Yamanashi trở thành phòng thí nghiệm hydro của Nhật Bản

Vì sao Yamanashi đang trở thành phòng thí nghiệm hydro của Nhật Bản

Dưới chân núi Phú Sĩ, tỉnh Yamanashi đã trở thành nơi thử nghiệm thực tế cho hydro xanh. Trên khắp Nhật Bản, hydro ngày càng được chú ý như một giải pháp thay thế nhiên liệu hóa thạch. Xu hướng này đặc biệt rõ nét tại Yamanashi. Các công ty trong nhiều lĩnh vực, từ ô tô, động cơ đến đồ uống, lốp xe và máy công cụ, đang bắt đầu đưa loại khí này vào cơ cấu năng lượng. Tỉnh có sự kết hợp hiếm có giữa nguồn năng lượng tái tạo dồi dào, hạ tầng nghiên cứu và sự hợp tác chủ động giữa khu vực công với doanh nghiệp.

Yamanashi nổi bật nhờ mức bức xạ mặt trời cao, tập trung nhiều cơ sở nghiên cứu năng lượng và các chính sách hỗ trợ dự án từ phòng thí nghiệm đến nhà máy. Khu vực Komekurayama ở Kofu có một trong những cụm điện mặt trời phát triển lâu năm nhất Nhật Bản cùng một làng nghiên cứu hệ thống năng lượng thế hệ mới. Lãnh đạo tỉnh đã hỗ trợ các chương trình thí điểm hydro kết nối điện mặt trời ban ngày với khả năng lưu trữ dài hạn và nhiệt công nghiệp, tạo điều kiện để khu vực thử nghiệm công nghệ trong điều kiện vận hành thực tế rồi mở rộng quy mô. Hiệp hội Năng lượng Hydro Yamanashi (H2-YES), liên doanh giữa tỉnh và các công ty, giúp điều phối các chương trình trình diễn và kết nối khách hàng chủ chốt.

Hệ thống Power to Gas ở Yamanashi thực sự hoạt động ra sao

Power to Gas, thường được viết tắt là P2G, chuyển đổi điện từ các nguồn tái tạo thành hydro bằng cách tách nước thành hydro và oxy. Cách tiếp cận của Yamanashi sử dụng công nghệ điện phân nước bằng màng polymer rắn. Khi sản lượng điện mặt trời cao, điện dư sẽ cấp cho máy điện phân. Sau đó, hydro có thể được nén hoặc hóa lỏng rồi lưu trữ trong các bồn chứa. Khác với dòng electron trên lưới điện, hydro đã lưu trữ có thể được vận chuyển bằng xe tải, dẫn qua đường ống ở cự ly ngắn hoặc chuyển đổi trở lại thành điện và nhiệt khi cần. Nhờ đó, điện mặt trời không liên tục trở thành nguồn năng lượng linh hoạt cho nhà máy, kho hàng và cộng đồng địa phương.

Được hỗ trợ bởi Quỹ Đổi mới Xanh của Chính phủ Nhật Bản và công việc do cơ quan nghiên cứu và phát triển quốc gia NEDO đặt hàng, công nghệ P2G theo Mô hình Yamanashi được tỉnh Yamanashi đồng phát triển cùng Toray Industries, Tokyo Electric Power Company Holdings và Takaoka Toko. Một cơ sở công suất 16 megawatt dựa trên hệ thống này đang được xây dựng tại các cơ sở Hakushu của Suntory trong tỉnh. Dự kiến cơ sở sẽ sử dụng điện tái tạo và nước tại địa phương để hydro tạo ra không phát thải khí nhà kính khi được sử dụng. Thông tin chi tiết về dự án được Suntory và các đối tác cấp tỉnh công bố trong tổng quan chính thức.

Kế hoạch hydro xanh 16 MW của Suntory

Tháng 9/2022, Suntory Holdings ký thỏa thuận nguyên tắc với tỉnh Yamanashi nhằm khử carbon tại Nhà máy chưng cất Hakushu và Nhà máy nước Hakushu, Nam Alps. Trọng tâm của kế hoạch là cơ sở P2G công suất 16 megawatt, sử dụng điện tái tạo để điện phân nước và sản xuất hydro xanh ngay tại chỗ. Công ty sẽ dùng khí này làm nguồn nhiệt sạch cho hoạt động của nhà máy, đồng thời dự định chia sẻ nguồn cung với cộng đồng xung quanh.

Dự kiến cơ sở bắt đầu vận hành trong năm 2025. Ở giai đoạn đầu, hydro sẽ cung cấp nhiên liệu cho các nồi hơi dùng để tiệt trùng bằng nhiệt và hỗ trợ chưng cất thử nghiệm tại Nhà máy chưng cất Hakushu. Từ năm 2027, Suntory dự định tham gia toàn bộ chuỗi giá trị hydro xanh tại Nhật Bản, không chỉ sản xuất mà còn phân phối và bán hydro. Quan hệ hợp tác logistics với Tomoe Shokai dự kiến cho phép giao hàng trong tỉnh Yamanashi và đến Tokyo. Công ty đang nghiên cứu thêm các ứng dụng tại những cơ sở khác, chẳng hạn Nhà máy chưng cất Chita ở Aichi và Nhà máy Takasago ở Hyogo.

Nỗ lực này được đẩy mạnh sau khi một dự án hydro gắn với nhà máy chưng cất tại Vương quốc Anh không được triển khai theo kế hoạch, khiến nguồn lực chuyển sang ứng dụng trong nước. Tại Nhật Bản, môi trường chính sách cùng các quan hệ đối tác địa phương ở Yamanashi tạo lộ trình rõ ràng để xây dựng, vận hành và chứng minh hiệu quả của toàn bộ chuỗi giá trị, từ điện tái tạo đến nhiệt và điện chạy bằng hydro.

Quan hệ hợp tác với JERA và thử nghiệm điện không carbon 24 giờ

Ngày 22/11/2023, tỉnh Yamanashi ký thỏa thuận nguyên tắc với JERA, nhà sản xuất điện lớn nhất Nhật Bản xét theo tỷ trọng sản lượng, để hợp tác xây dựng chuỗi giá trị hydro trong khu vực. JERA hướng đến kết hợp các nguồn tái tạo với nhiệt điện không phát thải sử dụng hydro và amoniac, đồng thời sản xuất khoảng 30% lượng điện của cả nước. Quan hệ đối tác này nhằm bảo đảm sản xuất và cung ứng ổn định điện không carbon và nhiên liệu từ hydro bằng cách tích hợp hệ thống P2G của tỉnh với chuỗi giá trị nhiên liệu và các cơ sở phát điện của JERA. Thông tin khái quát công khai về hợp tác có tại đây: tổng quan về quan hệ hợp tác với JERA.

Các cơ sở phát điện hydro mới được lên kế hoạch tại núi Komekura, nơi các thử nghiệm trình diễn sẽ cung cấp điện cho doanh nghiệp địa phương. Mục tiêu là chứng minh khả năng cung cấp điện không carbon liên tục bằng cách kết hợp điện mặt trời với tua-bin hoặc pin nhiên liệu chạy bằng hydro khi trời tối hoặc có mây. Nếu thành công ở quy mô toàn tỉnh, phương pháp này có thể phục vụ các nhà máy cần nguồn điện ổn định suốt ngày đêm.

Từ điện mặt trời đến lưu trữ: sự phát triển của trung tâm Komekurayama

Quá trình phát triển điện mặt trời của tỉnh tại Komekurayama bắt đầu từ kế hoạch vào đầu những năm 1990, khi địa điểm này được định hướng thu hút doanh nghiệp. Sau khi bong bóng kinh tế vỡ, khu đất trở thành nơi triển khai các dàn pin mặt trời quy mô lớn với sự hợp tác của Tokyo Electric Power Company. Đây là bước đệm cho giai đoạn tiếp theo. Đến năm 2021, tỉnh khởi động sáng kiến P2G nhằm chuyển lượng điện mặt trời dư thừa thành hydro bằng công nghệ điện phân nước sử dụng màng polymer rắn. Các hệ thống ban đầu hóa lỏng hydro, lưu trữ tại chỗ trong những bồn chuyên dụng rồi vận chuyển bằng xe đầu kéo đến nơi cần dùng, chẳng hạn cửa hàng sử dụng pin nhiên liệu để cấp điện dự phòng và đáp ứng nhu cầu cao điểm.

Bước tiếp theo là mở rộng nguồn cấp, không chỉ dựa vào một nguồn điện mặt trời mà còn sử dụng điện tái tạo đã được chứng nhận từ cơ cấu điện lưới thông thường, bao gồm thủy điện, điện gió và địa nhiệt. Khi hydro được sản xuất theo nhu cầu ngay tại nơi sử dụng, nhu cầu lưu trữ có thể giảm, chi phí vận chuyển thấp hơn và giá hydro xanh có thể cạnh tranh hơn. Các kỹ sư ở Yamanashi cũng đang nghiên cứu những ứng dụng công nghiệp ngoài nhiệt và điện, chẳng hạn dùng hydro xanh thay heli để làm sạch trong quy trình sản xuất chất bán dẫn.

Ai đang sử dụng hydro hiện nay

Các cơ sở Hakushu của Suntory là khách hàng chủ chốt của tỉnh. Hydro dự kiến được dùng để tiệt trùng bằng nhiệt và thử nghiệm chưng cất whisky bằng lửa trực tiếp. Ngoài ngành đồ uống, lĩnh vực sản xuất lốp xe đã bắt đầu thử nghiệm sản xuất hydro tại chỗ để cung cấp nhiệt cho quy trình và đồng phát nhiệt điện, cho thấy thị trường công nghiệp dành cho loại khí này có thể rộng hơn.

Giao thông vận tải cũng là lĩnh vực đang có đà phát triển. Chính phủ trung ương đã hỗ trợ ứng dụng pin nhiên liệu cho xe hạng nặng, cấp kinh phí cho các nhà sản xuất ô tô để mở rộng năng lực sản xuất pin nhiên liệu. Một số chương trình tập trung vào xe tải chạy bằng hydro, có thể tiếp nhiên liệu tại các kho bãi vào giờ thấp điểm, sử dụng hydro xanh được sản xuất khi nguồn điện tái tạo dồi dào. Những nỗ lực này phù hợp với cam kết trung hòa carbon của Nhật Bản vào năm 2050 và nhu cầu giảm phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch nhập khẩu.

Chi phí, lợi ích và những giới hạn

Điện phân tiêu tốn nhiều năng lượng. Để sản xuất một kilogram hydro thường cần khoảng 50 đến 55 kilowatt giờ điện, chưa kể năng lượng bổ sung cho việc nén hoặc hóa lỏng. Máy điện phân công suất 16 megawatt hoạt động hết công suất trong cả ngày có thể sản xuất khoảng 7 đến 8 tấn hydro. Sản lượng thực tế phụ thuộc vào chu kỳ vận hành, thời gian bảo trì và lượng điện tái tạo sẵn có. Chiến lược của Yamanashi kết hợp điện mặt trời tại chỗ, điện tái tạo từ lưới và lưu trữ để nhà máy có thể hoạt động khi nguồn điện sạch và rẻ.

Chi phí vẫn là thách thức chính. Tại Nhật Bản, giá điện bán buôn và phí sử dụng lưới có thể cao, cản trở các chương trình thí điểm hydro trước đây. Sử dụng điện mặt trời vốn có thể bị cắt giảm sản lượng, hoặc chuyển hoạt động sang thời điểm nhu cầu thấp, có thể hạ chi phí mỗi kilogram hydro. Cải thiện hiệu suất máy điện phân và tăng sản lượng cũng giúp giảm giá theo thời gian.

Nguồn cung nước và an toàn là hai vấn đề thực tiễn. Quá trình điện phân tiêu thụ gần 9 lít nước cho mỗi kilogram hydro sản xuất được, chưa kể lượng nước bổ sung cần thiết để tinh lọc. Khu vực Hakushu nổi tiếng với nguồn nước ngầm chất lượng cao dùng trong ngành đồ uống, điều này càng cho thấy cần quản lý tài nguyên và tái chế cẩn trọng. Việc xử lý hydro đòi hỏi quy trình nghiêm ngặt về thông gió, phát hiện rò rỉ và đào tạo. Cộng đồng có thể lo ngại về tính dễ cháy, như từng thấy trong các cuộc tranh luận công khai quanh những dự án được đề xuất ở nước ngoài, vì vậy cần chủ động trao đổi với người dân và tuân thủ các tiêu chuẩn thiết kế nghiêm ngặt.

Mô hình của Yamanashi có thể nhân rộng ra ngoài tỉnh không

Mô hình đang được kiểm chứng tại Yamanashi được thiết kế theo quy mô khu vực. Mô hình kết nối nguồn năng lượng tái tạo tại chỗ, điện phân, lưu trữ và người sử dụng cuối thông qua chuỗi cung ứng ngắn. Giai đoạn tiếp theo gồm việc giao hydro đến Tokyo, qua đó kết nối một trung tâm nhu cầu lớn với nguồn hydro xanh sản xuất ở vùng núi phía tây thủ đô. Nếu thử nghiệm của JERA về điện không carbon suốt ngày đêm thành công, mô hình này cũng sẽ cung cấp khuôn mẫu cho ngành công nghiệp về cách bảo đảm nguồn điện ổn định mà không dùng nhiên liệu hóa thạch. Thông tin chi tiết về hợp tác được công bố trong tổng quan dự án của JERA.

Hoạt động này đã thu hút sự chú ý quốc tế. Các đoàn đại biểu nước ngoài đã đến tham quan các trung tâm nghiên cứu và dự án thí điểm công nghiệp của Yamanashi; một số khu vực đang lên kế hoạch lập các trung tâm xuất sắc về hydro xanh dựa trên kinh nghiệm của Nhật Bản. Các chuyến tham quan giới thiệu công nghệ từ xe pin nhiên liệu đến phòng thí nghiệm nghiên cứu và nhà máy sản xuất trong tỉnh. Việc chuyển giao kiến thức chuyên môn, cùng với sự hỗ trợ từ chính sách quốc gia, cho thấy một địa điểm thử nghiệm tại địa phương có thể tác động đến các dự án vượt xa phạm vi tỉnh.

Những điều cần biết

• Tỉnh Yamanashi đang nổi lên như nơi thử nghiệm hydro xanh của Nhật Bản, kết nối nguồn điện mặt trời dồi dào với hoạt động sản xuất, lưu trữ và sử dụng hydro trong công nghiệp.
• Hệ thống Power to Gas theo Mô hình Yamanashi chuyển đổi điện tái tạo thành hydro bằng công nghệ điện phân nước sử dụng màng polymer rắn, biến điện mặt trời không liên tục thành nguồn năng lượng linh hoạt.
• Suntory và tỉnh đang xây dựng máy điện phân công suất 16 megawatt tại Nhà máy chưng cất Hakushu và Nhà máy nước Hakushu, Nam Alps; dự kiến bắt đầu vận hành trong năm 2025.
• Từ năm 2027, Suntory dự định tham gia toàn bộ chuỗi giá trị hydro, bao gồm phân phối và bán tại địa phương ở Yamanashi và Tokyo thông qua hợp tác logistics với Tomoe Shokai.
• JERA và Yamanashi ký thỏa thuận hợp tác vào năm 2023 nhằm xây dựng chuỗi giá trị hydro trong khu vực và trình diễn khả năng cung cấp điện không carbon suốt ngày đêm, kết hợp điện mặt trời với nguồn phát điện chạy bằng hydro.
• Komekurayama là trung tâm nghiên cứu và triển khai của tỉnh, phát triển từ các dàn pin mặt trời quy mô lớn thành những hệ thống P2G sản xuất, lưu trữ và vận chuyển hydro.
• Các ngành công nghiệp ngoài lĩnh vực đồ uống, trong đó có sản xuất lốp xe, đang thí điểm sử dụng hydro xanh sản xuất tại chỗ để giảm phát thải từ nhiệt quy trình.
• Các chương trình quốc gia của Nhật Bản hỗ trợ sử dụng hydro cho xe hạng nặng, cấp kinh phí mở rộng sản xuất pin nhiên liệu và đặt mục tiêu phát triển xe tải chạy bằng hydro.
• Máy điện phân công suất 16 megawatt có thể sản xuất khoảng 7 đến 8 tấn hydro mỗi ngày khi hoạt động hết công suất, nhưng sản lượng thực tế phụ thuộc vào cách vận hành.
• Những thách thức chính gồm chi phí điện và lưới điện, mức tiêu thụ nước, lưu trữ và logistics, cùng các quy trình an toàn nghiêm ngặt khi xử lý hydro.
• Cách tiếp cận của Yamanashi được thiết kế cho quy mô khu vực và có thể nhân rộng, với kế hoạch cung cấp hydro cho Tokyo và sự quan tâm ngày càng tăng từ các đoàn đại biểu quốc tế đang tìm hiểu mô hình.