Các Loại Khí Trong Năng Lượng Tái Tạo Và Ứng Dụng Thực Tế

Năng lượng tái tạo không chỉ gắn với điện mặt trời, điện gió hay thủy điện mà còn liên quan đến nhiều loại khí được sử dụng làm nhiên liệu, chất mang năng lượng và khí hỗ trợ trong quá trình sản xuất. Hydro, biogas, biomethane, ammonia xanh cùng các khí công nghiệp như nitơ, oxy và CO₂ đang góp phần hình thành một hệ sinh thái năng lượng linh hoạt hơn. Cùng Tomoe Vietnam tìm hiểu đặc điểm và vai trò của từng loại khí trong thực tế.

Khí đóng vai trò gì trong ngành năng lượng tái tạo?

Khi tìm hiểu các loại khí trong năng lượng tái tạo, cần phân biệt giữa khí hoặc nhiên liệu có nguồn gốc tái tạo và khí công nghiệp được sử dụng để hỗ trợ quá trình sản xuất năng lượng. Không phải mọi loại khí xuất hiện trong một nhà máy năng lượng tái tạo đều có thể gọi là “khí tái tạo”.

Theo Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IEA), nhóm nhiên liệu tái tạo có thể bao gồm biogas, biomethane, hydro được sản xuất bằng điện tái tạo và các nhiên liệu tổng hợp tạo từ hydro tái tạo như ammonia hoặc methanol. Đây là những giải pháp đặc biệt đáng chú ý đối với các lĩnh vực khó điện khí hóa hoàn toàn như công nghiệp nặng, vận tải đường dài và một số nhu cầu nhiệt công nghiệp.

Xét theo vai trò, các loại khí liên quan đến ngành năng lượng tái tạo có thể chia thành ba nhóm chính:

• Nhiên liệu hoặc chất mang năng lượng: hydro, biogas, biomethane.

• Nhiên liệu dẫn xuất: ammonia xanh, methane tổng hợp và một số nhiên liệu tổng hợp khác.

• Khí hỗ trợ quá trình: nitơ, oxy, CO₂ và các khí kỹ thuật được sử dụng trong vận hành, làm sạch, bảo vệ thiết bị hoặc chuyển hóa nguyên liệu.

Cách phân loại này giúp đánh giá đúng vai trò của từng loại khí thay vì xem tất cả chúng như một nguồn năng lượng độc lập.

Các loại khí phổ biến trong năng lượng tái tạo

Mỗi loại khí có nguồn hình thành, đặc tính và ứng dụng khác nhau. Trong đó, hydro, biogas và biomethane đang được quan tâm nhiều nhờ khả năng kết nối giữa sản xuất điện tái tạo, lưu trữ năng lượng, xử lý chất thải và nhu cầu nhiên liệu trong công nghiệp.

Khí Hydro (H₂) – chất mang năng lượng quan trọng

Hydro là một trong những loại khí được nhắc đến nhiều nhất trong quá trình chuyển dịch năng lượng. Tuy nhiên, hydro không phải nguồn năng lượng sơ cấp giống như ánh sáng mặt trời hay gió. Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE) xác định hydro là một chất mang năng lượng, có thể lưu trữ, vận chuyển và cung cấp năng lượng được tạo ra từ các nguồn khác.

Hydro có thể được sản xuất theo nhiều phương pháp, vì vậy không phải mọi loại hydro đều là hydro tái tạo. Một trong những hướng quan trọng hiện nay là điện phân nước bằng điện từ nguồn tái tạo như điện mặt trời, điện gió hoặc thủy điện. Quá trình điện phân tách phân tử nước thành hydro và oxy thông qua thiết bị electrolyzer.

Mô hình này tạo ra khả năng kết nối giữa điện tái tạo và các lĩnh vực sử dụng nhiên liệu. Khi hệ thống điện gió hoặc điện mặt trời phát ra lượng điện lớn hơn nhu cầu tại một thời điểm nhất định, phần điện phù hợp có thể được sử dụng để vận hành hệ thống điện phân tạo H₂. Hydro sau đó có thể được lưu trữ hoặc đưa vào các quá trình công nghiệp khác.

Một số hướng ứng dụng đáng chú ý của hydro gồm:

• Nguyên liệu cho sản xuất hóa chất và ammonia.

• Nhiên liệu cho pin nhiên liệu.

• Hỗ trợ khử carbon trong một số ngành công nghiệp nặng.

• Lưu trữ và chuyển đổi năng lượng.

• Sản xuất nhiên liệu tổng hợp.

• Ứng dụng trong một số hệ thống phát điện và nhiệt.

IRENA cũng đánh giá hydro là một chất mang năng lượng có tiềm năng đối với những lĩnh vực khó giảm phát thải chỉ bằng điện khí hóa trực tiếp, chẳng hạn công nghiệp nặng, vận tải đường dài và lưu trữ năng lượng theo mùa.

Đối với nhu cầu khí công nghiệp, Tomoe Vietnam hiện cung cấp khí Hydro H₂ với độ tinh khiết tiêu chuẩn trên 99,999%, theo nhiều hình thức như chai, long-tube, đường ống hoặc cấp trực tiếp từ nhà máy tùy phương án sử dụng. Năng lượng cũng nằm trong nhóm ngành ứng dụng H₂ được doanh nghiệp công bố.

Biogas – khí sinh học từ chất hữu cơ

Biogas là loại khí được hình thành khi vật chất hữu cơ phân hủy trong điều kiện yếm khí. Nguồn nguyên liệu có thể đến từ chất thải chăn nuôi, phụ phẩm nông nghiệp, bùn thải, rác hữu cơ, chất thải thực phẩm hoặc các nguồn sinh khối phù hợp.

Thành phần chính của biogas là methane (CH₄) và carbon dioxide (CO₂), bên cạnh một lượng nhỏ hơi nước, hydrogen sulfide cùng các thành phần khác tùy nguyên liệu đầu vào và công nghệ xử lý.

Theo Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ (EPA), biogas thô thường chứa khoảng 45–65% methane. Tỷ lệ cụ thể thay đổi theo loại nguyên liệu và quá trình phân hủy.

Biogas có thể được sử dụng tương đối trực tiếp sau các bước xử lý cần thiết cho:

• Đốt tạo nhiệt.

• Phát điện.

• Hệ thống đồng phát nhiệt và điện (CHP).

• Làm nguyên liệu để tiếp tục nâng cấp thành biomethane.

Ưu điểm đáng chú ý của biogas là kết hợp được hai vấn đề: xử lý chất thải hữu cơ và tạo ra năng lượng. Thay vì để chất hữu cơ phân hủy không kiểm soát, hệ thống biogas có thể thu hồi khí và tận dụng lượng methane sinh ra làm nhiên liệu.

Biomethane – methane sinh học đã được nâng cấp

Biomethane có mối liên hệ chặt chẽ với biogas nhưng hai khái niệm không hoàn toàn giống nhau.

Biogas ban đầu chứa cả methane, CO₂, hơi nước và nhiều thành phần khác. Để tạo biomethane, khí cần trải qua quá trình nâng cấp nhằm loại bỏ phần lớn CO₂, độ ẩm và các tạp chất không mong muốn, qua đó tăng tỷ lệ methane.

EPA cho biết sau khi được nâng cấp thành renewable natural gas (RNG), hàm lượng methane có thể đạt từ 90% trở lên; khí được đưa vào một số mạng lưới đường ống thường cần tỷ lệ methane cao hơn nữa tùy tiêu chuẩn áp dụng.

Nhờ đặc tính gần với khí tự nhiên hơn biogas thô, biomethane có thể được ứng dụng trong:

• Nhiệt công nghiệp.

• Phát điện.

• Nhiên liệu giao thông.

• Nguyên liệu cho một số quá trình hóa học.

• Thay thế một phần khí tự nhiên hóa thạch trong hạ tầng phù hợp.

Theo IEA, biomethane có lợi thế ở khả năng tận dụng một phần hạ tầng và thiết bị khí tự nhiên hiện hữu. Cơ quan này dự báo tổng sản lượng biogas và biomethane toàn cầu có thể tăng khoảng 22% trong giai đoạn 2025–2030, trong đó biomethane là động lực tăng trưởng quan trọng.

Methane tổng hợp – nhiên liệu tạo từ hydro và carbon

Ngoài methane có nguồn gốc sinh học, methane còn có thể được tạo ra bằng con đường tổng hợp. Một hướng đang được nghiên cứu và phát triển là kết hợp hydro được sản xuất từ điện tái tạo với nguồn carbon phù hợp, thường thông qua CO₂, để hình thành các hydrocarbon tổng hợp.

IRENA cho biết hydro có thể kết hợp với carbon từ CO₂ để sản xuất các hydrocarbon và nhiều dẫn xuất khác.

Một lợi thế của methane tổng hợp là đặc tính tương tự methane thông thường, nhờ đó có khả năng tận dụng một phần cơ sở hạ tầng lưu trữ, vận chuyển và sử dụng khí đã tồn tại nếu đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật.

Tuy nhiên, không nên mặc định mọi methane tổng hợp đều là nhiên liệu tái tạo. Mức phát thải của toàn bộ chuỗi phụ thuộc vào nguồn điện sản xuất hydro, nguồn CO₂, hiệu suất chuyển đổi và phương thức vận hành.

Ammonia xanh (NH₃) – chất mang hydro và nhiên liệu tiềm năng

Ammonia là hợp chất gồm nitơ và hydro, hiện được sử dụng với quy mô lớn trong ngành hóa chất và sản xuất phân bón. Trong hệ thống năng lượng tương lai, ammonia còn được quan tâm như một phương tiện vận chuyển hydro và một loại nhiên liệu tiềm năng.

Ammonia xanh thường được hiểu là ammonia được sản xuất với hydro có nguồn gốc từ điện tái tạo, thay vì hydro tạo từ nhiên liệu hóa thạch theo phương pháp truyền thống.

Theo IRENA, ammonia tái tạo đang được nghiên cứu và phát triển cho nhiều mục đích như:

• Chất mang hydro.

• Nhiên liệu cho vận tải biển.

• Nhiên liệu cho một số hệ thống nhiệt và năng lượng.

• Nguyên liệu hóa chất có mức phát thải thấp hơn khi toàn bộ chuỗi sản xuất được khử carbon.

Ammonia cũng cho thấy mối liên kết giữa nhiều khí công nghiệp: H₂ là nguyên liệu chính, trong khi N₂ cung cấp thành phần nitơ cần thiết để tổng hợp NH₃. Vì vậy, chuỗi sản xuất ammonia tái tạo không chỉ liên quan đến nguồn điện xanh mà còn cần hệ thống cung cấp, tinh chế và kiểm soát khí phù hợp.

Các khí công nghiệp hỗ trợ quá trình sản xuất năng lượng tái tạo

Bên cạnh các loại khí trực tiếp mang năng lượng, nhiều khí công nghiệp khác giữ vai trò quan trọng trong thiết bị và dây chuyền sản xuất. Nitơ, oxy hay CO₂ có thể không phải nhiên liệu tái tạo, nhưng lại tham gia vào nhiều công đoạn của chuỗi năng lượng.

Khí Nitơ (N₂)

Nitơ là khí có tính trơ tương đối trong nhiều điều kiện vận hành nên thường được sử dụng để tạo môi trường kiểm soát trong các hệ thống công nghiệp.

Trong các dự án có đường ống, bồn chứa hoặc thiết bị xử lý khí, N₂ có thể được sử dụng cho các công việc như:

• Purging, đẩy không khí hoặc khí còn sót khỏi đường ống.

• Tạo môi trường trơ trong thiết bị phù hợp.

• Hỗ trợ thử kín hoặc kiểm tra hệ thống theo quy trình kỹ thuật.

• Hạn chế sự hiện diện của oxy trong những công đoạn cần kiểm soát phản ứng oxy hóa hoặc nguy cơ cháy.

N₂ cũng là nguyên liệu cần thiết trong quá trình tổng hợp ammonia từ hydro. Tuy nhiên, nitơ không phải nguồn năng lượng tái tạo; vai trò chính của nó là nguyên liệu và khí hỗ trợ quy trình.

Khí Oxy (O₂)

Oxy thường được biết đến với vai trò hỗ trợ sự cháy, nhưng trong lĩnh vực năng lượng và chuyển hóa nguyên liệu, O₂ còn có thể được sử dụng làm chất oxy hóa cho một số quá trình công nghiệp.

Ví dụ, trong một số công nghệ khí hóa biomass, lượng oxy được kiểm soát để hỗ trợ chuyển đổi nguyên liệu rắn thành hỗn hợp khí có thể tiếp tục được xử lý thành nhiên liệu hoặc nguyên liệu hóa học.

Oxy cũng là sản phẩm đồng thời sinh ra trong quá trình điện phân nước tạo hydro. Tùy cấu hình dự án, dòng O₂ này có thể được thu hồi để sử dụng cho các nhu cầu khác thay vì xem hoàn toàn là sản phẩm phụ.

Tương tự N₂, bản thân oxy không phải “khí tái tạo”. Giá trị của O₂ nằm ở chức năng hỗ trợ phản ứng và các quá trình chuyển hóa năng lượng.

Khí Carbon Dioxide (CO₂)

CO₂ thường được nhìn nhận chủ yếu dưới góc độ khí nhà kính, nhưng trong một số chuỗi công nghệ năng lượng, CO₂ đồng thời là thành phần cần được tách hoặc có thể trở thành nguyên liệu đầu vào.

Trong biogas, CO₂ tồn tại cùng methane. Khi nâng cấp biogas thành biomethane, một trong những công đoạn quan trọng là giảm hàm lượng CO₂ và các tạp chất để tăng tỷ lệ CH₄.

Ở chiều ngược lại, CO₂ thu hồi từ nguồn phù hợp có thể được kết hợp với hydro để tạo methanol, methane tổng hợp hoặc các hydrocarbon khác trong các mô hình Power-to-X.

Do đó, CO₂ có thể xuất hiện ở hai vị trí khác nhau trong chuỗi năng lượng: là thành phần cần loại bỏ trong quá trình tinh chế biogas và là nguồn carbon đầu vào cho một số nhiên liệu tổng hợp.

So sánh các loại khí trong năng lượng tái tạo

Bảng dưới đây giúp phân biệt nhanh vai trò của từng loại khí:

Như vậy, H₂, biogas và biomethane có vai trò trực tiếp hơn trong lưu trữ hoặc cung cấp năng lượng, trong khi N₂, O₂ và CO₂ chủ yếu tham gia với tư cách khí công nghệ hoặc nguyên liệu cho những quá trình cụ thể.

Hydro, biogas hay biomethane phù hợp với ứng dụng nào?

Không có một loại khí duy nhất phù hợp cho mọi hệ thống năng lượng tái tạo. Lựa chọn cần dựa trên nguồn nguyên liệu, hạ tầng sẵn có và mục tiêu đầu ra.

• Hydro phù hợp với các dự án muốn kết nối nguồn điện tái tạo với nhu cầu nhiên liệu hoặc nguyên liệu công nghiệp. Đây cũng là lựa chọn đáng chú ý khi cần lưu trữ năng lượng trong thời gian dài hoặc cung cấp nguyên liệu cho ammonia, methanol và các nhiên liệu dẫn xuất.
• Biogas có lợi thế khi khu vực có nguồn chất thải hữu cơ ổn định như trang trại, nhà máy chế biến thực phẩm, khu xử lý nước thải hoặc hệ thống quản lý rác hữu cơ. Khí có thể được sử dụng tại chỗ để tạo nhiệt và điện.
• Biomethane phù hợp hơn khi mục tiêu là tạo nhiên liệu có chất lượng gần khí tự nhiên để sử dụng trong phương tiện, công nghiệp hoặc hạ tầng khí đáp ứng tiêu chuẩn.

Trong khi đó, N₂, O₂ và CO₂ thường được lựa chọn theo yêu cầu của từng công đoạn thay vì theo nhu cầu năng lượng đầu ra.

Yêu cầu an toàn khi sử dụng khí trong hệ thống năng lượng

Các loại khí liên quan đến ngành năng lượng có đặc tính rất khác nhau nên hệ thống cấp khí không thể sử dụng một thiết kế chung cho mọi trường hợp.

Hydro có khả năng bắt cháy và dễ rò rỉ do kích thước phân tử nhỏ; methane cũng là khí cháy. Oxy không phải nhiên liệu nhưng môi trường giàu oxy có thể làm tăng tốc độ cháy của nhiều vật liệu. Nitơ lại có thể làm giảm hàm lượng oxy trong không gian kín và gây nguy cơ thiếu oxy nếu rò rỉ với lượng lớn.

Vì vậy, khi thiết kế và vận hành hệ thống cần chú ý:

• Lựa chọn vật liệu đường ống, van, regulator và thiết bị phù hợp với loại khí.

• Kiểm soát áp suất theo yêu cầu thiết kế.

• Bố trí hệ thống thông gió phù hợp.

• Sử dụng thiết bị phát hiện rò rỉ khi điều kiện vận hành yêu cầu.

• Purging đường ống đúng quy trình trước khi đưa hệ thống vào hoạt động.

• Kiểm tra các mối nối và vị trí có nguy cơ rò rỉ.

• Bảo trì đường ống, bồn chứa và thiết bị cấp khí định kỳ.

• Tuân thủ yêu cầu phòng cháy, an toàn lao động và tiêu chuẩn kỹ thuật áp dụng cho từng hệ thống.

Đối với nhà máy sử dụng nhiều loại khí cùng lúc, việc phân tách đúng hệ thống và nhận diện rõ từng đường khí đặc biệt quan trọng để tránh đấu nối nhầm hoặc sử dụng thiết bị không tương thích.

Xu hướng sử dụng khí trong chuyển dịch sang năng lượng tái tạo

Điện mặt trời và điện gió tiếp tục mở rộng nhưng điện khí hóa không phải giải pháp duy nhất cho mọi lĩnh vực. Vì vậy, các nhiên liệu tái tạo dạng khí đang được phát triển như một phần bổ sung cho hệ thống điện.

Theo IEA, sản lượng biogas và biomethane toàn cầu được dự báo tăng khoảng 22% từ năm 2025 đến 2030. Động lực đến từ nhu cầu an ninh năng lượng, xử lý chất thải, giảm phát thải methane và thay thế nhiên liệu hóa thạch trong những ứng dụng khó điện khí hóa.

Song song với đó là sự phát triển của hydro tái tạo và các dẫn xuất như ammonia hay methanol. IRENA nhận định hydro xanh cùng các hàng hóa dẫn xuất đang trở thành một thành phần quan trọng trong quá trình giảm phát thải ở những ngành khó chuyển hoàn toàn sang sử dụng điện.

Xu hướng này cũng làm gia tăng nhu cầu về hệ thống lưu trữ, đường ống, thiết bị điều áp, phát hiện rò rỉ và các khí hỗ trợ như N₂, O₂ hay CO₂. Nói cách khác, quá trình chuyển dịch năng lượng không chỉ tạo nhu cầu về nguồn khí mới mà còn đặt ra yêu cầu cao hơn đối với toàn bộ hạ tầng cấp và sử dụng khí.

Giải pháp khí công nghiệp cho ngành năng lượng tại Tomoe Vietnam

Trong các dự án công nghiệp và năng lượng, lựa chọn đúng loại khí chỉ là một phần của bài toán. Nguồn cung, hình thức lưu trữ, hệ thống đường ống, điều áp và công tác bảo trì cũng ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng vận hành an toàn, liên tục.

Tomoe Vietnam hiện cung cấp nhiều loại khí công nghiệp gồm Hydro (H₂), Nitơ (N₂), Oxy (O₂), Carbon Dioxide (CO₂), Argon (Ar), Heli (He) và Acetylene (C₂H₂). Bên cạnh hoạt động cung cấp khí, doanh nghiệp còn triển khai hệ thống cấp khí, bồn chứa, đường ống và dịch vụ bảo trì cho các nhu cầu công nghiệp.

Tùy loại khí, lưu lượng sử dụng và đặc điểm của nhà máy, phương án cấp khí cần được khảo sát và thiết kế phù hợp thay vì chỉ dựa trên dung tích bình chứa. Việc đồng bộ nguồn khí với đường ống, thiết bị điều áp, hệ thống giám sát và kế hoạch bảo trì sẽ giúp doanh nghiệp kiểm soát tốt hơn độ ổn định cũng như an toàn trong quá trình vận hành.

Kết luận

Các loại khí trong năng lượng tái tạo đảm nhận nhiều vai trò khác nhau, từ hydro, biogas và biomethane dùng để mang hoặc cung cấp năng lượng đến N₂, O₂ và CO₂ hỗ trợ quá trình sản xuất. Hiểu đúng đặc tính của từng loại khí giúp doanh nghiệp lựa chọn giải pháp phù hợp và tránh nhầm lẫn giữa nhiên liệu tái tạo với khí công nghiệp thông thường. Với kinh nghiệm cung cấp khí và triển khai hệ thống cấp khí, Tomoe Vietnam có thể hỗ trợ doanh nghiệp xây dựng phương án phù hợp với từng nhu cầu sử dụng thực tế.