Đáp ứng nhu cầu năng lượng ngày càng tăng trong khi mở đường hướng tới một tương lai thân thiện với khí hậu bằng cách sử dụng công nghệ bền vững, đáng tin cậy và với giá cả phải chăng là một trong những thách thức cấp bách nhất. Công ty Siemens Energy (Đức) đang tích cực tham gia vào nỗ lực này và đã đạt được những thành công lớn trong việc đốt nhiên liệu bền vững trong tuabin khí, chẳng hạn như hydro, các dẫn xuất hydro và nhiên liệu sinh học.

Ấm lên toàn cầu là một thách thức cấp bách, với phát thải khí nhà kính (GHG) đã làm tăng nhiệt độ toàn cầu thêm 1,1°C kể từ thời kỳ tiền công nghiệp. Nếu không kiểm soát, nhiệt độ có thể tăng 2,9°C vào cuối thế kỷ, gây ra những tác động nghiêm trọng đến khí hậu và gánh nặng kinh tế. Phát thải CO₂, chủ yếu từ đốt nhiên liệu hóa thạch, chiếm 67% phát thải GHG, trong đó ngành điện chịu trách nhiệm một phần đáng kể.

Các nhà máy điện đốt nhiên liệu hóa thạch hiện đang đáp ứng phụ tải dư (tức là phụ tải mà năng lượng tái tạo không đáp ứng), nhưng với nhiều năng lượng tái tạo hơn trong lưới điện, phụ tải dư sẽ biến động hàng ngày và thậm chí còn nhiều hơn theo mùa. Cũng sẽ có những sự kiện "tăm tối ảm đạm" kéo dài nhiều tuần, như đã thấy ở Đức vào tháng 1 năm 2017 và biến đổi khí hậu có thể kéo dài những sự kiện này. Nhập khẩu điện có thể giúp ích nhưng sẽ không giải quyết được hoàn toàn vấn đề vì các điều kiện thời tiết tương tự sẽ ảnh hưởng đồng thời đến các khu vực lân cận và các kết nối điện cao áp một chiều (HVDC) khoảng cách lớn - ngay cả trong các điều kiện lý tưởng.

Quản lý phía nhu cầu (DSM) có thể thu hẹp khoảng cách phụ tải, nhưng nó bị hạn chế bởi quy mô và khoảng thời gian cũng như nhu cầu về các điều kiện và giá cả phù hợp để xác định hành vi của hộ tiêu thụ. Các công nghệ tích trữ năng lượng như pin và thủy điện tích năng có thể bao trùm một loạt các thang thời gian, nhưng không khả thi cho các khoảng thời gian dài hoặc thậm chí là tích trữ năng lượng theo mùa. Do đó, các tuabin khí hiệu quả, khử cacbon và linh hoạt là điều kiện tiên quyết thiết yếu đối với hệ thống năng lượng tương lai.

Do tính linh hoạt về nhiên liệu, tuabin khí đóng vai trò then chốt trong quá trình chuyển dịch này vì chúng có khả năng sử dụng nhiên liệu sinh học, tổng hợp và không chứa cacbon hoặc các nhiên liệu hóa thạch với CCUS (thu thập, sử dụng và tích trữ cacbon). Siemens Energy đang tích cực phát triển các công nghệ khử cacbon trên nhiều mặt trận khác nhau.

Trong một hệ thống năng lượng có tỷ trọng lớn năng lượng tái tạo gián đoạn, tình trạng thiếu điện đối với máy bơm nhiệt và lò điện có thể xảy ra, đặc biệt là vào mùa đông ở các vùng vĩ độ cao. Tuabin khí và các nhà máy CHP có thể thu hẹp các khoảng cách này bằng cách sử dụng tích trữ nhiệt nước nóng để tách biệt sản xuất điện và nhiệt. Bằng cách lần theo thị trường điện và cung cấp nhiệt, các nhà máy CHP cung cấp tỷ lệ sử dụng năng lượng cao lên tới 90%, giúp chúng hiệu quả cho cả phụ tải dư và nhu cầu nhiệt.

Để khử cacbon hoàn toàn tuabin khí hoặc là trung hòa cacbon, có hai lộ trình biến đổi chính có vẻ khả thi: vận hành tuabin khí bằng nhiên liệu đã khử cacbon hoặc là trung hòa cacbon; hoặc tiếp tục vận hành tuabin khí bằng nhiên liệu hóa thạch, chẳng hạn như khí thiên nhiên với CCUS.

Nhiên liệu khí và lỏng bền vững dùng cho tuabin khí

Hydro

Hydro đang thu hút sự chú ý cho quá trình khử cacbon của ngành điện, với tất cả các nhà chế tạo đều hướng tới mục tiêu đạt 100% công suất tuabin khí H₂ vào năm 2030 và một số các nhà chế tạo thiết bị gốc (OEM), chẳng hạn như Siemens Energy, đã tung ra các khuôn khổ có khả năng sử dụng H₂ được chọn sớm hơn. Những thách thức về mặt kỹ thuật bao gồm các đặc tính đốt cháy hydro, đáng chú ý là năng lượng mồi cháy thấp hơn và tốc độ ngọn lửa cao hơn. Các phương pháp sản xuất hydro bền vững từ điện phân năng lượng tái tạo và hạt nhân (H₂ lục và H₂ hồng) đến khí tự nhiên với CCS (H₂ lam) hoặc nhiệt phân (H₂ ngọc lam).

EU-Horizon-2020 hỗ trợ Dự án HYFLEXPOWER chứng minh điện tái tạo-thành-H₂-thành điện tại một nhà máy đồng phát ở Pháp bằng cách sử dụng tuabin khí SGT-400 trang bị công nghệ đốt khô phát thải thấp (DLE). Người ta đã chứng minh vận hành thành công ở mức 100% H₂ – lần đầu tiên trên thế giới đối với một tuabin khí công nghiệp có kích cỡ này (>10MW).

Dự án HYFLEXPOWER trình diễn điện – thành H₂–thành điện (Ảnh st)

Khí sinh học

Khí sinh học tạo ra từ quá trình phân hủy chất hữu cơ điển hình chứa 40% đến 75% mêtan cùng với CO₂ và các chất ô nhiễm nhỏ khác. Nó có nhiệt trị tương đối thấp, khiến nó phù hợp với các tuabin khí nhỏ đến trung bình. Các động lực để sử dụng khí sinh học để cấp nhiên liệu cho tuabin khí bao gồm cắt giảm phát thải CO₂ và CH₄ từ quá trình phân hủy tự nhiên, mặc dù quá trình xử lý khí trước và vận chuyển sinh khối dẫn đến các chi phí bổ sung. 

Khí tự nhiên tái tạo

Khí tự nhiên tái tạo (RNG), hay khí mêtan sinh học, là loại khí chất lượng đường ống tương thích với tuabin khí. Nó có thể chế tạo bằng cách tinh chế khí sinh học hoặc khí hóa sinh khối khô như gỗ phế thải và sau đó metan hóa H₂ và CO thu được. Việc sử dụng RNG được thúc đẩy bởi chi phí, với các ưu đãi như giảm thuế và chứng chỉ năng lượng tái tạo để phân phối và sử dụng.

Mêtan tổng hợp

Mêtan tổng hợp, còn gọi là e-mêtan, tạo ra bằng cách metan hóa H₂ và CO₂. Nó có thể dùng trong các tuabin khí mà không cần thay đổi chúng. Nó có dấu chân cacbon thấp nhất khi sản xuất từ ​​H₂ lục và CO₂ sinh học hoặc CO₂ có nguồn gốc từ việc thu giữ không khí trực tiếp và nó thậm chí có thể cho phép các hoạt động cacbon âm (*1) với CCS. Người ta sử dụng e-mêtan ​​chủ yếu trong xử lý hóa học, trong khi các tuabin khí nhiều khả năng lựa chọn H₂ lục hoặc các dẫn xuất hydro dễ xử lý hơn như e-methanol.

Nhiên liệu lỏng bền vững

Nhiên liệu lỏng bền vững cũng là một giải pháp thay thế cho vận hành tuabin khí. Chúng bao gồm biodiesel, dầu thực vật xử lý bằng hydro (HVO), metyl este axit béo (FAME) và dầu diesel Fischer-Tropsch. Hầu hết các loại nhiên liệu này đã được chứng nhận để sử dụng trong tuabin khí, ví dụ, tuabin SGT-800 của Siemens Energy hiện có thể chạy bằng 100% HVO.

Tuabin SGT-800 của Siemens Energy hiện đã có thể chạy bằng 100% dầu thực vật xử lý bằng hyđro (Ảnh st)

Amoniac đã cracking (*2)

Amoniac có thể dễ dàng hóa lỏng và có mật độ năng lượng cao hơn hydro, khiến nó có thể tích trữ và vận chuyển. Tuy nhiên, việc đốt amoniac trong tuabin khí chưa phát triển tốt do những thách thức như phát thải NOx cao và nhu cầu về các biện pháp an toàn hơn để loại bỏ rủi ro phơi nhiễm amoniac.

Cracking amoniac mở ra một con đường đầy hứa hẹn để khắc phục một số thách thức trong quá trình đốt amoniac bằng cách sử dụng hydro làm chất hoạt hóa. SGT-800 của Siemens Energy đã có thể đốt chung bằng cách sử dụng amoniac đã cracking, và amoniac đã cracking hoàn toàn nhiều khả năng sẽ nổi lên như một lựa chọn dài hạn cho quá trình điện khí hóa amoniac. Mặc dù các yếu tố kinh tế kỹ thuật cụ thể của từng địa điểm khác nhau, nhưng các quốc gia như Đức có thể nhập khẩu hydro dưới dạng amoniac và các cảng đầu mối vận chuyển lớn của EU có thể là các địa điểm tiềm năng để cracking amoniac tập trung và vận chuyển qua mạng lưới đường ống hydro.

Methanol

Methanol chủ yếu là nguyên liệu đầu vào của ngành công nghiệp hóa chất và nó ngày càng được tìm kiếm như là bio-methanol bền vững hoặc e-methanol từ hydro lục/lam và CO₂ bền vững. Methanol cung cấp mật độ năng lượng cao hơn nhiều so với hydro. Có thể tạo ra CO₂ từ việc thu giữ không khí trực tiếp cũng như từ nhiều nguồn sinh khối và chất thải khác nhau. Nó sẽ ngày càng có sẵn cho các ngành như vận chuyển, và nó tương thích với cơ sở hạ tầng hiện có để tích trữ và vận chuyển. Với tiềm năng đáng kể để sử dụng trực tiếp cho tuabin khí, các ứng dụng methanol trải dài từ nguồn điện phụ tải đáy đến nguồn điện dự phòng dùng cho các trung tâm dữ liệu và các lưới điện cách ly.

Ethanol

Ethanol sinh học là nhiên liệu sinh học phổ biến nhất. Người ta sản xuất nó từ ​​mía hoặc ngô, nhưng các nguồn ethanol thế hệ đầu tiên này không được coi là bền vững do cạnh tranh với sản xuất lương thực. Bioethanol sinh học thế hệ thứ hai từ sinh khối rác thải hoặc sinh khối sản xuất trên đất không phù hợp để sản xuất lương thực sẽ tránh được vấn đề này. Tuy nhiên, e-methanol dễ tổng hợp hơn nên do đó có nhiều khả năng dùng cho các ứng dụng tuabin khí.

Dimethyl ete (C₂H₆O)

Dimethyl ete (DME) là một loại khí tổng hợp sạch, không độc hại dùng làm chất đẩy dạng khí và dùng trong ngành công nghiệp hóa chất. C₂H₆O có tiềm năng đốt cháy tuabin khí do trị số cetane (*3) cao và cháy hoàn toàn, giúp giảm lượng phát thải như NOx và SOx. Tuy nhiên, việc sử dụng C₂H₆O trong tuabin có thể đòi hỏi phải cải tạo hệ thống nhiên liệu, và có những quan ngại về tính khả dụng và an toàn của nguồn cung cấp do khí hóa khi rò rỉ. Vì methanol thường là hợp chất trung gian trong quá trình tổng hợp DME, nên thường có lợi hơn khi sử dụng methanol trực tiếp và tránh các bước xử lý bổ sung chỉ làm tăng thêm chi phí và tổn thất năng lượng. Methanol cũng dễ xử lý, vận chuyển và tích trữ hơn nhiều. Tuy nhiên, người ta có thể lựa chọn DME cho những địa điểm có đủ số lượng và nơi chuyển đổi thành điện có ý nghĩa.

Tích hợp thu giữ cacbon

Có thể tích hợp thu giữ cacbon với các nhà máy điện tuabin khí thông qua thu giữ trước khi đốt (Ảnh st)

Có thể tích hợp thu giữ cacbon với các nhà máy điện tuabin khí thông qua thu giữ trước khi đốt, đốt nhiên liệu oxy hoặc thu giữ sau khi đốt (hấp thu và hấp phụ).

Thách thức đối với việc thu giữ sau khi đốt do nồng độ CO₂ tương đối thấp trong khí thải tuabin khí có thể giải quyết bằng cách tuần hoàn khí thải hoặc phát triển các công nghệ mới.

Siemens Energy hiện đang hỗ trợ phát triển việc thu giữ cacbon cho các tuabin khí bằng cách tập trung vào việc tích hợp nhà máy thu giữ cacbon với nhà máy điện tuabin khí và nén cacbon dioxide.

Các giải pháp amin chín muồi hiện đã sẵn sàng triển khai và các chương trình khuyến khích do chính phủ trên toàn thế giới thực hiện đang tạo ra sự quan tâm ngày càng lớn đối với triển khai các tuabin khí có thu giữ cacbon.

Nhiều công ty đang xem xét phát triển các công nghệ thu giữ cacbon tiên tiến, với các quy trình amin cải tiến, dung môi thay thế và chất hấp thụ rắn được coi là những bước công nghệ tương lai đầy hứa hẹn.

Các con đường tiềm năng

Phát thải CO₂, phần lớn từ đốt nhiên liệu hóa thạch, chiếm 67% phát thải GHG (Ảnh st)

Các chiến lược khử cacbon khác nhau tùy theo khu vực và các giải pháp kinh tế và có lợi nhất chịu ảnh hưởng của vị trí, giá nhiên liệu và phát triển cơ sở hạ tầng. Các giải pháp kỹ thuật đa dạng và tiếp tục nghiên cứu - phát triển, các quan hệ đối tác và cân nhắc toàn bộ chuỗi cung ứng là rất quan trọng để khử cacbon thành công, với hydro lục, amoniac, metanol, nhiên liệu sinh học và thu giữ carbon là những con đường tiềm năng.

Cacbon âm (*): Biểu thị một phương pháp hoặc hệ thống chiết xuất nhiều cacbon dioxide từ khí quyển hơn lượng nó thải ra

Cracking amoniac (*2): Cracking amoniac là một quá trình hóa học chuyển đổi amoniac (NH₃) thành các thành phần cấu thành của nó là nitơ (N₂) và hydro (H₂).

Trị số cetane (*3): là một chỉ số về tốc độ cháy của nhiên liệu diesel và độ nén cần thiết để đánh lửa.