Nước rất cần thiết cho việc sản xuất hydro xanh. Khi thị trường phát triển, những câu hỏi quan trọng về việc sử dụng nước bắt đầu nảy sinh. Cần bao nhiêu nước? Chất lượng thế nào là đủ? Nước nên đến từ đâu? Chúng ta hãy làm sáng tỏ những câu hỏi cơ bản này.
Bởi Henrik Tækker Madsen, Giám đốc Phát triển Ứng dụng, Silhorko-Eurowater – Công ty Grundfos
Để có một cuộc thảo luận có chất lượng về việc sử dụng nước để sản xuất hydro xanh, trước tiên chúng ta cần định nghĩa "nước" là gì.
Trong quá trình sản xuất hydro xanh, cần phân biệt ba loại nước:
Nước siêu tinh khiết (dùng làm nguyên liệu cho máy điện phân)
Nước làm mát
Nước lã
Lượng nước siêu tinh khiết dùng cho điện phân sẽ khác với lượng nước thô chiết xuất từ môi trường, chất lượng nước siêu tinh khiết và nước làm mát cũng khác nhau. Vì vậy, chúng ta cần phải giải quyết từng vấn đề một cách riêng biệt. Đầu tiên chúng ta hãy nhìn vào nước siêu tinh khiết.
Nước siêu tinh khiết là gì?
Nước thích hợp cho quá trình điện phân thường được gọi là nước siêu tinh khiết, nhưng nhãn hiệu này cần được hiểu là gì?
Một số thông số ảnh hưởng đến chất lượng nước phải phù hợp cho quá trình điện phân. Chúng bao gồm loại máy điện phân, vật liệu điện cực, thiết kế hệ thống và thậm chí cả nhãn hiệu máy điện phân.
Thêm vào đó, mỗi ion và phân tử trong nước sẽ tác động khác nhau đến chất điện phân. Một số có thể làm tăng OPEX do ăn mòn hoặc tăng nhu cầu làm sạch, trong khi một số khác có thể làm giảm hiệu suất của máy điện phân và/hoặc làm hỏng và xuống cấp máy điện phân không thể phục hồi.
Với rất nhiều biến số và tác động, không có gì ngạc nhiên khi việc xử lý nước thường được điều chỉnh cho phù hợp với từng dự án cụ thể, khiến việc đưa ra một tiêu chuẩn thống nhất về chất lượng nước cho tất cả các máy điện phân là rất khó khăn.
Một chiến lược mà các nhà sản xuất máy điện phân có thể thực hiện để đơn giản hóa vấn đề là đặt ra các yêu cầu về độ dẫn đủ thấp để đảm bảo rằng nồng độ của các ion và phân tử có vấn đề chắc chắn sẽ thấp hơn yêu cầu của máy điện phân. Điểm khởi đầu tốt có thể là <1 µS/cm đối với máy điện phân kiềm tiêu chuẩn và <0,1 µS/cm đối với máy điện phân PEM và máy điện phân kiềm dựa trên các điện cực tiên tiến. Tuy nhiên, cần nhớ hai điều: thứ nhất, xử lý nước chiếm một phần tương đối nhỏ trong tổng vốn CAPEX của nhà máy hydro, và thứ hai, không có thiết bị điện phân nào bị hỏng do sử dụng nước quá sạch. Do đó, đảm bảo chất lượng cao và độ tin cậy trong xử lý nước có thể là khoản đầu tư tốt nhất cho hệ thống điện phân.
Tiêu thụ nước siêu tinh khiết
Chúng ta có thể tính toán chính xác lượng nước siêu tinh khiết cần thiết để sản xuất hydro xanh bằng cách sử dụng thành phần nguyên tử của nước, H 2 O. Vì oxy nặng hơn hydro 16 lần nên nó chiếm 89% khối lượng nước, điều đó có nghĩa là cần 9 lít nước để tạo ra 1 kg hydro (Hình 1). Tỷ lệ này có thể khá hữu ích để xác định nhu cầu nước cho một công suất sản xuất hydro cụ thể. Ví dụ, sản xuất 100.000 tấn hydro xanh mỗi năm sẽ tiêu thụ 900.000 m 3 (tấn) nước siêu tinh khiết.
Hình 1. Quy tắc 1:9 về tiêu thụ nước siêu tinh khiết trong sản xuất hydro xanh
Cách tiếp cận này cho chúng ta biết trung bình cần bao nhiêu nước, nhưng nó sẽ không cho chúng ta biết về tốc độ tiêu thụ nước (m 3 /h), cần thiết để xác định kích thước hệ thống xử lý nước. Ở đây, chúng ta cần xem xét công suất điện phân (MW). Công suất định mức sẽ xác định tốc độ sản xuất hydro và do đó xác định tốc độ tiêu thụ nước. Lượng nước siêu tinh khiết cần cho mỗi MW phụ thuộc vào lượng năng lượng mà máy điện phân cần để chuyển đổi 9 L (kg) nước siêu tinh khiết thành 1 kg hydro. Hầu hết các máy điện phân tiêu thụ 45–55 kWh mỗi kg hydro, nghĩa là cần 0,16–0,2 L nước siêu tinh khiết cho mỗi kWh, hoặc 163–200 L/h nước siêu tinh khiết cho mỗi MW công suất máy điện phân.
Theo kinh nghiệm của tôi, 200 L/h đã được chứng minh là một quy tắc kinh nghiệm tuyệt vời khi ước tính đầu tiên về nhu cầu đối với nước siêu tinh khiết (Hình 2). Như vậy, một nhà máy 10 MW cần 2 m 3 /h và một nhà máy 1 GW cần 200 m 3 /h nước siêu tinh khiết.
Hình 2. Nguyên tắc tiêu thụ nước siêu tinh khiết trên mỗi MW công suất máy điện phân
Tiêu thụ nước làm mát
Mặc dù việc tiêu thụ nước siêu tinh khiết làm nguyên liệu sẽ luôn là một phần của cơ sở sản xuất hydro xanh, nhưng việc đưa ra đánh giá chính xác về mức tiêu thụ nước làm mát sẽ khó khăn hơn. Nhiều dự án nhỏ hơn được thực hiện ngày nay dựa trên phương pháp làm mát khô, trong khi các hệ thống điện phân rất lớn hiện đang được lên kế hoạch có thể tìm cách tích hợp nhiệt thải vào các hệ thống cơ sở hạ tầng dựa trên nước khác như nhà máy xử lý nước thải và hệ thống sưởi ấm khu vực. Ngoài ra, các hệ thống ngoài khơi có thể dựa vào việc sử dụng nước biển để làm mát.
Đối với những dự án chọn hệ thống làm mát bằng nước, thiết kế cụ thể của giải pháp làm mát sẽ quyết định lượng nước sử dụng. Đối với tháp giải nhiệt bay hơi, các thông số liên quan bao gồm chất lượng nước ban đầu, tỷ lệ giữa làm mát dẫn điện và làm mát bay hơi, tỷ lệ trôi và hệ số nồng độ. Tất cả những yếu tố này khiến việc đưa ra con số chính xác trở nên phức tạp, nhưng để có ước tính ban đầu, nguyên tắc chung là cần 400 L/h nước làm mát cho mỗi MW công suất máy điện phân, hoặc gần gấp đôi lượng cần thiết cho điện phân.
Điều quan trọng cần lưu ý là nước làm mát và nước điện phân sẽ có những yêu cầu chất lượng rất khác nhau.
Tiêu thụ nước thô
Để xác định tác động của hệ thống hydro xanh đối với hệ thống nước tại địa phương, cần tập trung không chỉ vào việc tiêu thụ nước siêu tinh khiết mà còn phải lấy bao nhiêu nước từ nguồn nước thô để tạo ra nước siêu tinh khiết.
Nước có thể đến từ nhiều nguồn. Đối với hầu hết các dự án nhỏ hơn hiện nay, nước từ mạng lưới nước uống được sử dụng. Tuy nhiên, khi các nhà máy hydro tăng quy mô, phương pháp này trở nên không bền vững và nước phải được lấy từ nơi khác.
Ba nguồn nước thô phổ biến nhất cho các dự án hydro quy mô lớn là: nước ngầm, nước thải đã qua xử lý và nước biển. Từ góc độ của một hệ thống xử lý nước, nước mặt từ sông hồ về nhiều mặt sẽ giống với nước thải đã qua xử lý, vì vậy đây có thể được coi là một.
Mỗi loại nước thô sẽ yêu cầu hệ thống xử lý nước khác nhau và điều này ảnh hưởng đến lượng nước thô phải được chiết xuất. Trong đó, bạn cần khai thác ít nước thô nhất khi sử dụng nước ngầm và nhiều nhất khi sử dụng nước biển (Hình 3). Việc khai thác nước thải đã qua xử lý sẽ tương tự như khai thác nước ngầm.
Hình 3. Lượng nước thô cần thiết để sản xuất nước siêu tinh khiết dùng cho điện phân
Sự khác biệt bắt nguồn từ việc thu hồi có thể đạt được trong quá trình tiền xử lý ban đầu của từng nguồn nước thô trước khi nó được đánh bóng đến chất lượng siêu tinh khiết. Đối với nước ngầm, quá trình lọc tiêu chuẩn có thể đạt giá trị thu hồi rất cao, >98%. Nước thải đã xử lý được lọc bằng siêu lọc thường có tỷ lệ thu hồi thấp hơn một chút, khoảng 90–95%. Đối với quá trình khử muối trong nước biển, khả năng thu hồi thường bị giới hạn ở mức 40–50% do áp suất thẩm thấu tăng. Việc xử lý đạt chất lượng siêu tinh khiết đi kèm với khả năng phục hồi riêng, thường là 75%.
Với những con số kinh nghiệm này, có thể nhanh chóng ước tính nhu cầu nước cho một dự án hydro nhất định. Cùng một máy điện phân được thiết kế để sản xuất 100.000 tấn hydro sẽ cần 900.000 m3 nước siêu tinh khiết và sẽ cần chiết xuất 1.200.000 m3 nước ngầm, 1.300.000 m3 nước thải đã qua xử lý hoặc 3.000.000 m3 nước biển.
Thông thường, mối quan tâm về mức tiêu thụ năng lượng của quá trình xử lý nước được đưa ra thảo luận, đặc biệt là khi nói về khử mặn nước biển. Tuy nhiên, điều quan trọng cần nhớ là trong khi xử lý nước phải vượt qua lực hấp dẫn giữa các phân tử nước và ion, thì quá trình điện phân phải vượt qua liên kết cộng hóa trị mạnh mẽ giữa các nguyên tử trong phân tử nước. Như trong Hình 4, việc biến nước biển thành nước siêu tinh khiết có thể cần năng lượng gấp 3–4 lần so với sử dụng nước ngầm hoặc nước thải đã qua xử lý, nhưng vẫn chỉ bằng khoảng một phần nghìn năng lượng cần thiết cho quá trình điện phân.
Hình 4. Năng lượng cần thiết để sản xuất nước siêu tinh khiết từ các nguồn nước thô khác nhau
Sản xuất nước siêu tinh khiết
Quá trình từ nước thô đến nước siêu tinh khiết có thể được chia thành hai bước cơ bản:
Tiền xử lý nước thô
Đánh bóng đạt tiêu chuẩn siêu tinh khiết
Vai trò của hệ thống tiền xử lý là làm cho nước thô thích hợp làm nguồn cấp cho hệ thống đánh bóng. Điều này có nghĩa là đưa nước đến trạng thái tương đương với chất lượng nước của thành phố. Loại hệ thống tiền xử lý phụ thuộc vào nguồn nước vì mỗi loại sẽ có những thách thức riêng. Nước ngầm chứa các chất có hoạt tính oxi hóa khử hòa tan như sắt và mangan, có thể kết tủa và làm tắc nghẽn hệ thống đánh bóng. Chúng có thể được loại bỏ một cách hiệu quả bằng cách sục khí và lọc cát. Đối với nước thải đã qua xử lý, mối quan tâm hàng đầu là các hạt, chất hữu cơ và vi sinh vật. Ở đây, siêu lọc kết hợp với tia cực tím có thể được sử dụng để đưa nước về chất lượng phù hợp. Nước biển chủ yếu yêu cầu loại bỏ muối, cũng như các hạt và vi sinh vật không hoạt động. Sử dụng phương pháp khử muối thẩm thấu ngược (RO) tiêu chuẩn hóa là đủ.
Khi nước thô đã được xử lý trước, chúng ta cần giải quyết các vấn đề sau để biến nó thành chất lượng siêu tinh khiết:
Hàm lượng ion – độ dẫn điện
độ cứng
TOC
silic
Khí
Để loại bỏ phần lớn tải ion, RO được sử dụng. Màng ngăn chặn các ion, phân tử và hạt và do đó cũng sẽ loại bỏ các chất hữu cơ (TOC) và silica. Để đạt được nồng độ đủ thấp, thường cần phải sử dụng hệ thống RO hai lớp, trong đó chất thấm từ quy trình RO đầu tiên được lọc lại trong hệ thống RO thứ cấp. Để hệ thống RO hoạt động bình thường, trước tiên nước phải được điều hòa để tránh đóng cặn và làm hỏng màng. Nếu có clo tự do trong nước, chất này phải được loại bỏ bằng than hoạt tính, để tránh quá trình oxy hóa lớp chọn lọc của màng. Độ cứng do các ion như Ca và Mg có thể gây đóng cặn và hạn chế tốc độ thu hồi. Điều này có thể được xử lý bằng cách sử dụng chất làm mềm sẽ trao đổi các ion đa hóa trị với Na hoặc bằng cách thêm chất chống cặn để dừng quá trình đóng cặn.2 . Do đó, chúng phải được loại bỏ bằng một quy trình chuyên dụng. Đối với tùy chọn không có hóa chất, có thể lắp đặt bộ khử khí màng sau màng RO. Ngoài ra, dung dịch kiềm có thể được thêm vào trước màng để chuyển đổi CO 2 các ion bicarbonate có thể được loại bỏ bằng hệ thống RO. Để đạt được độ dẫn điện rất thấp mà nhiều máy điện phân yêu cầu, cần phải khử ion lần cuối. Ở đây, có thể sử dụng bộ lọc tầng hỗn hợp hoặc bộ điện cực hóa (EDI). Các quá trình này sẽ lấy bất kỳ ion còn lại nào và trao đổi chúng lấy các ion H+ và OH-. Giường hỗn hợp phải được tái tạo hoặc trao đổi sau khi sử dụng, trong khi EDI có thể hoạt động liên tục do thiết kế tự tái tạo. Thông thường, hai công nghệ khử ion sẽ được sử dụng cùng với giường hỗn hợp được đặt làm 'bộ lọc cảnh sát' sau EDI.
Hình 5 minh họa cấu hình quy trình chung này, trong khi Hình 6 hiển thị ví dụ về hệ thống như vậy.
Hình 5. Tổng quan quy trình xử lý nước từ nước thô đến nước siêu tinh khiết thích hợp cho điện phân
Hình 6. Hệ thống xử lý nước gắn trên khung để sản xuất nước thích hợp cho quá trình điện phân (<0,1 µS/cm). Hệ thống này có công suất 1–2 m3/h tương đương với công suất điện phân 5–10 MW.
Case – Everfuel
Một ví dụ cụ thể về xử lý nước để sản xuất hydro xanh là dự án HySynergy của Everfuel. Bao gồm ba giai đoạn – 20 MW (2022), 300 MW (2025) và 1 GW (2030), dự án này nhằm mục đích cung cấp hydro xanh cho cả người dùng di động và người dùng cuối trong công nghiệp. Giai đoạn đầu tiên, thiết bị điện phân kiềm được chọn, yêu cầu lưu lượng nước siêu tinh khiết 4,5 m 3 /h với độ dẫn điện <5 µS/cm. Nước được lấy từ mạng lưới nước uống có độ cứng 11°dH và không có clo tự do. Trong trường hợp này, tiêu chí chất lượng có thể được đáp ứng bằng cách sử dụng hệ thống RO hai lớp kết hợp với loại bỏ CO 2 và với chất làm mềm trao đổi ion ở phía trước màng RO để đảm bảo nồng độ ion đa hóa trị rất thấp.
Hình 7. Hệ thống xử lý nước của dự án HySynergy 20 MW
Đánh bóng bên trong nước
Đối với các hệ thống điện phân như PEM và AEM hoạt động trực tiếp trên nước siêu tinh khiết, việc xử lý nước không chỉ dừng lại ở nước trang điểm. Sau khi đi vào hệ thống điện phân, nước liên tục bị ô nhiễm các ion kim loại từ đường ống và thiết bị xử lý cũng như các ion và chất hữu cơ từ dàn máy điện phân. Những chất gây ô nhiễm này phải được loại bỏ để duy trì tuổi thọ của máy điện phân.
Cách để giải quyết vấn đề này là đưa một bộ đánh bóng dòng bên vào bên trong thiết bị điện phân trên hệ thống tuần hoàn cực dương.
Có hai quy trình để xử lý quá trình đánh bóng dòng bên: trao đổi ion tầng hỗn hợp và EDI. Trong ứng dụng này, EDI bị hạn chế do nhiệt độ vận hành và thực tế là nó tạo ra dòng chất thải đậm đặc. Giường hỗn hợp là lựa chọn ưu tiên vì chúng cho phép không lãng phí nước và có độ linh hoạt cao hơn trong việc đáp ứng các yêu cầu quy trình của hệ thống điện phân.
Vòng dòng bên phải có kích thước để loại bỏ các chất gây ô nhiễm ở tốc độ bằng hoặc cao hơn tốc độ giải phóng để tránh tích tụ trong thiết bị điện phân. Việc ước tính tốc độ giải phóng rất phức tạp vì nó phụ thuộc cả vào sự lựa chọn vật liệu trong thiết bị xử lý và máy điện phân cũng như các điều kiện vận hành. Thông thường, dòng chảy của vòng đánh bóng sẽ nằm trong khoảng 2–10% tốc độ dòng tuần hoàn cực dương. Tỷ lệ phần trăm càng cao thì chất lượng nước đưa đến máy điện phân sẽ càng cao.
Máy bơm
Cuối cùng, chúng ta cũng phải giải quyết nhu cầu bơm và ảnh hưởng của nó đến chất lượng nước. Máy bơm được sử dụng ở một số nơi trong hệ thống điện phân, nhưng vai trò quan trọng nhất là lưu thông qua ngăn xếp máy điện phân. Một lượng lớn nhiệt và khí được giải phóng trong quá trình điện phân, và để loại bỏ khí cũng như duy trì sự chênh lệch nhiệt độ chấp nhận được trong toàn bộ ống khói thì cần phải có tốc độ dòng chảy rất cao. Để giữ nhiệt độ tăng trong khoảng 2–4°C, tốc độ dòng chảy là 50–100 m 3/h trên mỗi MW là bắt buộc. Điều đó có nghĩa là tốc độ dòng chảy lớn hơn 250–500 lần so với dòng nước trang điểm vào hệ thống điện phân. Do đó, máy bơm chiếm một phần đáng kể CAPEX cho hệ thống hydro xanh, 10–20% CAPEX kết hợp cho các thành phần ống khói và sự cân bằng của nhà máy, đồng thời điều này đặt ra cho người vận hành một thách thức khó khăn. Giá thành của máy bơm thúc đẩy các giải pháp tiết kiệm chi phí, nhưng yêu cầu nghiêm ngặt về chất lượng cũng như điều kiện vận hành khắc nghiệt đã thúc đẩy các sản phẩm chuyên dụng và chất lượng cao. Một phần của giải pháp cho thách thức này là áp dụng cách tiếp cận toàn diện và suy nghĩ về việc xử lý nước kết hợp với bơm. Bằng cách cải tiến hệ thống đánh bóng, máy đánh bóng có thể giúp khắc phục tình trạng giải phóng kim loại và do đó giảm yêu cầu đối với máy bơm được sử dụng để tuần hoàn.
Hình 8. Yêu cầu bơm để tuần hoàn nước siêu tinh khiết qua thiết bị điện phân
Nhìn về phía trước, rõ ràng là xử lý nước sẽ đóng một vai trò thiết yếu đối với ngành công nghiệp hydro xanh và giống như các thành phần khác trong nhà máy hydro xanh, hệ thống xử lý nước cũng sẽ phải đối mặt với những câu hỏi quan trọng về khả năng mở rộng, tính mô đun, tính dự phòng, v.v. ngành công nghiệp trưởng thành. Hình 9 cho thấy một ví dụ về việc lắp đặt quy mô lớn như vậy sẽ trông như thế nào.
