Tận Dụng Oxy Từ Sản Xuất Hydro Xanh Cho Quá Trình Sục Khí Tại Nhà Máy Xử Lý Nước Thải: Nghiên Cứu Chứng Minh Tiết Kiệm Lên Tới 68%
Hannover, Đức – Một nghiên cứu mới đây của Đại học Leibniz Hannover đã chỉ ra rằng việc sử dụng oxy, một sản phẩm phụ của quá trình sản xuất hydro xanh qua điện phân nước, để hỗ trợ sục khí tại các nhà máy xử lý nước thải đô thị (WWTP) có thể làm giảm chi phí sục khí lên đến 68%. Đồng thời, điều này có thể giúp giảm chi phí sản xuất hydro lên tới 0,39 EUR/kgH₂, mở ra hướng tiếp cận hiệu quả về kinh tế và năng lượng trong việc kết nối các ngành công nghiệp xanh.
Nhu Cầu Hydro Xanh và Cơ Hội Từ Sản Phẩm Phụ
Trong bối cảnh thế giới thúc đẩy quá trình khử cacbon, đặc biệt ở các lĩnh vực khó giảm phát thải, nhu cầu về hydro xanh dự kiến sẽ tăng mạnh, kéo theo sự mở rộng quy mô điện phân nước. Mỗi khi sản xuất 1 kg hydro, khoảng 8 kg oxy sẽ được tạo ra như một sản phẩm phụ. Hiện nay, lượng oxy này thường bị thải ra không khí mà chưa được tận dụng triệt để.
Trong khi đó, các nhà máy xử lý nước thải tiêu thụ khoảng 1% lượng điện toàn cầu, và 50–80% trong số đó dành cho quá trình sục khí sinh học – một công đoạn quan trọng cung cấp oxy cho vi sinh vật phân hủy chất hữu cơ. Việc sử dụng oxy từ điện phân, có độ tinh khiết cao, thay thế một phần không khí từ máy thổi khí truyền thống, hứa hẹn giảm đáng kể năng lượng và chi phí vận hành.
Phát Hiện Chính Từ Nghiên Cứu
Nhóm nghiên cứu đã phát triển một mô hình hệ thống toàn diện, tích hợp từ nguồn cung cấp điện tái tạo, hệ thống điện phân, nén và lưu trữ hydro, cho đến hệ thống sục khí tại WWTP. Mô hình này được tối ưu hóa để tìm ra cấu hình chi phí thấp nhất. Kết quả cho thấy:
-
Tiết Kiệm Chi Phí Đáng Kể: Việc tích hợp oxy điện phân có thể giảm chi phí sục khí hàng năm tới 68%. Đối với một WWTP quy mô 500,000 dân (PE), mức tiết kiệm tuyệt đối lên tới 0.81 – 0.85 triệu EUR/năm.
-
Thiết Kế Hệ Thống Tối Ưu: Cấu hình hiệu quả nhất phụ thuộc vào lượng oxy sẵn có. Khi lượng oxy điện phân đáp ứng dưới 90% nhu cầu, việc lắp đặt các vòi sục khí chuyên dụng mới (hiệu suất chuyển oxy 50%) và bể lưu trữ oxy mang lại lợi thế. Khi lượng oxy đáp ứng trên 90% nhu cầu, việc cải tạo các vòi sục khí truyền thống hiện có (hiệu suất 25%) trở nên kinh tế hơn nhờ chi phí đầu tư thấp, bù lại việc cần thêm năng lượng cho thiết bị khuấy trộn cơ học.
-
Phụ Thuộc Vào Quy Mô: Lợi ích kinh tế rõ rệt nhất ở các WWTP lớn (≥ 500,000 PE) do nhu cầu oxy cao. Quy mô sản xuất hydro (quyết định lượng oxy có sẵn) và quy mô WWTP cần được cân đối cẩn thận. Lượng oxy sản phẩm phụ dư thừa quá mức sẽ mang lại lợi ích cận biên giảm dần.
-
Ảnh Hưởng Đến Chi Phí Hydro: Khoản tiết kiệm từ sục khí có thể được tính như một lợi ích cho hệ thống hydro, giúp giảm chi phí cung cấp hydro lên tới 0,39 EUR/kgH₂, đặc biệt khi kết hợp với các WWTP lớn.
-
Rào Cản Khoảng Cách Vận Chuyển: Tính khả thi kinh tế phụ thuộc nhiều vào khoảng cách vận chuyển hydro từ WWTP đến điểm đấu nối vào mạng lưới đường ống hydro châu Âu (EHB). Nghiên cứu chỉ ra rằng để đạt hiệu quả kinh tế, khoảng cách này không nên vượt quá 25 km. Với khoảng cách 50 km, chỉ những WWTP rất lớn (≥ 1.5 triệu PE) mới có thể mang lại lợi ích ròng.
Ý Nghĩa và Hướng Phát Triển
Nghiên cứu này cung cấp một khuôn khổ định lượng quan trọng, chứng minh tiềm năng của việc kết hợp sản xuất hydro xanh với xử lý nước thải để tạo ra giá trị gia tăng từ sản phẩm phụ. Nó khẳng định đây là một hướng tiếp cận khả thi, đặc biệt đối với các nhà máy xử lý nước thải quy mô lớn được đặt gần các cơ sở sản xuất hydro và có điều kiện tiếp cận thuận lợi với cơ sở hạ tầng vận chuyển hydro.
Các nghiên cứu trong tương lai cần tập trung vào việc xác nhận thực nghiệm hiệu suất chuyển oxy của các loại vòi sục khí khác nhau trong môi trường WWTP thực tế, cũng như phân tích các lợi ích cộng hưởng khác như tận dụng nhiệt thải từ quá trình điện phân.
*Nghiên cứu "Utilizing oxygen from green hydrogen production in wastewater treatment plant aeration: A techno-economic analysis" được công bố trên tạp chí Advances in Applied Energy (2025).*
