ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
---------------o0o---------------

NGUYỄN HỮU TÀI

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG ĐA DẠNG HÓA NGUYÊN LIỆU HYDRO
TỪ CÁC NGUỒN NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO CHO NHÀ MÁY ĐẠM
CÀ MAU
DIVERSIFICATION OF HYDROGEN FEEDSTOCK FROM
RENEWABLE SOURCES FOR CA MAU FERTILIZER PLANT
Chuyên ngành: KỸ THUẬT HÓA DẦU VÀ LỌC DẦU
Mã số: 8520305

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 07 năm 2023


Cơng trình được hồn thành tại:
Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG-HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học :

TS. Nguyễn Hữu Lương
Chữ ký:
TS. Đào Thị Kim Thoa
Chữ ký:

Cán bộ chấm nhận xét 1 :

TS. Nguyễn Mạnh Huấn

Chữ ký:

Cán bộ chấm nhận xét 2 :

TS. Nguyễn Thành Duy Quang
Chữ ký:

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp.
HCM ngày 14 tháng 07 năm 2023.
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. Chủ tịch: PGS.TS Phan Minh Tân
2. Thư ký: TS. Hồ Quang Như
3. Phản biện 1: TS. Nguyễn Mạnh Huấn
4. Phản biện 2: TS. Nguyễn Thành Duy Quang
5. Uỷ viên: PGS.TS Ngô Thanh An
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý
chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT HOÁ HỌC


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: Nguyễn Hữu Tài


MSHV: 1970639

Ngày, tháng, năm sinh: 15-10-1995

Nơi Sinh: TP. Hồ Chí Minh

Chun ngành: Kỹ Thuật Hóa Dầu và Lọc dầu

Mã số: 8520305

I. TÊN ĐỀ TÀI:
NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG ĐA DẠNG HÓA NGUYÊN LIỆU HYDRO TỪ CÁC
NGUỒN NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO CHO NHÀ MÁY ĐẠM CÀ MAU.
DIVERSIFICATION OF HYDROGEN FEEDSTOCK FROM RENEWABLE SOURCES
FOR CA MAU FERTILIZER PLANT

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
Nhiệm vụ và nội dung của luận văn thạc sĩ này bao gồm:
-

Tìm hiểu tổng quan về khí Hydro, các phương pháp sản xuất, lưu trữ và xu hướng sử
dụng năng lượng từ khí Hydro. Tìm hiểu về các dạng năng lượng tái tạo hiện nay đang
được sử dụng trên thế giới và các dạng năng lượng tái tạo tại Việt Nam.

-

Tìm hiểu về cơng nghệ Steam Reforming sản xuất Hydro tại nhà máy Đạm Cà Mau,
đọc bản vẽ PFD, Datasheet về các thiết bị liên quan đến quy trình, cơng nghệ sản xuất
này.


-

Đánh giá, so sánh các phương pháp sản xuất Hydro từ các nguồn năng lượng tái tạo
cho nhà máy Đạm Cà Mau.

-

Xây dựng mơ hình tính tốn của cơng nghệ sản xuất Hydro theo định hướng sử dụng
để đánh giá khi thay đổi nguồn nguyên liệu khí thiên nhiên ảnh hưởng đến sản lượng
nguyên liệu Hydro cho quá trình tổng hợp Ammonia.


II. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 15/01/2023
III. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 15/06/2023
IV. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN:
1. TS. Nguyễn Hữu Lương
2. TS. Đào Thị Kim Thoa

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)

TS. Nguyễn Hữu Lương TS. Đào Thị Kim Thoa

TP. HCM, ngày … tháng … năm 20…
CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO
(Họ tên và chữ ký)

TS. Phạm Hồ Mỹ Phương


TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT HOÁ HỌC
(Họ tên và chữ ký)


Luận văn thạc sĩ

HVTH: Nguyễn Hữu Tài

LỜI CẢM ƠN
Trong suốt q trình học tập, nghiên cứu và hồn thiện luận văn, tơi đã
nhận được nhiều sự động viên khuyến khích, giúp đỡ nhiệt tình của các Thầy
Cơ bộ mơn Kỹ Thuật Hoá Dầu – Khoa Kỹ Thuật Hoá Học – Trường Đại học
Bách Khoa (Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh) và Viện Dầu khí Việt
Nam.
Lời đầu tiên, Tơi xin bày tỏ lịng cảm ơn sâu sắc đến TS. Nguyễn Hữu
Lương và TS. Đào Thị Kim Thoa, người đã trực tiếp hướng dẫn, tận tình chỉ
bảo, giúp đỡ tôi tiến hành các hoạt động nghiên cứu khoa học để hoàn thành
luận văn này một cách hoàn thiện nhất.
Thứ hai, tơi xin bày tỏ lịng cảm ơn chân thành đối với các Thầy Cơ giáo
bộ mơn Kỹ Thuật Hố Dầu – Khoa Kỹ Thuật Hố Học và phịng Sau đại học
Trường Đại học Bách Khoa đã tạo điều kiện, hướng dẫn và đóng góp ý kiến cho
tơi trong suốt q trình học tập và hồn thành luận văn thạc sĩ này.
Bên cạnh đó, tơi xin gửi lời cảm ơn đến các anh chị thuộc Viện Dầu khí
Việt Nam đã cung cấp các số liệu thiết kế và thực tế của nhà máy Đạm Cà Mau
để giúp tơi hồn thành luận văn.
Cuối cùng, tôi cũng xin gửi lời cảm ơn gia đình, bạn bè và đồng nghiệp
đã ln động viên, khích lệ tinh thần tơi trong suốt q trình thực hiện luận văn
thạc sĩ.
Trong quá trình thực hiện đề tài, tơi đã cố gắng hồn thiện luận văn này
một cách tốt nhất. Tuy nhiên, luận văn không thể tránh khỏi những thiếu sót, tơi

rất mong nhận được ý kiến đóng góp chân thành của q Thầy Cơ và các bạn.
Đây sẽ là kinh nghiệm q báu giúp tơi hồn thiện hơn các cơng trình nghiên
cứu sau này.
Xin chân thành cảm ơn!

i


Luận văn thạc sĩ

HVTH: Nguyễn Hữu Tài

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
Tại Nhà máy Đạm Cà Mau, Hydro xám được sản xuất thơng qua quy trình
Reforming hơi nước do Haldor Topsoe (Đan Mạch) cấp phép và sử dụng chủ yếu
trong q trình tổng hợp Ammonia (NH3) ngun liệu chính để sản xuất sản phẩm
Urea. Hiện nay, khí thiên nhiên nguyên liệu cho quá trình này được cung cấp từ
việc khai thác các mỏ khí ven biển ngồi khơi thềm lục địa Tây Nam Việt Nam
đang dần cạn kiệt và có sự thay đổi tỉ lệ thành phần các cấu tử. Để đảm bảo tính
bền vững của Nhà máy cũng như duy trì ổn định các thơng số và hiệu suất vận
hành của Nhà máy, vấn đề đa dạng hóa nguồn nguyên liệu đang được nghiên cứu
cùng với việc tích hợp sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo vào trong quá trình
sản xuất. Trong phạm vi nghiên cứu của luận văn thạc sĩ này tập trung vào việc
tìm hiểu và đánh giá các phương pháp sản xuất Hydro nguyên liệu từ các nguồn
năng lượng tái tạo tại địa phương và thực hiện mơ hình tính tốn để đánh giá
thơng số vận hành khi thay đổi nguồn nguyên liệu Hydro tại nhà máy Đạm Cà
Mau.

ABSTRACT
At Ca Mau Fertilizer Plant, Gray Hydrogen is produced and used mainly in the

synthesis of Ammonia (NH3), which is the main feedstock for the progress of
Urea products. Currently, natural gas is used as a feed material for Hydrogen
production through a Steam Reforming process licensed by Haldor Topsoe
(Denmark). Natural gas is supplied from the exploitation of coastal gas fields off
the southwestern continental shelf of Vietnam, but these fossil gas resources are
gradually depleted. In order to ensure the sustainability of the Plant as well as to
maintain stable parameters and operating performance of the Plant, the issue of
diversifying feedstock resources is researching and finding alternative feed
resources from renewable energy. The research scope of this master's thesis
focuses on understanding and evaluating methods of Hydrogen production from
local renewable energy sources and implementing computational models to
evaluate operating parameters when changing the feedstock of Hydrogen.

ii


Luận văn thạc sĩ

HVTH: Nguyễn Hữu Tài

LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan luận văn thạc sĩ ngành Kỹ thuật Hoá Dầu và Lọc Dầu, với đề tài
“Nghiên cứu khả năng đa dạng hoá nguyên liệu Hydro từ các nguồn năng lượng
tái tạo cho nhà máy Đạm Cà Mau” là cơng trình khoa học do Tôi thực hiện dưới
sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Hữu Lương và TS. Đào Thị Kim Thoa.
Luận văn có sử dụng một số thơng tin, hình ảnh, số liệu từ các nguồn như: bài
báo khoa học, tạp chí, báo điện tử, website,… được chú thích và liệt kê trong
danh mục tài liệu tham khảo.
Những kết quả nghiên cứu của luận văn hoàn toàn trung thực và được thực hiện
bởi chính tác giả.


TP. HCM, tháng 07 năm 2023
Học Viên
(Ký tên, ghi họ tên)

Nguyễn Hữu Tài

iii


Luận văn thạc sĩ

HVTH: Nguyễn Hữu Tài

MỤC LỤC
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ.......................................................................... i
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................. i
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ...........................................................................ii
ABSTRACT ...............................................................................................................ii
LỜI CAM ĐOAN .................................................................................................... iii
MỤC LỤC ................................................................................................................. iv
DANH MỤC HÌNH .................................................................................................. ix
DANH MỤC BẢNG ................................................................................................. xi
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ...................................................................... xiii
CHƯƠNG 1: LỜI MỞ ĐẦU ....................................................................................1
CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ HYDRO VÀ NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO.........3
2.1. Tổng Quan Về Hydro ..................................................................................... 3
2.1.1. Giới thiệu chung về Hydro .........................................................................3
2.1.2. Các ứng dụng của Hydro hiện nay .............................................................5
2.1.3. Thị trường giao dịch trên thế giới của Hydro ............................................7

2.1.4. Đánh giá sơ bộ các hướng cơng nghệ có thể sản xuất Hydro hiện nay ...10
2.1.5. Các phương pháp cơ bản để sản xuất Hydro ...........................................12
Hoá nhiệt nhiên liệu Hydrocarbon ...............................................12
Điện phân nước ............................................................................14
Phương pháp sinh học ..................................................................15
2.1.6. Lưu trữ Hydro. ..........................................................................................16
Lưu trữ Hydro dưới dạng khí nén áp suất cao .............................16
Lưu trữ Hydro dưới dạng khí hố lỏng ........................................16
Lưu trữ Hydro nhờ hấp phụ hoá học ............................................16
Lưu trữ Hydro trong các hydrua kim loại ....................................17
Lưu trữ Hydro trong các ống carbon nano rỗng ..........................17
Lưu trữ Hydro trong các vi cầu thuỷ tinh (glass microsphere) ....18

iv


Luận văn thạc sĩ

HVTH: Nguyễn Hữu Tài

2.1.7. Xu hướng và thách thức của Hydro trong tương lai ................................18
Xu hướng chuyển dịch năng lượng trong tương lai .....................18
Chuỗi giá trị Hydro từ khi sản xuất đến ứng dụng Hydro ...........21
Những vấn đề và các thách thức cần giải quyết khi phát triển công
nghệ Hydro tại Việt Nam ..........................................................................22
2.2. Tổng Quan Về Các Nguồn Năng Lượng Tái Tạo ....................................... 25
2.2.1. Năng Lượng Tái Tạo ................................................................................26
2.2.2. Các Nguồn Năng Lượng Tái Tạo Đang Phát Triển Tại Việt Nam...........27
Năng lượng gió.............................................................................27
Năng lượng mặt trời .....................................................................30

Thuỷ điện .....................................................................................33
Năng lượng sinh khối ...................................................................36
CHƯƠNG 3: GIỚI THIỆU VỀ NHÀ MÁY ĐẠM CÀ MÀU .............................39
3.1. Tổng quan về nhà máy Đạm Cà Mau .......................................................... 39
3.1.1. Lịch sử hình thành và phát triển...............................................................39
3.1.2. Giới thiệu về Hydro nguyên liệu tại nhà máy DCM.................................42
3.2. Công nghệ sản xuất Hydro hiện hữu tại nhà máy Đạm Cà Mau .............. 43
3.2.1. Công nghệ Steam Reforming của Haldor Topsoe [17, 18]. .....................43
3.2.2. Các quá trình của phân đoạn Steam Reforming tại Đạm Cà Mau. .........44
Quá trình khử lưu huỳnh[17]. ......................................................45
Quá trình Steam Reforming .........................................................46
Q trình chuyển hố CO.............................................................48
CHƯƠNG 4: CƠNG NGHỆ SẢN XUẤT HYDRO TỪ CÁC NGUỒN TÁI
TẠOVÀ ĐÁNH GIÁ TIỀM NĂNG ỨNG DỤNG TẠI NHÀ MÁY ĐẠM CÀ
MAU .........................................................................................................................51
4.1. Tổng quan các phương pháp sản xuất Hydro có thể ứng dụng tại nhà máy
Đạm Cà Mau ........................................................................................................ 52
4.1.1. Phương pháp điện phân nước ..................................................................52

v


Luận văn thạc sĩ

HVTH: Nguyễn Hữu Tài

Điện phân dung môi kiềm (Alkaline Electrolysis) ......................52
Điện phân sử dụng màng trao đổi proton (Proton Exchange
Membrane - PEM Electrolysis).................................................................54
Điện phân sử dụng điện cực bằng Oxide rắn (Solid Oxide

Electrolyser Cells – SOEC Electrolysis) ...................................................55
Điện phân sử dụng màng trao đổi anion (Anion Exchange
Membrane - AEM electrolysis) [23-25]....................................................56
4.1.2. Phương pháp khí hố sinh khối ................................................................57
4.2. Các tiêu chí đánh giá tiềm năng ứng dụng các nguồn năng lượng tái tạo tại
Đạm Cà Mau ........................................................................................................ 60
4.2.1. Nguyên liệu ...............................................................................................60
Điện năng sử dụng cho các phương pháp điện phân ...................60
Nguồn nước sử dụng cho các phương pháp điện phân ................63
Nguồn Sinh khối ..........................................................................63
4.2.2. Hiệu suất của các phương pháp sản xuất Hydro .....................................65
4.2.3. Độ trưởng thành công nghệ của các phương pháp sản xuất Hydro ........67
4.2.4. Chi phí đầu tư và các thơng số kinh tế - kỹ thuật .....................................69
Điện gió trên bờ............................................................................69
Điện gió ngồi khơi ......................................................................70
Điện mặt trời ................................................................................71
4.2.5. Tác động đến môi trường của chương trình phát triển năng lượng tái tạo
............................................................................................................................73
Vấn đề thay đổi mục đích sử dụng đất. ........................................73
Vấn đề về chất thải rắn và chất thải nguy hại ..............................74
Vấn đề ảnh hưởng sinh thái và đa dạng sinh học. ........................74
4.2.6. Cơ chế chính sách cho phát triển năng lượng tái tạo ..............................75

vi


Luận văn thạc sĩ

HVTH: Nguyễn Hữu Tài


CHƯƠNG 5: PHƯƠNG PHÁP XÂY DỰNG MƠ HÌNH CƠNG NGHỆ SẢN
XUẤT HYDRO Ở ĐẠM CÀ MAU .......................................................................79
5.1. Mục đích của mơ hình tính tốn excel ........................................................ 79
5.2. Cân bằng vật chất và năng lượng của các quá trình .................................. 80
5.2.1. Dữ liệu về nguyên liệu và nhiệt động học q trình ................................80
5.2.2. Tính tốn cân bằng vật chất của mơ hình ................................................81
5.2.3. Tính tốn cân bằng năng lượng của mơ hình...........................................85
5.3. Giới thiệu tổng quan về mơ hình tính tốn dựa trên phần mềm Excel. .... 88
CHƯƠNG 6: ĐÁNH GIÁ, SO SÁNH KẾT QUẢ MƠ HÌNH SO VỚI SỐ LIỆU
THIẾT KẾ CỦA Q TRÌNH SẢN XUẤT HYDRO TẠI ĐẠM CÀ MAU ....97
6.1. Tiêu chuẩn đánh giá, so sánh kết quả của mơ hình tính tốn ................... 97
6.2. Đánh giá so sánh các q trình trong mơ hình .......................................... 97
6.2.1. Q trình khử lưu huỳnh và Reforming ....................................................97
6.2.2. Q trình chuyển hố CO.......................................................................100
CHƯƠNG 7: ĐÁNH GIÁ NHU CẦU HYDRO CỦA NHÀ MÁY KHI BỔ SUNG
NGUỒN HYDRO TÁI TẠO. ...............................................................................102
7.1. Đánh giá khả năng tích hợp Hydro tái tạo tại nhà máy Đạm Cà Mau.... 102
7.1.1. Phương pháp điện phân .........................................................................102
7.1.2. Về nguồn năng lượng tái tạo cung cấp cho điện phân. ..........................103
7.1.3. Phương pháp khí hoá sinh khối. .............................................................104
7.2. Phương án đa dạng hoá nguồn nguyên liệu Hydro cho Đạm Cà Mau. .. 105
7.2.1. Phương án đa dạng hố nguồn ngun liệu Hydro, tích hợp sử dụng Hydro
tái tạo cho Đạm Cà Mau. .................................................................................105
7.2.2. Chi phí và hiệu quả kinh tế .....................................................................107
7.2.3. Sử dụng mơ hình tính tốn để khảo sát sơ bộ khi tích hợp Hydro tái tạo vào
nhà máy Đạm Cà Mau. .....................................................................................109
CHƯƠNG 8: KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ ...............................................118
8.1. Kết luận ....................................................................................................... 118
8.2. Khuyến nghị ................................................................................................ 119
TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................121


vii


Luận văn thạc sĩ

HVTH: Nguyễn Hữu Tài

PHỤ LỤC ...............................................................................................................123
PHẦN LÝ LỊCH TRÍCH NGANG......................................................................124

viii


Luận văn thạc sĩ

HVTH: Nguyễn Hữu Tài

DANH MỤC HÌNH
Hình 2.1: Chuỗi giá trị úng dụng của nhiên liệu Hydro [3]. .......................................5
Hình 2.2: Tỉ lệ nguồn nguyên liệu đã được sản xuất và các ngành ứng dụng của Hydro.
.....................................................................................................................................8
Hình 2.3: Chi phí tương đối để sản xuất các nhóm Hydro vào năm 2020 và dự báo
đến năm 2030-2050 [6]. ..............................................................................................9
Hình 2.4: Một chiếc xe tải Hyundai chạy bằng pin nhiên liệu hydro tại Luzern, Thụy
Sĩ ngày 7/10/2020 [11]. .............................................................................................20
Hình 2.5: Lượng năng lượng tiêu thụ tồn cầu giai đoạn 1990-2040 ......................27
Hình 2.6: Một Turbin điện giá bao gồm lưỡi quạt, hộp động cơ, tháp chống và móng
đỡ. ..............................................................................................................................28
Hình 2.7: Tiềm năng lý thuyết về điện gió trên bờ và điện gió ngồi khơi [13]. .....30

Hình 2.8: Hiệu ứng Quang Điện hấp thụ năng lượng mặt trời. ................................32
Hình 2.9: Sản lượng điện mặt trời trên thế giới giai đoạn 1990-2050. ....................33
Hình 2.10: Chu kỳ vịng tuần hồn nước. .................................................................34
Hình 2.11: Sơ đồ minh hoạ cơ cấu của một cơ sở thuỷ điện. ...................................35
Hình 2.12: Chu trình chuyển hố sinh khối. .............................................................36
Hình 2.13: Tỷ trọng nguồn sinh khối trong tổng tiềm năng lý thuyết năm 2030 [13].
...................................................................................................................................38
Hình 3.1: Mơ hình phân bố các phân xưởng tại DCM..............................................41
Hình 3.2: Quy trình sản xuất sản phẩm tại nhà máy DCM .......................................41
Hình 3.3: Sự thiếu hụt nguồn cung khí thiên nhiên đối với nhà máy Đạm Cà Mau
được dự báo đến năm 2040. ......................................................................................43
Hình 3.4: Cơng nghệ Steam Reforming của Haldor Topsoe. ...................................44
Hình 3.5: Sơ đồ cơng nghệ của q trình khử lưu huỳnh. ........................................45
Hình 3.6: Sơ đồ cơng nghệ q trình Steam Reforming. ..........................................47
Hình 3.7: Sơ đồ cơng nghệ q trình chuyển hố CO. .............................................49
Hình 4.1: Nguyên lý hoạt động của phương pháp điện phân dung mơi kiềm. .........53
Hình 4.2: Ngun lý hoạt động của phương pháp điện phân sử dụng màng trao đổi
proton. .......................................................................................................................54

ix


Luận văn thạc sĩ

HVTH: Nguyễn Hữu Tài

Hình 4.3: Nguyên lý hoạt động của phương pháp điện phân sử dụng điện cực bằng
oxide rắn. ...................................................................................................................55
Hình 4.4: Nguyên lý hoạt động của phương pháp điện phân sử dụng màng trao đổi
anion. .........................................................................................................................56

Hình 4.5 Sơ đồ quá trình sản xuất Hydro bằng phương pháp khí hố sinh khối [27].
...................................................................................................................................58
Hình 5.1: Sơ đồ tổng qt phương pháp thực hiện mơ hình tính tốn. .....................79
Hình 5.2: Sơ đồ cân bằng vật chất dịng cơng nghệ ..................................................82
Hình 5.3: Sơ đồ dịng năng lượng cung cấp cho các quá trình .................................88
Hình 5.4: Danh mục các Sheet trong mơ hình tính tốn. ..........................................89
Hình 5.5: Thơng số các dịng ngun liệu đầu vào. ..................................................90
Hình 5.6: Thơng số vận hành của các dịng cơng nghệ.............................................90
Hình 5.7: Hình minh hoạ mơ hình tính tốn bằng Excel. .........................................91
Hình 5.8: Bảng tính tốn các giai đoạn từ nguyên liệu đến HDS. ............................94
Hình 5.9: Công cụ Macros để giả sử các giá trị Z Factor. ........................................94
Hình 5.10: Cơng cụ VBA kết hợp Solver để tính thiết bị HDS. ...............................95
Hình 5.11: Bảng kết quả tổng qt của q trình......................................................96
Hình 7.1: Sơ đồ quy trình tích hợp điện phân nước để sản suất Hydro vào nhà máy
Đạm Cà Mau [33]....................................................................................................106

x


Luận văn thạc sĩ

HVTH: Nguyễn Hữu Tài

DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1: Bảng giới thiệu các nhóm Hydro tương ứng với các phương pháp sản xuất.
.....................................................................................................................................8
Bảng 2.2: Bảng so sánh các hướng sản xuất Hydro [7]. ...........................................10
Bảng 2.3: Tiềm năng kỹ thuật của thuỷ điện theo khu vực ......................................36
Bảng 4.1: Tiềm năng kỹ thuật điện gió ngồi khơi theo các vùng [13]. ...................61
Bảng 4.2: Tiềm năng kỹ thuật điện gió trên đất liền theo vùng [13]. .......................62

Bảng 4.3: Tiềm năng kỹ thuật Điện Mặt Trời mặt đất tại Việt Nam (Tháng 2/2021).
...................................................................................................................................62
Bảng 4.4: Sản lượng và sự phân bố khu vực của các phụ phế phẩm nông nghiệp ...64
Bảng 4.5: So sánh 4 phương pháp điện phân nước sản xuất Hydro [21]..................65
Bảng 4.6: Bảng tổng hợp hiệu suất các công nghệ sản xuất Hydro. .........................67
Bảng 4.7: Bảng so sánh Chi phí quy dẫn các dạng năng lượng tái tạo được dự báo
giai đoạn 2030 – 2050. ..............................................................................................72
Bảng 4.8: Tổng hợp cơ chế khuyến khích phát triển điện tái tạo. ............................75
Bảng 4.9: Cơ chế khuyến khích khác cho dự án điện tái tạo nối lưới. .....................76
Bảng 5.1: Thành phần dịng khí ngun liệu cho phân xưởng Ammonia. ...............80
Bảng 5.2: Tổng quát thành phần trước và sau phản ứng...........................................84
Bảng 6.1: Giới hạn sai số cho phép của mơ hình tính tốn .......................................97
Bảng 6.2: Kết quả tính tốn của dịng ra q trình khử lưu huỳnh và vào thiết bị
Reforming sơ cấp. .....................................................................................................98
Bảng 6.3: Kết quả tính tốn của dịng ra thiết bị Reforming sơ cấp. ........................98
Bảng 6.4: Kết quả tính tốn của dịng ra thiết bị Reforming thứ cấp. ......................99
Bảng 6.5: Kết quả mô hình tính tốn của nhiệt lượng trao đổi của q trình Reforming
...................................................................................................................................99
Bảng 6.6: Kết quả tính tốn của dịng ra thiết bị chuyển hoá CO nhiệt độ cao. .....100
Bảng 6.7: Kết quả tính tốn của dịng ra thiết bị chuyển hố CO nhiệt độ thấp. ....100
Bảng 6.8: Kết quả mơ hình tính tốn của nhiệt lượng trao đổi của q trình chuyển
hố CO.....................................................................................................................101
Bảng 7.1: Bảng so sánh tổng qt 2 phương pháp điện phân kiềm và PEM. .........103

xi


Luận văn thạc sĩ

HVTH: Nguyễn Hữu Tài


Bảng 7.2: Báo cáo tài chính phương án tích hợp sản xuất Hydro xanh vào Nhà máy
Đạm Cà Mau [33]....................................................................................................108
Bảng 7.3: Hiệu suất của quá trình sản xuất Hydro ở điều kiện vận hành bình thường
.................................................................................................................................110
Bảng 7.4: Hiệu suất của quá trình sản xuất Hydro khi muốn tích hợp ~5% Hydro tái
tạo. ...........................................................................................................................112
Bảng 7.5: Bảng số liệu dòng vật chất khi giảm nguyên liệu khí thiên nhiên để tích
hợp 5% Hydro tái tạo. .............................................................................................113
Bảng 7.6: Hiệu suất của quá trình sản xuất Hydro khi muốn tích hợp ~10% Hydro tái
tạo. ...........................................................................................................................114
Bảng 7.7: Bảng số liệu dịng vật chất khi giảm ngun liệu khí thiên nhiên để tích
hợp 10% Hydro tái tạo. ...........................................................................................115
Bảng 7.8: Hiệu suất của q trình sản xuất Hydro khi muốn tích hợp ~15% Hydro tái
tạo. ...........................................................................................................................116
Bảng 7.9: Bảng số liệu dòng vật chất khi giảm nguyên liệu khí thiên nhiên để tích
hợp 15% Hydro tái tạo. ...........................................................................................116
Bảng 8.1: Bảng khuyến nghị lộ trình chuyển dịch năng lượng tái tạo và nhiên liệu
xanh giai đoạn 2025-2050. ......................................................................................120

xii


Luận văn thạc sĩ

HVTH: Nguyễn Hữu Tài

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
Từ viết tắt
API

ARENA

Tiếng Anh

Tiếng Việt

American Petroleum Institute
Australia Renewable Energy
Agency

Viện Dầu khí Hoa Kỳ
Cơ quan Năng lượng Tái tạo Úc

DCM

-

Đạm Cà Mau

DEA

Denmark Energy Agency

Cơ quan Năng lượng Đan Mạch

DPPA

Direct Power Purchase Agreement

Cơ chế bán điện trực tiếp


ĐBSCL

-

Đồng Bằng Sông Cửu Long

FCEV

Fuel Cell Electric Vehicles

Xe điện pin nhiên liệu

IEA

International Energy Agency

Cơ quan Năng lượng Quốc tế

International Renewable Energy

Cơ quan Năng lượng Tái tạo Quốc

Agency

tế

LCOH

Levelized Cost of Hydrogen


Chi phí sản xuất Hydrogen

LCOE

Levelized Cost of Energy

Chi phí sản xuất năng lượng

IRENA

NASA

NREL

National Aeronautics and Space
Administration

Cơ quan Khơng gian Hoa Kỳ

National Renewable Energy

Phịng thí nghiệm năng lượng tái

Laboratory

tạo quốc gia tại Mỹ

PAC


Provisional Acceptance Certificate

PVN

Petro Vietnam

SMR

Steam Methane Reforming

Giấy chứng nhận chấp nhận tạm
thời
Tập đồn Dầu khí Quốc gia
Việt Nam

xiii

Quá trình Reforming hơi nước


Luận văn thạc sĩ

HVTH: Nguyễn Hữu Tài

CHƯƠNG 1: LỜI MỞ ĐẦU
Năng lượng tái tạo hay năng lượng tái sinh là năng lượng từ những nguồn liên tục mà
theo chuẩn mực của con người là vô hạn như: năng lượng mặt trời, gió, mưa, thủy
triều, sóng và địa nhiệt. Nguyên tắc cơ bản của việc sử dụng năng lượng tái sinh là
tách một phần năng lượng từ các quy trình diễn biến liên tục trong môi trường và đưa
vào trong các sử dụng kỹ thuật. Các nguồn năng lượng tái tạo mới (sinh khối hiện

đại, gió, mặt trời, địa nhiệt, và nhiên liệu sinh học) chiếm thêm 3% và đang phát triển
nhanh chóng. Ở cấp quốc gia, có ít nhất 30 quốc gia trên thế giới đã sử dụng năng
lượng tái tạo và cung cấp hơn 20% nhu cầu năng lượng của họ [1]. Các thị trường
năng lượng tái tạo cấp quốc gia được dự đoán tiếp tục tăng trưởng mạnh trong thập
kỷ tới và sau đó nữa.
Hydro cũng là một dạng năng lượng tái tạo mới, đang được nghiên cứu mạnh mẽ vì
tính dồi dào và khả năng thân thiện với mơi trường. Nó là nhiên liệu sạch nhất vì khí
thải sinh ra trong q trình cháy chỉ là nước, khơng có CO2, khơng có các khí thải
khác.
Hiện nay, tại Việt Nam Hydro được sử dụng nhiều trong các ngành cơng nghiệp,
trong đó có ngành cơng nghiệp lọc hóa dầu và chủ yếu được sản xuất và sử dụng
trong các nhà máy xử lý chế biến dầu khí. Tại các nhà máy đạm nói chung và nhà
máy Đạm Cà Mau nói riêng, Hydro được sản xuất chủ yếu từ nguồn ngun liệu khí
thiên nhiên thơng qua q trình reforming hơi nước (Steam Reforming). Hydro là
nguyên liệu để sản xuất Ammonia và được chuyển hoá để tạo ra sane phẩm là Urea.
Do đó, Hydro là một ngun liệu quan trọng khơng thể thiếu trong các nhà máy đạm
tại Việt Nam.
Để đảm bảo tính bền vững, các thơng số vận hành và hiệu suất ổn định cho các nhà
máy thì vấn đề nguyên liệu phải được đặt lên hàng đầu. Trong khi lượng Hydro được
sản xuất tại nhà máy tùy thuộc vào chất lượng của nguồn khí thiên nhiên.
Vì vậy, đề tài này được thực hiện với tiêu đề “Nghiên cứu khả năng đa dạng hoá
nguyên liệu Hydro từ các nguồn năng lượng tái tạo cho nhà máy Đạm Cà Mau”
nhằm nghiên cứu để tìm thêm nhiều nguồn cung cấp Hydro, đảm bảo đủ nguồn
nguyên liệu cho các hoạt động của nhà máy Đạm Cà Mau cũng như nghiên cứu sử

1


Luận văn thạc sĩ


HVTH: Nguyễn Hữu Tài

dụng những nguồn năng lượng tái tạo mới sạch hơn, dồi dào hơn để cải thiện tình
trạng chỉ sử dụng nguồn năng lượng hóa thạch (chủ yếu là khí thiên nhiên). Các cơng
trình nghiên cứu về vấn đề này đã được tiến hành ở nhiều nơi trên thế giới, tuy nhiên
Hydro vẫn tồn tại những hạn chế khơng nhỏ để có thể ứng dụng rộng rãi trong cuộc
sống. Đây là một nguồn năng lượng hứa hẹn và nếu ứng dụng thành công sẽ tạo ra
một cuộc cách mạng lớn trong các ngành công nghiệp nói chung và ngành cơng
nghiệp lọc hóa dầu nói riêng.

2


Luận văn thạc sĩ

HVTH: Nguyễn Hữu Tài

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ HYDRO VÀ NĂNG LƯỢNG
TÁI TẠO
2.1. Tổng Quan Về Hydro
2.1.1. Giới thiệu chung về Hydro
Nguyên tố Hydro là một nguyên tố hóa học trong hệ thống tuần hồn các ngun tố
với nguyên tử bằng 1, tồn tại dưới dạng phân tử H2. Ở trạng thái tự do và trong các
điều kiện bình thường, Hydro khơng màu, khơng mùi và khơng vị, nhẹ hơn khơng
khí rất nhiều, tỉ trọng bằng 1/14 tỉ trọng của khơng khí. Hydro dễ cháy, khi cháy trong
khơng khí giới hạn từ 4-75% thể tích. Nhiệt độ cháy của Hydro cao nhất đạt được
2318oC ở nồng độ 29% thể tích, nếu cháy trong Oxy, nhiệt độ có thể lên đến 3000oC,
cao nhất so với tất cả các loại khí khác như khí Methane (CH4) đạt 2148oC, Propane
(C3H8) đạt 2385oC [2].
Hydro là nguyên tố phổ biến nhất trong vũ trụ, tạo nên khoảng 75% tổng khối lượng

vũ trụ và tới trên 90% tổng số nguyên tử, tồn tại nhiều trong ánh sáng mặt trời, kết
hợp với nhau tạo thành khí Heli. Trên trái đất, Hydro phần lớn ở dạng kết hợp với
oxy trong nước hay với carbon và các nguyên tố khác trong vô số các hợp chất hữu
cơ tạo nên cơ thể mọi loài động, thực vật.
Với các đặc tính này, Hydro sẽ là một nguồn nhiên liệu quan trọng trong tương lai,
phục vụ cho nhu cầu năng lượng của con người. Bởi Hydro là một loại nhiên liệu tái
sinh, thân thiện với môi trường, không gây ô nhiễm, không phát thải ra khí gây hiệu
ứng nhà kính, Hydro khi cháy rất “sạch” phản ứng cháy của Hydro chỉ tạo ra nước.
Nước là hợp chất của Oxy và Hydro.
Những lợi ích chính của nền kinh tế ứng dụng nhiên liệu Hydro:
 Không gây ô nhiễm môi trường và khơng phát thải khí gây hiệu ứng
nhà kính: Nhiên liệu Hydro khơng gây ra khí thải carbon khi cháy hoặc
các chất khí thải gây ơ nhiễm khác và q trình điện phân nước sản xuất
Hydro cũng khơng hề tạo nên khí nhà kính nào. Đó là một q trình lý
tưởng và hoàn hảo – điện phân Hydro từ nước. Điều này giúp giảm

3


Luận văn thạc sĩ

HVTH: Nguyễn Hữu Tài

lượng khí thải gây hiệu ứng nhà kính và giúp giữ cho mơi trường sạch
hơn. Hiệu suất cao: Nhiên liệu Hydro có thể có hiệu suất cao trong việc
chuyển đổi năng lượng thành công suất và làm việc hiệu quả. Hệ thống
nhiên liệu pin nhiên liệu Hydro có thể đạt được hiệu suất cao và cung
cấp công suất liên tục. Điều này giúp tăng cường hiệu suất năng lượng
và giảm mức tiêu thụ nhiên liệu so với các công nghệ khác.
 Đa dạng ứng dụng: Nhiên liệu Hydro có thể được sử dụng trong nhiều

lĩnh vực khác nhau. Nó có thể là nguồn năng lượng cho phương tiện
giao thông, như ứng dụng pin nhiên liệu hoặc nhiên liệu sinh học. Ngoài
ra, nhiên liệu Hydro cũng có thể được sử dụng để làm nguyên liệu cho
các ứng dụng trong q trình sản xuất hóa chất, xử lý kim loại, sản xuất
phân bón,… và cũng có thể được sử dụng để cung cấp năng lượng điện,
nhiệt và dân dụng khác.
 Tính bền vững: Nhiên liệu Hydro có nguồn gốc tái tạo và khơng giới
hạn. Nước, nguồn tạo ra khí Hydro, là một tài nguyên phổ biến và dồi
dào trên Trái đất. Quá trình sản xuất nhiên liệu Hydro có thể sử dụng
nước thải, nước biển hoặc nguồn nước khác, tạo ra một chu kỳ bền vững
trong việc sử dụng nhiên liệu, góp phần làm giảm sự phụ thuộc vào
nguồn nhiên liệu hoá thạch đang dần cạn kiệt trong tương lai.
 Đa dạng hoá nguồn năng lượng: Nhiên liệu Hydro mang lại sự đa dạng
hóa nguồn năng lượng. Trong một thời đại mà sự phụ thuộc vào nguồn
năng lượng hóa thạch gây ra nhiều vấn đề, sử dụng nhiên liệu Hydro
giúp giảm sự phụ thuộc vào dầu mỏ và khí tự nhiên, và tạo ra một hệ
thống năng lượng đa dạng và bền vững.
Như vậy, những lợi ích về mặt môi trường, kinh tế và bền vững của Hydro là rất đáng
kể và ý nghĩa. Tất cả những thế mạnh này đã tạo nên cú hích mạnh mẽ hướng nhân
loại tiến đến nghiên cứu, phát triển và ứng dụng chuỗi giá trị của nhiên liệu Hydro
như Hình 2.1.

4


Luận văn thạc sĩ

HVTH: Nguyễn Hữu Tài

Hình 2.1: Chuỗi giá trị úng dụng của nhiên liệu Hydro [3].


2.1.2. Các ứng dụng của Hydro hiện nay
Như đã đề cập về các ứng dụng đa dạng của Hydro trong nhiều lĩnh vực khác nhau,
hiện nay ta có thể chia làm 5 lĩnh vực chính:
1. Nguồn năng lượng tái tạo: Hydro có thể được sử dụng như một nguồn năng
lượng tái tạo. Nó có thể được sản xuất từ các nguồn năng lượng tái tạo như
năng lượng mặt trời và gió bằng quá trình điện phân nước. Hydro sau đó có
thể được sử dụng để tạo ra điện qua các hệ thống pin nhiên liệu Hydro
(Hydrogen Fuel Cell) hoặc đốt cháy để tạo ra nhiệt năng và điện năng.
2. Nhiên liệu cho phương tiện giao thơng:
 Hydro có thể được sử dụng như một nhiên liệu cho phương tiện giao
thông. Hệ thống pin nhiên liệu Hydro có thể chuyển đổi khí Hydro và
Oxy từ khơng khí thành điện năng, tạo ra nước là chất thải duy nhất.
 Ngồi ra, Hydro cịn được ứng dụng nghiên cứu sản xuất nhiên liệu sinh
học Bio-ethanol. Bio-ethanol là một loại nhiên liệu sinh học được sản
xuất từ các nguồn tinh bột và đường trong cây trồng như mía đường,
ngơ, lúa mạch và cây lúa. Trong q trình sản xuất Bio-ethanol, Hydro

5


Luận văn thạc sĩ

HVTH: Nguyễn Hữu Tài

có thể được sử dụng để tạo ra điện năng hoặc nhiệt năng trong quá trình
lên men và chưng cất để tạo ra Bio-ethanol.
Các loại năng lượng này có thể được sử dụng trong ô tô, xe buýt, tàu hỏa
và các phương tiện khác, cung cấp khả năng di chuyển mà khơng gây ra
khí thải carbon và làm ơ nhiễm khơng khí.

3. Lưu trữ năng lượng: Khí Hydro có thể được sử dụng để lưu trữ năng lượng từ
các nguồn năng lượng tái tạo khơng ổn định như năng lượng mặt trời và gió.
Q trình điện phân nước để tạo ra Hydro có thể được thực hiện khi nguồn
năng lượng tái tạo dồi dào, và Hydro sau đó có thể được lưu trữ và sử dụng để
tạo ra điện khi cần thiết.
4. Ngành công nghiệp: Khí Hydro có ứng dụng trong nhiều lĩnh vực cơng nghiệp
khác nhau.
 Sản xuất hóa chất: Khí hydro có thể được sử dụng như một nguyên liệu
hoặc một chất khử trong q trình sản xuất hóa chất. Nó có thể được sử
dụng trong quá trình chế tạo, xử lý, và tạo ra các hợp chất hóa học.
 Xử lý kim loại: Khí Hydro cũng được sử dụng trong các quá trình xử
lý kim loại như quá trình khử và tái chế kim loại và sản xuất sắt thép.
Hydro có khả năng tương tác với Oxy và các chất khác để giúp loại bỏ
tạp chất và làm sạch bề mặt kim loại bởi các quá trình cơ bản sau:
-

Quá trình khử: Khí Hydro được sử dụng trong q trình khử
gang và quá trình khử gang mạnh để loại bỏ Oxy và các tạp chất
khác từ quặng sắt và tạo ra gang lỏng.

-

Quá trình nhiệt luyện: Hydro cũng được sử dụng trong quá trình
nhiệt luyện thép để làm mềm và cải thiện tính đàn hồi của thép.
Q trình nhiệt luyện bằng Hydro thường được sử dụng để sản
xuất thép có tính chất đàn hồi cao, như các lò xo và các thành
phần có u cầu cơ học chính xác.

-


Q trình bảo quản: Hydro cũng có thể được sử dụng trong q
trình bảo quản thép để ngăn chặn sự oxy hóa và rỉ sét. Bằng cách
tạo ra mơi trường có chứa Hydro giảm thiểu tác động của không

6


Luận văn thạc sĩ

HVTH: Nguyễn Hữu Tài

khí và độ ẩm lên bề mặt thép, giúp bảo vệ thép khỏi sự hư hỏng
và oxy hóa.
 Sản xuất phân bón: Khí Hydro sử dụng trong q trình sản xuất phân
bón. Nó có thể kết hợp với Nitơ để tạo ra Ammonia, được sử dụng làm
thành phần chính để sản xuất phân bón.
 Sử dụng trong quy trình cơng nghiệp khác: Khí Hydro cũng có thể được
sử dụng để cung cấp nhiệt lượng trong các quy trình cơng nghiệp khác
như sản xuất điện, xử lý nước, sản xuất giấy, sản xuất thủy tinh hoặc
trong lĩnh vực bảo quản thực phẩm và đồ uống.
 Hệ thống lưu trữ và truyền tải năng lượng: Khí Hydro có thể được sử
dụng như một hệ thống lưu trữ và truyền tải năng lượng. Năng lượng
được tạo ra từ các nguồn tái tạo có thể được lưu trữ và truyền tải qua
đường ống hoặc vận chuyển bằng xe tải chuyên dụng để cung cấp năng
lượng cho các khu vực xa hoặc không tiếp cận mạng lưới điện truyền
thống. Khí Hydro được lưu trữ và phân phối đến các hệ thống tại khu
vực và được chuyển hoá thành điện năng bằng hệ thống điện từ pin
nhiên liệu hoặc nhiệt năng khi đốt để cung cấp năng lượng đáp ứng nhu
cầu năng lượng ở các khu vực dân cư và cơ sở sản xuất vùng sâu vùng
xa.


2.1.3. Thị trường giao dịch trên thế giới của Hydro
Tùy vào phương pháp sản xuất, Hydro có thể được phân loại thành 3 nhóm như sau:
Grey Hydrogen (Hydro xám), Blue Hydrogen (Hydro lam) và Green Hydrogen
(Hydro xanh) được thể hiện trong Bảng 2.1 [4].

7


Luận văn thạc sĩ

HVTH: Nguyễn Hữu Tài

Bảng 2.1: Bảng giới thiệu các nhóm Hydro tương ứng với các phương pháp sản
xuất.
Hydro xanh được sản xuất thơng qua q trình điện phân, trong
đó thiết bị điện phân tách nước thành hydro và oxy mà khơng
có sản phẩm phụ nào khác.
Hydro lam được sản xuất bằng phương pháp nhiệt hóa
Hydrocarbon kết hợp với công nghệ thu gom và lưu trữ CO2
Hydro xám tạo ra từ phương pháp nhiệt hóa các loại hợp chất
hydrocarbon như methane từ nguồn khí thiên nhiên hoặc sau
khi khí hóa nhiên liệu than ở quy mơ cơng nghiệp.

Theo số liệu thống kê của Cơ quan Năng lượng Tái tạo Quốc tế IRENA vào năm cuối
năm 2021, thể hiện ở Hình 2.2 thì chỉ khoảng 4% nguồn Hydro được sản xuất từ các
nguồn nguyên liệu tái tạo. Hầu hết sản lượng Hydro vẫn đến từ các nguồn nhiên liệu
hoá thạch: 69% từ khí thiên nhiên và 27% đến từ than đá [5].

Hình 2.2: Tỉ lệ nguồn nguyên liệu đã được sản xuất và các ngành ứng dụng của

Hydro.

Điều đó thể hiện tình trạng sản xuất Hydro bằng nhiên liệu hố thạch vẫn đang là
phương pháp có hiệu quả kinh tế nhất hiện nay, trong khi các công nghệ sản xuất

8