Trong khi ngành công nghiệp hydro sạch đang đối mặt với những thất bại lớn khi chỉ có 11% công suất sản xuất dự kiến năm 2030 đạt được quyết định đầu tư cuối cùng, một phương pháp thay thế đang thu hút sự chú ý trong các giới công nghệ. Nhiệt phân methane, công nghệ tách khí đốt tự nhiên thành hydro và carbon rắn mà không tạo ra carbon dioxide, đang gây ra cuộc tranh luận về việc liệu nó có thể biến đổi cả sản xuất năng lượng và kinh tế nhiên liệu hóa thạch hay không.
Kinh tế năng lượng có thể có lợi cho các công ty khí đốt tự nhiên
Khía cạnh hấp dẫn nhất của nhiệt phân methane nằm ở tiềm năng tăng đáng kể mức tiêu thụ khí đốt tự nhiên trong khi đáp ứng các mục tiêu phát thải bằng không. Các tính toán năng lượng cho thấy khoảng một nửa năng lượng đốt cháy của methane đến từ việc hình thành hydro, trong khi nửa còn lại đến từ việc hình thành carbon dioxide. Điều này có nghĩa là một nhà máy điện khí đốt tự nhiên không phát thải sử dụng nhiệt phân sẽ cần khoảng gấp đôi lượng khí để tạo ra cùng một sản lượng điện.
Đối với các công ty nhiên liệu hóa thạch, điều này mang đến một cơ hội bất ngờ. Thay vì đối mặt với việc bị loại bỏ trong quá trình chuyển đổi năng lượng sạch, họ có thể thấy nhu cầu đối với sản phẩm của mình tăng gấp đôi. Quy trình hoạt động bằng cách đầu tiên tách các nguyên tử carbon trong môi trường không có oxy, sau đó đốt cháy hydro còn lại để cung cấp năng lượng cho chu trình.
So sánh Yêu cầu Năng lượng:
- Điện phân: 50+ kWh trên mỗi kg hydro
- Nhiệt phân Methane: 9-12 kWh trên mỗi kg hydro
- Hiệu suất pin nhiên liệu: ~70% (25 kWh/kg sản lượng hydro)
- Hiệu suất khứ hồi cho điện phân: Kém do yêu cầu năng lượng đầu vào cao
- Hiệu suất khứ hồi cho nhiệt phân: Tốt hơn do yêu cầu năng lượng thấp hơn
Sản phẩm phụ carbon rắn tạo ra cơ hội doanh thu
Khác với các phương pháp sản xuất hydro truyền thống gặp khó khăn về tính khả thi kinh tế, nhiệt phân methane tạo ra các vật liệu carbon rắn có giá trị như sản phẩm phụ. Chúng bao gồm từ carbon đen được sử dụng trong sản xuất lốp xe đến chất thay thế graphite cho pin. Với 20 kg methane có giá khoảng 3 đô la Mỹ ngày nay nhưng chứa 15 kg carbon có thể trị giá 20-30 đô la Mỹ, triển vọng kinh tế trông rất hứa hẹn.
Sản xuất carbon đen hiện tại nổi tiếng là bẩn, với cường độ CO2 trung bình gần 4 kg CO2 trên mỗi kg carbon được sản xuất. Một số công ty đã từ bỏ các nhà máy của họ thay vì thực hiện các nâng cấp môi trường do EPA yêu cầu. Nhiệt phân methane có thể làm sạch ngành công nghiệp này trong khi tạo ra hydro như một sản phẩm thưởng.
Kinh tế sản phẩm carbon:
- Chi phí 20 kg methane: ~3 USD
- Hàm lượng carbon: 15 kg (75% theo trọng lượng)
- Giá trị carbon tiềm năng: 20-30 USD
- Cường độ CO2 của carbon đen hiện tại: 4 kg CO2 trên mỗi kg carbon
- Khí tự nhiên được chứng nhận: lượng khí thải CO2 thấp hơn 90% so với mức trung bình
Lợi thế về địa lý và cơ sở hạ tầng
Công nghệ này mang lại những lợi ích thực tế so với các phương pháp hydro sạch khác. Với hơn 3 triệu dặm đường ống khí đốt tự nhiên đã có sẵn trên khắp Hoa Kỳ, các nhà máy nhiệt phân methane có thể được đặt gần hơn nhiều với các trung tâm nhu cầu. Điều này giải quyết vấn đề vận chuyển hydro đắt đỏ làm khổ các cơ sở điện phân xa xôi.
Quy trình này cũng đòi hỏi ít hoặc không cần nước, giải quyết mối lo ngại về các dự án điện phân ở những vùng khan hiếm nước nơi năng lượng mặt trời dồi dào. Thiết kế lò phản ứng modular cho phép mở rộng quy mô dần dần và sản xuất tại chỗ, giảm cả chi phí và rào cản áp dụng.
Lợi thế về Cơ sở hạ tầng:
- Mạng lưới đường ống khí đốt tự nhiên của US : hơn 3 triệu dặm
- Yêu cầu về nước: Tối thiểu (so với mức cao đối với điện phân và SMR )
- Tính linh hoạt về địa lý: Cao do cơ sở hạ tầng khí đốt hiện có
- Thiết kế lò phản ứng mô-đun: Cho phép mở rộng quy mô dần dần
- Tiềm năng đồng vị trí: Có thể được đặt gần các trung tâm tiêu thụ
Thách thức kỹ thuật và mối quan ngại về môi trường
Mặc dù có triển vọng kinh tế hứa hẹn, nhiệt phân methane vẫn đối mặt với những trở ngại đáng kể. Chất lượng và khả năng tiếp thị của các sản phẩm carbon sẽ quyết định thành công thương mại. Ngoài ra, việc sử dụng khí đốt tự nhiên làm nguyên liệu đầu vào đòi hỏi quản lý cẩn thận rò rỉ methane trong toàn bộ chuỗi cung ứng, vì ngay cả lượng nhỏ methane thoát ra cũng có thể làm mất đi lợi ích khí hậu.
Chúng ta phải ngừng khai thác carbon từ lòng đất ngay từ hôm qua. Biến đổi khí hậu không phải là trò lừa bịp, không biến mất, và là một cuộc khủng hoảng hiện sinh phải được giải quyết bằng cách loại bỏ việc khai thác carbon ở mức độ lớn nhất có thể.
Tình cảm này phản ánh mối quan ngại rộng lớn hơn về bất kỳ công nghệ nào kéo dài việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch, ngay cả khi có lợi ích môi trường.
Các ứng dụng thực tế đang xuất hiện
Các công ty đã bắt đầu vượt ra ngoài giai đoạn thử nghiệm trong phòng thí nghiệm. Monolith Materials đã sản xuất carbon đen cho Goodyear bằng cách sử dụng nhiệt phân methane, mặc dù họ đã đối mặt với thách thức trong việc đáp ứng mục tiêu cho khoản vay 1 tỷ đô la Mỹ từ Bộ Năng lượng. Trong khi đó, các quốc gia bao gồm Canada, Đức và Australia đang hỗ trợ phát triển nhiệt phân methane cùng với Hoa Kỳ.
Công nghệ này có thể tìm thấy điểm ngọt ngào trong các ứng dụng công nghiệp đòi hỏi cả hydro và vật liệu carbon, chẳng hạn như sản xuất phân bón kết hợp với sản xuất carbon đen. Phương pháp sử dụng kép này tối đa hóa giá trị của cả hai sản phẩm trong khi giảm thiểu chất thải.
Khi thị trường hydro sạch hiệu chỉnh lại sau những thất bại ban đầu, nhiệt phân methane đại diện cho một giải pháp trung dung thực dụng. Nó tận dụng cơ sở hạ tầng hiện có, tạo ra nhiều nguồn doanh thu, và có thể đạt được phát thải trực tiếp bằng không trong khi ngành công nghiệp hướng tới các giải pháp dài hạn. Liệu nó có thể vượt qua các thách thức kỹ thuật và sự phản đối về môi trường vẫn còn phải xem, nhưng các động lực kinh tế ngày càng khó có thể bỏ qua.
Tham khảo: Clean Hydrogen at a Crossroads: Why Methane Pyrolysis Deserves Attention