CSDL Ngành điện

Tích hợp tái tuần hoàn khí thải để cắt giảm phát thải CO2 từ các nhà máy điện chu trình kết hợp

20/06/2025 14:19 Số lượt xem: 9

Việc thu giữ CO₂ từ khí thải là một trong những giải pháp quan trọng trong chiến lược ứng phó với biến đổi khí hậu. Do đó, người ta kỳ vọng các nhà máy điện sử dụng khí đốt tự nhiên có thu giữ CO₂ sẽ duy trì vai trò trong quá trình chuyển dịch sang sản xuất năng lượng thân thiện với khí hậu. Tại hội nghị Asme Turbo Expo (diễn ra tại London), nơi quy tụ hơn 2.500 nhà lãnh đạo về kỹ thuật máy tuabin và động cơ đẩy từ ngành công nghiệp, giới học thuật và chính phủ, Viện nghiên cứu Năng lượng SINTEF (Na Uy) đã trình bày cách nâng cao hiệu suất và các chi phí của một nhà máy điện chu trình kết hợp khí tự nhiên (NGCC) có thu giữ CO₂ bằng cách áp dụng một phương pháp sáng tạo: Tái tuần hoàn khí thải có H₂ hỗ trợ (EGR).

Giàn thử nghiệm thu giữ cacbon SINTEF (Ảnh st)

SINTEF là một trong những viện nghiên cứu độc lập lớn nhất châu Âu. Viện nghiên cứu Năng lượng SINTEF chuyên về khởi xướng và thúc đẩy các giải pháp năng lượng sáng tạo với nền tảng vững chắc về kiến thức dựa trên nghiên cứu và cộng tác trong ngành tại Na Uy cũng như trên trường quốc tế. Viện đã nghiên cứu về thu giữ cacbon trong nhiều thập kỷ nay. Ngày nay, SINTEF tiến hành nghiên cứu về toàn bộ chuỗi giá trị để thu giữ, vận chuyển và lưu trữ CO₂ cho nhiều ngành công nghiệp và điện khác nhau. Khi việc thay thế nhiên liệu hóa thạch bằng điện tái tạo là không khả thi hoặc quá tốn kém, thu giữ và lưu trữ cacbon (CCS), với việc thu giữ CO₂ từ khí thải và lưu trữ trong kho lưu trữ địa chất cố định, có thể đẩy nhanh quá trình giảm phát thải khí nhà kính. Trong dự án nghiên cứu châu Âu TRANSITION (khoản tài trợ số 101069665), SINTEF đang cộng tác với các đối tác nghiên cứu và công nghiệp (Đại học Florence, TotalEnergies, Baker Hughes, CERFACS và DLR) để đạt được những tiến bộ hơn nữa trong sản xuất điện trung hòa cacbon từ các nhà máy điện chạy bằng khí tự nhiên sử dụng tuabin khí. Để làm được điều này, việc tiếp cận một quy trình thu giữ cacbon hiệu quả cao là rất quan trọng.

Khi thu giữ CO₂ từ khí thải của một nhà máy điện chu trình kết hợp chạy bằng khí tự nhiên, cần phải cung cấp năng lượng cho hệ thống thu giữ CO₂, thường ở dạng nhiệt. Nhiệt này thường do chính quá trình chu trình kết hợp phát ra. Do đó, hiệu suất chung của hệ thống này bị giảm xuống vì một phần năng lượng lẽ ra dùng để phát điện đã chuyển sang phục vụ quá trình thu giữ CO₂. Nói cách khác, để giảm thiểu lượng tiêu thụ năng lượng của quá trình thu giữ này, phải giảm thiểu năng lượng bổ sung cần thiết. Một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu quả thu giữ là nồng độ CO₂ trong khí thải. Nồng độ này càng cao, việc tách CO₂ khỏi các khí khác về mặt nhiệt động lực học càng ít và nhu cầu năng lượng cho quá trình thu giữ CO₂ càng thấp.

Nồng độ CO₂ điển hình trong khí thải của tuabin khí là khoảng 3-5% do cường độ cacbon thấp của khí tự nhiên và tỷ lệ không khí/nhiên liệu vận hành rất cao trong các động cơ này. Một cách để tăng nồng độ CO₂ là triển khai tái tuần hoàn khí thải (EGR). EGR dựa trên việc tái chế một phần khí thải vào đầu vào máy nén của tuabin khí, trong khi phần còn lại dẫn đến hệ thống thu giữ CO_2. EGR là một kỹ thuật hiệu quả cao để kiểm soát NO_x trong các động cơ diesel, nhưng chưa áp dụng thương mại cho tuabin khí. Trộn khí thải đã tái chế với không khí ở đầu vào máy nén sẽ tạo ra một chất lưu công tác giàu CO₂ hơn. Một hiệu ứng khác của EGR là cắt giảm thể tích của khí thải cần bộ phận thu giữ CO₂xử lý, do có thể tái chế một phần của toàn bộ khí. Thể tích nhỏ hơn sẽ chuyển thành những kích thước nhỏ hơn cho các thiết bị liên quan đến việc thu giữ. Do đó, chi phí liên quan đến hệ thống thu giữ CO₂ giảm xuống, giúp hướng tới phương án vận hành kinh tế hơn.

Tăng nồng độ CO₂trong khí thải của nhà máy điện chu trình kết hợp mang lại tiềm năng giảm thiểu năng lượng cần thiết cho việc thu giữ CO₂ (Nguồn: SINTEF) (Ảnh st)

Tình trạng hiện tại của EGR đối với tuabin khí

Mặc dù chưa triển khai thương mại trong ngành công nghiệp tuabin khí, EGR là một công nghệ bổ sung đã thu hút nhiều sự chú ý gần đây ở cả cấp độ nghiên cứu và công nghiệp. SINTEF từ lâu đã nghiên cứu ý tưởng này nhằm mục đích hạ thấp rào cản thu giữ CO₂ từ các loại khí có nồng độ thấp như trong sản xuất điện bằng khí tự nhiên. Hiệu suất và chi phí đương nhiên là những mục tiêu rõ ràng, nhưng trong các ứng dụng có hạn chế nghiêm khắc về không gian như khu vực ngoài khơi, việc giảm kích thước và trọng lượng trở thành một cân nhắc quan trọng không kém. Vào đầu những năm 2010, SINTEF^[1] đã chỉ ra rằng, so với các phương pháp khác, EGR có khả năng tốt nhất để tăng nồng độ CO₂với hiệu quả điện cao nhất để tăng nồng độ CO₂ trong khí thải của tuabin khí, chẳng hạn như làm ẩm, đốt bổ sung và đốt ngoài. Trên thực tế, EGR còn có thêm những tác động phụ tích cực, chẳng hạn như giảm sự tạo thành NO_x do nhiệt độ ngọn lửa cục bộ thấp hơn và tiềm năng nâng cao hiệu suất phụ tải một phần, như đã thể hiện trong công trình của đối tác TRANSITION (Công ty TotalEnergies (Pháp) ^[2]), nhờ hiệu ứng gia nhiệt không khí đầu vào.

Nhưng một nút thắt công nghệ lớn nằm trong buồng đốt của tuabin khí, nơi người ta đã xác định rằng lượng khí thải có thể tái chế bị giới hạn ở mức 30-40% trước khi phát sinh các vấn đề về độ ổn định và hiệu quả của quá trình đốt cháy, một điểm mà quá trình thử nghiệm cơ sở thử nghiệm áp suất cao của Công ty GE (Mỹ) đã xác nhận, như đã báo cáo vào năm 2009 ^[3].

Thách thức và cơ hội cho EGR

Công nghệ thu giữ CO₂ mà các nhà nghiên cứu lựa chọn là hấp thụ hóa học sử dụng monoethanolamine (MEA) làm dung môi (Ảnh st)

Một nghiên cứu mô phỏng của SINTEF, cộng tác với các đối tác dự án TRANSITION từ Đại học Florence (Italia), đã nghiên cứu tác động của việc tài tuần hoàn khí thải trên một nhà máy điện chu trình kết hợp chạy bằng khí tự nhiên, nêu bật những thách thức và tiềm năng. Lần đầu tiên, người ta đã đánh giá tác động của việc tăng tỷ lệ EGR (tức là tỷ lệ khí thải tái chế) đối với quá trình thu giữ CO₂ phía hạ nguồn.

Công nghệ thu giữ CO₂ mà các nhà nghiên cứu lựa chọn là hấp thụ hóa học sử dụng monoethanolamine (MEA) làm dung môi. Đây là công nghệ đã hoàn thiện, sử dụng hơi nước để tái sinh dung môi, được công nhận rộng rãi là công nghệ chuẩn mực.

Trước tiên, các kết quả khẳng định lại những gì đã quan sát thấy trong tài liệu, rằng việc tăng tỷ lệ EGR đã dẫn đến giảm lượng năng lượng bổ sung và kích cỡ thiết bị nhỏ hơn. Trong nghiên cứu này, người ta thử nghiệm các tỷ lệ EGR khá cao và không thực tế (cao hơn hẳn so với các giới hạn 35-40% được chấp nhận) một cách có chủ đích. Mục tiêu là để khảo sát xem tác động tích cực của EGR có giảm bớt khi vượt quá một ngưỡng nhất định hay không, bất kể tính khả thi của nó theo quan điểm về quá trình đốt cháy. Điều thú vị là các xu hướng vẫn ổn định, dường như cho thấy rằng: EGR càng nhiều thì càng tốt. Kết quả này có nghĩa là nỗ lực đẩy mạnh hơn nữa giới hạn đốt cháy sẽ ảnh hưởng tích cực đến nhà máy thu giữ. Và đây là mục tiêu cuối cùng của dự án TRANSITION nhằm khảo sát việc thí điểm hydro của buồng đốt ở tỷ lệ EGR cao. Việc thí điểm bao gồm bổ sung thêm một lượng hydro tương đối nhỏ vào buồng đốt, chỉ đủ để duy trì quá trình đốt cháy ổn định và cho phép các mức EGR cao hơn. Để giảm thiểu lượng H₂ cần thiết và chi phí liên quan, các nhà nghiên cứu đang phát triển các chiến lược phun thông minh trong cách sắp xếp đầu đốt-buồng đốt. Cấu hình triển vọng nhất do Công ty Baker-Hughes (Mỹ) và Đại học Florence thiết kế cuối cùng sẽ chịu thử nghiệm trong các điều kiện áp suất cao tại địa điểm của đối tác DLR, Đức.

Mặc dù việc thí điểm H₂ dẫn đến một lượng giảm nhỏ nồng độ CO₂ trong khí thải, các kết quả mô phỏng cho thấy các lợi thế từ việc tăng mức EGR và ổn định ngọn lửa là ưu thế, với tác động tích cực tổng thể đến tính năng của hệ thống. Lượng năng lượng bổ sung thêm cho toàn bộ hệ thống cũng đã được phân tích, xác nhận rằng thiết kế của hệ thống cần hướng đến mục tiêu giảm thiểu yêu cầu năng lượng thu giữ CO₂ là chủ yếu. Vì mức tiêu thụ năng lượng là động lực chính của chi phí vận hành và kích cỡ thiết bị là động lực chính của chi phí vốn, các kết quả này là cơ sở cho các đánh giá kinh tế kỹ thuật tiếp theo.

Có thể giảm thiểu năng lượng yêu cầu đối với thu giữ CO₂ bằng cách tăng nồng độ CO₂ (%), nhưng bị giới hạn bởi nồng độ O₂ (%) tại đầu vào buồng đốt. Để đẩy tỉ lệ này lên các mức EGR cao hơn, tức là cắt giảm hơn nữa nhu cầu năng lượng, các nhà nghiên cứu đang cân nhắc việc thí điểm H₂ (0% trong sơ đồ này) (Nguồn: SINTEF) (Ảnh st)

Dựa trên những kết luận này, SINTEF đặt mục tiêu tập trung nỗ lực vào việc phát triển một nhà máy điện hiệu quả hơn với hệ thống thu giữ cacbon và EGR tích hợp. Để đạt được điều này, các bước tiếp theo trong dự án TRANSITION sẽ tiến hành mô phỏng chi tiết ở các mức EGR đã chọn, hỗ trợ bởi quá trình khảo sát thực nghiệm về quá trình đốt cháy. Điều này sẽ cho phép chúng tôi tối ưu hóa hơn nữa hệ thống và thực hiện các phân tích kỹ thuật-kinh tế để tìm hiểu tính khả thi và các lợi ích của việc tối ưu hóa các chiến lược tái tuần hoàn khí thải dùng cho các nhà máy điện chu trình kết hợp chạy bằng khí tự nhiên.

Mặc dù ngành điện đang trải qua một sự thay đổi triệt để khi mà điện từ năng lượng tái tạo ngày càng tăng và điều này xu hướng tất yếu, việc sản xuất điện bằng khí tự nhiên dự kiến sẽ tiếp tục đóng vai trò quan trọng trong việc cân bằng hệ thống điện và tăng tính linh hoạt cũng như độ tin cậy. Do đó, việc cắt giảm phát thải từ các nhà máy chu trình kết hợp chạy bằng khí đốt tự nhiên là thiết yếu. Thu giữ CO₂ hiện là lựa chọn duy nhất có sẵn có thể thực hiện để theo đuổi mục tiêu giảm phát thải này. Dẫu vậy, những khoản phạt kinh tế phải chi trả do triển khai thu giữ CO₂ đang làm chậm quá trình áp dụng. Tái tuần hoàn khí thải cho thấy triển vọng đáng kể như một phương tiện nâng cao hiệu quả chi phí nhưng vẫn chưa có sẵn trên thị trường. SINTEF, cộng tác với các đối tác của mình từ dự án TRANSITION, sẽ nỗ lực thúc đẩy EGR tiến tới mức độ hoàn thiện về mặt công nghệ, tiếp tục giải quyết các hạn chế còn lại thông qua nghiên cứu tập trung.

Tài liệu tham khảo:

[1] H. Li, M. Ditaranto, và D. Berstad , 'Các công nghệ tăng nồng độ CO₂ trong khí thải từ sản xuất điện đốt khí tự nhiên với thu giữ CO₂sau quá trình đốt cháy, dựa trên amin_,Năng lượng, tập 36, số 2, trang 1124–1133, tháng 2 năm 2011.

[2] J. Hachem, T. Schuhler, D. Orhon, M. Cuif-Sjostrand, A. Zoughaib, và M. Molière , 'Tái tuần hoàn khí thải áp dụng cho tuabin khí một trục: Một phương pháp tiếp cận năng lượng và năng lượng khả dụng', Năng lượng, tập 238, trang 121656, tháng 1 năm 2022.

[3] AM ElKady, A. Evulet, A. Brand, TP Ursin và A. Lynghjem, 'Ứng dụng tái tuần hoàn khí thải trong một hệ thống đốt cháy DLN cấp F để thu giữ cacbon sau quá trình đốt cháy', J. Eng. Gas Turbines Power, tập 131, trang 034505, tháng 2 năm 2009.