Triển vọng trung hòa carbon cho điện than có thể thành hiện thực?

Theo dõi KTMT trên

“Net zero với điện than” không phải là thuyết âm mưu:

Khi Ủy ban Liên Chính phủ về Biến đổi Khí hậu (IPCC) gióng lên hồi chuông cảnh báo về sự nóng lên toàn cầu vào đầu những năm 1990. Thời điểm đó, Giám đốc điều hành tại J-POWER (tên cũ là Denpatsu, một công ty điện lực tại Nhật Bản, chủ yếu sản xuất điện từ than và thủy điện, vẫn đăng ký chính thức dưới tên “Electric Power Development Co.”) đã lưu tâm tới vấn đề này và tiếp tục phát triển thành một trong những nhà sản xuất điện lớn nhất Nhật Bản.

J-POWER sản xuất nhiệt điện phần lớn bằng than nhập khẩu. Và mặc dù dự đoán rằng, điện than (cùng với điện hạt nhân) sẽ tiếp tục đóng một vai trò quan trọng trong hỗn hợp năng lượng thế kỷ 21 của Nhật Bản, nhưng J-POWER vẫn cảnh giác và lo ngại về vấn đề môi trường ngày càng tăng, cũng như sự biến động của việc nhập khẩu than trong tương lai có thể gây ra những trở ngại đến tài sản điện than của nước này. Cuối cùng, để giải bài toán hóc búa nói trên, J-POWER đã tìm ra cách để cải thiện hiệu quả, tiết kiệm chi phí trong việc sử dụng than trong những thập kỷ tới và coi đầy là việc “cần được ưu tiên hàng đầu”.

Năm 1995, J-POWER phối hợp với Tổ chức Phát triển Công nghệ Công nghiệp Năng lượng Mới của Chính phủ Nhật Bản (NEDO) khởi động một dự án quốc gia, có tên Ứng dụng Năng lượng cho Khí, Chất lỏng và Điện (the Energy Application for Gas, Liquid, and Electricity - EAGLE). Mục tiêu chính của dự án là phát triển một thiết bị khí hóa than dòng chảy bằng khí oxy do Nhật Bản chế tạo có thể được sử dụng cho nhiều ứng dụng, bao gồm phát điện và sản xuất nhiên liệu tổng hợp, hóa chất và hydro. Tuy nhiên, khái niệm EAGLE đã vượt ra ngoài việc chỉ tích hợp bộ khí hóa với tua bin khí và hơi trong một cấu hình chu trình hỗn hợp khí hóa tích hợp thông thường (IGCC). Dự án đã hình dung việc bổ sung một pin nhiên liệu vào hệ thống IGCC để có thể tăng hiệu suất của hệ thống lên hơn 50% trong khi cắt giảm lượng khí thải ô nhiễm một cách hiệu quả, khiến nó trở thành một trong những hệ thống chu trình hỗn hợp pin nhiên liệu khí hóa tích hợp chuyên dụng đầu tiên trên thế giới (IGFC).

Sau khi tiến hành nghiên cứu khả thi cho hệ thống IGFC, cuối năm 2001, J-POWER và cơ quan nghiên cứu của Chính phủ Nhật đã hoàn thành nhà máy thí điểm 150 tấn mỗi ngày tại Viện nghiên cứu Wakamatsu của J-POWER ở Thành phố Kitakyushu. Bắt đầu từ năm 2002, thí điểm đã điều tra sự cố hệ thống khí hóa, tiếp theo là thử nghiệm hiệu suất tổng thể của nhà máy, sau đó thử nghiệm với các nguyên liệu đầu vào khác nhau, tách và thu hồi carbon dioxide (CO2). Khi thí điểm cho thấy lời hứa, J-POWER vào năm 2009 đã hợp tác với Chugoku Electric Power Co. để thành lập một liên doanh mới, và Osaki CoolGen Corp (OCC) đã được ra đời.

Mục đích chính của OCC vào thời điểm đó là mở rộng quy mô công nghệ EAGLE trong một thử nghiệm trình diễn 166 MW của hệ thống IGFC tại nhà máy điện Osaki 250 MW đã dừng hoạt động (năm 2011) của Chugoku trên đảo Osakikamijima, tỉnh Hiroshima.

Theo Chugoku Electric, phạm vi trình diễn của dự án kể từ đó đã được mở rộng để giải quyết những thách thức đang nổi lên mà điện than hiện đại phải đối mặt, bao gồm sự hiểu biết về tính linh hoạt bền vững và các thuộc tính carbon thấp. Ngày nay, mục tiêu chính của dự án OCC là “đạt được đích đến cho sản xuất nhiệt điện than không phát thải bằng cách kết hợp IGFC, sản xuất điện đốt than hiệu suất cao với thu hồi CO2” - Chugoku Electric cho hay.

Một thập kỷ phát triển và trình diễn:

Kể từ khi dự án OCC chính thức khởi động (năm 2012), nó đã hoàn thành 2 trong 3 bước quan trọng và dự kiến ​​sẽ hoàn thành giai đoạn 3 vào cuối năm 2022. Trong bước 1, với sự tài trợ của Bộ Kinh tế, Thương mại và Công nghiệp Nhật Bản (METI), các đối tác của dự án đã khởi công xây dựng nhà máy trình diễn IGCC thổi oxy 166 MW (tháng 3/2013) và hoàn thành (tháng 3/2017). Ôxy của nhà máy sử dụng công nghệ thổi IGCC khí hóa than trong thiết bị khí hóa độc quyền của J-POWER bằng cách sử dụng oxy có độ thuần cao. Sau đó, nó tạo ra năng lượng bằng cách sử dụng một chu trình hỗn hợp kết hợp tua bin khí đốt khí tổng hợp (loại 1.300 độ C) và tua bin hơi sử dụng nhiệt thải từ tua bin khí và bộ khí hóa than.

“Trong bước đầu tiên, chúng tôi đã xác minh hiệu suất cơ bản, khả năng vận hành của nhà máy, độ tin cậy và tính khả thi về kinh tế của một hệ thống nhiệt điện than dựa trên công nghệ IGCC thổi oxy,” - NEDO cho hay. “Chúng tôi đã đạt được hiệu suất nhiệt thực là 40,8% [dựa trên giá trị nhiệt cao hơn - HHV] - mức hiệu suất cao nhất trên thế giới đối với nhà máy điện đốt than cấp 170.000 kW và đạt được triển vọng với hiệu suất nhiệt ròng khoảng 46% (HHV) tại nhà máy điện thương mại sử dụng tua bin khí loại 1.500 độ C (công suất phát điện quy mô 500.000 kW với công suất 2.000 đến 3.000 tấn than mỗi ngày). So với nhiệt điện than nghiền thành bột cực siêu tới hạn (USC) đang được sử dụng rộng rãi hiện nay, chúng tôi tin rằng, công nghệ này có thể cắt giảm lượng khí thải CO2 khoảng 15%” - NEDO bổ sung thêm.

Theo Nobuhiro Misawa - Giám đốc kỹ thuật của OCC: Cấu hình của cơ sở trình diễn IGCC “gần như giống hệt” với một nhà máy điện IGCC thương mại, nó phục vụ cùng các chức năng và ưu tiên quan trọng, bao gồm cả vấn đề an toàn. “An toàn là một yếu tố quan trọng vì thành phần khí và giá trị quá trình khác biệt đáng kể so với một nhà máy [than nghiền thành bột] thông thường” - Misawa tiết lộ trong báo cáo công bố tại Diễn đàn thu gom, sử dụng và lưu trữ các bon Nhật Bản - châu Á (CCUS) năm 2021 tổ chức cuối tháng 11 năm ngoái.

Nhưng về cơ bản, các kết quả thử nghiệm đã xác nhận tốc độ thay đổi tải tối đa là 16%/phút, “tốc độ thay đổi cao - thấp khá rõ, tương đương với quá trình tạo khí chu trình hỗn hợp khí tự nhiên. Các thử nghiệm của IGCC cũng xác nhận năng lượng điện được tạo ra bởi chu trình hỗn hợp trong cả hệ thống IGCC và hệ thống chu trình hỗn hợp khí tự nhiên, kết quả chứng minh rằng khí hóa thổi oxy có hiệu suất thay đổi tải cao. “Bằng cách sử dụng các tính năng linh hoạt này, các nhà máy thương mại của IGCC sẽ có thể điều chỉnh công suất phát điện theo một số biến động công suất nhanh do năng lượng tái tạo gây ra, sẽ được lắp đặt thêm trên khắp Nhật Bản để hướng tới tính trung hòa carbon trong tương lai” - Misawa khẳng định.

Tỷ lệ thu hồi carbon chứng minh đạt 90%:

Trong bước 2, diễn ra từ năm 2016 đến năm 2020, OCC đã bổ sung thêm bộ phận tách và thu hồi CO2 vào cho công đoạn IGCC thổi oxy. “Vì có nồng độ carbon monoxide (CO) cao trong khí tổng hợp, nên nó có thể được phân tách và thu giữ dưới dạng CO2 một cách hiệu quả, làm cho công nghệ thế hệ này trở nên tối ưu cho CCUS” - Theo giải thích của NEDO.

Các cơ sở thu giữ carbon bao gồm bộ phận thu giữ cacbon và bộ phận thí điểm chất xúc tác chuyển dịch chua. Vì áp suất khí tổng hợp để thu giữ CO2 cao, nó có khoảng 3 megapascal nên OCC đã chọn một phương pháp hấp thụ vật lý [sử dụng dung môi Dow’s Selexol Max] phù hợp với khí CO2 áp suất riêng phần cao. OCC đã tiến hành các thử nghiệm thu giữ CO2 (từ tháng 12/2019 cho đến năm 2021), khi nhà máy tạm dừng để cho lắp đặt thiết bị pin nhiên liệu. Tiếp tục vào đầu năm nay, các thử nghiệm bắt giữ liên quan đến 17% dòng khí tổng hợp với công suất khoảng 400 tấn CO2 mỗi ngày. Các thử nghiệm sẽ đánh giá chi phí nắm bắt sử dụng vốn và dữ liệu chi tiêu hoạt động. Cho đến nay, hiệu suất thu giữ carbon đã “vượt quá mục tiêu” - Misawa nói, bao gồm cả việc chứng minh tỷ lệ thu hồi CO2 là 90%, hoặc hơn.

Trong bước thứ hai, khí tổng hợp, sau khi loại bỏ axit, được đưa đến lò phản ứng chuyển dịch ngọt, nơi CO được chuyển thành CO2. CO2 sau đó được giữ lại trong chất hấp thụ và được thu hồi bằng cách giải nén trong thùng. Khí tổng hợp, có nồng độ hydro cao, được quay trở lại tua bin khí làm nhiên liệu. Tại đây, 17% tổng lượng khí tổng hợp được đưa đến bộ phận thu giữ CO2 để thu giữ 15% tổng lượng khí CO2 do nhà máy IGCC thải ra.

Ngoài ra, Công ty đã tiến hành các bài kiểm tra độ bền lâu dài của chất xúc tác dịch chua. “Chất xúc tác này mới được phát triển và hoạt động ở nhiệt độ thấp hơn chất xúc tác tiêu chuẩn. Lượng hơi nước trong lò phản ứng dịch chuyển có thể giảm đáng kể, điều này giúp tránh thất thoát năng lượng trong quá trình thu nhận CO2” - Misawa cho biết thêm.

Tăng hiệu quả bằng pin nhiên liệu:

Là một phần của bước thứ ba, từ tháng 4/2022, OCC đã hoàn thành việc tích hợp pin nhiên liệu oxit rắn (SOFC) 1,2 MW vào hệ thống bắt đầu thử nghiệm xác minh hiệu quả. Công ty có kế hoạch tiếp tục thử nghiệm hệ thống cho đến cuối năm nay.

Bước 3 đáng chú ý cũng liên quan đến việc xây dựng một cơ sở hóa lỏng CO2. Tại đầu ra của thiết bị khí hóa, khí tổng hợp bao gồm 50% CO và 20% hydro. Tại đầu vào của lò phản ứng thay đổi, hơi nước được bơm vào và CO được chuyển thành CO2 và hydro trong lò phản ứng. Tại đầu ra của lò phản ứng, có thành phần khí là 40% CO2 và 55% hydro.

“Thiết bị hấp thụ CO2 đảm nhận phần thu hồi, và thu được CO2 có độ tinh khiết cao. Mặt khác, cân bằng của khí chứa khoảng 85% hydro. Trong khi hydro này được sử dụng làm nhiên liệu cho tua bin khí trong thử nghiệm bước 2, thì trong bước 3, hydro sẽ được đưa đến pin nhiên liệu để sản xuất năng lượng. Theo OCC, họ sẽ dự định thu gom một phần CO2 đến bộ phận hóa lỏng để tạo ra CO2 tinh khiết cấp thực phẩm, khoảng 5 tấn mỗi ngày. Sau đó, nó sẽ được vận chuyển bằng xe tải đến một nhà kính trồng cà chua thương mại tại trang trại Hibikinada Greenfarm gần đó.

Khi dự án diễn ra suôn sẻ, NEDO đã cho thành lập một trung tâm nghiên cứu và phát triển “tái chế” carbon tại thị trấn Osakikamijima. Trung tâm có nhiệm vụ khám phá các ứng dụng khác, như phát triển bê tông thân thiện với môi trường (do Chugoku Electric phát triển), công nghệ tổng hợp chọn lọc cho các sản phẩm hóa học, quy trình sinh học từ khí thành lipid và nhiên liệu phản lực sinh học làm từ vi tảo, cũng như nhiều ứng dụng khác mà lâu nay chưa tận dụng hết./.

KHẮC NAM - CHUYÊN GIA TẠP CHÍ NĂNG LƯỢNG VIỆT NAM

(THEO POWERMAG - 7/2022)