Năng lượng tái tạo tác động thế nào đến nền nông nghiệp bền vững

Điện tái tạo, đặc biệt là từ các nguồn như gió, mặt trời và các nguồn tài nguyên tái tạo khác, đang nhanh chóng trở thành nền tảng của nỗ lực toàn cầu nhằm khử cacbon cho nhiều ngành công nghiệp khác nhau. Một trong những ứng dụng đầy hứa hẹn nhất của nó đối với nhu cầu công nghiệp là sản xuất hydro xanh thông qua quá trình điện phân nước - một loại nhiên liệu sạch và đa năng có tiềm năng to lớn để cung cấp năng lượng cho các ngành khó giảm phát thải như kim loại, khai thác mỏ và sản xuất nhiên liệu hàng hải và hàng không bền vững. Quá trình chuyển đổi này đang được hỗ trợ tích cực bởi nhiều ưu đãi của chính phủ trên khắp các khu vực khác nhau và nhu cầu thay đổi của người tiêu dùng.

Tuy nhiên, tiềm năng chuyển đổi của hydro xanh vượt ra ngoài các ngành công nghiệp nặng và vận tải. Trong nông nghiệp, hydro - hiện có nguồn gốc từ quá trình chế biến nhiên liệu hóa thạch - đóng vai trò quan trọng trong sản xuất amoniac, nền tảng cho phân bón gốc nitơ. Do ngành phân bón nitơ chiếm một phần đáng kể lượng khí thải nhà kính (GHG) toàn cầu, nên việc khử cacbon trong sản xuất phân bón là rất quan trọng.

Bằng cách tích hợp các công nghệ tiên tiến như quy trình NX STAMI Green Ammonia của Stamicarbon (Hà Lan), các nhà máy quy mô vừa và nhỏ có thể sản xuất amoniac hiệu quả trong khi vẫn giảm lượng khí thải. Sự thay đổi mang đến cơ hội khử cacbon trong sản xuất phân bón. Stamicarbon, đơn vị cấp phép công nghệ nitơ của MAIRE S.p.A., đi đầu trong việc tạo ra chuỗi giá trị này, thúc đẩy hoạt động canh tác xanh hơn hướng đến một nền nông nghiệp bền vững.

Hydro xanh thành amoniac xanh

Hydro xanh, có nguồn gốc từ điện tái tạo thông qua quá trình điện phân, là nhiên liệu sạch nhưng lại có những thách thức về mặt lưu trữ và vận chuyển do mật độ năng lượng thấp và bản chất dễ nổ. Một giải pháp thay thế được cân nhắc rộng rãi trong ngành là amoniac xanh, được sản xuất bằng cách kết hợp hydro xanh với nitơ từ không khí. Lợi ích chính của amoniac là dễ lưu trữ và vận chuyển hơn, với mật độ năng lượng cao hơn so với hydro. Ví dụ, amoniac có thể được lưu trữ ở nhiệt độ -33°C hoặc dưới áp suất vừa phải, giúp tiết kiệm chi phí hơn khi lưu trữ lâu dài so với hydro, vốn đòi hỏi áp suất cực cao hoặc nhiệt độ cực thấp.

Cơ sở hạ tầng toàn cầu để lưu trữ, vận chuyển và ứng dụng amoniac đã được phát triển rộng rãi trong thế kỷ qua, khiến amoniac trở thành giải pháp được chấp nhận rộng rãi và thiết thực cho việc triển khai trên quy mô lớn.

Quy trình sản xuất amoniac, được gọi là quy trình Haber-Bosch, được phát minh vào năm 1913 và là một công nghệ đã được khẳng định. Với một số sửa đổi nhất định, quy trình này có thể được điều chỉnh để sản xuất amoniac xanh, quản lý hiệu quả nguồn cung điện tái tạo không ổn định. Với tình trạng hiện tại của ngành - đặc biệt là nguồn cung cấp máy điện phân hạn chế và tính khả dụng hạn chế cùng chi phí cao hơn liên quan đến điện tái tạo - các nhà máy amoniac xanh quy mô nhỏ đang nổi lên như những giải pháp tối ưu.

Trái ngược với sản xuất amoniac truyền thống bằng nhiên liệu hóa thạch, quy mô kinh tế đóng vai trò ít quan trọng hơn đối với amoniac xanh. Do đó, sản xuất theo module và có thể mở rộng quy mô mang đầy hứa hẹn cho những người áp dụng sớm để đạt được mục tiêu khử cacbon.

Quy trình amoniac xanh

Công nghệ của Stamicarbon nổi bật ở chỗ cho phép sản xuất amoniac từ năng lượng tái tạo với tác động tối thiểu đến môi trường. Công nghệ NX STAMI Green Ammonia™ được thiết kế để tạo ra cách bố trí hiệu quả nhất cho các nhà máy vừa và nhỏ dựa vào nguyên liệu xanh.

Công nghệ này sử dụng vòng tổng hợp amoniac áp suất cao hoạt động ở mức khoảng 300 bar, tăng cường hiệu suất chuyển đổi đồng thời giảm nhu cầu về các hệ thống làm lạnh đắt tiền. Luồng quy trình, như thể hiện trong Hình 1, bắt đầu bằng khí bổ sung - hỗn hợp hydro và nitơ - được tạo ra từ bộ điện phân thượng nguồn và đơn vị tạo nitơ. Sau đó, khí này được nén trong máy nén pittông đa dịch vụ chạy bằng điện đến áp suất trên 300 bar. Luồng tuần hoàn chứa khí chưa chuyển đổi cũng được nén lại ở cùng áp suất.

Công nghệ của Stamicarbon cũng được thiết kế có tính đến các mối quan tâm về môi trường. Công nghệ này kết hợp các biện pháp để giảm thiểu khí thải nhà kính và các chất ô nhiễm khác. Việc sử dụng công nghệ giảm thiểu bậc ba độc quyền cho phép loại bỏ nitơ oxit và nitơ oxit, có thể giảm xuống gần bằng không, dẫn đến việc thải bỏ khí thải an toàn cho môi trường.

Tích hợp công nghệ trong một tổ hợp phân bón xanh

Một tổ hợp phân bón xanh, như thể hiện trong Hình 2, có thể tích hợp nhiều đơn vị, bao gồm một nhà máy sản xuất amoniac xanh, một nhà máy axit nitric, một nhà máy dung dịch urê và một nhà máy dung dịch amoni nitrat. Một lợi thế chính của việc tích hợp là giảm CAPEX và OPEX.

Ví dụ, luồng oxy từ bộ phận điện phân nước có thể được kết hợp vào nhà máy axit nitric, như minh họa trong Hình 3, giúp giảm nhu cầu oxy cung cấp bằng không khí thông thường.

Dự án Meadowlark

Một ví dụ điển hình về việc tích hợp các công nghệ của Stamicarbon vào thực tế là dự án Meadowlark tại Gothenburg, Nebraska, Mỹ. Cơ sở hiện đại này sẽ là cơ sở đầu tiên kết hợp các công nghệ của Stamicarbon vào sản xuất urê, axit nitric và amoni nitrat.

Hoàn toàn sử dụng năng lượng tái tạo, nhà máy này sẽ sản xuất amoniac xanh. Về sau, nhà máy axit nitric sẽ được tích hợp với một bộ phận urê, bộ phận trung hòa và bộ phận trộn urê amoni nitrat (UAN). Nhà máy axit nitric sẽ hoạt động ở áp suất không đổi là 8 bar, kết hợp các hoạt động hấp thụ và tẩy trắng trong một thiết bị duy nhất. Do không có tua bin hơi, toàn bộ hơi nước áp suất cao được xuất khẩu và sử dụng trong các bộ phận khác của khu phức hợp phân bón.

Cơ sở này dự kiến sẽ sản xuất ra sản lượng ấn tượng: 365.000 tấn urê amoni nitrat (UAN) và 146.000 tấn amoni thiosunfat (ATS) mỗi năm. Ngoài ra, nhà máy sẽ sản xuất 20 triệu gallon chất lỏng xả diesel (DEF) hàng năm, hướng đến cơ sở hạ tầng giao thông xe tải hạng nặng đã phát triển trong khu vực.

Dự án này đại diện cho một nhà máy phân bón xanh tích hợp hoàn toàn sẽ cung cấp phân bón cho nông dân địa phương trong khi sử dụng CO₂ thải.

Một ví dụ khác về sự tích hợp các công nghệ của Stamicarbon là dự án FertigHy tại Pháp. Stamicarbon, cùng với NextChem Tech (MAIRE), đã được trao một nghiên cứu khả thi và hợp đồng tiền FEED cho nhà máy phân bón carbon thấp đầu tiên của FertigHy. Dự kiến sẽ bắt đầu xây dựng vào năm 2027, nhà máy sẽ sản xuất 500.000 tấn phân bón nitơ carbon thấp hàng năm, sử dụng hydro từ điện tái tạo và carbon thấp. Các công nghệ NX STAMI Green Ammonia™ và NX STAMI Nitric Acid™ của Stamicarbon sẽ cho phép sản xuất amoniac thân thiện với môi trường và xử lý axit nitric hiệu quả cao với lượng khí thải nhà kính tối thiểu.

Quy trình NX STAMI Green Ammonia™, với thiết kế module hoàn toàn phù hợp với các cơ sở phi tập trung quy mô nhỏ đến trung bình, là công nghệ tiên phong trong sản xuất amoniac xanh. Dựa trên công nghệ khí đốt tự nhiên đã được chứng minh, quy trình này cung cấp tính linh hoạt hoàn toàn trong việc quản lý bản chất không liên tục của năng lượng tái tạo, giúp nó thích ứng với nhiều điều kiện cung cấp năng lượng khác nhau. Khi kết hợp với danh mục NX STAMI Nitrates™, công nghệ amoniac xanh trở thành một thành phần quan trọng trong việc xây dựng chuỗi giá trị phân bón bền vững.

Bằng cách tích hợp năng lượng tái tạo và hydro xanh với sản xuất amoniac và nitrat xanh, ngành phân bón toàn cầu có thể giảm đáng kể lượng khí thải nhà kính và chuyển đổi các hoạt động nông nghiệp.