Amoniac xanh là gì? Triển vọng và thách thức trong sản xuất

Amoniac xanh (green ammonia) là sản phẩm amoniac được sản xuất bằng các nguồn năng lượng tái tạo, vì vậy không phát thải khí cacbon. Thuật ngữ này đang ngày càng trở nên phổ biến trong lĩnh vực sản xuất amoniac. Mối quan tâm về amoniac xanh đang được thúc đẩy mạnh mẽ nhờ những nỗ lực toàn cầu nhằm giảm thiểu phát thải cacbon trong những thập niên tới. Tại Việt Nam, trong dự thảo Quy hoạch điện VIII, cũng có đề cập đến nhiên liệu này.

Mặt khác, amoniac xanh cũng đang được xem xét như phương tiện lưu trữ năng lượng tái tạo để sử dụng khi cần, và là phương tiện để vận chuyển hydro. Hiện nay, nhiều công ty đã nhận thấy triển vọng của amoniac xanh như một dạng nhiên liệu sạch, đặc biệt là trong các lĩnh vực ứng dụng như sử dụng làm nguồn lưu trữ năng lượng hoặc nhiên liệu cho ngành kinh doanh vận tải. Nếu sử dụng làm nguồn cung năng lượng, amoniac có mật độ năng lượng cao gấp 9 lần ắc quy ion liti, gấp 1,8 lần hydro lỏng, hơn nữa lại có ưu điểm là dễ vận chuyển hơn hydro lỏng.

Sản lượng amoniac toàn cầu ngày nay đạt khoảng 180 triệu tấn/năm, nhưng tiềm năng sử dụng làm nguồn năng lượng có thể khiến cho nhu cầu thị trường amoniac tăng lên đến nhiều tỉ tấn/năm. Ngày nay, amoniac xanh được xem như một trong những nhiên liệu chính cho ngành vận tải hàng hải, cho phép ngành này đạt mục tiêu giảm phát thải CO­2 đã đề ra đối với các mốc thời gian 2030 và 2050.

Triển vọng sử dụng làm nhiên liệu hàng hải

Theo quy định của Tổ chức Hàng hải quốc tế (IMO), từ 1/1/2020 lượng phát thải lưu huỳnh oxit của tất cả các tàu biển sẽ không được vượt quá 0,5%. Quy định mới này được thiết lập với mục đích giảm phát thải các khí gây hiệu ứng nhà kính, bảo vệ sức khỏe cộng đồng và bảo vệ môi trường. Tiếp theo, IMO dự định sẽ đưa ra quy định về cắt giảm 40% phát thải CO­2 vào năm 2030 và cắt giảm 70% vào năm 2050 so với mức phát thải năm 2018.

Để đáp ứng các quy định về giảm phát thải CO­2, ngành hàng hải đang ngày càng đồng thuận cùng chung quan điểm cho rằng nhiên liệu truyền thống sẽ không thể được tiếp tục sử dụng cho hoạt động vận tải sau thời hạn chót 2050. Nhiều nguồn năng lượng khác đang được xem xét để thay thế, trong số đó có hydro và amoniac. Đặc biệt, lợi thế của amoniac ngày càng được công nhận, cả đối với nhiên liệu tàu thuyền (thay thế nhiên liệu hydrocacbon truyền thống) cũng như pin nhiên liệu (thay thế hydro).

Amoniac có những ưu điểm rõ rệt so với hydro lỏng, như dễ lưu kho và thao tác hơn, đồng thời cũng được xem như phương tiện an toàn để vận chuyển hydro.

Hiện tại, đã có nhiều nỗ lực được thực hiện nhằm thử nghiệm tính khả thi của amoniac trong ngành vận tải hàng hải. Đầu năm 2020, Công ty vận tải biển MISC, Công ty Samsung Industries, Hãng đăng kiểm lloyd’s register và Công ty MAN Energy Solutions đã tuyên bố chương trình hợp tác phát triển tàu chở dầu sử dụng nhiên liệu amoniac. Trong khi đó, Công ty dầu mỏ Equinor (Na-Uy) đang hợp tác với Công ty kỹ thuật hàng hải Eidesvik để cải tạo con tàu Viking Energy thành tàu sử dụng nhiên liệu amoniac vào năm 2024.

Công ty Nordic Innovation (Na-Uy) đang cấp vốn cho nhiều dự án vận tải biển bằng năng lượng xanh, trong đó có một dự án với mục tiêu hạ thủy con tàu chạy năng lượng amoniac vào năm 2025.

Mối quan tâm của ngành vận tải biển không chỉ giới hạn ở các tàu vận chuyển hàng với khối lượng lớn. Công ty vận hành tàu chở khách Color Fantasy cũng đang có kế hoạch thử nghiệm tàu chở khách chạy bằng nhiên liệu amoniac trên vùng biển Bắc Âu.

Công ty Haldor Topsoe tại đan Mạch sắp tới sẽ công bố báo cáo về ngành vận tải biển với hướng dẫn về những việc cần thực hiện để chấp nhận sử dụng amoniac làm nhiên liệu hàng hải.

Những thách thức về sản xuất

Trong khi amoniac truyền thống được sản xuất bằng cách sử dụng nguyên liệu khí thiên nhiên, khi sản xuất amoniac xanh người ta sử dụng thiết bị điện phân để tách hydro từ nước và thiết bị tách không khí để tách nitơ từ không khí, năng lượng cần thiết cho những quá trình này là điện năng được tạo ra từ năng lượng Mặt Trời/gió/thủy điện.

Sản xuất amoniac bằng thiết bị điện phân và năng lượng tái tạo không phải là khái niệm mới, nhưng công nghệ này ngày nay đang ngày càng được phát triển để tăng mạnh hiệu quả tiêu thụ năng lượng. Đầu thế kỷ 20, Công ty Norsk Hydro của Na-Uy đã sản xuất amoniac dựa trên nguồn năng lượng thủy điện. Hiện nay nhiều nghiên cứu đang được thực hiện với mục đích phát triển amoniac xanh, chủ yếu tại các nước Tây bắc châu âu, nhưng Nhật Bản cũng đang tích cực tham gia.

Tuy hiện nay chưa có những nhà máy sản xuất amoniac xanh quy mô lớn, nhưng các nhà sản xuất và các công ty công nghệ đang bắt đầu dọn đường cho những công nghệ xanh trong sản xuất amoniac. Những nhà máy amoniac xanh mới có khả năng sẽ cần được xây dựng ở những quốc gia có tiềm năng lớn về năng lượng Mặt Trời, năng lượng gió hoặc thủy điện, tốt nhất là kết hợp ít nhất hai nguồn năng lượng trong số đó để giảm thiểu những vấn đề về gián đoạn nguồn cung năng lượng và giảm xuống tối thiểu chi phí vận hành.

Những địa điểm lý tưởng sẽ là những nơi gần các thị trường tiêu thụ, ví dụ Australia đang được xem như một địa điểm hợp lý dựa trên tiềm năng về năng lượng tái tạo và vị trí gần thị trường tiêu thụ ở Đông Á.

Tương tự như vấn đề vốn đầu tư cao khi xây dựng nhà máy, một trong những thách thức lớn mà sản xuất amoniac xanh đang phải đối mặt là chi phí năng lượng tái tạo cao và nguồn cung hạn chế so với nguồn cung khí thiên nhiên rẻ tiền và dồi dào.

Tại châu âu, chi phí năng lượng tái tạo hiện nay khiến cho giá thành sản xuất một tấn amoniac xanh cao hơn khoảng 200-300% so với amoniac truyền thống. Nhưng về dài hạn, ước tính giá năng lượng tái tạo giảm sẽ giúp cho chi phí sản xuất amoniac xanh chỉ còn cao hơn 50-150% so với amoniac truyền thống. Đồng thời, việc đánh thuế phát thải cacbon cao theo quy định ở châu âu cũng sẽ hỗ trợ sản xuất amoniac xanh.

Nhìn chung, trong tương lai việc tăng tối đa hiệu quả năng lượng trong công nghệ sản xuất và xu hướng giảm giá năng lượng tái tạo sẽ là những yếu tố then chốt cho sự phát triển của sản xuất amoniac xanh.

Các trở ngại và kịch bản giúp năng lượng Hydrogen “xanh” phát triển

Mở rộng quy mô hydro xanh hiện đang phải đối mặt với những thách thức, nhưng nhờ công nghệ phát triển, đặc biệt là công nghệ kỹ thuật số có thể giúp ngành này phát triển sôi động trong tương lai.

Bốn vật cản đối với hydro xanh trong mục tiêu trung hòa carbon:

Hydro xanh (Green hydrogen) hay Hydro xanh lá là tân binh trong khối hydro, được gọi là “xanh” vì không sản sinh ra CO2, bởi nó được sản xuất bằng năng lượng tái tạo. Tiềm năng của hydro xanh trong việc kết nối giữa năng lượng mặt trời, gió và khí tự nhiên để làm nguyên liệu cho các quá trình hóa chất công nghiệp rất lớn, thu hút sự quan tâm của các doanh nghiệp, chính phủ lẫn các nhà đầu tư.

Hydro xanh được sản xuất thông qua quá trình điện phân (electrolysis), quá trình tách nước thành hydro và oxy, sử dụng điện năng được tạo ra từ các nguồn tái tạo. Ngày nay nó chỉ chiếm 0,1% sản lượng hydro toàn cầu. Tuy nhiên, việc giảm chi phí của cả điện tái tạo (chiếm ~ 70% chi phí sản xuất hydro) và công nghệ điện phân cho thấy hydro xanh là cách đầu tư tốt nhất tiếp theo trong thế giới năng lượng sạch. Đối với nhiều người, kể cả các công ty khai thác dầu khí, các công ty tiện ích lớn, đến các ngành công nghiệp từ thép đến phân bón… hydro xanh được coi là sự đặt cược tốt nhất để hài hòa giữa khả năng tái tạo trong khi khử carbon trong các lĩnh vực công nghiệp, hóa chất và giao thông vận tải.

Theo Diễn đàn Kinh tế Thế giới (Weforum): Tiềm năng lớn của hydro xanh rất lớn, nhưng 4 rào cản dưới đây ảnh hưởng không nhỏ đến ngành công nghiệp này:

1/ Chi phí tối ưu thiết kế và thời gian hoàn vốn đầu tư hạn chế:

Điều này hạn chế khả năng vay vốn ngân hàng. Để thỏa mãn nhu cầu thị trường, các doanh nghiệp thường phải mở rộng quy mô và cải tiến thiết kế nhà máy hydro xanh của mình. Thực tế, việc tối ưu hóa thiết kế nhà máy và hệ thống hydro xanh đầu – cuối vô cùng tốn kém và phức tạp.

Hơn nữa, nhiều cơ sở hydro xanh lớn này lại xây dựng trong các cụm công nghiệp hiện có, nên cần phải bổ sung thêm một khía cạnh thiết kế khác để đảm bảo hạn chế tác động đến các hoạt động hiện có trong quá trình chuyển đổi sang hydro xanh.

2/ Hạn chế về sử dụng lao động:

Nhu cầu lực lượng lao động có chuyên môn cao được đặc biệt quan tâm, nhất là khi ngành công nghiệp này trưởng thành. Sự thiếu hụt công nhân chuyên môn sẽ cản trở sự phát triển. Đây là một trong những thách thức lớn đối với lĩnh vực hydro xanh, nhất là khâu lưu trữ và vận chuyển vì hydro là loại khí rất dễ cháy, có tỷ trọng thể tích thấp, cần đầu tư hệ thống đường ống và thiết bị vận chuyển chuyên dụng.

3/ Tổn thất năng lượng cao:

Hydro xanh thường có tổn thất lượng năng lượng đáng kể tại mọi điểm trong chuỗi cung ứng. Khoảng 30 – 35% năng lượng được sử dụng để sản xuất hydro bị mất trong quá trình điện phân; hóa lỏng, hoặc chuyển đổi hydro thành các chất mang khác (chẳng hạn như Amoniac), dẫn đến tổn thất năng lượng từ 13 – 25%; và vận chuyển hydro yêu cầu đầu vào năng lượng bổ sung thường bằng 10 – 12% năng lượng của chính hydro. Việc sử dụng hydro trong pin nhiên liệu cũng làm mất thêm 40 – 50% năng lượng. Những yếu tố kém hiệu quả này, nếu không được tối ưu hóa, sẽ cản trở việc triển khai năng lượng tái tạo để cung cấp cho các máy điện phân hydro xanh.

4/ Giá trị hydro xanh vẫn là thách thức ở nhiều nơi:

Thách thức chính là làm thế nào để kiếm tiền từ hydro xanh thuận lợi nhất?

Thứ nhất, trong khi hydro xanh tiết kiệm chi phí có thể được sản xuất ở những nơi đầy nắng (chẳng hạn như Úc, Bồ Đào Nha, Tây Ban Nha, hoặc Tunisia), thì tại nhiều nơi sản xuất lại gặp khó khăn, cơ sở sản xuất hydro không ở bên cạnh. Điều này dẫn tới cần phải có thêm các đường ống chuyên dụng, khiến chi phí tăng thêm.

Ngoài ra, định giá hydro xanh đảm bảo phải có xuất xứ và khả năng chuyển đổi thành tín chỉ carbon; cả hai quy trình này vẫn đang được khắc phục và là chủ đề nhiều cuộc tranh luận gay gắt về hydro xanh.

Kịch bản giúp ngành hydro xanh phát triển:

Theo Weforum, cùng với việc tăng cường đầu tư, hỗ trợ của chính phủ, phát triển kỹ thuật và lực lượng lao động có tay nghề cao, công nghệ số sẽ là một trong những đòn bẩy quan trọng để thúc đẩy quá trình chuyển đổi sang hydro xanh. Đặc biệt là trí tuệ nhân tạo vạn vật (artificial intelligence of things, hay AIoT) hay còn gọi cặp song sinh kỹ thuật số. Tức là kết hợp giữa trí tuệ nhân tạo và công nghệ internet vạn vật, cho phép tối ưu hóa và tự động hóa hệ thống thông qua phân tích và quản lý dữ liệu nâng cao.

Dưới đây là bốn lĩnh vực mà công nghệ có thể giúp thúc đẩy quá trình chuyển đổi hydro xanh:

1/ Cặp song sinh kỹ thuật số:

Trước khi cam kết vốn, các nhà đầu tư muốn biết cấu hình hệ thống như thế nào để tối ưu hóa lợi nhuận của họ. Từ PV (pin quang năng) cho đến công suất máy điện phân, đến bộ đệm (chẳng hạn như năng lượng và lưu trữ hydro), nhiều biến số phải được xem xét. Cặp song sinh kỹ thuật số có thể lập mô hình nhiều thiết kế và kịch bản, bao gồm các biến số như thời tiết, sự biến động của nhu cầu và cơ sở hạ tầng địa phương (hiện tại và tương lai), tối ưu hóa từng thiết kế để tối đa hóa lợi tức đầu tư và giảm thiểu rủi ro. Các ước tính chỉ ra rằng phân tích kép kỹ thuật số có thể tối ưu hóa chi tiêu vốn (CAPEX) 10 – 15% trong khi giảm rủi ro 30 – 50%, cùng với sự thay đổi biên trong chi tiêu hoạt động (OPEX).

2/ Giám sát và kiểm soát:

Tiêu thụ năng lượng, hiệu suất của nhà máy, tốc độ sản xuất, độ tinh khiết và lưu trữ là một trong những chỉ số hiệu suất chính (KPI) đối với sản xuất hydro, đòi hỏi khả năng hiển thị để đảm bảo sản xuất hiệu quả. AIoT có thể cung cấp khả năng phát hiện bất thường nhanh chóng bằng cách sử dụng cảnh báo thông minh, cảm biến trên thiết bị để theo dõi KPI, tình trạng thiết bị và giám sát từ xa dựa trên đám mây ngoài các phòng điều khiển. Cung cấp theo dõi thời gian thực các hoạt động của nhà máy và tình trạng thiết bị, cùng với điều khiển từ xa, có thể giảm chi phí từ 10 – 20% thông qua mức tiêu thụ năng lượng thấp hơn và lực lượng lao động được sắp xếp hợp lý. Tận dụng các mô hình giám sát, phù hợp với các cặp song sinh kỹ thuật số trong thiết kế, cho phép các nhà đầu tư biết vị trí của họ liên quan đến kế hoạch kinh doanh và thực hiện các hành động để giảm tổn thất.

3/ Phân tích nâng cao:

Phân tích nâng cao có thể chuyển đổi dữ liệu thành thông tin kinh doanh với thông tin chi tiết hữu ích. Đối với hydro xanh, việc khuấy trộn và học hỏi thông qua dữ liệu từ các nhà máy, bể chứa, đường ống, các nhà cung cấp năng lượng và thậm chí cả thời tiết, và việc áp dụng phân tích cấp nhà máy hoặc cấp nhóm vận hành có thể đưa ra các khuyến nghị hành động khắc phục để tối đa hóa sản lượng. Việc thất thoát năng lượng có thể được ngăn chặn bằng cách dự báo sự cố và tối ưu hóa thời gian hoạt động của máy điện phân, do đó tăng doanh thu và giảm OPEX. Tận dụng các mô hình phân tích phù hợp với cặp song sinh kỹ thuật số của họ cho phép các nhà đầu tư và chủ ngân hàng ‘đóng vòng thiết kế’ và đưa ra các quyết định chiến lược và chiến thuật để tối ưu hóa lợi nhuận của họ.

4/ Giấy chứng nhận nguồn gốc xuất xứ:

Đảm bảo xuất xứ (GoO) là điều kiện tiên quyết để kiếm tiền từ hydro xanh bằng cách chứng nhận tính chất tái tạo của tất cả điện năng tiêu thụ trong quá trình tạo ra Hydro. GoO là một chứng chỉ năng lượng được định nghĩa trong Điều 15 của Chỉ thị châu Âu 2009/28/EC. GoO dán nhãn điện từ các nguồn tái tạo để cung cấp thông tin cho khách hàng sử dụng điện về nguồn năng lượng của họ.

Các cài đặt được AIoT giám sát có thể tận dụng dữ liệu gần thời gian thực để tự động hóa đầu vào cho các tổ chức phát hành GoO – điều này tránh được quá trình xử lý thủ công, mang lại độ tin cậy và độ tin cậy cao hơn, đồng thời tăng khả năng kiểm chứng trong tương lai khi ngày càng có nhiều chứng chỉ phát triển theo hướng thời gian thực và tự động hóa. AIoT cũng có thể đảm bảo khả năng truy xuất nguồn gốc “toàn tập” hay từ đầu đến cuối dọc theo toàn bộ vòng đời của hydro xanh.

Để thay cho lời kết, Weforum cho rằng: Hydro xanh cung cấp một giải pháp khử cacbon cho các lĩnh vực công nghiệp, hóa chất và giao thông vận tải. Kết hợp với tăng cường đầu tư, hỗ trợ của chính phủ, tiến bộ kỹ thuật và lực lượng lao động có tay nghề cao, các giải pháp AIoT sẽ rất quan trọng trong việc cho phép chuyển đổi sang hydro xanh và sẽ đóng một vai trò quan trọng trong nỗ lực khử cacbon toàn cầu. Weforum ước tính các giải pháp hỗ trợ AIoT có thể giảm CAPEX và OPEX từ 15% – 25%, đẩy nhanh quy mô của hydro xanh khả thi về mặt thương mại trong 4 đến 7 năm. Từ đây, các ngành công nghiệp chủ chốt, máy bay và tàu thuyền có thể được cung cấp và sử dụng 100% hydro xanh.