Mã số N3050: Định hướng một tương lai xanh với với năng lượng hydro

Các giải pháp kiểm soát hydro một cách đáng tin cậy, an toàn và hiệu quả là rất quan trọng. Điều này không chỉ cần thiết cho sự thành công của các trung tâm hydro mà còn cho cả việc phổ biến và áp dụng rộng rãi công nghệ hydro trong tương lai.

Các giải pháp kiểm soát hydro một cách đáng tin cậy, an toàn và hiệu quả là rất quan trọng.

Hydro là một nhiên liệu thay thế quan trọng trên con đường giảm phát thải carbon. Các chính phủ trên khắp thế giới đang hỗ trợ ngành công nghiệp hydro tái tạo thông qua các khoản trợ cấp đáng kể nhằm đạt được mục tiêu phát thải ròng bằng không, định vị ngành công nghiệp này cho sự phát triển. Tại Mỹ, Đạo luật Giảm lạm phát bao gồm các ưu đãi lên đến 3 USD mỗi kg tín dụng thuế cho sản xuất hydro xanh. Điều này nhằm thúc đẩy việc chấp nhận hydro xanh trong thập kỷ tới so với “hydro xám”, chủ yếu được sản xuất thông qua quá trình chuyển hóa hơi methan (SMR).

Tuy nhiên, để tạo ra một tương lai mà hydro xanh được sử dụng rộng rãi và có chi phí hợp lý, chúng ta cần có sự tăng tốc nhanh chóng và triển khai thành công. Trong các trung tâm sản xuất điện phân, hydro phải chịu áp suất cao và, như nhiều nhiên liệu khác, có thể gây nổ nếu không được xử lý đúng cách. Để đạt được một bối cảnh có thể đáp ứng nhu cầu một cách hiệu quả, kinh tế và an toàn, điều quan trọng là các công ty phải xác định các công nghệ có thể kiểm soát phương tiện một cách đáng tin cậy và hiệu quả, bao gồm cả nhiên liệu hydro trong quá trình sản xuất.

Tầm quan trọng của hydro xanh

Cũng được gọi là hydro sạch, hydro xanh có thể giúp giảm tới 80 tỷ tấn khí thải carbon dioxide (CO2) vào năm 2050. Mức giảm này có thể giúp nhiều ngành công nghiệp, bao gồm cả giao thông vận tải, giảm thiểu lượng khí thải carbon, từ đó thúc đẩy nhu cầu và tạo ra những cơ hội sinh lời cho các nhà sản xuất hydro. Thực tế, thị trường hydro xanh toàn cầu dự kiến sẽ đạt 108 tỷ USD vào năm 2031 với tốc độ tăng trưởng kép hàng năm (CAGR) đáng kinh ngạc là 68,9% trong giai đoạn 2022-2031.

Hydro không chỉ hữu ích trong sản xuất phân bón và lọc dầu, mà còn có một lợi ích rất quan trọng đối với tương lai năng lượng xanh. Đó là khả năng lưu trữ và vận chuyển năng lượng của nó.

Năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời và gió thường không ổn định, bởi vì chúng phụ thuộc vào thời tiết. Điều này có thể gây ra sự cố về lưới điện. Nhưng hydro có thể giải quyết được vấn đề này.

Hydro chứa rất nhiều năng lượng, gấp 3 lần xăng. Chúng ta có thể sử dụng hydro để lưu trữ năng lượng từ các nguồn tái tạo khi chúng sản xuất ra nhiều. Sau đó, khi cần chúng ta có thể lấy hydro ra để sử dụng, như một nguồn dự trữ năng lượng. Nhờ vậy, hydro sẽ giúp ổn định lưới điện, hỗ trợ việc sử dụng rộng rãi các nguồn năng lượng tái tạo. Đây là một lợi ích rất quan trọng của hydro trong tương lai năng lượng xanh.

Các công ty trong chuỗi giá trị hydro đang nỗ lực để biến tương lai hydro xanh trở thành hiện thực. Nhiều dự án quy mô lớn đang được triển khai hoặc lên kế hoạch, bao gồm các máy điện phân để sản xuất hydro. Mở rộng quy mô thành công là yếu tố then chốt để giảm giá hiện tại của hydro xanh, hiện đang cao hơn nhiên liệu hydrocacbon và các loại hydro khác. Điều này sẽ giúp thúc đẩy việc áp dụng hydro xanh.

Dự kiến, thông qua việc mở rộng quy mô thành công và giảm chi phí năng lượng tái tạo, giá hydro xanh có thể giảm 30% vào năm 2030.

Hydro là một nhiên liệu thay thế quan trọng trên con đường giảm phát thải carbon.

Sản xuất hydro xanh thông qua quá trình điện phân

Hydro xanh được sản xuất thông qua quá trình điện phân kiềm, màng điện phân polyme (PEM) hoặc màng trao đổi anion (AEM) và các tế bào điện phân oxit rắn sử dụng năng lượng tái tạo. Trong tất cả các quy trình, máy điện phân sử dụng dòng điện để tách phân tử nước thành các nguyên tố cơ bản là oxy và hydro. AEM có thể sử dụng ít vật liệu hơn kiềm và PEM, trong khi SOEC có thể lấy hơi nước từ người dùng cuối, tăng hiệu quả.

Quy trình điện phân bao gồm làm lạnh, tạo hydro, tinh chế hydro và tinh chế nước. Để đáp ứng nhu cầu thị trường, điều quan trọng là máy điện phân phải hoạt động hiệu quả, đáng tin cậy và an toàn nhất có thể.

Các công nghệ hiện đại ngày nay cho phép kiểm soát các quy trình một cách chính xác, tối ưu hóa sản xuất và đạt được độ tinh khiết hydro mong muốn, từ tầng sản xuất đến trung tâm điều khiển. Để máy điện phân hoạt động hiệu quả và an toàn, cần phải kiểm soát chính xác dòng chảy của tất cả các chất lỏng, bao gồm nước, hydro, oxy, không khí, nitơ và hơi nước.

Các van đáng tin cậy, van điều áp và bộ điều khiển logic lập trình (PLC) thông minh có thể cung cấp mức độ kiểm soát các chất liệu ở mức cao, ngăn ngừa rò rỉ và giảm thiểu thời gian và chi phí bảo trì, đồng thời bảo vệ toàn bộ nhà máy.

Trong máy điện phân, có bốn lớp hoạt động cùng nhau để kiểm soát môi trường một cách hiệu quả, đáng tin cậy và an toàn.

Lớp đầu tiên là bất kỳ van nào kiểm soát dòng chảy của môi trường – oxy, nước hoặc hydro và bao gồm cả bộ điều chỉnh áp suất ngược và van ngắt khí nén. Các van và bộ điều chỉnh hiệu quả sẽ kiểm soát ngay cả chênh lệch áp suất kết hợp giữa việc sản xuất hydro và oxy làm tăng hiệu quả.

Lớp thứ hai là lớp truyền động, bao gồm các đảo van và van điều khiển solenoid. Cả hai thành phần đều có chung chức năng là kích hoạt các van ngắt khí nén xử lý môi trường quy trình. Đây là những van yêu cầu bảo vệ IP66, trong khi van khí nén không yêu cầu xếp hạng này.

Lớp thứ ba là PLC và lớp thứ tư là hệ thống giám sát và thu thập dữ liệu (SCADA). PLC có thuật toán điều khiển và thực hiện logic mong muốn bằng cách gửi tín hiệu điện đến các van thí điểm để kiểm soát môi trường quy trình. PLC được chứng nhận an toàn đảm bảo rằng nhà máy trải qua quá trình tắt máy an toàn, có kiểm soát trong trường hợp xảy ra sự cố nguy hiểm như rò rỉ khí hoặc hỏa hoạn.

Ngoài ra, hệ thống SCADA thu thập tất cả dữ liệu của nhà máy và cung cấp các màn hình hiển thị của người vận hành và kỹ thuật, xu hướng, phân tích, báo động và thông báo. Do đó cung cấp khả năng kiểm soát và giám sát quy trình của nhà máy thông qua bảng hiển thị hoặc giao diện người-máy (HMI). Và hệ thống quản lý năng lượng, công cụ dự đoán và thiết bị thông minh giúp giải quyết các thách thức như điện không liên tục.

Bốn lớp này tạo thành hệ sinh thái điều khiển trong một nhà máy điện phân hydro. Trong khi bộ điện phân hydro là một phần của nhà máy, các khoang khác như bộ đệm, máy nén, khâu tinh chế cũng là một phần, và những khoang này cũng có rất nhiều van và các chức năng như điều khiển gió cũng có thể được quản lý bởi hệ thống SCADA.

Ảnh minh họa

Lợi ích của phương pháp tích hợp, có khả năng mở rộng

Để bảo vệ con người và tài sản đồng thời tối đa hóa mức sản xuất, điều cần thiết là các máy điện phân trong các trung tâm hydro hoạt động an toàn và hiệu quả nhất có thể. Một cách để đảm bảo điều này là thông qua chuyển đổi kỹ thuật số (DX). Trong khi các nhà sản xuất máy điện phân và nhà sản xuất hydro có thể tìm nguồn công nghệ từ nhiều nhà cung cấp để thiết kế các giải pháp DX, có một lợi thế khác biệt khi áp dụng phương pháp tiếp cận tích hợp, có khả năng mở rộng đối với DX.

Một phương pháp tích hợp và có khả năng mở rộng cho DX sẽ cung cấp cho các nhà sản xuất hydro khả năng giám sát và kiểm soát thời gian thực, giúp họ liên tục tối ưu hóa hoạt động và tự động hóa các quy trình cốt lõi. Bằng cách tích hợp một chồng công nghệ bao gồm cảm biến, phần cứng tự động hóa cũng như phần mềm công nghiệp và phần mềm tại thiết bị biên, các nhà sản xuất có thể đưa ra quyết định có tính toán, giải quyết vấn đề và hiện thực hóa các mục tiêu đầy tham vọng. Loại phương pháp tiếp cận này cũng có thể tạo ra một dấu vết kỹ thuật số có thể giúp xác định xu hướng, phát hiện lỗi, thực hiện phân tích nguyên nhân gốc rễ và dự đoán lỗi, mang lại cho các trung tâm một lợi thế đáng kể về lâu dài.

Với mức độ thông tin chi tiết trong từng thời điểm này, các nhà sản xuất có thể đưa ra các quyết định hợp lý, giải quyết các vấn đề và hiện thực hóa những mục tiêu tham vọng. Phương pháp này còn có thể tạo ra một “vết tích số” giúp xác định xu hướng, phát hiện lỗi, phân tích nguyên nhân gốc rễ và dự đoán các sự cố, mang lại cho các trung tâm sản xuất một lợi thế đáng kể trong dài hạn.

Khi thực hiện phương pháp tiếp cận này, điều quan trọng là phải làm việc với một đối tác có kinh nghiệm về hydro và DX đã được chứng minh. Loại nhà cung cấp này có danh mục toàn diện về công nghệ điều khiển dòng chảy và điều chỉnh áp suất cũng như các tổ hợp phần cứng và phần mềm được tối ưu hóa. Điều này giúp các nhà sản xuất hydro có thể xây dựng các giải pháp sản xuất hydro từ tầng trệt trở lên một cách tích hợp để có được khả năng tương thích, khả năng mở rộng và bảo mật tối ưu.

Thực hiện các bước tiếp theo

Tương lai của hydro xanh trước tiên phụ thuộc vào sự thành công của quá trình sản xuất và các giải pháp áp suất cao có thể kiểm soát hydro và các phương tiện khác một cách an toàn, hiệu quả. Với mức độ kiểm soát cao, các nhà sản xuất máy điện phân và nhà sản xuất hydro có thể tự tin lắp đặt và mở rộng quy mô các hệ thống sản xuất hydro đáp ứng nhu cầu thị trường. Nền tảng quan trọng này có tiềm năng thúc đẩy việc sử dụng hydro xanh toàn cầu và tương lai biến đổi của năng lượng hydro.

Tác giả: Hồng Minh

Đơn vị: Tạp chí Tự động hóa ngày nay