Nghiên cứu trường hợp nhà máy nhiệt điện than quy mô trung bình tại Nhật Bản
Giới thiệu
Trong bối cảnh nỗ lực giảm phát thải khí nhà kính toàn cầu, Nhật Bản đang tiên phong trong việc phát triển công nghệ đồng đốt amoniac với than tại các nhà máy nhiệt điện. Công nghệ này được kỳ vọng sẽ giúp giảm lượng khí CO₂ phát thải trực tiếp, đồng thời tận dụng cơ sở hạ tầng hiện có. Bài viết này phân tích toàn diện tác động môi trường theo phương pháp đánh giá vòng đời (LCA) và hiệu quả kinh tế của công nghệ đồng đốt amoniac với than tại các nhà máy nhiệt điện Nhật Bản.
Bồn chứa Amoniac tại nhà máy nhiệt điện than Hekinan (Nguồn: JERA)
I. Tác động môi trường
1. Hiệu quả giảm phát thải CO₂
Tiềm năng giảm phát thải trực tiếp:
Đồng đốt amoniac giúp giảm lượng CO₂ sinh ra từ quá trình đốt than tương ứng với tỷ lệ amoniac thay thế. Với tỷ lệ thay thế 20% năng lượng than bằng amoniac, lượng CO₂ tại ống khói có thể giảm khoảng 20%. Một nhà máy than 1 GW thông thường phát thải khoảng 5 triệu tấn CO₂ mỗi năm, nên việc đồng đốt 20% amoniac có tiềm năng cắt giảm khoảng 1 triệu tấn CO₂/năm.
Hiệu quả giảm CO₂ theo vòng đời (LCA):
Hiệu quả thực tế phụ thuộc lớn vào nguồn sản xuất amoniac. Nếu sử dụng amoniac “xám” (sản xuất từ nhiên liệu hóa thạch không có xử lý CO₂), lợi ích giảm phát thải sẽ bị hạn chế đáng kể. Theo ước tính của METI (Bộ Kinh tế, Thương mại và Công nghiệp Nhật Bản), đồng đốt 20% amoniac tại tất cả các nhà máy than lớn của Nhật có thể giảm khoảng 40 triệu tấn CO₂ phát thải tại nhà máy. Tuy nhiên, việc sản xuất lượng amoniac cần thiết (20 triệu tấn NH₃ mỗi năm) lại thải ra khoảng 32 triệu tấn CO₂, khiến mức giảm ròng chỉ còn khoảng 800 nghìn tấn (tương đương 4%). Để đạt lợi ích thực sự về giảm phát thải, cần sử dụng amoniac “xanh” (sản xuất bằng điện phân từ năng lượng tái tạo) hoặc “xanh lam” (từ khí tự nhiên có thu hồi CO₂).
2. Ảnh hưởng đến phát thải NOₓ và N₂O
Buồng đốt amoniac cải hoán từ buồng đốt có sẵn trong nhà máy nhiệt điện do IHI phát triển (Nguồn: JERA)
Amoniac chứa nitơ nên khi cháy có thể tạo ra oxit nitơ (NOₓ) và đặc biệt là nitrous oxide (N₂O) – một khí nhà kính có tiềm năng gây nóng gấp 273 lần CO₂ (theo thang 100 năm). Thử nghiệm đồng đốt 20% amoniac tại nhà máy Hekinan (1.000 MW) năm 2023-2024 cho thấy kết quả khả quan:
Nồng độ NOₓ không tăng so với khi đốt than đơn thuần
Khí N₂O sinh ra thấp dưới ngưỡng phát hiện nhờ thiết kế đầu đốt tối ưu
Công nghệ phù hợp (như buồng đốt do hãng IHI phát triển) đã chứng minh khả năng kiểm soát NOₓ hiệu quả. Tuy nhiên, việc vận hành không tối ưu có thể làm tăng NOₓ, đòi hỏi hệ thống xử lý khói và điều chỉnh quá trình cháy cẩn thận.
3. Giảm phát thải SOₓ
Do amoniac không chứa lưu huỳnh, việc thay một phần than bằng amoniac giúp giảm tỷ lệ thuận phát thải SO₂ (SOx). Thử nghiệm 20% amoniac tại Hekinan cho thấy nồng độ SOx giảm khoảng 20% so với đốt than hoàn toàn. Lợi ích trực tiếp: giảm ô nhiễm không khí (axit hóa) và giảm chi phí xử lý khí thải lưu huỳnh
4. Hiệu suất năng lượng
Hiệu suất phát điện của hệ thống đồng đốt amoniac nhìn chung tương đương với nhà máy than thông thường nếu được thiết kế hợp lý. Mặc dù amoniac có nhiệt trị thấp hơn than, nhưng các thử nghiệm cho thấy lò hơi vẫn vận hành ổn định. JERA báo cáo tính ổn định và khả năng vận hành của tổ máy khi đốt kèm 20% amoniac gần như tương đương đốt than 100%. Ở tỷ lệ đồng đốt cao hơn (>20%), có thể cần hiệu chỉnh quá trình cháy do đặc tính cháy khác biệt của amoniac. Các cải tiến trong dự án chiến lược của Nhật (như vòi đốt kép, kiểm soát nhiệt độ cháy) đã được phát triển nhằm đảm bảo cháy ổn định và giảm NOₓ khi dùng amoniac.
II. Hiệu quả kinh tế
1. Chi phí đầu tư ban đầu
Cơ sở hạ tầng và thiết bị nhà máy:
Triển khai đồng đốt amoniac đòi hỏi đầu tư bổ sung đáng kể, bao gồm:
Hệ thống vòi đốt và bộ phun amoniac (cần lắp thêm hoặc thay thế trên các đầu đốt than hiện có)
Bồn chứa amoniac lỏng quy mô lớn tại nhà máy
Thiết bị hóa hơi amoniac (chuyển NH₃ lỏng thành khí)
Hệ thống đường ống, van an toàn và cảm biến chuyên dụng
Ví dụ thực tế: Tại Hekinan, JERA đã lắp bồn chứa khoảng 2.000 m³ (1.300 tấn NH₃) và máy hóa hơi để phục vụ thử nghiệm 20% đồng đốt
Chuỗi cung ứng:
Để vận hành dài hạn, cần phát triển chuỗi cung ứng amoniac quy mô lớn (nhà máy sản xuất, cảng tiếp nhận, tàu chuyên chở). JERA thừa nhận việc chuyển sang dùng nhiên liệu amoniac sẽ cần “đầu tư khổng lồ” cho cả thiết bị nhà máy và chuỗi sản xuất nhiên liệu
2. Chi phí vận hành và bảo trì
Chi phí nhiên liệu: Thách thức lớn nhất là giá nhiên liệu amoniac cao hơn nhiều so với than trên mỗi đơn vị năng lượng. Phân tích của TransitionZero cho thấy việc chuyển từ than thường sang đồng đốt 20% amoniac sẽ làm chi phí nhiên liệu tăng gấp đôi, ngay cả khi dùng amoniac xám rẻ nhất (E3G, 2023).
Chi phí bảo trì và an toàn: Chi phí bảo trì có thể tăng do yêu cầu đảm bảo an toàn phòng rò rỉ NH₃ (chất độc hại), bảo dưỡng thiết bị lưu trữ và bơm NH₃ và kiểm soát ăn mòn hoặc ảnh hưởng hóa học của amoniac trên vật liệu thiết bị.
Tổng chi phí phát điện:
So sánh giá điện quy dẫn tại Nhật vào năm 2030 và 2050 (Nguồn: BloombergNEF)
Giá thành phát điện từ đồng đốt amoniac hiện nay cao hơn hẳn so với đốt than truyền thống. BloombergNEF ước tính giá điện quy đổi (LCOE) cho nhà máy than cải hoán với:
50% amoniac vào năm 2030: khoảng 136 USD/MWh (tương đương 18 ¥/kWh)
100% amoniac năm 2050: khoảng 168 USD/MWh
Mức này cao hơn nhiều so với chi phí điện than hiện tại và thậm chí cao hơn điện gió, điện mặt trời ở Nhật. Ủy ban Chi phí Điện năng (METI) tính toán đồng đốt 20% NH₃ có giá khoảng 20,2 ¥/kWh – hơn gấp đôi điện than thông thường (khoảng 10 ¥/kWh).
3. Lợi ích kinh tế tiềm năng
Đa dạng hóa nhiên liệu và an ninh năng lượng:
Nhật Bản phụ thuộc lớn vào than nhập khẩu nên việc bổ sung amoniac (có thể nhập từ nhiều nguồn hoặc sản xuất trong nước) giúp đa dạng hóa nguồn nhiên liệu, giảm rủi ro biến động giá than dài hạn.
Tín dụng carbon và chi phí phát thải:
Trong tương lai, nếu thuế carbon tăng cao hoặc quy định cắt giảm CO₂ nghiêm ngặt hơn, đồng đốt amoniac có thể giúp tránh được chi phí phát thải CO₂. BNEF phân tích rằng cần mức thuế carbon khoảng 300 USD/tấn CO₂ thì đồng đốt amoniac 20% mới có lãi vào 2030 (so với mức thuế carbon hiện tại khoảng 3 USD/tấn).
Hỗ trợ chính sách và trợ cấp:
Chính phủ Nhật Bản đang hỗ trợ mạnh mẽ cho các dự án đồng đốt amoniac. Năm 2021, chính phủ đã thành lập Quỹ đổi mới xanh 2 nghìn tỷ yên, một phần dành cho phát triển công nghệ nhiên liệu amoniac và hydrogen. Ngoài ra, trợ cấp 27,9 tỷ yên (khoảng 187 triệu USD) cho các dự án trình diễn đồng đốt amoniac (mục tiêu đạt 50% đồng đốt vào 2029).
Cơ chế chia sẻ chi phí như Hợp đồng chênh lệch (CfD) để bù đắp chênh lệch giá nhiên liệu và đề xuất điện sản xuất từ amoniac được hưởng hỗ trợ tương tự điện tái tạo (như giá FIT) cũng là một số chính sách ưu đãi của chính phủ.
Lợi ích công nghiệp:
Việc đi đầu phát triển công nghệ đồng đốt amoniac có thể mang lại lợi ích kinh tế gián tiếp như:
Dẫn dắt thị trường xuất khẩu công nghệ và thiết bị (vòi đốt amoniac, hệ thống kho vận NH₃)
Tạo công ăn việc làm trong các dự án cơ sở hạ tầng nhiên liệu mới
Xây dựng vị thế dẫn đầu trong chuỗi cung ứng amoniac xanh toàn cầu
4. Tác động đến giá điện
Ở quy mô thương mại hiện nay, điện từ đồng đốt amoniac đắt hơn, nên nếu vận hành không có trợ cấp sẽ gây tăng giá điện đáng kể. Với hỗ trợ chính sách (trợ giá, cơ chế chia sẻ chi phí), người tiêu dùng có thể không phải chịu toàn bộ gánh nặng chi phí. Về lâu dài, nếu công nghệ cải tiến và quy mô sản xuất amoniac xanh tăng lên, giá amoniac có thể giảm, thu hẹp khoảng cách chi phí với than
Kết luận
Công nghệ đồng đốt amoniac tại các nhà máy than trung bình ở Nhật Bản mang lại lợi ích môi trường ở mức độ nhất định. Các thử nghiệm thực tế cho thấy khả năng giảm phát thải CO₂ và SO₂, đồng thời kiểm soát tốt NOₓ nếu áp dụng công nghệ phù hợp. Tuy nhiên, hiệu quả giảm phát thải theo vòng đời phụ thuộc lớn vào nguồn gốc của amoniac sử dụng.
Về mặt kinh tế, chi phí hiện tại của công nghệ này cao hơn rõ rệt so với đốt than truyền thống, đòi hỏi đầu tư lớn và giá nhiên liệu đắt. Trong bối cảnh hiện tại, đồng đốt amoniac chỉ có thể khả thi nếu được hỗ trợ chính sách mạnh mẽ hoặc nếu chi phí phát thải carbon tăng cao.
Mặc dù còn nhiều thách thức về chi phí và hiệu quả thực tế, chính phủ và các công ty năng lượng Nhật vẫn đang thúc đẩy thử nghiệm công nghệ này. Họ coi đây là giải pháp chuyển tiếp để giảm ngay một phần phát thải từ các nhà máy than hiện hữu, trong khi chờ đợi các giải pháp không carbon khác (như năng lượng tái tạo, hydrogen xanh) phát triển đủ khả năng thay thế hoàn toàn nhiên liệu hóa thạch.
Tài liệu tham khảo:
Renewable Energy Institute, 2022. Re-examining Japanʼs Hydrogen Strategy-Moving Beyond the “Hydrogen Society” Fantasy.
Renewable Energy Institute, 2023. Why Investments in Ammonia Co-firing to Coal Power are not Consistent with the 1.5°C Climate Goal.
E3G, 2023. Explained: Why ammonia co-firing in coal power generation is a flawed approach.
BloombergNEF, 2022. Japan’s Ammonia-Coal Co-Firing Strategy a Costly Approach to Decarbonization, Renewables Present More Economic Alternative
Reuters, 2024. JERA ends ammonia co-firing trial at coal power station with positive results.
JERA, 2024. Replacing Fuel Coal with Ammonia—JERA Starts the World’s First Demonstration Testing of Ammonia Used for Thermal Power Generation
Hydrogen Insight, 2024. Japan’s CfD subsidy scheme for clean hydrogen looks set to have two separate reference prices
