nghiệm tiêu thụ và sử dụng hydrogen.

• Tháng 4/2025, một trạm hydrogen mở hoàn toàn.

• Kế hoạch lắp đặt fuel cell hydrogen thuần tại cơ sở đa năng mới đang triển khai.

• Thành phố hỗ trợ giới thiệu xe thương mại chạy hydrogen.

Bằng cách tích hợp hydrogen vào phát triển đô thị, Sapporo hướng tới giảm carbon, đảm bảo nguồn năng lượng ổn định và thúc đẩy kinh tế khu vực.