Từ amoniac thành hydro: Hàn Quốc đang xây dựng chuỗi cung ứng nhiên liệu sạch hơn như thế nào

Vì sao các nhà nghiên cứu Hàn Quốc đặt cược vào amoniac để khai mở nguồn hydro sạch

Các nhà khoa học Hàn Quốc đã chứng minh một phương pháp sản xuất hydro không đốt nhiên liệu hóa thạch: phân tách amoniac thành hydro và nitơ ở nhiệt độ cao. Tại Viện Nghiên cứu Năng lượng Hàn Quốc, các kỹ sư cho biết họ đã chế tạo một lò phản ứng vận hành ở nhiệt độ gần 1.112 độ Fahrenheit (khoảng 600 C), tạo ra hydro có độ tinh khiết 99,97%. Sản phẩm này phù hợp với các pin nhiên liệu có thể cấp điện cho phương tiện hoặc công trình. Dự án hướng đến cắt giảm lượng carbon dioxide trong chuỗi cung ứng hydro, đồng thời sử dụng vật liệu và quy trình có thể mở rộng quy mô.

Hydro hiện được sử dụng trong tàu hỏa, máy bay thử nghiệm, ô tô, xe buýt và tàu thủy. Tuy nhiên, phần lớn hydro ngày nay được sản xuất từ khí tự nhiên thông qua quá trình cải tạo metan bằng hơi nước, vốn thải ra carbon dioxide. Các phương thức sản xuất sạch đang phát triển, trong đó có điện phân nước bằng năng lượng gió và mặt trời. Vận chuyển hydro là một thách thức khác. Khí này có mật độ rất thấp nên phải được nén hoặc hóa lỏng ở nhiệt độ cực thấp để vận chuyển đường dài. Amoniac, hóa chất quen thuộc dùng làm phân bón, mang đến một giải pháp thay thế. Amoniac ở thể lỏng trong điều kiện vừa phải và lưu trữ hydro trong các liên kết phân tử. Nếu có thể phân tách amoniac tại nơi đến thành hydro sạch và nitơ, nó sẽ trở thành cầu nối thiết thực giữa những nơi có nguồn năng lượng tái tạo dồi dào và những nơi có nhu cầu lớn.

Bên trong lò phản ứng KIER: biến amoniac thành hydro đạt chuẩn nhiên liệu

Phân tách amoniac là một phản ứng hóa học đơn giản. Các phân tử amoniac, NH3, phân tách thành hydro và nitơ khi được đun nóng với sự hiện diện của chất xúc tác. Theo phương trình phản ứng cân bằng, hai phân tử amoniac tạo thành một phân tử nitơ và ba phân tử hydro. Rutheni, kim loại quý có đặc tính liên quan đến bạch kim, là chất xúc tác phổ biến vì hoạt động hiệu quả ở nhiệt độ khoảng 600 C. Hệ thống của KIER sử dụng con đường xúc tác này, sau đó tinh lọc dòng khí để tạo ra hydro đạt chuẩn dùng cho pin nhiên liệu.

Khi hydro thoát ra khỏi thiết bị phân tách, nó trộn lẫn với nitơ và một lượng nhỏ amoniac chưa phản ứng. Hấp phụ biến thiên áp suất, một công đoạn tinh chế tiêu chuẩn trong các nhà máy lọc dầu, sẽ tách các loại khí này. Các lớp vật liệu xốp giữ lại tạp chất dưới áp suất rồi giải phóng hydro có độ tinh khiết cao khi áp suất giảm. Một loạt các lớp vật liệu luân phiên giữa quá trình hấp phụ và tái sinh để duy trì dòng sản phẩm ổn định. KIER mô tả lò phản ứng đặt trong khung kim loại hình vuông, với các đường ống, ống mềm, đồng hồ đo và bình chứa; hệ thống điều khiển tái tuần hoàn một phần khí trong quy trình để duy trì nhiệt độ cao mà không cần đốt nhiên liệu hydrocarbon. Cách tiếp cận này tránh phát thải carbon dioxide trực tiếp tại công đoạn chuyển đổi.

Vì sao amoniac là chất mang hydro hiệu quả

Việc lưu trữ và vận chuyển hydro không dễ dàng. Hydro lỏng cần các bồn chứa đông lạnh ở nhiệt độ khoảng âm 253 C. Phải kiểm soát lượng khí thất thoát do bay hơi, còn chi phí đầu tư cho vận chuyển rất lớn. Amoniac hóa lỏng ở khoảng âm 33 C hoặc dưới áp suất vừa phải. Ngành hóa chất vốn đã vận chuyển amoniac trên khắp thế giới với khối lượng lớn. Trong lĩnh vực năng lượng, điều đó có nghĩa là các nhà sản xuất có thể tổng hợp amoniac ở nơi năng lượng tái tạo rẻ, vận chuyển bằng tàu biển rồi phân tách gần nơi tiêu thụ.

Các thử nghiệm công nghiệp tại Hàn Quốc đang giúp củng cố độ tin cậy của mô hình này. Syzygy Plasmonics và Lotte Chemical đã thử nghiệm một hệ thống phân tách amoniac hoàn toàn bằng điện tại Ulsan. Thiết bị đạt hiệu suất năng lượng 81%, tỷ lệ chuyển hóa 99% và sản xuất khoảng 290 kilôgam hydro mỗi ngày. Mức tiêu thụ năng lượng được báo cáo là khoảng 11 kilowatt giờ cho mỗi kilôgam hydro, trong khi các thiết kế hướng tới mức 8 kWh mỗi kilôgam. Các đối tác dự kiến phát triển một nhà máy thương mại quy mô nhỏ để đáp ứng nhu cầu địa phương. Những kết quả như vậy cho thấy một con đường nhập khẩu có thể phục vụ Hàn Quốc, Nhật Bản và các khu vực khác có nhu cầu năng lượng lớn.

Từ phòng thí nghiệm đến đường bộ và tàu biển: công nghệ này có thể thay đổi giao thông như thế nào

Xe chạy bằng pin nhiên liệu cần hydro rất sạch vì chất xúc tác trong các cụm màng điện phân polymer nhạy cảm với tạp chất. Mức tinh khiết 99,97% mà KIER báo cáo đáp ứng yêu cầu này. Một hướng triển khai khả thi là xây dựng các trung tâm khu vực tiếp nhận amoniac, phân tách tại chỗ rồi phân phối hydro đã tinh chế đến các trạm tiếp nhiên liệu. Nhà máy đóng tàu, cảng biển và khu logistics là những địa điểm phù hợp cho các hệ thống đầu tiên vì vốn đã xử lý vật liệu nguy hiểm và các dòng năng lượng lớn.

Động cơ chạy trực tiếp bằng amoniac

Các kỹ sư Hàn Quốc cũng đang nghiên cứu việc sử dụng trực tiếp amoniac làm nhiên liệu. Một liên minh do Viện Nghiên cứu Máy móc và Vật liệu Hàn Quốc dẫn đầu, cùng Hyundai Motor và Kia, đã giới thiệu động cơ áp suất cao phun trực tiếp amoniac tinh khiết vào buồng đốt. Nhóm nghiên cứu cải thiện độ ổn định và công suất bằng cách đồng bộ hóa phun nhiên liệu nhiều giai đoạn với thời điểm đóng mở van biến thiên và hệ thống đánh lửa được gia cố. Gói xử lý khí thải độc quyền giúp giảm oxit nitơ và amoniac chưa cháy để cải thiện chất lượng không khí. Thiết kế này loại bỏ nhu cầu sử dụng thiết bị cải tạo amoniac dạng khí, qua đó đơn giản hóa một số ứng dụng. Công nghệ được định hướng cho động lực hàng hải, nguồn điện độc lập với lưới điện và phương tiện hạng nặng; kế hoạch triển khai vào năm 2027 đang được xem xét.

Xây dựng chuỗi cung ứng: tàu biển, bồn chứa và nhà máy

Thương mại hydro quy mô lớn sẽ cần tàu chuyên dụng và cơ sở lưu trữ. HD Korea Shipbuilding and Offshore Engineering đã nhận chứng nhận Chấp thuận về nguyên tắc từ Cục Hàng hải Hoa Kỳ cho bồn chứa tàu chở hydro, sử dụng lớp cách nhiệt chân không để duy trì nhiệt độ đông lạnh gần âm 253 C. Công ty và các đối tác đang nghiên cứu tàu chở hydro hóa lỏng dung tích 80.000 mét khối. Tiến triển trong công nghệ bồn chứa hydro hóa lỏng đang song hành với đội tàu chở amoniac hiện có, vốn có thể hỗ trợ vận chuyển năng lượng cùng lúc.

Năng lực sản xuất trên đất liền cũng đang được mở rộng. Hyundai Motor đã khởi công xây dựng một cơ sở mới tại Ulsan để sản xuất pin nhiên liệu hydro thế hệ tiếp theo và thiết bị điện phân màng điện phân polymer. Dự án có vốn đầu tư hơn 644 triệu USD. Nhà máy dự kiến hoàn thành vào năm 2027 và sản xuất khoảng 30.000 bộ pin nhiên liệu mỗi năm. Kế hoạch nhằm cải thiện hiệu suất và giảm chi phí, đồng thời đưa các công nghệ chủ chốt phục vụ sản xuất hydro về Hàn Quốc.

Lãnh đạo ngành nói gì

Các lãnh đạo HD KSOE xem cột mốc về bồn chứa là một phần trong nỗ lực rộng lớn hơn nhằm khử carbon trong hoạt động vận chuyển năng lượng.

Chúng tôi sẽ tiếp tục hợp tác với các công ty hàng đầu thế giới để thúc đẩy chuyển dịch năng lượng và đạt được các mục tiêu phát thải ròng bằng 0.

Sự kết hợp giữa bồn chứa mới, động cơ và năng lực sản xuất pin nhiên liệu cho thấy nỗ lực phối hợp nhằm biến các dự án thí điểm thành những chuỗi cung ứng hoàn chỉnh.

Sản xuất hydro sạch tại Hàn Quốc ngày càng đa dạng

Các phòng thí nghiệm Hàn Quốc đang thúc đẩy nhiều hướng sản xuất hydro sạch. Viện Nghiên cứu Máy móc và Vật liệu Hàn Quốc đã phát triển hệ thống điện phân oxit rắn công suất 20 kilowatt, có thể sản xuất hydro hiệu quả trong hơn 3.000 giờ. Điện phân oxit rắn hoạt động ở nhiệt độ cao, nhờ đó có thể tận dụng nhiệt từ các quy trình công nghiệp để giảm tiêu thụ điện. Phương pháp này có thể kết hợp hiệu quả với các nhà máy thép và hóa chất.

Các nhóm nghiên cứu khác đang theo đuổi những hướng hóa học bổ trợ. Các nhà khoa học tại KIER cho biết họ đã phát triển chất xúc tác chuyển đổi carbon dioxide thành carbon monoxide, một thành phần quan trọng trong nhiên liệu tổng hợp. Các nhóm học thuật đã chứng minh những phương pháp tạo amoniac xanh ở nhiệt độ phòng bằng pin điện hóa. Những quốc gia như Nhật Bản và Hàn Quốc đã bày tỏ quan tâm đến việc nhập khẩu amoniac xanh gắn với các dự án điện gió và điện mặt trời, vì phân tử này dễ lưu trữ và vận chuyển hơn hydro.

Amoniac phải sạch mới mang lại lợi ích khí hậu

Có một điểm cần lưu ý quan trọng. Amoniac được sản xuất từ hydro hóa thạch có dấu chân carbon lớn. Phân tách amoniac đó tại nơi đến không loại bỏ được lượng phát thải ở các công đoạn trước. Các nhà phân tích cũng cảnh báo rằng việc đồng đốt amoniac hoặc hydro tại các nhà máy điện than hoặc khí đốt chỉ mang lại lợi ích khí hậu nhỏ nếu tính cả chi phí năng lượng và logistics trong toàn chuỗi. Những ứng dụng hydro ban đầu có triển vọng nhất là trong các ngành khó điện khí hóa, như thép, hóa chất, vận tải biển và lưu trữ năng lượng theo mùa. Các nhà hoạch định Hàn Quốc đang cân nhắc những đánh đổi này khi đặt mục tiêu và xây dựng tiêu chuẩn.

Rủi ro, hiệu suất và những diễn biến cần theo dõi

Mức tiêu thụ năng lượng là một chỉ số then chốt. Thử nghiệm thiết bị phân tách tại Ulsan ghi nhận mức tiêu thụ khoảng 11 kilowatt giờ cho mỗi kilôgam hydro, trong khi các thiết kế hướng tới mức 8 kWh mỗi kilôgam. Mức thấp hơn sẽ giúp giảm chi phí. Để tham khảo, nhiệt trị thấp của hydro vào khoảng 33 kilowatt giờ mỗi kilôgam. Cải thiện chất xúc tác, tích hợp nhiệt và gia nhiệt bằng điện có thể giảm tổn thất năng lượng do quá trình phân tách gây ra.

An toàn và phát thải đòi hỏi thiết kế cẩn trọng. Amoniac độc và có mùi nồng, vì vậy đơn vị vận hành sẽ cần hệ thống giám sát, thông gió và kế hoạch ứng phó khẩn cấp. Khi sử dụng trong động cơ, cần có hệ thống xử lý khí thải để kiểm soát oxit nitơ. Các đơn vị vận hành sẽ theo dõi độ bền của chất xúc tác và màng, cũng như lịch bảo trì máy nén và máy bơm. Các công ty đang thiết kế hệ thống phân tách chạy hoàn toàn bằng điện, giúp chúng dễ sử dụng năng lượng gió và mặt trời hơn. KIER cũng đang nghiên cứu pin nhiên liệu hydro cho các tòa nhà, cho thấy lĩnh vực giao thông và nguồn điện cố định có thể cùng phát triển.

Những điểm chính

• KIER đã chứng minh quy trình phân tách amoniac ở gần 600 C, tạo ra hydro tinh khiết 99,97% mà không đốt nhiên liệu hóa thạch tại công đoạn chuyển đổi.
• Quy trình sử dụng chất xúc tác rutheni và phương pháp hấp phụ biến thiên áp suất để tinh chế hydro dùng cho pin nhiên liệu.
• Syzygy và Lotte đã thử nghiệm thiết bị phân tách hoàn toàn bằng điện tại Ulsan, đạt hiệu suất 81%, tỷ lệ chuyển hóa 99%, sản lượng khoảng 290 kilôgam mỗi ngày và tiêu thụ gần 11 kWh mỗi kilôgam; các thiết kế hướng tới mức 8.
• Amoniac là chất mang hydro thiết thực vì hóa lỏng trong điều kiện vừa phải và có hạ tầng vận tải toàn cầu phát triển lâu năm.
• KIMM, Hyundai và Kia đã giới thiệu động cơ áp suất cao chạy bằng amoniac tinh khiết, có hệ thống xử lý khí thải để hạn chế phát thải, hướng đến ứng dụng hàng hải, nguồn điện độc lập với lưới điện và phương tiện hạng nặng vào năm 2027.
• HD KSOE nhận chứng nhận Chấp thuận về nguyên tắc cho bồn chứa hydro lỏng cỡ lớn và đang nghiên cứu ý tưởng tàu chở dung tích 80.000 mét khối.
• Hyundai đang xây dựng nhà máy trị giá 644 triệu USD tại Ulsan để sản xuất pin nhiên liệu và thiết bị điện phân màng điện phân polymer, với mục tiêu sản xuất 30.000 bộ pin nhiên liệu mỗi năm vào năm 2027.
• Hàn Quốc cũng đang thúc đẩy công nghệ điện phân oxit rắn để sản xuất hydro xanh và phát triển chất xúc tác chuyển đổi carbon dioxide thành nguyên liệu nền cho nhiên liệu sạch.
• Các nhà phân tích cảnh báo việc đồng đốt hydro hoặc amoniac tại nhà máy điện sử dụng nhiên liệu hóa thạch chỉ mang lại lợi ích khí hậu hạn chế nếu tính cả năng lượng cần cho chuỗi cung ứng; vì vậy, các lĩnh vực ưu tiên gồm thép, hóa chất, vận tải biển và lưu trữ theo mùa.
• Các điểm cần theo dõi gồm năng lượng tiêu thụ trên mỗi kilôgam hydro khi phân tách, kiểm soát oxit nitơ, quy trình an toàn khi xử lý amoniac, nguồn cung amoniac xanh và các dự án trình diễn quy mô lớn.