Sở Khoa học và Công Nghệ

https://sokhcn.tayninh.gov.vn

Ứng dụng công nghệ hạt nhân sản xuất hydro – Chìa khóa cho chuyển đổi năng lượng sạch trong tương lai

Ngành công nghiệp năng lượng trong tương lai sẽ phụ thuộc rất nhiều vào yêu cầu phải thay thế dầu mỏ và giảm phát thải khí nhà kính để bảo vệ khí hậu. Hydro có nhiều tiềm năng đóng vai trò quan trọng như một nguồn năng lượng bền vững và thân thiện với môi trường trong thế kỷ 21.
Nhu cầu và dự báo nhu cầu thế giới về hydro
Hydro không những được coi là một thành phần quan trọng của các hệ thống năng lượng và chống biến đổi khí hậu môi trường trong tương lai mà còn được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực quan trọng khác. Trong tự nhiên, hydro không tồn tại ở dạng tự do (H2) nên để sử dụng hydro như một nguồn năng lượng sơ cấp thì bước đầu tiên là phải sản xuất ra nó bằng cách tách khỏi các phân tử như nước (H2O) hoặc Metan (CH4). Tuy nhiên, việc sản xuất hydro ở quy mô công nghiệp vẫn gặp nhiều thách thức. Phần lớn hydro được sản xuất hiện nay của thế giới dựa chủ yếu theo phương pháp khử hơi nước của khí tự nhiên hoặc khí hóa than - cả 2 phương pháp này đều phát ra khí CO2 với tỷ lệ phát thải gấp khoảng 10 lần so với lượng hydro sản xuất được (10 tấn CO2 phát thải/1 tấn H2 sản xuất).
Thống kê tăng trưởng nhu cầu hydro của thế giới qua các năm.
Theo thống kê từ năm 1975 đến nay, nhu cầu hydro của thế giới luôn tăng và sẽ ngày càng cần nhiều hơn trong thời gian tới. Theo báo cáo “Global Hydrogen Review” phát hành năm 2022 của Cơ quan Năng lượng quốc tế (IEA), nhu cầu hydro của thế giới trong năm 2021 là trên 94 triệu tấn (năm 2019 là 91 triệu tấn, năm 2020 là 90 triệu tấn - có sự sụt giảm do ảnh hưởng của dịch covid-19) bao gồm hơn 70 triệu tấn hydro tinh khiết chủ yếu sử dụng trong sản xuất phân bón và hóa dầu; hơn 20 triệu tấn hydro được hòa trộn với các khí chứa carbon khác để sử dụng trong sản xuất methanol, thép và các mục đích khác. Số lượng trên là chưa kể đến khoảng 30 triệu tấn hydro có trong khí thải từ các quy trình công nghiệp được sử dụng để sản xuất nhiệt và điện. Việc sản xuất và tiêu thụ hydro năm 2021 của thế giới không chỉ gây ra phát thải khoảng 940 triệu tấn CO2 (bằng khoảng 2,5% tổng lượng phát thải CO2 toàn cầu năm 2021) mà còn đòi hỏi tiêu thụ đầu vào một khối lượng khí tự nhiên, dầu, than đá và điện năng tương đương khoảng trên 280 triệu tấn quy dầu - một lượng nguyên, nhiên liệu khổng lồ có thể sử dụng cho các mục đích phát triển kinh tế khác. Trong số hydro sản xuất nói trên, chỉ có dưới 0,4 triệu tấn hydro được sản xuất kèm theo công nghệ thu giữ carbon (CCUS) và dưới 0,1 triệu tấn hydro được sản xuất bằng điện phân nước thông qua các nguồn điện năng tái tạo.
Chuỗi sản xuất, tiêu thụ hydro của thế giới - Nguồn: IAE, 2019
Thế giới vẫn và sẽ cần nhiều hydro hơn cho phát triển kinh tế vì hydro là nguyên liệu không thể thiếu của một số lĩnh vực sản xuất và còn có triển vọng đóng vai trò là trụ cột chính của quá trình khử carbon trong các ngành công nghiệp ở tương lai, trong đó có các ngành khó khử carbon như giao thông vận tải. Đầu năm 2021, dự án thử nghiệm đầu tiên trên thế giới về sản xuất thép không carbon bằng hydro đã bắt đầu đi vào hoạt động tại Thụy Điển. Các dự án sử dụng hydro trong các ngành sản xuất (xi măng, gốm, sứ hoặc thủy tinh) hoặc giao thông vận tải (đường sắt, vận tải biển và hàng không) cũng đang được phát triển. Tuy nhiên, để có thể đảm nhận sứ mệnh quan trọng trong nền kinh tế không phát thải khí nhà kính trong tương lai, hydro cần phải được sản xuất trên quy mô công nghiệp bằng các công nghệ không gây phát thải.
Năng lượng hạt nhân giúp giải bài toán sản xuất hydro sạch
Một lựa chọn vừa giải quyết được bài toán kinh tế và vấn đề phát thải CO2 trong sản xuất hydro có thể được đưa ra là ứng dụng năng lượng hạt nhân. Điều này hứa hẹn tạo nên một ngành kinh tế mới về sản xuất năng lượng sơ cấp cho thế giới. Không chỉ được biết đến với việc sử dụng trong sản xuất điện năng với hệ số công suất rất cao, năng lượng hạt nhân còn thích hợp để sản xuất hydro trên quy mô lớn, không phát thải carbon và giá thành cạnh tranh. Ứng dụng của năng lượng hạt nhân phục vụ sản xuất hydro trong hai thập kỷ tiếp theo dự kiến tập trung vào các phương pháp sản xuất sau:
- Điện phân nước ở nhiệt độ thấp, sử dụng công suất ngoài giờ cao điểm từ các lò phản ứng (cần 50-55kWh/kg H2);
- Điện phân nước nhiệt độ cao (hoặc điện phân oxit rắn Solid Oxide fuel cell-SOEC), sử dụng điện và nhiệt (cao) từ lò phản ứng hạt nhân;
- Nhiệt hóa khí metan (SMR) sử dụng điện và nhiệt (cao) từ lò phản ứng hạt nhân. Tuy nhiên, phương pháp này vẫn đòi hỏi khí metan ở đầu vào và gây phát thải khí CO2 trong quá trình sản xuất;
- Nhiệt điện hóa, phân tách nước ở nhiệt độ cao, sử dụng điện và nhiệt (cao) từ lò phản ứng hạt nhân;
Mô tả các phương pháp sử dụng năng lượng hạt nhân (điện và nhiệt) để sản xuất hydro.
Trong các phương pháp sản xuất hydro sử dụng lò phản ứng hạt nhân, phương pháp điện phân ở nhiệt độ thấp (bao gồm điện phân kiềm và điện phân màng polymer - PEM) có thể được coi là ứng dụng đơn giản nhất của việc sử dụng lò phản ứng hạt nhân phục vụ sản xuất hydro. Quá trình này sử dụng điện năng từ các nhà máy điện hạt nhân giống như điện năng của các nhà máy điện khác để điện phân nước nhưng được tối ưu và giá thành cạnh tranh hơn. Sự tối ưu này có được là do lò phản ứng hạt nhân luôn trong trạng thái hoạt động hết công suất. Do sự biến thiên công suất sử dụng lưới điện trong ngày, trong thời gian thấp điểm, lò phản ứng hạt nhân có thể sử dụng điện và nhiệt ở đầu ra với công suất lớn phục vụ sản xuất hydro. Một lò phản ứng hạt nhân công suất 1.000 MWe có thể sản xuất được trên 200.000 tấn hydro/năm theo phương pháp điện phân lạnh, đủ để cung cấp nhiên liệu cho trên 400.000 xe ô tô cá nhân hoặc 16.000 xe tải chạy bằng hydro mà không gây phát thải khí nhà kính ra môi trường.
Ngoài ra, khi tính toán về lợi ích kinh tế, sản xuất hydro bằng năng lượng tái tạo hiện có giá từ 3,2-7,7USD/kg là quá cao so với sản xuất hydro từ khí tự nhiên dao động trong khoảng 0,7-1,6 USD/kg (theo tính toán của IEA năm 2020). Nếu xét trên phương diện quá trình sản xuất hydro mà không gây phát thải CO2, giá thành điện hạt nhân rẻ hơn khi so với các dạng năng lượng tái tạo như điện gió, điện mặt trời nên sản xuất hydro bằng điện năng từ lò phản ứng sẽ rẻ hơn sản xuất hydro bằng các dạng năng lượng tái tạo. Ngoài ra, trong bối cảnh giá khí đốt đã tăng liên tục trong 1 thập kỷ qua, giá thành sản xuất hydro bằng các phương pháp truyền thống (vốn phát thải nhiều CO2) sẽ ngày càng có giá thành đắt hơn và thiếu sự ổn định.
Bên cạnh sử dụng điện năng từ lò phản ứng hạt nhân điện phân nước để sản xuất hydro kể trên, một số quy trình sản xuất hydro từ nước bằng năng lượng hạt nhân theo phương pháp nhiệt hóa phân tách hiện đang được phát triển. Trong tương lai, các công nghệ lò phản ứng hạt nhân nhiệt độ cao có thể được sử dụng để sản xuất hydro bằng phương pháp nhiệt hóa với hiệu quả cao hơn nhưng giá thành sản xuất lại rẻ hơn khoảng một nửa. Tuy nhiên, quá trình sản xuất hydro theo phương pháp nhiệt hóa đòi hỏi nhiệt độ rất cao, trong khoảng 750-1.0000C (hiệu suất chuyển đổi ở 1.0000C có thể cao gấp 3 lần so với hiệu suất ở 7500C). Để đảm bảo an toàn, nhà máy hóa chất hydro cần phải cách ly với lò phản ứng. Ngoài ra, vẫn còn những thách thức đáng kể cần phải khắc phục trong thời gian tới đối với việc giữ ổn định mức nhiệt độ cao để sản xuất hydro thương mại trong những điều kiện nhiệt và hóa chất như trên. Trong số các công nghệ lò phản ứng hạt nhân hiện nay, có 3 công nghệ phù hợp để sản xuất hydro theo các phương pháp nhiệt hóa bao gồm:
- Lò phản ứng khí nhiệt độ cao (HTTR) sử dụng than chì làm chất làm chậm, làm mát bằng khí heli. Các tổ máy có thể đạt công suất lên đến 600MWt, hoạt động ở 9500C.
- Lò phản ứng nhiệt độ cao tiên tiến (AHTR), là một thiết kế lò phản ứng khá tương đồng như HTTR nhưng sử dụng muối nóng chảy làm chất tải nhiệt và hoạt động ở áp suất thấp hơn, nhiệt độ cao hơn và khả năng truyền nhiệt tốt hơn. Các tổ máy có công suất dự kiến khoảng 1.000MWe/2.000MWt.
- Lò phản ứng nhanh làm mát bằng kim loại nóng chảy, hoạt động ở nhiệt độ thấp hơn HTR. Loại lò theo công nghệ này hiện có lò phản ứng BREST của Liên bang Nga hoạt động ở 5400C đang được xây dựng và một dự án lò phản ứng mã STAR-H2 của Mỹ hoạt động ở 7800C phục vụ sản xuất hydro hoặc hoạt động ở nhiệt độ thấp hơn để khử muối.
Các dự án và kế hoạch về ứng dụng năng lượng hạt nhân sản xuất hydro
Từ tháng 02/2010, Cơ quan Năng lượng nguyên tử Nhật Bản (JAEA) đã thành lập Trung tâm Nghiên cứu ứng dụng nhiệt và hydro sử dụng lò phản ứng công nghệ HTTR tại Oarai để cải tiến công nghệ vận hành đối với nhà máy sản xuất hydro theo phương pháp nhiệt điện hóa phân tách nước. Dự án này đã chứng minh hiệu quả việc sản xuất hydo quy mô phòng thí nghiệm và quy mô tiền thương mại hóa lên đến 30 lít hydro/giờ. Cùng với đó, một nhà máy sản xuấy hydro với công suất 1.000m3/giờ (2 tấn/ngày) được liên kết với lò phản ứng HTTR đã được xác nhận về hiệu suất và tối ưu chi phí sản xuất vào tháng 01/2019 khi nhà máy này hoạt động liên tục trong 150 giờ. JAEA đặt mục tiêu sản xuất hydro với mức giá dưới 3USD/kg vào khoảng năm 2030 thông qua việc ứng dụng các lò phản ứng HTTR.
Tại Mỹ, sáng kiến nghiên cứu năng lượng hạt nhân quốc gia (NERI) được khởi động vào năm 1999 và được tái tập trung năm 2004 với Sáng kiến hydro hạt nhân (NHI) và liên minh với Chương trình nhà máy điện hạt nhân thế hệ mới (NGNP) vào năm 2005. NGNP dự kiến xây dựng và vận hành một nguyên mẫu lò phản ứng nhiệt độ cao HTTR và các cơ sở sản xuất điện và hydro liên quan vào năm 2021, tuy nhiên kinh phí bị cắt giảm dưới thời Tổng thống Obama và các hoạt động tiền cấp phép cho dự án bị đình chỉ vào năm 2013.
Tại Hàn Quốc, các dự án trình diễn thử nghiệm phương pháp nhiệt điện hóa phân tách nước bằng năng lượng hạt nhân cũng được thực hiện ở quy mô phòng thí nghiệm do General Atomics hỗ trợ. Vào tháng 12/2008, Ủy ban Năng lượng nguyên tử Hàn Quốc đã phê duyệt phát triển hydro hạt nhân như một chương trình quốc gia với việc đẩy mạnh phát triển các công nghệ cơ bản và mục tiêu chứng minh tính kinh tế của sản xuất hydro theo phương pháp nhiệt điện hóa phân tách nước sử dụng lò phản ứng nhiệt độ rất cao (VHTR) vào năm 2026. Kết quả dự kiến của dự án sẽ sản xuất hydro với giá khoảng 2USD/kg cùng với sản phẩm phụ là oxy cũng có nhiều giá trị. Theo tính toán của General Atomics, phương pháp nhiệt điện hóa phân tách nước sử dụng lò phản ứng VHTR 2400MWt, ở nhiệt độ 8500C, hiệu suất 42% có thể sản xuất hydro chỉ với chi phí 1,59USD/kg và cũng lò này ở nhiệt độ 9500C, hiệu suất 52% có thể sản xuất hydro chỉ với chi phí 1,42USD/kg.
Trong 5 năm qua, thế giới đã có nhiều nỗ lực để làm cho các nguồn sản xuất hydro trở nên “sạch hơn” thông qua việc triển khai nhiều dự án sản xuất hydro bằng phương pháp điện phân (không phát thải CO2) sử dụng điện năng từ các nguồn tái tạo hoặc sử dụng công suất điện dư thừa trong giờ thấp điểm. Đến giữa năm 2021, công suất điện “sạch” cho sản xuất hydro đã đạt trên 300MW. Ngoài ra, có gần 400 dự án khác với tổng công suất khoảng 90GW sẽ được phát triển từ nay đến năm 2030 với kỳ vọng sản lượng hydro sản xuất bằng phương pháp điện phân (không phát thải CO2) sẽ đạt khoảng 8 triệu tấn vào năm 2030. Tuy nhiên, con số lý tưởng theo dự kiến này vẫn là quá nhỏ bé so với nhu cầu về hydro ngày càng tăng của thế giới. Năng lượng hạt nhân là chìa khóa thích hợp để giải bài toán “sạch hóa” quá trình sản xuất hydro của thế giới. Bước đầu, năng lượng hạt nhân có khả năng cung cấp nguồn điện sạch, công suất lớn phục vụ sản xuất hydro bằng phương pháp điện phân nước. Trong tương lai, các công nghệ lò phản ứng hạt nhân mới, tiên tiến với khả năng cung cấp công suất nhiệt và điện năng lớn hơn có thể cho phép hiện thực hóa các phương pháp nhiệt điện hóa sản xuất hydro quy mô lớn hơn, hiệu suất cao hơn và giá thành rẻ hơn nhưng vẫn đáp ứng các yêu cầu về bảo vệ môi trường, bảo tồn các nguồn năng lượng hóa thạch khác để sử dụng trong tương lai.
Tài liệu tham khảo:
1. Global Hydrogen Review, International Energy Agency (IEA), phát hành các năm 2020,2021, 2022
2. The role of Nuclear power in the Hydrogen Economy, Cost and Competitiveness, Nuclear Energy Agency (NEA), OECD, phát hành năm 2022
3. https://world-nuclear.org/information-library/energy-and-the-environment/hydrogen-production-and-uses.aspx
4. https://www.climateforesight.eu/articles/finding-the-right-colour-for-hydrogen/
KS. Bùi Từ Thi Hoàng - Cục Năng lượng Nguyên tử
Bạn đã không sử dụng Site, Bấm vào đây để duy trì trạng thái đăng nhập. Thời gian chờ: 60 giây