bởi Donatella Barisano, Phòng thí nghiệm các quá trình nhiệt hóa cho sinh khối, dư lượng và định giá chất thải
Trong một tương lai nhằm mục đích sử dụng hydro như một chất mang năng lượng để đạt được một nền kinh tế toàn cầu trung hòa khí hậu, sản xuất của nó thông qua khí hóa sinh khối có thể được coi là một trong những lựa chọn xanh có sẵn. Tuy nhiên, việc khai thác khí hóa sinh khối vẫn chưa sẵn sàng để triển khai quy mô lớn. Trong bối cảnh này, ENEA tích cực tham gia vào việc phát triển và thực hiện các giải pháp sáng tạo nhằm đạt được sự sẵn sàng công nghệ đầy đủ, đồng thời đảm bảo khả năng sản xuất hydro với chi phí tương đối thấp. ENEA đã làm việc trong lĩnh vực khí hóa sinh khối trong một thời gian dài và đã có được chuyên môn đáng kể trong hóa học quá trình và thiết kế lò phản ứng, với sự phát triển của bí quyết và bằng sáng chế có liên quan. Tại Trung tâm nghiên cứu ENEA-Trisaia, một khu công nghệ đã được thành lập với các nhà máy khí hóa sinh khối dựa trên các thiết lập lò phản ứng khác nhau và các bộ phận để làm sạch và điều hòa khí. Các hoạt động R &D đang diễn ra nhằm mục đích vượt qua các rào cản kinh tế kỹ thuật để làm cho khí hóa sinh khối trở nên đáng tin cậy và cạnh tranh với lộ trình truyền thống, bằng cách mở rộng tính linh hoạt cho nguyên liệu chi phí thấp, giá trị thấp và giới thiệu các phương pháp sáng tạo và hiệu quả về chi phí để làm sạch và điều hòa khí.
Trong một tương lai mong muốn sử dụng hydro làm véc tơ năng lượng để đạt được mục tiêu về một nền kinh tế toàn cầu trung lập với khí hậu, việc sản xuất hydro thông qua quá trình khí hóa sinh khối có thể được coi là một trong những lựa chọn xanh hiện có. Tuy nhiên, sự trưởng thành về công nghệ đạt được vẫn chưa cho phép phổ biến nó trên quy mô lớn. Trong bối cảnh này, ENEA đang tích cực tham gia vào việc phát triển và triển khai các giải pháp đổi mới nhằm đạt được sự trưởng thành về quy trình và công nghệ đầy đủ, chẳng hạn như mở ra khả năng sản xuất hydro với chi phí tương đối thấp. ENEA đã hoạt động trong lĩnh vực khí hóa sinh khối được một thời gian và đã có được kinh nghiệm đáng kể trong quy trình hóa học và thiết kế lò phản ứng, với sự phát triển bí quyết của riêng mình và các bằng sáng chế liên quan. Một khu công nghệ đã được thành lập tại Trung tâm Nghiên cứu ENEA-Tsaiia với các nhà máy khí hóa sinh khối dựa trên các lò phản ứng có cấu hình và phần khác nhau để tinh chế và điều hòa khí tổng hợp được sản xuất. Các hoạt động nghiên cứu và phát triển đang diễn ra nhằm mục đích vượt qua các rào cản kinh tế - kỹ thuật để làm cho quá trình khí hóa sinh khối trở nên đáng tin cậy và cạnh tranh với các phương pháp thông thường hơn, mở rộng tính linh hoạt đối với các nguyên liệu thô còn lại, chi phí thấp và giá trị thấp, đồng thời giới thiệu các phương pháp cải tiến và không tốn kém để xử lý khí tổng hợp và chuyển đổi.
Vào tháng 12 năm 2019, Liên minh châu Âu đã khởi động sáng kiến Thỏa thuận xanh, lộ trình hướng tới một EU bền vững [1]. Để đạt được những mục tiêu đầy tham vọng như vậy, hydro có thể đóng một vai trò quan trọng và một chương trình thực hiện cụ thể đã được vạch ra trong truyền thông "Chiến lược hydro cho một châu Âu trung hòa khí hậu" [2]. Trên thực tế, bản thân việc sử dụng hydro không thải ra CO2 và lượng khí thải CO2 ròng có thể tránh được ngay cả trong giai đoạn sản xuất. Hydro từ sinh khối thông qua khí hóa là một trong những lựa chọn để đáp ứng các yêu cầu đó; Sinh khối trên thực tế là một nguồn năng lượng trung hòa CO2 là kết quả của việc chuyển đổi năng lượng mặt trời thành năng lượng hóa học thông qua quang hợp. Ở cấp quốc gia, tính năng này đã được đưa vào Chiến lược nghiên cứu hydro của Ý [3]. Hydro thông qua khí hóa được đưa vào lộ trình đến năm 2030, với các chương trình R &D ở các mức độ sẵn sàng công nghệ khác nhau (TRL) (tức là Nghiên cứu cơ bản (TRL 2-3), R &D công nghiệp (TRL 3-5), Trình diễn (TRL 5-7)).
Khí hóa nhiệt hóa của sinh khối
Khí hóa là quá trình nhiệt hóa mà nhiên liệu rắn có thể được chuyển đổi thành khí có giá trị cao hơn. Sau khi nhận thức và mối quan tâm ngày càng tăng đối với sự nóng lên toàn cầu, kể từ những năm 1970, khí hóa đã nhận được sự quan tâm ngày càng tăng như một quá trình thay thế nhiên liệu hóa thạch bằng sinh khối gỗ và một số loại chất thải sinh học. Các nguyên liệu như vậy thường là dư lượng, có sẵn tại địa phương, do đó khí hóa cho phép biến chúng thành một nguồn tài nguyên có cả giá trị năng lượng và môi trường.
Từ quan điểm hóa học, khí hóa có thể được coi là một quá trình đốt cháy không hoàn toàn được thúc đẩy bởi một tác nhân oxy hóa (ví dụ như không khí, oxy tinh khiết, H2O, CO2 và hỗn hợp). Không giống như quá trình đốt cháy, nơi thu được nhiệt và khí thải bao gồm CO2 và hơi nước, trong quá trình khí hóa, khí được tạo ra cũng chứa H2, CO2 và một lượng CH4 thấp. Thường được gọi là khí sản xuất hoặc khí tổng hợp, khí này có nhiệt trị phụ thuộc vào tác nhân khí hóa được thông qua: thấp (4-6 MJ / Nm3dry) nếu được sản xuất bằng không khí, trung bình (10-15 MJ / Nm3dry)) nếu được sản xuất bằng oxy và / hoặc hơi nước [4]. Khí tổng hợp nhiệt lượng thấp thường thích hợp cho các mục đích sử dụng trực tiếp nhằm sản xuất nhiệt và điện kết hợp (CHP), ngay cả ở quy mô vừa và nhỏ. Khí tổng hợp nhiệt lượng trung bình được coi là có giá trị cao hơn, không chỉ phù hợp để sử dụng trực tiếp mà còn cho các chuỗi quy trình sáng tạo hơn, nhằm sản xuất nhiên liệu khí hoặc lỏng như SNG và H2, MeOH, diesel, xăng, DME, cũng như hóa chất xanh (ví dụ: axit axetic, rượu, aldehyd) [5]. Một quy trình chung và sơ đồ ứng dụng được thể hiện trong Hình 1.
Bảng 1 cho thấy các ví dụ về thành phần khí tổng hợp tùy thuộc vào tác nhân khí hóa và công nghệ lò phản ứng khí hóa.
Hiện đại nhất
Mức độ sẵn sàng công nghệ (TRL) của quá trình khí hóa có liên quan đến việc sử dụng cuối cùng của khí tổng hợp được sản xuất. Đến nay, khí hóa đã tiếp cận thị trường đồng phát (CHP) ở quy mô nhỏ (tức là hàng chục đến hàng trăm kWe). Trình độ công nghiệp có thể được công nhận cho ứng dụng CHP ngay cả ở mức trung bình (tức là vài MWe) [12], nhưng có một số lượng nhỏ các nhà máy có công suất này [13]. TRL thấp hơn thu được trong trường hợp các ứng dụng tiên tiến, chẳng hạn như CHP hiệu quả cao thông qua SOFC và sản xuất các chất mang năng lượng thứ cấp lỏng và khí, bao gồm hydro, nơi trình diễn hoặc mức tiền thương mại đã đạt được cho đến nay.
Sự khác biệt về TRL giữa CHP quy mô vừa và nhỏ và các ứng dụng tiên tiến khác chủ yếu là do hai tính năng liên kết: tính bền vững kinh tế và các giải pháp công nghệ để lọc và điều hòa khí [14].
Vấn đề đầu tiên là xử lý các vật liệu phù hợp để khí hóa: nói chung, tác động của chi phí cung cấp nguyên liệu nằm trong khoảng 20-35% chi phí vận hành. Để giảm tác động của yếu tố này, việc sử dụng nguyên liệu chi phí thấp được xem xét, mở rộng phổ sang các loại khác nhau, bao gồm cả phần chất thải tái tạo (chất thải sinh học) cuối cùng có thể cung cấp doanh thu cho việc xử lý chúng. Để đạt được những mục tiêu này, các hoạt động R &D về tiền xử lý nguyên liệu và thiết kế lò phản ứng khí hóa là rất quan trọng.
Liên quan đến chủ đề TRL thứ hai, làm sạch và điều hòa khí có thể ảnh hưởng đến chi phí đầu tư hơn 40% [15,16]. Trong nhiều ứng dụng có liên quan, các thiết bị liên quan được chuyển từ các lĩnh vực thông thường, chẳng hạn như công nghiệp dầu mỏ. Những giải pháp này, mặc dù hiệu quả, đạt được sự bền vững kinh tế trên quy mô lớn, từ vài trăm đến hàng ngàn MWth ở đầu vào khí hóa [17-19]. Tuy nhiên, để đạt được sự trưởng thành đầy đủ cho khí hóa sinh khối đòi hỏi phải vận hành hiệu quả về chi phí ở quy mô nhỏ hơn so với các quy trình dựa trên hóa thạch. Có một nhu cầu mạnh mẽ để phát triển các giải pháp thích nghi đặc biệt cho khí tổng hợp có nguồn gốc sinh khối.
Những hạn chế trên cho thấy nhu cầu mạnh mẽ đối với các hoạt động R&D nhằm cải thiện tính linh hoạt khí hóa đối với nguyên liệu và đạt được sự tăng cường quy trình đáng kể để đạt được sự bền vững kinh tế ngay cả ở quy mô tương đối nhỏ. Vượt qua các rào cản trên sẽ tác động tích cực đến hiệu quả chi phí của các quy trình chuyển đổi dựa trên sinh khối, làm cho chúng phù hợp hơn với mô hình sản xuất phi tập trung dựa trên chuỗi cung ứng ngắn, có khả năng sẽ thúc đẩy sự phổ biến của chúng.
Về các chủ đề này, ENEA là một trong những người chơi chính tích cực tham gia vào việc phát triển và thực hiện các giải pháp sáng tạo, với các sáng kiến R &D được mô tả trong các phần sau.
Sản xuất hydro: phương pháp thông thường so với phương pháp khí hóa
H2 từ khí tự nhiên
Trong số hơn 70 Mton hydro mỗi năm được sản xuất trên toàn thế giới, khoảng 75% đến từ khí tự nhiên (NG) thông qua cải cách hơi nước mêtan (SMR) [20]:
CH4 + 2 H 2 O → CO 2 + 4 H 2 (R1)
Phản ứng SMR là thu nhiệt; năng lượng cần thiết để duy trì quá trình được tạo ra bởi NG bổ sung. Nhìn chung, người ta ước tính rằng cứ mỗi kg H 2 được sản xuất qua SMR, hơn 7 kg CO2 được phát ra [20], tương ứng với tỷ lệ phân tử từ 1 đến 1/3, thay vì cân bằng hóa học từ 1 đến 1/4.
Đến nay, việc sản xuất H2 từ NG là kinh tế nhất, với chi phí dao động từ 0,94 US $ / kgH2 đến 1,78 US $ / kgH2. Chi phí nhiên liệu là mặt hàng lớn nhất, chiếm từ 45% đến 75% chi phí sản xuất[21]. Những chi phí này dường như chỉ thấp vì chi phí tác động môi trường không được bao gồm. Chi phí cao hơn thu được khi các giải pháp ngăn chặn tác động môi trường của khí thải CO 2 cũng được bao gồm: ở châu Âu, chi phí sản xuất dao động từ 1,73 US $ / kgH 2 không thu giữ CO 2 đến 2,32 US $ / kgH 2 với CCUS (Thu giữ, sử dụng và lưu trữ carbon), trong khi ở Trung Quốc, tỷ lệ di chuyển từ 1,78 US $ / kgH 2 đến 2,38 US $ / kgH2, tương ứng [21].
H2 từ khí hóa sinh khối
Nguyên liệu hữu ích cho H2 xanh thông qua khí hóa là cả sinh khối lignocellulosic còn lại và phần sinh học của chất thải. Sinh khối còn lại có nguồn gốc từ lâm nghiệp, nông nghiệp (ví dụ: rơm rạ ngũ cốc, ngô, cắt tỉa), công nghiệp nông nghiệp (ví dụ như vỏ trái cây sấy khô, ô liu, bột cam quýt), chế biến gỗ, cũng như các dòng chất thải từ các quy trình khác có thể được định giá cho mục đích năng lượng thay vì được xử lý. Ví dụ như rượu đen từ các nhà máy giấy, hoặc chất tiêu hóa từ Tiêu hóa kỵ khí, hiện đang phải đối mặt với vấn đề sản xuất thừa. Các phân số sinh học của chất thải rắn đô thị cũng có thể được bao gồm. Đề cập đến các thành phần nguyên tố trung bình, đối với sinh khối, có thể xem xét công thức thực nghiệm C4H6O3. Để có ước tính lượng tiềm năng tối đa của H2 từ sinh khối, và do đó so sánh với sản xuất từ NG, một con đường phản ứng tương tự như SMR có thể được xem xét:
C 4 H 6 O 3 + 5 H 2 O → 4 CO 2 + 8H 2 (R2)
R2 chỉ ra rằng năng suất H2 trên mỗi carbon trong nguyên liệu, trung bình, khoảng một nửa so với NG (R1). Tuy nhiên, năng suất thấp hơn của H2 được cân bằng bởi tính chất khác nhau của lượng khí thải CO2. Như đã biết, sinh khối là sản phẩm của quá trình quang hợp, CO2 từ sinh khối trở lại khí quyển vào cuối quá trình với môi trường tổng thể gần như vô hiệu và hiệu ứng nóng lên toàn cầu. Trong trường hợp của SMR, sự gia tăng ròng nồng độ CO2 được quan sát thấy. Một so sánh sơ đồ của dòng CO 2 trong hai quá trình được thể hiện trong Hình 2.
Hoạt động nghiên cứu và phát triển tại ENEA
ENEA đã làm việc trong lĩnh vực khí hóa sinh khối trong một thời gian dài và đã có được chuyên môn đáng kể trong hóa học quá trình và thiết kế lò phản ứng, với sự phát triển của bí quyết và bằng sáng chế có liên quan [22]. Tại Trung tâm nghiên cứu ENEA-Trisaia, một khu công nghệ đã được thành lập với các nhà máy khí hóa sinh khối dựa trên các thiết lập lò phản ứng khác nhau (ví dụ: giường cố định, tầng sôi, lò quay, ba giai đoạn, SCWG) và các phần để làm sạch và điều hòa khí. Những nhà máy này, có sẵn ở quy mô thí điểm và phòng thí nghiệm, cho phép nghiên cứu và mô tả hiệu suất quá trình trong các ứng dụng khác nhau như CHP với Động cơ đốt trong và SOFC, hoặc sản xuất SNG và H2 làm chất mang năng lượng thứ cấp. Trong số này, việc sản xuất H2 đã được nghiên cứu cả trong các dự án quốc gia và EU. Trong bối cảnh quốc gia, điều đáng nói là hoạt động R & D được thực hiện trong Chương trình Nghiên cứu Hệ thống Điện do Bộ Phát triển Kinh tế Ý tài trợ, chương trình phụ "Bioenergia" [23]. Phối hợp với Đại học L'Aquila, ENEA đã nghiên cứu một quy trình làm giàu khí tổng hợp H 2 nội sinh bằng cách sử dụng chất hấp thụ SEWGS (dịch chuyển nước-khí tăng cường hấp thụ). Nhờ thiết lập đồng thời phản ứng WGS và thu giữ CO 2, đã thu được khí tổng hợp có hàm lượng H 2 cao . Vì một lượng CH 4 cũng có trong khí nhà sản xuất, hỗn hợp H 2 / CH4 thu được hóa ra được quan tâm làm nhiên liệu hoặc để tạo ra H 2 có độ tinh khiết cao cho các ứng dụng chuyên dụng và tiên tiến hơn, sau khi tinh chế thêm. Hydro được sản xuất có thể được trộn với NG hoặc biomethane để tạo ra hydromethane (30% H2 và 70% CH4, theo thể tích) cho ngành giao thông vận tải hoặc để bơm vào lưới phân phối khí quốc gia. Ở Ý, sự quan tâm đến phương pháp này được dẫn dắt bởi Snam SpA, đầu tiên ở châu Âu, vào tháng 4 năm 2019 [24] và sau đó vào đầu năm 2020 [25], được bơm vào lưới phân phối NG, tại đô thị Contursi Terme, hỗn hợp H 2 và khí tự nhiên (H2NG) với hàm lượng hydro lên tới 10%v.
Trong bối cảnh quốc tế, sản xuất H2 từ sinh khối đặc biệt là mục tiêu của dự án EU UNIfHY [26]. Được điều phối bởi Đại học Guglielmo Marconi, dự án liên quan đến sự hợp tác của chín đối tác xuất sắc quốc tế về các tính năng chính của phương pháp đề xuất. Các đánh giá hiệu suất tổng thể đạt được thông qua việc tích hợp các thành phần được phát triển tại nhà máy thí điểm Trisaia 1000 kWth (Hình 3) và hoạt động của nó trong các chiến dịch khí hóa thử nghiệm do ENEA điều phối.
Việc thiết lập nhà máy khí hóa dựa trên thiết kế lò phản ứng sáng tạo, được phát triển để tăng cường quy trình nhằm giảm chi phí đầu tư và vận hành. Những mục tiêu như vậy đã đạt được trước tiên thông qua bộ khí hóa tầng sôi sủi bọt (BFB) được thiết kế để cho phép tuần hoàn bên trong kho giường [27], do đó làm tăng thời gian cư trú của nguyên liệu trong môi trường phản ứng và tạo điều kiện chuyển đổi thành khí. Thứ hai, bằng một bó nến gốm để lọc khí HT tích hợp trực tiếp trong bảng tự do lò phản ứng.
Nhìn chung, dự án UNIfHY cho phép chứng minh tính khả thi của FCV cấp H2 (> 99,99%) thông qua khí hóa sinh khối và đưa ra ước tính chi phí sản xuất. Đánh giá kinh tế kỹ thuật cho thấy chi phí sản xuất 3-6 € / kgH2 cho các nhà máy có kích thước 10 MWth [28], do đó có thể so sánh với chi phí từ nguồn hóa thạch (SMR) kết hợp với CCUS [21, 29].
Hiện tại, ENEA đang tham gia vào hai dự án mới của EU liên quan đến khí hóa sinh khối, tức là BLAZE [30] và GICO [31]. BLAZE nhằm mục đích sản xuất một loại khí tổng hợp gây ô nhiễm thấp, để cung cấp cho một đơn vị SOFC 25 kWe. Sử dụng khí tổng hợp trong các hệ thống SOFC ngụ ý sự sẵn có của dòng với độ tinh khiết cao, tức là mức nồng độ trong phạm vi ppm đối với hầu hết các chất gây ô nhiễm. Để đạt được mục tiêu này, cả hai phương pháp chính và phụ để làm sạch và điều hòa khí đều được bao gồm. ENEA tham gia vào việc nghiên cứu các phương pháp chính, điều tra các vật liệu hoạt động có giá trị thấp, được thêm vào kho giường, để chống lại sự phát triển của các chất gây ô nhiễm trực tiếp trong quá trình hình thành của chúng. Mặc dù ứng dụng chính trong BLAZE khác với sản xuất H 2 , lọc khí cũng là một vấn đề chung phải đối mặt trong khí hóa sinh khối để sản xuất H2.
Bắt đầu chỉ vài tháng trước, GICO là một dự án đa mục đích vì nó cung cấp các đầu ra khác nhau trong bối cảnh sử dụng tuần hoàn các nguồn lực và tính bền vững. Quá trình tham chiếu là khí hóa với sự có mặt của các chất hấp thụ dựa trên canxi để thu giữ CO 2 và tái tạo của nó (vòng lặp canxi). Phương pháp chế biến nguyên liệu này sẽ tăng cường sản xuất một dòng có nồng độ H 2 cao , từ đó H 2 tinh khiết sẽ dễ dàng thu được sau này. Hơn nữa, nhờ tác động của chất hấp thụ, quá trình này tránh được lượng khí thải CO 2. Về khía cạnh này, ENEA đang dẫn đầu các hoạt động về đánh giá hiệu suất của cả vật liệu tự nhiên và sáng tạo trong lò phản ứng tầng sôi và lò quay. Để mở rộng phổ nguyên liệu có thể sử dụng, GICO bao gồm nghiên cứu về hiệu quả của tiền xử lý cacbon hóa thủy nhiệt (HTC) đối với hiệu suất khí hóa. Thông qua HTC, dự án nhằm mục đích giảm tác động đến chi phí sản xuất bằng cách khai thác nguyên liệu cấp thấp.
Kết luận
Khí hóa sinh khối là một lộ trình sản xuất hydro trung hòa carbon, bên cạnh các con đường tái tạo trực tiếp khác, có thể đóng góp vào hỗn hợp sản xuất hydro xanh trong tương lai. Với việc thành lập các nhà máy thử nghiệm với các thiết lập lò phản ứng khác nhau, các hoạt động R & D tại ENEA nhằm mục đích vượt qua các rào cản kinh tế công nghệ để làm cho khí hóa sinh khối đáng tin cậy và cạnh tranh với tuyến đường thông thường, bằng cách mở rộng tính linh hoạt về nguồn cung cấp nguyên liệu (do đó chấp nhận nguyên liệu chi phí thấp) và giới thiệu các phương pháp sáng tạo và hiệu quả về chi phí để làm sạch và điều hòa khí.
