Nhà máy nước biển ở Sơn Đông biến nhiệt thải thành nước giá rẻ và hydro xanh

Mô hình mới cho nước và hydro

Trung Quốc đã đưa vào hoạt động một cơ sở nhỏ gọn nhưng đầy tham vọng tại Nhật Chiếu, thành phố ven biển thuộc tỉnh Sơn Đông. Cơ sở này biến nước biển và nhiệt thải công nghiệp thành hai nguồn lực chiến lược: nước ngọt giá rẻ và hydro xanh. Đơn vị vận hành dự án cho biết cơ sở sản xuất nước ngọt với giá khoảng 2 nhân dân tệ mỗi mét khối, tương đương khoảng 28 xu Mỹ, thấp hơn giá nước máy đô thị thông thường ở nhiều thành phố. Cơ sở còn tạo ra hydro có độ tinh khiết cao như một sản phẩm phụ, đồng thời cô đặc nước muối giàu khoáng chất để dùng trong ngành hóa chất biển. Hệ thống đã vận hành liên tục hơn ba tuần, một cột mốc quan trọng chứng minh độ tin cậy của loại hệ thống tích hợp nước và năng lượng mới.

Ý tưởng này dễ mô tả nhưng khó triển khai. Một đầu vào là nước biển, tạo ra ba dòng sản phẩm. Với mỗi 800 tấn nước biển được xử lý mỗi năm, nhà máy cung cấp khoảng 450 mét khối nước siêu tinh khiết, phù hợp cho làm mát công nghiệp hoặc sinh hoạt, khoảng 192.000 mét khối tiêu chuẩn hydro xanh và khoảng 350 tấn nước muối có thể bán cho các nhà sản xuất hóa chất. Theo báo cáo, quá trình sản xuất hydro cần khoảng 4,2 kilowatt giờ điện cho mỗi mét khối tiêu chuẩn, tương đương hiệu suất của các máy điện phân hiện đại. Điểm khác biệt của Nhật Chiếu là giảm chi phí nước nhờ tận dụng nhiệt cấp thấp từ các nhà máy thép và hóa dầu gần đó, nguồn nhiệt vốn thường tỏa vào không khí hoặc đại dương.

Hệ thống Nhật Chiếu vận hành ra sao

Nhà máy đặt cơ sở sản xuất nước ngọt ngay cạnh các ngành công nghiệp tiêu thụ nhiều năng lượng, vốn tạo ra dòng nhiệt ổn định ở nhiệt độ thấp. Nguồn nhiệt này vận hành công đoạn tách, biến nước biển thành nước rất sạch ở ngưỡng nhiệt tương đối thấp. Các kỹ thuật phù hợp với mô hình này gồm chưng cất qua màng và tạo ẩm - khử ẩm, vốn hoạt động hiệu quả nhờ nhiệt độ thấp. Một phần nước ngọt được cung cấp cho người dùng, phần còn lại đưa vào máy điện phân để tách nước thành hydro và oxy. Nước muối cô đặc còn lại có thể làm nguyên liệu đầu vào để sản xuất các sản phẩm như brom, muối magiê và muối công nghiệp, qua đó giảm nhu cầu xả nước muối đậm đặc trở lại đại dương.

Vì sao nhiệt cấp thấp quan trọng

Các ngành công nghiệp nặng thải ra lượng lớn nhiệt ở nhiệt độ trung bình và thấp. Nhà máy thép và lọc dầu là những ví dụ điển hình. Thu hồi nguồn nhiệt đó để sản xuất nước giúp tránh tiêu thụ thêm điện cho quá trình khử muối. Tại các khu công nghiệp ven biển, nước biển dồi dào, nhiệt thải dồi dào và nhu cầu làm mát luôn thường trực. Đặt cơ sở khử muối và điện phân cạnh các nguồn nhiệt lớn giúp giảm cả chi phí vận hành lẫn cường độ phát thải carbon. Cách làm này cũng chuyển nhu cầu sử dụng nước khỏi nguồn cung đô thị, giảm áp lực lên tầng chứa nước ngầm và sông ngòi địa phương.

Các con số năng lượng cho biết điều gì

Mức tiêu thụ năng lượng để sản xuất hydro thường được tính bằng lượng điện cần cho mỗi kilôgam. Một mét khối tiêu chuẩn hydro chứa khoảng một phần chín kilôgam. Với mức 4,2 kilowatt giờ cho mỗi mét khối tiêu chuẩn, con số tương đương khoảng 47 kilowatt giờ cho mỗi kilôgam hydro. Mức này nằm trong phạm vi của các thiết bị điện phân kiềm và màng trao đổi proton hiện đại. Đổi mới ở Nhật Chiếu không nằm ở một máy điện phân vượt trội, mà ở cách nhà máy giảm chi phí và dấu chân nước bằng cách kết hợp máy điện phân với dây chuyền xử lý nước biển vận hành bằng nhiệt thải. Điện vẫn phải có hàm lượng carbon thấp thì sản phẩm mới được gọi là hydro xanh, nhưng phần nhiệt có chi phí thấp đáng kể vì nếu không, nguồn nhiệt đó sẽ bị lãng phí.

Hydro có thể được tạo ra trực tiếp từ biển không

Điện phân trực tiếp nước biển, tức vận hành máy điện phân bằng nước biển mà không cần công đoạn khử muối riêng, là một hướng nghiên cứu đang được thúc đẩy. Phương án này hấp dẫn nhất ở ngoài khơi, nơi các trang trại gió và giàn khai thác có thể sản xuất hydro trên biển rồi dẫn bằng đường ống hoặc chở vào bờ. Thách thức nằm ở hóa học. Nước biển chứa hàm lượng cao clorua, sunfat và chất hữu cơ. Các tế bào điện phân thông thường có xu hướng thúc đẩy phản ứng tạo clo ở cực dương, gây ăn mòn các bộ phận và tạo ra clo ngoài ý muốn. Cát, sinh vật bám và cáu cặn cũng làm giảm tuổi thọ thiết bị. Để khắc phục, các nhóm nghiên cứu đang thử nghiệm chất xúc tác mới chống được sự ăn mòn do clorua, màng ngăn xốp chặn các ion gây phản ứng phụ và những thiết kế giữ clo ngoài vùng phản ứng. Một mô hình trình diễn nổi ngoài khơi Trung Quốc đã cho thấy hệ thống dùng màng có thể vận hành trong điều kiện biển động bằng cách tạo riêng một lớp nước sạch cho quá trình điện phân, đồng thời lấy nước đầu vào từ biển.

Hai hướng đi, một mục tiêu

Có hai cách chính để kết hợp đại dương với hydro. Cách thứ nhất là khử muối nước biển rồi vận hành máy điện phân thông thường. Cách thứ hai là cải tiến máy điện phân để hoạt động bằng nước biển hoặc bằng nước được làm sạch đủ mức ngay trong quá trình vận hành. Nhật Chiếu có vẻ là mô hình thu nhỏ của cách thứ nhất, nhưng có điểm khác biệt. Thay vì dùng các máy bơm điện lớn và công nghệ thẩm thấu ngược áp suất cao để xử lý nước, cơ sở này tận dụng nhiệt từ các nhà máy lân cận. Các địa điểm điện gió ngoài khơi và vùng xa có thể phù hợp với cách thứ hai vì không gian và khả năng bảo trì đều hạn chế. Các khu công nghiệp ven biển có thể ưu tiên cách thứ nhất vì có sẵn nhiệt thải, đồng thời tạo ra cả nước và hydro mà ngành công nghiệp có thể sử dụng. Trong phòng thí nghiệm và các nhà máy thí điểm, chất xúc tác chống ăn mòn, màng mới và các thiết kế không dùng màng đang thúc đẩy cả hai hướng tiếp cận.

Chi phí và quy mô: từ thí điểm đến công nghiệp

Mức giá 2 nhân dân tệ mỗi mét khối nước ngọt là con số đáng chú ý. Mức này thấp hơn biểu giá nước máy ở nhiều đô thị, trong khi nước đã được tinh lọc ở mức mà nhiều người dùng công nghiệp nếu không sẽ phải tự xử lý thêm. Chi phí nước thấp hơn giúp sản xuất hydro hấp dẫn hơn tại các tỉnh thiếu nước, bởi quá trình sản xuất hydro thường cần nước rất sạch để bảo vệ máy điện phân. Đồng sản xuất nước và hydro cũng giúp phân bổ chi phí vốn cho hai sản phẩm, trong khi doanh thu từ hóa chất sản xuất bằng nước muối có thể bù đắp một phần chi phí vận hành.

Chi phí điện để sản xuất hydro phụ thuộc vào nguồn điện. Với mức tiêu thụ khoảng 47 kilowatt giờ mỗi kilôgam, điện có giá từ 3 đến 5 xu Mỹ mỗi kilowatt giờ sẽ tạo ra hóa đơn tiền điện khoảng 1,40-2,35 đô la mỗi kilôgam. Thiết bị, bảo trì và tài chính làm tăng con số này, và các khoản chi phí đó dao động đáng kể. Nhật Chiếu là một cơ sở nhỏ, nhưng gợi mở mô hình mà các vùng ven biển Trung Quốc có thể nhân rộng. Nước này có các hành lang công nghiệp tập trung dày đặc, nơi nhiệt thải rất dồi dào. Vì vậy, những địa điểm như các cụm công nghiệp thép ở Sơn Đông, Hà Bắc và Giang Tô phù hợp để triển khai lại mô hình với thiết bị quy mô lớn hơn.

Nguồn cung điện cũng đang được cải thiện. Một hành lang siêu cao áp hiện kết nối các vùng có nhiều điện gió và điện mặt trời ở các tỉnh miền tây với các trung tâm phụ tải ở miền đông. Các đường dây mới kết nối công suất mới tại Cam Túc với lưới điện cấp điện cho Sơn Đông. Tiếp cận nguồn điện tái tạo ổn định sẽ giúp một cơ sở Nhật Chiếu trong tương lai mở rộng quy mô máy điện phân, đồng thời duy trì mức phát thải carbon thấp cho hydro trong những giờ nhiệt thải không đủ đáp ứng nhu cầu.

Ý nghĩa đối với các khu vực thiếu nước

Hydro đòi hỏi nhiều nước nếu nguồn nước khan hiếm. Để sản xuất một kilôgam hydro thường cần khoảng 9 lít nước sạch. Các nhà phân tích dự báo nhu cầu hydro mới sẽ cần hàng tỷ mét khối nước ngọt trong thập niên tới. Nếu nhu cầu tăng mạnh ở những khu vực khô hạn, nguồn cung sẽ chịu áp lực trừ khi nước biển và nước thải được đưa vào sử dụng. Nghiên cứu cho thấy kết hợp khử muối với điện phân, đồng thời thu hồi nhiệt thải từ pin nhiên liệu và máy điện phân, có thể giảm tổng hóa đơn năng lượng vài phần trăm. Chuyển nguồn nước ra vùng ven biển và tận dụng nhiệt vốn sẽ bị thải bỏ giúp dành nước nội địa cho nông trại và thành phố, đồng thời giảm phần nào đầu vào năng lượng.

Thiết kế môi trường vẫn rất quan trọng. Nước muối có thể gây hại cho hệ sinh thái biển nếu bị xả thải thiếu kiểm soát. Mô hình Nhật Chiếu giảm rủi ro này bằng cách bán nước muối cho ngành sản xuất hóa chất, qua đó hạn chế lượng xả ra đại dương. Việc lấy nước biển cũng cần được thiết kế cẩn thận để tránh gây hại cho sinh vật biển. Thực hành tốt nhất là lấy nước với vận tốc thấp qua các lưới lọc mịn và đặt cửa lấy nước ở nơi có ít cá và ấu trùng. Đây không phải là những vấn đề có thể xem xét sau cùng. Chúng rất cần thiết để được cấp phép và nhận được sự ủng hộ của cộng đồng khi ngày càng nhiều khu công nghiệp ven biển muốn kết hợp khử muối với điện phân.

Trung Quốc xây dựng hệ sinh thái quanh công nghệ hydro

Đằng sau những dự án như ở Nhật Chiếu là nền tảng sản xuất đang phát triển và mạng lưới đối tác ngày càng mở rộng. Tại Thiên Tân, một nhà máy sản xuất máy điện phân lớn hiện do một công ty châu Âu nắm toàn quyền kiểm soát, cung cấp hàng trăm megawatt mô-đun điện phân kiềm mỗi năm. Nhà máy đã nâng cấp tự động hóa và hệ thống chất lượng, đồng thời cung cấp thiết bị cho một số dự án hydro lớn nhất đang hoạt động. Quyền kiểm soát toàn diện giúp điều chỉnh thiết kế nhanh hơn, logistics chặt chẽ hơn và bảo đảm chất lượng tốt hơn cho các đơn hàng toàn cầu.

Jarle Dragvik, giám đốc điều hành của HydrogenPro, mô tả sự chuyển đổi này là cách để điều chỉnh năng lực sản xuất cho phù hợp với nhu cầu từ các dự án quy mô rất lớn.

Đó là việc tinh gọn hoạt động và thiết lập một mô hình tiết kiệm chi phí, sẵn sàng phục vụ các dự án quy mô lớn.

Các doanh nghiệp nước ngoài và trong nước đang tăng cường liên kết trong những lĩnh vực khử muối, năng lượng tái tạo và hydro tại Trung Quốc. Một doanh nghiệp phát triển các dự án nước và năng lượng toàn cầu đã mở trung tâm đổi mới tại Thượng Hải để hợp tác với các trường đại học và phòng thí nghiệm về quang điện, điện gió, lưu trữ năng lượng, hydro xanh và khử muối nước biển. Các công ty Trung Quốc cũng đang xuất khẩu chuyên môn. Một doanh nghiệp đang xây dựng dự án hydro xanh ở Ai Cập gắn với điện gió và điện mặt trời, hướng tới xuất khẩu amoniac. Một doanh nghiệp khác hợp tác tại Ả Rập Xê Út để thiết kế nhà máy hydro-amoniac khổng lồ. Những bước đi này cho thấy chuỗi cung ứng có thể cung cấp thiết bị, dịch vụ và bí quyết vận hành cho các dự án trong và ngoài nước.

Những bước tiếp theo

Thử thách tiếp theo đối với Nhật Chiếu và các nhà máy tương tự là thời gian vận hành. Các kỹ sư sẽ theo dõi tình trạng bám bẩn trên màng dùng nhiệt, đóng cặn trong đường ống và độ ổn định của máy điện phân khi phải khởi động, dừng hoạt động theo mức độ sẵn có của nhiệt thải. Vận hành thêm nhiều giờ sẽ giúp làm rõ nhu cầu bảo trì thực tế và khoảng thời gian vận hành tối ưu. Về mặt kinh doanh, việc tích hợp ba dòng sản phẩm gồm nước, hydro và hóa chất từ nước muối có thể giúp ổn định doanh thu và tăng khả năng huy động vốn.

Hai hướng công nghệ cũng sẽ dần được phân định rõ hơn. Điện phân trực tiếp nước biển có thể phù hợp với các địa điểm ngoài khơi sử dụng điện gió và năng lượng sóng, nơi người ta ưu tiên thiết bị đơn giản, gọn nhẹ. Khử muối rồi điện phân có thể phù hợp hơn ở những nơi dồi dào nhiệt cấp thấp và có nhu cầu ổn định về nước công nghiệp rất sạch. Mục tiêu cuối cùng vẫn giống nhau: cung cấp hydro xanh với chi phí cạnh tranh mà không khai thác các nguồn nước ngọt khan hiếm. Dự án thí điểm Nhật Chiếu cho thấy một cách làm thiết thực để đạt mục tiêu đó, đồng thời tận dụng nguồn nhiệt mà ngành công nghiệp hiện đang thải bỏ.

Điểm chính

• Một nhà máy ven biển ở Nhật Chiếu, Sơn Đông, sản xuất nước ngọt và hydro xanh từ nước biển bằng cách tận dụng nhiệt thải công nghiệp.
• Giá nước được báo cáo ở mức khoảng 2 nhân dân tệ mỗi mét khối; mức tiêu thụ năng lượng để sản xuất hydro là khoảng 4,2 kilowatt giờ mỗi mét khối tiêu chuẩn.
• Sản lượng hằng năm từ 800 tấn nước biển gồm 450 mét khối nước siêu tinh khiết, 192.000 mét khối tiêu chuẩn hydro và 350 tấn nước muối dùng cho ngành hóa chất biển.
• Sử dụng nhiệt cấp thấp để khử muối giúp giảm nhu cầu điện và giảm áp lực lên nguồn nước đô thị.
• Điện phân trực tiếp nước biển đang có tiến triển, nhưng vẫn còn những thách thức về vật liệu, nên nhiều dự án tiếp tục ưu tiên khử muối rồi mới điện phân.
• Lưới điện siêu cao áp của Trung Quốc đưa điện gió và điện mặt trời mới đến Sơn Đông, hỗ trợ mở rộng đội máy điện phân.
• Năng lực sản xuất tại Thiên Tân và các trung tâm đổi mới mới ở Thượng Hải cho thấy hệ sinh thái hydro và khử muối đang phát triển.
• Các dự án xuất khẩu tại Ai Cập và Ả Rập Xê Út cho thấy tầm hoạt động toàn cầu của chuyên môn Trung Quốc về hydro và khử muối.
• Thiết kế cửa lấy nước cẩn thận và quản lý nước muối là yếu tố thiết yếu để bảo vệ sinh vật biển khi các dự án ven biển được mở rộng.