VINACHEM

Tại Nhật Bản, các công ty hóa chất lớn đang có kế hoạch xây dựng cơ sở hạ tầng để tiến tới sử dụng amoniăc làm nhiên liệu.

Sắp tới, Công ty Mitsui Chemicals hợp tác với 3 công ty khác sẽ trình bày báo cáo khả thi về khả năng chuyển đổi nhiên liệu chính từ metan sang amoniăc cho các nhà máy crăcking naphtha sản xuất các hợp chất hóa dầu. Nhưng những công ty này không đơn độc, các công ty lớn trên khắp Nhật Bản cũng đang nhận thấy tiềm năng của NH­₃­ cho những ứng dụng mới.

Amoniăc - giải pháp năng lượng khả thi

Nhật Bản đã đề ra mục tiêu đến năm 2030 giảm phát thải khí gây hiệu ứng nhà kính xuống 46% mức phát thải năm 2013. Khác với nhiều nguồn năng lượng khác, quá trình đốt NH­3­ không phát thải CO_­­2. Hiện nay, chính phủ Nhật Bản đã nhìn nhận NH­­₃­ như một giải pháp năng lượng khả thi trong bối cảnh đất nước vẫn đang lo ngại những hậu quả của năng lượng hạt nhân và chỉ có ít lựa chọn đối với năng lượng tái tạo. 

Theo Bộ Kinh tế, thương mại và công nghiệp Nhật Bản, chính sách mới có thể khiến cho đất nước tăng gấp ba mức tiêu thụ NH_­­3­ hàng năm, lên đến 4 triệu tấn vào năm 2030. Đến năm 2050, nếu Nhật Bản chuyển đổi tất cả các nhà máy nhiệt điện đốt than sang sử dụng nhiên liệu NH­­₃­, tiêu thụ NH_­­3­ có thể đạt 30 triệu tấn/năm.

Theo giám đốc Bộ phận hóa chất cơ bản tại Công ty khí và hóa chất Mitsubishi, NH₃ có thể là cứu tinh cho lĩnh vực phát điện của Nhật Bản.

Cho đến gần đây, NH_­­3­ vẫn được xem như một hóa chất không có triển vọng lớn ở Nhật Bản vì tính dễ cháy và có hại cho sức khỏe. Mặc dù vậy, NH­­₃ đang là một loại phân bón cần thiết và nguyên liệu quan trọng cho sản xuất hóa chất. Hoạt động sản xuất, vận chuyển, lưu kho, sử dụng NH­­₃ được điều chỉnh bởi một số luật an toàn của Nhật Bản.

NH_­­3­ là sản phẩm giàu hydro nhưng dễ vận chuyển hơn hydro, tuy nhiên không phải sản phẩm NH­­₃­ nào cũng có thể được sử dụng như nguồn năng lượng sạch.

NH_­­3­ sạch được sản xuất ở hai dạng chính: một loại được sản xuất cùng với hydro trong quá trình điện phân nước sử dụng năng lượng tái tạo, một loại khác được sản xuất bằng phương pháp tổng hợp với H₂ truyền thống (khí H₂ thu được từ quá trình reforming metan và tạo ra CO­₂), trong đó sản phẩm phụ CO­­₂ được thu giữ và chôn lấp dưới đất.

Các dự án sản xuất và sử dụng NH­_3­

Trong thời gian qua, một số dự án sử dụng NH_­­3­ sạch đã bắt đầu được khởi động. Năm 2020, Công ty Sabic của Arập Xê-út đã hợp tác với Viện Kinh tế năng lượng Nhật Bản vận chuyển 40 tấn NH­­₃­ xanh từ Arập Xê-út đến Nhật Bản với mục đích thử nghiệm phương án nhập khẩu NH­­_3­ làm nhiên liệu phát điện. Tháng 12/2021, các công ty MGC, Ube Industries, Sumitomo Chemical và Mitsui đã công bố kế hoạch khảo sát một mạng lưới đồng bộ ở Nhật Bản để đảm bảo vận chuyển và sử dụng NH­­₃­ một cách an toàn.

Hiện tại, các công ty Mitsui và Ube Industries đang sản xuất NH­­₃­ theo phương pháp truyền thống ở Nhật Bản. Công ty MGC đã ngừng sản xuất NH­­₃­ từ năm 2015 sau khi đóng cửa nhà máy ở Niigata, nhưng vẫn tiếp tục sản xuất các dẫn xuất NH­­₃­ tại địa điểm đó. Năm 2016, MGC đã đầu tư vào nhà máy sản xuất NH­­₃­ của Công ty PAU (Panca Amara Utama) tại Inđônêxia và bắt đầu nhập khẩu NH­­₃­ từ Công ty này khi nhà máy đi vào vận hành. Năm 2021, PAU đã thực hiện một nghiên cứu về chuyển đổi NH_­­3­ của mình thành NH_­­3­ xanh bằng cách thu giữ CO­₂.

Các công ty hóa chất nói trên của Nhật Bản đã có nhiều năm kinh nghiệm trong sản xuất, vận chuyển và sử dụng NH_­­3­ một cách an toàn. Họ đã tham gia vận hành và bảo dưỡng các bình đông lạnh áp suất cao, đồng thời có nhiều kiến thức về vận hành các tàu thuyền cũng như các đường ống chuyên vận chuyển NH_­­3­.

Giám đốc Công ty Mitsui cho biết, họ dự định nhập khẩu, sản xuất và phân phối NH­₃­ quy mô lớn ở Nhật Bản. Họ cũng đã xem xét các dự án ở nước ngoài, nơi giá thành sản xuất NH­­₃­ có thể rẻ hơn. Mục tiêu là đảm bảo nguồn cung NH­­₃­ ổn định và có tính cạnh tranh vào năm 2030. Để đạt được mục tiêu đó, các công ty sẽ phải xây dựng nhiều hơn các cơ sở hạ tầng thao tác nhiên liệu. Ví dụ, nếu muốn nhập khẩu 500.000 tấn NH_­­3­/năm sẽ cần có tối thiểu 2 kho cảng. Chi phí xây dựng các bình chứa cho những kho cảng này sẽ hơn 80 triệu USD.

Ngoài việc nhập khẩu NH­­₃­, các công ty Nhật Bản cũng đang khảo sát khả năng sản xuất NH­₃ xanh tại các nhà máy trong nước. Ví dụ, Công ty Asahi Kasei dự định sản xuất hydro bằng cách sử dụng năng lượng tái tạo dư thừa để phân tách nước theo quy trình điện phân kiềm. Công ty Asahi Kasei đã hợp tác với Công ty kỹ thuật JGC Holdings trong dự án trình diễn khả năng sử dụng thiết bị điện phân 10 MW nhằm tạo ra H₂ cho sản xuất NH­­_3­, với mục tiêu đạt sản xuất quy mô thương mại ở Nhật Bản hoặc ở nước ngoài.
Trong khi đó, hệ thống điều khiển chính xác là điểm mấu chốt của dự án. Do sử dụng năng lượng tái tạo nên cần phải thiết lập một hệ thống điều khiển ổn định, không chịu ảnh hưởng của các dao động thất thường trong mạng lưới phát điện.    

Ngoài việc thay thế than trong các nhà máy nhiệt điện, NH­­₃­ còn có thể được sử dụng thay cho metan trong các thiết bị crăcking để chuyển hóa naptha và các hydrocacbon khác thành các sản phẩm hóa dầu. Tháng 2/2022, Công ty Mitsui đã đưa vào vận hành dự án kiểm tra tính khả thi của phương án này. Hiện Công ty cũng đang tham gia một liên doanh với kế hoạch xây dựng lò crăcking naptha 10.000 tấn/năm tại tổ hợp của mình ở Osaka, Nhật Bản. Tiếp theo, liên doanh này sẽ xây dựng lò thử nghiệm quy mô lớn hơn tại Chiba, Nhật Bản. Họ hy vọng công nghệ mới sẽ được các nhà sản xuất etylen trên khắp Nhật Bản áp dụng. Nếu các nhà sản xuất etylen trong nước chuyển sang sử dụng nhiên liệu NH₃­, phát thải CO­₂ sẽ được cắt giảm 10,4 triệu tấn/năm so với hiện nay. 

Công nghệ mới trong tổng hợp NH_­3­

Không chỉ các công ty lâu đời của Nhật Bản là có tiềm năng lớn về sản xuất NH­­₃­. Mới đây, Công ty khởi nghiệp Tsubame BHB (trước đây thuộc Viện Công nghệ Tokyo) đã phát triển quy trình tổng hợp NH­­₃­ ở nhiệt độ và áp suất thấp hơn nhiều so với quy trình Haber-Bosch truyền thống. Công ty cho biết,  nhờ sử dụng chất xúc tác do Viện Công nghệ Tokyo phát minh nên quy trình mới cho phép giảm 25% nhiệt độ và giảm hơn 75% áp suất so với quá trình tổng hợp NH­­_3­ thông thường. Quy trình mới này sử dụng chất xúc tác là các hạt Rutheni trên bề mặt một vật liệu tương tự xi măng, qua đó làm tăng sự dao động mạnh của các phân tử nitơ và phá vỡ liên kết ba của Nitơ. 

Công ty Tsubame BHB dự định sẽ thử nghiệm quy trình tại nhà máy 20 tấn/năm ở nhà máy của Công ty Ajinomoto. Kế hoạch của Tsubame BHB là xây dựng nhiều xưởng NH­­₃ quy mô nhỏ ở các nhà máy sản xuất Axit amin, phân bón hoặc các hóa chất khác. Các xưởng này cũng có thể được xây dựng ở các nhà máy sản xuất chất bán dẫn với mục đích cung cấp NH_­­3­ cho công đoạn kết tủa màng Nitrua. Công nghệ mới có thể thay thế phương pháp truyền thống ở những lĩnh vực mà sản xuất NH­­₃­ trong nước dùng cho tiêu thụ nội địa có lợi thế về chi phí.

Công ty Tsubame BHB cũng dự định sẽ sản xuất nhiên liệu NH­­₃­ quy mô lớn thông qua liên doanh có sự tham gia của chính phủ Nhật Bản và các công ty khác như Công ty Điện lực Tokyo, Công ty Công nghệ Chiyoda. Liên doanh này có kế hoạch đi tiên phong trong việc sử dụng chất xúc tác mới, làm việc ở điều kiện nhẹ nhàng hơn quy trình Haber-Bosch nhưng không sử dụng kim loại quý Rutheni. 

Trong thời gian tới, quá trình chuyển đổi sang nhiên liệu NH­­₃­ sẽ là một chặng đường dài nhiều chông gai, nhưng chính phủ Nhật Bản đang khuyến khích nhiều công ty tham gia để biến triển vọng đó thành hiện thực.