Việc chuyển đổi nền kinh tế năng lượng từ sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch sang các dạng năng lượng tái tạo và thay thế đòi hỏi các giải pháp mới cho việc lưu trữ năng lượng, trong đó hydro (H2) đóng vai trò đầy hứa hẹn. Tuy nhiên, tính không liên tục và biến đổi theo mùa của năng lượng mặt trời và năng lượng gió dẫn đến sự không phù hợp giữa cung và cầu năng lượng. Thách thức này đã thúc đẩy nghiên cứu sâu rộng về pin, tụ điện và lưu trữ năng lượng hóa học như các hệ thống đệm để cân bằng sự biến đổi của nguồn cung năng lượng tái tạo trên lưới điện.
Một trở ngại đáng kể đối với việc triển khai rộng rãi hydro trong thương mại năng lượng là chi phí lưu trữ cao và tốn nhiều năng lượng, đi kèm với những lo ngại về an toàn liên quan đến tính dễ cháy cao của nó. Bài viết này tập trung vào việc lưu trữ hydro hóa học dưới dạng amoniac (NH3) để giảm bớt các vấn đề về lưu trữ và an toàn của hydro. Amoniac được khám phá như một vector năng lượng tương lai bổ sung với các ứng dụng trong các trường hợp cụ thể.
Amoniac và Hydro: Lựa Chọn Lưu Trữ Năng Lượng Tối Ưu
Các hợp chất giàu hydro ở dạng lỏng trong điều kiện ôn hòa, chẳng hạn như amoniac, metan và metanol, gần đây đã thu hút sự chú ý như một phương tiện phân phối hoặc lưu trữ hydro. Lưu trữ hydro ở dạng khí đòi hỏi các bình áp suất cao lên đến 70 MPa, trong khi lưu trữ ở dạng lỏng cần các bể chứa đông lạnh được duy trì ở -253°C. So với nhiên liệu thông thường, hydro có mật độ năng lượng thể tích thấp ở cả dạng khí và lỏng.
Trái ngược với các hình thức lưu trữ hóa học khác, amoniac là chất mang hydro không chứa carbon duy nhất và có thể được tổng hợp từ các nguồn tái tạo. Trong các dự án này, amoniac được sản xuất bằng cách kết hợp hydro từ quá trình tách nước với nitơ từ không khí. Sự dồi dào phổ biến của nitơ trong không khí – trái ngược với carbon – hỗ trợ việc sử dụng chất mang hydro không chứa carbon cho một chu trình lưu trữ năng lượng bền vững và quy mô lớn trong tương lai.
Amoniac là một chất mang hydro đầy hứa hẹn do hàm lượng hydro cao (17,65% trọng lượng), mạng lưới phân phối đã được thiết lập và khả năng hóa lỏng ở 10 bar hoặc -33°C. Hydro có thể được giải phóng theo yêu cầu từ amoniac thông qua phân hủy xúc tác và tiêu thụ trong pin nhiên liệu màng trao đổi proton (PEM). Ngoài ra, amoniac có thể được đốt cháy trực tiếp hoặc sử dụng trong pin nhiên liệu cấp amoniac. Tuy nhiên, mỗi chuyển đổi này đều mang một hình phạt năng lượng.
Mặc dù amoniac có phạm vi cháy hẹp và độc tính của nó là một mối lo ngại, nhưng mùi nồng của nó lại hữu ích cho việc xác định rò rỉ. Để khắc phục vấn đề độc tính, amoniac có thể được lưu trữ trong muối kim loại và giải phóng обратимо ở khoảng 250°C.
Đánh Giá Thực Tế về H2 và NH3 với tư cách là Chất Mang Năng Lượng
Các ứng dụng năng lượng tiềm năng của hydro và amoniac có thể được chia thành các khung thời gian và quy mô sau: lưu trữ năng lượng ngắn hạn; lưu trữ năng lượng dài hạn; vận chuyển/thương mại năng lượng đường dài; và cung cấp nhiên liệu cho ngành giao thông vận tải. Mặc dù mỗi danh mục có khả năng liên quan đến một giải pháp kết hợp, nhưng có những khía cạnh mà hydro hoặc amoniac vốn phù hợp hơn.
Lưu trữ năng lượng ngắn hạn (vài giờ)
Để phù hợp với những biến động hàng ngày hoặc hàng giờ trong cả cung và cầu, hydro là một lựa chọn đầy hứa hẹn hơn vì chu trình lưu trữ và khai thác năng lượng trong amoniac không thể đối phó với những thay đổi nhanh chóng. Quá trình Haber-Bosch hiện đại tổng hợp amoniac mất hàng giờ đến hàng ngày để đạt trạng thái ổn định, khiến nó hoàn toàn không phù hợp để lưu trữ ngắn hạn.
Các công nghệ tổng hợp amoniac thay thế, chẳng hạn như điện hóa hoặc hỗ trợ plasma không nhiệt, mặc dù đầy hứa hẹn hơn cho những thay đổi cung nhanh chóng, nhưng hiện đang bị cản trở bởi hiệu quả năng lượng kém và tốc độ phản ứng rất thấp do sự tiến hóa đồng thời của hydro. Do đó, hydro cạnh tranh hơn amoniac để lưu trữ năng lượng ngắn hạn.
Lưu trữ năng lượng dài hạn (vài tuần–vài tháng)
Một quy mô gián đoạn năng lượng thậm chí còn lớn hơn xảy ra trên các khung thời gian dài hơn – đặc biệt là giữa mùa ấm và mùa lạnh. Để sưởi ấm trong nhà được cung cấp bởi năng lượng tái tạo, cần phải đáp ứng những biến động trong cả thời tiết và nguồn cung năng lượng tái tạo theo mùa. Hiện tại, trữ lượng khí đốt tự nhiên được lưu trữ ở Anh để sưởi ấm trong những tháng mùa đông trong trường hợp có những đợt lạnh đặc biệt.
Amoniac đóng một vai trò quan trọng trong việc lưu trữ năng lượng dài hạn do tính năng ưu việt nhất của nó – mật độ năng lượng thể tích cao. Khi một lượng lớn năng lượng cần được lưu trữ trong một khoảng thời gian dài, amoniac lỏng trở nên cạnh tranh hơn nhiều do các thể tích tương đương cần thiết cho việc lưu trữ khí hydro và tổn thất năng lượng (>30%) khi lưu trữ hydro lỏng.
Hydro lỏng ước tính đắt hơn ít nhất mười lần so với sản xuất và lưu trữ amoniac lỏng do yêu cầu đạt nhiệt độ rất thấp. Tuy nhiên, các hang động muối, mặc dù giới hạn về mặt địa lý, cung cấp khả năng lưu trữ một lượng lớn khí hydro với chi phí thấp hơn 10% so với amoniac lỏng. Ngoài ra, các hydrua rắn khác nhau và chất hấp phụ hydro đang được khám phá để tăng mật độ lưu trữ thể tích, nhưng amoniac vẫn rất cạnh tranh về chi phí.
Vận chuyển/thương mại năng lượng đường dài
Khi năng lượng tái tạo bắt đầu được áp dụng trên toàn thế giới, rõ ràng là một số quốc gia được hưởng lợi từ tiềm năng năng lượng tái tạo lớn hơn những quốc gia khác. Một tình huống tương tự đã phát triển trong kỷ nguyên nhiên liệu hóa thạch, khi các quốc gia có kho dự trữ tự nhiên phát triển các ngành xuất khẩu lớn. Thật không may, nói chung dễ dàng vận chuyển nhiên liệu hóa thạch hơn năng lượng tái tạo (điện) trên khoảng cách lớn, nhưng việc chuyển đổi năng lượng tái tạo thành một vector đậm đặc như amoniac lỏng có thể là một giải pháp khả thi – và không chứa carbon.
Gần đây, Úc đã xuất khẩu năng lượng sang Nhật Bản dưới dạng hydro lỏng do chiến dịch lớn do chính trị thúc đẩy cho nhiên liệu hydro ở Nhật Bản, tuy nhiên, Úc đã công nhận amoniac lỏng có lẽ là một giải pháp thay thế đầy hứa hẹn hơn trong dài hạn.
Khi nói đến việc vận chuyển amoniac lỏng hoặc hydro lỏng, amoniac có một lợi thế bổ sung do sự hiện diện phổ biến của nó trong thương mại thế giới.
Amoniac tổng hợp đã được sử dụng trong hơn 100 năm làm phân bón và để nuôi khoảng 50% dân số thế giới, sản lượng hiện tại của nó vượt quá 170 triệu tấn hàng năm. Việc phân phối từ các nhà máy tập trung được cung cấp bởi khí đốt tự nhiên hoặc than đá được thực hiện bằng sà lan, toa xe lửa và đường ống để tạo ra một thị trường toàn cầu vượt quá 5 tỷ đô la Mỹ vào năm 2017.
Một khía cạnh đặc biệt thú vị của vận chuyển amoniac là đường ống dẫn đường dài. Các đường ống Magellan và NuStar ở Hoa Kỳ vận chuyển amoniac lỏng từ bờ biển và tài nguyên khí đốt tự nhiên đến các khu vực thâm canh phân bón trên hàng ngàn km. Khi áp dụng cho vận chuyển năng lượng, đường ống dẫn, đường sắt và xe tải amoniac mất ít năng lượng hơn so với đường dây truyền tải điện khi vận chuyển trên khoảng cách lớn, khiến amoniac trở thành một phương tiện đầy hứa hẹn cho thương mại quốc tế về năng lượng tái tạo.
Cung cấp nhiên liệu cho ngành giao thông vận tải
Việc cung cấp năng lượng cho ô tô, xe tải và xe buýt cấu thành một phân khúc lớn trong tiêu thụ năng lượng cần được thay thế bằng năng lượng tái tạo. Do những hạn chế về không gian, trọng lượng và chi phí liên quan đến vận chuyển, mật độ năng lượng thể tích cao của amoniac lỏng làm cho nó trở nên đặc biệt hấp dẫn. Tuy nhiên, các vấn đề công nghệ liên quan đến việc khai thác năng lượng của amoniac, được thảo luận trong phần tiếp theo, hiện đang cản trở việc sử dụng nó để cung cấp nhiên liệu cho giao thông vận tải. Do đó, hydro hiện là một con đường khả thi hơn để cung cấp nhiên liệu cho ngành giao thông vận tải, đặc biệt là đối với các loại xe thương mại lớn, nơi không gian và chi phí ít bị hạn chế hơn, trong khi các loại xe tiêu dùng nhỏ có thể dễ dàng được cung cấp năng lượng hơn, ít nhất là trong thời gian hiện tại, bằng pin.
Amoniac – Thách Thức và Lựa Chọn
Tổng hợp hydro bền vững
Để lưu trữ năng lượng tái tạo trong amoniac, nitơ có thể thu được từ không khí và hydro từ điện phân thay vì metan. Máy nén vòng Haber-Bosch có thể được cung cấp năng lượng trực tiếp bằng điện thay vì hơi nước, làm tăng hiệu quả của chúng từ ~45% lên ~95%. Tuy nhiên, hiệu quả sản xuất hydro từ năng lượng tái tạo thông qua quá trình tách nước thấp hơn đáng kể so với từ nhiên liệu hóa thạch (tức là cải tạo metan), làm nổi bật tầm quan trọng then chốt đối với sự phát triển trong tương lai của các chất điện phân hiệu quả để sản xuất hydro xanh và do đó là amoniac xanh.
Định nghĩa lại quy trình Haber-Bosch
Việc điều chỉnh sản xuất amoniac với năng lượng tái tạo cũng đòi hỏi phải xác định lại quy trình Haber-Bosch tiêu tốn nhiều năng lượng hiện tại thành một quy trình nhanh nhẹn và có vốn thấp hơn để phù hợp với năng lượng tái tạo gián đoạn và biệt lập. Áp suất cao (>100 bar), nhiệt độ cao (>400°C), tích hợp nhiệt và vòng tái chế lớn của quy trình chỉ làm cho nó hoạt động ở trạng thái ổn định trong các nhà máy quy mô lớn. Việc xác định lại quy trình Haber-Bosch có thể thực hiện được thông qua việc khám phá các chất xúc tác mới – vốn là một lĩnh vực nghiên cứu tích cực trong hơn 50 năm – hoặc thông qua việc sử dụng một kỹ thuật tách amoniac mới (tức là hấp thụ) để thay thế quá trình ngưng tụ và khắc phục những hạn chế về cân bằng.
Khai thác năng lượng từ amoniac
Trong số một số cách để khai thác năng lượng của amoniac, việc kết hợp quá trình phân hủy xúc tác amoniac với pin nhiên liệu PEM hydro thương mại là một lựa chọn hấp dẫn do sự trưởng thành về công nghệ của pin nhiên liệu hydro so với pin nhiên liệu amoniac. Tuy nhiên, một thách thức then chốt là sự cần thiết phải loại bỏ chọn lọc hydro để ngăn amoniac chưa phản ứng đầu độc chất xúc tác pin nhiên liệu. Ngoài ra, quá trình này dựa vào việc phát triển các chất xúc tác phá vỡ amoniac ở các điều kiện phù hợp với các điều kiện của pin nhiên liệu PEM, như đã được Bộ Năng lượng Hoa Kỳ xác định, dẫn đến nghiên cứu sâu rộng gần đây trong lĩnh vực này.
Việc sử dụng trực tiếp amoniac làm nhiên liệu vận chuyển thay vì hydro sẽ rẻ hơn đáng kể khi sử dụng pin nhiên liệu amoniac trực tiếp, nhưng công nghệ này đang ở giai đoạn phát triển ban đầu. Ngoài ra, năng lượng của amoniac có thể được khai thác trực tiếp bằng cách đốt cháy. Cách tiếp cận này gây ra lượng khí thải nitơ oxit (NOx) cao, điều này đã khởi xướng nghiên cứu về quá trình đốt cháy amoniac có NOx thấp. Hỗn hợp amoniac và hydro được làm ẩm đã chứng minh ngọn lửa ít ô nhiễm và hiệu quả cạnh tranh với tua bin khí đốt tự nhiên. Tuy nhiên, cần có thêm công việc liên quan đến khả năng phản ứng của amoniac và nước chưa đốt cũng như mở rộng quy mô lên các điều kiện công nghiệp.
Hiệu quả khứ hồi
Trong việc triển khai amoniac trong tương lai trong thương mại và lưu trữ năng lượng, một khía cạnh then chốt là hiệu quả năng lượng khứ hồi – xem xét năng lượng cần thiết để tổng hợp amoniac từ năng lượng tái tạo dư thừa và phân phối theo yêu cầu. Hiện tại, hiệu quả khứ hồi của amoniac lỏng là 11-19%, tương tự như giá trị của hydro lỏng là 9-22%. Những tiến bộ công nghệ trong điện phân và pin nhiên liệu hydro sẽ có tác động đến cả tính khả thi của hydro và amoniac như là phương tiện và vector lưu trữ năng lượng tái tạo, trong khi những cải tiến đối với quá trình tổng hợp và phân hủy amoniac, đốt cháy và/hoặc pin nhiên liệu sẽ làm cho việc sử dụng amoniac trở nên cạnh tranh hơn.
