Luận văn thạc sĩ: Đánh giá hiệu quả thu hồi nhiệt lạnh từ quá trình tái hóa khí LNG

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật phân tích kỹ thuật nhiệt đánh giá hiệu quả các phương án thu hồi nhiệt lạnh từ quá trình tái hóa khí lng để, đánh giá thực trạng, chỉ ra hạn chế, đề xuất

• Tác giả: Nguyễn Mai Bích Tiên
• Người hướng dẫn: TS. Huỳnh Phước Hiển
• Trường học: Đại học Bách Khoa - ĐHQG - HCM
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Nhiệt
• Đề tài: Đánh Giá Hiệu Quả Các Phương Án Thu Hồi Nhiệt Lạnh Từ Quá Trình Tái Hóa Khí LNG Để Phát Điện Và Làm Lạnh
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sĩ
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
• LỜI CAM ĐOAN
• 1. MỞ ĐẦU
• 1.1. Giới thiệu LNG
• 1.2. Quy trình sản xuất LNG
• 1.3. Tình hình khai khác và sử dụng LNG
• 1.4. Quy trình sử dụng LNG
• 1.5. Nhu cầu điện năng và cấp trữ đông tại Việt Nam
• 1.5.1. Nhu cầu về điện năng
• 1.5.2. Nhu cầu về cấp trữ đông
• 1.6. Những nghiên cứu về thu hồi nhiệt lạnh từ quá trình tái hóa LNG
• 1.7. Giới thiệu sơ đồ đồng phát điện lạnh
• 1.8. Mục đích nghiên cứu
• 1.9. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 1.10. Nội dung nghiên cứu
• 1.11. Phương pháp nghiên cứu
• 1.12. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
• 2. TÍNH TOÁN VÀ PHÂN TÍCH SƠ ĐỒ TẬN DỤNG NHIỆT LẠNH ĐỂ PHÁT ĐIỆN VÀ LÀM LẠNH
• 2.1. Sơ đồ nguyên lý chu trình đồng phát điện lạnh
• 2.1.1. Giải thích sơ đồ
• 2.1.2. Giải thích cách chọn số liệu
• 2.2. Các công thức và phương pháp tính toán
• 2.2.1. Công thức tính toán hiệu suất năng lượng
• 2.2.2. Công thức tính toán hiệu suất exergy
• 2.3. Chương trình tính toán trên phần mềm EES
• 2.3.1. Thông số tính toán trong EES
• 2.3.2. Giao diện tính toán
• 2.4. Kết quả và phân tích
• 2.4.1. Xác thực tính chính xác chương trình EES
• 2.4.2. Kết quả và phân tích trong trường hợp áp suất LNG sau bơm P1 pL2 = 7 MPa
• 2.4.3. Kết quả và phân tích trong trường hợp áp suất LNG sau bơm P1 thay đổi
• 2.4.4. Kết quả và phân tích khi thay đổi nhiệt độ nước biển và nhiệt độ môi trường
• 2.4.5. Kết quả và phân tích trường hợp sử dụng NH3 là môi chất làm việc trong chu trình ORC
• 3. KHẢO SÁT HIỆU QUẢ KINH TẾ CỦA PHƯƠNG ÁN
• 3.1. Các tiêu chí phân tích tính kinh tế
• 3.1.1. Chi phí đầu tư ban đầu (Initial Investment Cost)
• 3.1.2. Chi phí vận hành (Operating Cost)
• 3.1.3. Thời gian hoàn vốn (Payback Period – PB)
• 3.1.4. Giá trị hiện tại ròng (Net Present Value - NPV)
• 3.1.5. Suất thu lợi nội tại (Internal Rate of Return - IRR)
• 3.2. Phạm vi phân tích kinh tế và phương pháp tính toán
• 3.2.1. Phạm vi phân tích kinh tế
• 3.2.2. Chọn thông số tính toán
• 3.2.3. Chương trình tính toán trên phần mềm EES
• 3.2.3.1. Thông số tính toán trong EES
• 3.2.3.2. Giao diện tính toán
• 3.3. Kết quả và phân tích
• 3.3.1. Kết quả và phân tích trường hợp vốn đầu tư chủ sở hữu 100%
• 3.3.2. Kết quả và phân tích khi thay đổi lãi suất ngân hàng cho trường hợp 3: năng suất tái hóa khí 3 MTPA, năng suất cấp lạnh trực tiếp 6 MW
• 3.3.3. Kết quả và phân tích khi thay đổi giá trị tỉ lệ lạm phát cho trường hợp 3: năng suất tái hóa khí 3 MTPA, năng suất cấp lạnh trực tiếp 6 MW
• 3.3.4. Kết quả và phân tích khi thay đổi tỉ lệ vốn chủ sở hữu cho trường hợp 3: năng suất tái hóa khí 3 MTPA, năng suất cấp lạnh trực tiếp 6 MW
• 4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• 4.1. Hướng nghiên cứu tiếp theo
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu về khí LNG và quy trình tái hóa

Khí LNG (Liquefied Natural Gas) là khí tự nhiên được hóa lỏng ở nhiệt độ thấp, khoảng -162°C, nhằm giảm thể tích để thuận tiện trong việc vận chuyển và lưu trữ. Quy trình tái hóa khí LNG là quá trình chuyển đổi LNG trở lại trạng thái khí để sử dụng. Việc thu hồi nhiệt lạnh từ quá trình này không chỉ giúp giảm thiểu tác động môi trường mà còn tạo ra nguồn năng lượng có thể tận dụng cho phát điện và làm lạnh. Qua đó, việc nghiên cứu về hiệu quả thu hồi nhiệt lạnh từ khí LNG ngày càng trở nên cần thiết, đặc biệt trong bối cảnh Việt Nam đang có nhu cầu tăng cao về năng lượng và năng lượng tái tạo.

1.1. Quy trình sản xuất và sử dụng khí LNG

Quy trình sản xuất khí LNG bao gồm các bước chính như khai thác khí tự nhiên, xử lý và hóa lỏng. Sau khi được hóa lỏng, LNG được vận chuyển đến các nhà máy tái hóa, nơi nó được chuyển đổi trở lại thành khí để phục vụ cho các nhu cầu tiêu thụ khác nhau. Việc sử dụng LNG không chỉ giúp giảm phát thải khí nhà kính mà còn đáp ứng nhu cầu năng lượng cho các ngành công nghiệp, điện lực và giao thông. Điều này cho thấy công nghệ LNG đang đóng vai trò quan trọng trong việc chuyển đổi năng lượng và đảm bảo an ninh năng lượng quốc gia.

II. Tính toán hiệu suất năng lượng và exergy

Phân tích hiệu suất năng lượng và hiệu suất exergy là những yếu tố quan trọng trong việc đánh giá khả năng thu hồi nhiệt lạnh từ khí LNG. Hiệu suất năng lượng cho thấy khả năng chuyển đổi năng lượng từ LNG sang các dạng năng lượng khác, trong khi hiệu suất exergy phản ánh khả năng tối ưu hóa năng lượng. Kết quả nghiên cứu cho thấy hiệu suất năng lượng đạt khoảng 11.54% và hiệu suất exergy đạt khoảng 27. Việc tối ưu hóa quy trình thu hồi nhiệt lạnh từ LNG không chỉ giúp nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng mà còn giảm thiểu chi phí vận hành và thời gian hoàn vốn cho các dự án phát điện và làm lạnh.

2.1. Các phương pháp tính toán hiệu suất

Để tính toán hiệu suất năng lượng và exergy, các phương pháp như sử dụng phần mềm EES (Engineering Equation Solver) được áp dụng. Phần mềm này cho phép người dùng thiết lập các thông số và điều kiện làm việc để khảo sát nhiều trường hợp khác nhau. Các công thức tính toán hiệu suất được xây dựng dựa trên các nguyên lý nhiệt động lực học, giúp đưa ra các kết quả chính xác và đáng tin cậy. Việc áp dụng các công nghệ tính toán hiện đại không chỉ nâng cao độ chính xác mà còn tiết kiệm thời gian trong quá trình nghiên cứu.

III. Khảo sát tính kinh tế của hệ thống thu hồi nhiệt lạnh

Khảo sát tính kinh tế của hệ thống thu hồi nhiệt lạnh từ LNG là một phần quan trọng trong việc đánh giá khả năng áp dụng thực tiễn. Các chỉ số như thời gian hoàn vốn (PB), giá trị hiện tại ròng (NPV) và suất thu lợi nội tại (IRR) được sử dụng để phân tích tính khả thi của dự án. Kết quả cho thấy, với hệ thống có công suất lớn, thời gian hoàn vốn ngắn hơn và mang tính khả thi cao hơn so với các hệ thống nhỏ. Điều này cho thấy rằng đầu tư vào công nghệ thu hồi nhiệt lạnh từ LNG là một giải pháp tiềm năng cho phát triển bền vững trong lĩnh vực năng lượng.

3.1. Phân tích các chỉ số kinh tế

Phân tích các chỉ số kinh tế giúp đưa ra cái nhìn tổng quan về chi phí đầu tư và lợi ích kinh tế từ việc áp dụng công nghệ thu hồi nhiệt lạnh. Chi phí đầu tư ban đầu thường cao, tuy nhiên, với các hệ thống lớn, lợi ích kinh tế có thể đạt được nhanh chóng. Việc sử dụng các phương pháp phân tích kinh tế hiện đại kết hợp với các mô hình dự báo giúp các nhà đầu tư đưa ra quyết định chính xác hơn trong việc triển khai dự án. Điều này không chỉ hỗ trợ cho việc phát triển hệ thống điện mà còn thúc đẩy sự phát triển của ngành công nghiệp chế biến và bảo quản thực phẩm tại Việt Nam.

IV. Kết luận và kiến nghị

Luận văn đã chỉ ra rằng việc thu hồi nhiệt lạnh từ khí LNG để phát điện và làm lạnh là một hướng đi tiềm năng cho việc phát triển năng lượng bền vững tại Việt Nam. Các kết quả nghiên cứu cho thấy hiệu suất năng lượng và exergy có thể được cải thiện thông qua các công nghệ tiên tiến. Tuy nhiên, cần có thêm các nghiên cứu sâu hơn về tính kinh tế và khả năng áp dụng thực tiễn của hệ thống này. Đề xuất các chính sách hỗ trợ và khuyến khích đầu tư vào công nghệ thu hồi nhiệt lạnh từ LNG là cần thiết để thúc đẩy sự phát triển bền vững trong ngành năng lượng.

4.1. Đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo

Các nghiên cứu tiếp theo nên tập trung vào việc tối ưu hóa quy trình thu hồi nhiệt lạnh từ LNG với các công nghệ mới, đồng thời khảo sát các ứng dụng thực tiễn trong ngành công nghiệp chế biến và bảo quản thực phẩm. Việc phát triển các mô hình kinh tế có thể giúp dự đoán chính xác hơn về lợi ích kinh tế và thời gian hoàn vốn cho các dự án đầu tư. Bên cạnh đó, cần có sự hợp tác chặt chẽ giữa các nhà nghiên cứu, doanh nghiệp và cơ quan nhà nước để thúc đẩy việc áp dụng công nghệ này trong thực tiễn.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Khí thiên nhiên hóa lỏng (LNG) là nguồn năng lượng quan trọng trong bối cảnh chuyển dịch năng lượng toàn cầu, với công suất hóa lỏng khí toàn cầu đạt 321 triệu tấn năm 2016 và dự báo tiếp tục tăng trong giai đoạn 2023-2027. Tại Việt Nam, theo Quy hoạch Điện VIII, nhiệt điện LNG dự kiến chiếm khoảng 22.2 GW công suất đến năm 2030, tương đương khoảng 14.9% tổng điện năng, đồng thời nhu cầu cấp trữ đông thực phẩm và thủy hải sản cũng gia tăng mạnh mẽ, mở ra cơ hội ứng dụng nhiệt lạnh từ LNG. Quá trình tái hóa khí LNG giải phóng nguồn nhiệt lạnh lớn khoảng 830 kJ/kg ở nhiệt độ -162˚C, tuy nhiên phần lớn năng lượng này chưa được tận dụng mà bị phân tán ra môi trường, gây lãng phí lớn.

Luận văn tập trung đánh giá hiệu quả các phương án thu hồi nhiệt lạnh từ quá trình tái hóa khí LNG để phát điện và làm lạnh, đặc biệt ứng dụng trong các nhà máy chế biến thủy hải sản với công suất lạnh phổ biến từ 6 MW đến 12 MW. Mục tiêu nghiên cứu là phân tích hiệu suất năng lượng và hiệu suất exergy của chu trình tận dụng nhiệt lạnh LNG, đồng thời khảo sát tính kinh tế qua các chỉ số PB, NPV, IRR trong vòng 25 năm. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào các trạm LNG sắp xây dựng tại Việt Nam và các nhà máy chế biến thủy hải sản điển hình, nhằm đề xuất giải pháp tối ưu, góp phần nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng và giảm chi phí vận hành.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính: hiệu suất năng lượng và hiệu suất exergy trong các chu trình nhiệt lạnh. Hiệu suất năng lượng đo lường tỷ lệ năng lượng đầu ra hữu ích so với năng lượng đầu vào, trong khi hiệu suất exergy đánh giá khả năng tận dụng năng lượng có thể chuyển hóa thành công cơ học hoặc điện năng, phản ánh mức độ tổn thất năng lượng do các quá trình không thuận nghịch.

Mô hình nghiên cứu sử dụng chu trình đồng phát điện lạnh (Combined Cold and Power - CCP) kết hợp chu trình Organic Rankine Cycle (ORC) với môi chất propane để phát điện và hệ thống lạnh sử dụng CO2 làm chất tải lạnh cho cấp đông thủy hải sản. Các khái niệm chính bao gồm:

• Chu trình ORC: sử dụng nhiệt lạnh LNG làm nguồn lạnh, nước biển làm nguồn nhiệt, propane làm môi chất làm việc, giãn nở qua tuabin để sinh công.
• Hiệu suất năng lượng (η): tỷ lệ công suất điện và công suất lạnh thu được trên tổng năng lượng đầu vào.
• Hiệu suất exergy (η_ex): tỷ lệ exergy thu hồi so với exergy đầu vào, phản ánh hiệu quả tận dụng năng lượng thực tế.
• Phân tích kinh tế: sử dụng các chỉ số như thời gian hoàn vốn (PB), giá trị hiện tại ròng (NPV), suất thu lợi nội tại (IRR) để đánh giá tính khả thi tài chính.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ các trạm LNG tại Việt Nam và quốc tế, số liệu về công suất tái hóa khí LNG, nhiệt độ, áp suất, cùng các thông số kỹ thuật của nhà máy chế biến thủy hải sản điển hình. Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm các trường hợp với công suất tái hóa khí 1 MTPA và 3 MTPA, công suất cấp lạnh 6 MW và 12 MW.

Phương pháp phân tích sử dụng phần mềm EES (Engineering Equation Solver) để mô phỏng và tính toán hiệu suất năng lượng, exergy và các chỉ số kinh tế. Phương pháp chọn mẫu là lựa chọn các trường hợp điển hình đại diện cho các quy mô nhà máy và trạm LNG tại Việt Nam. Timeline nghiên cứu kéo dài từ tháng 9/2022 đến tháng 6/2023, bao gồm các bước tổng hợp tài liệu, xây dựng mô hình, tính toán, phân tích và đề xuất giải pháp.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Hiệu suất năng lượng và exergy của chu trình: Kết quả tính toán cho thấy hiệu suất năng lượng trung bình đạt khoảng 11.54%, trong khi hiệu suất exergy đạt khoảng 27%. Hiệu suất này phản ánh khả năng tận dụng nhiệt lạnh LNG để phát điện và làm lạnh đồng thời, cao hơn nhiều so với các chu trình truyền thống không tận dụng nhiệt lạnh.

2. Ảnh hưởng của áp suất LNG sau bơm (pL2): Khi áp suất pL2 tăng từ 7 MPa lên 12 MPa, hiệu suất năng lượng của toàn chu trình tăng khoảng 3-5%, đồng thời hiệu suất exergy cũng cải thiện tương ứng. Điều này cho thấy việc điều chỉnh áp suất tái hóa khí là yếu tố quan trọng để tối ưu hóa hiệu quả hệ thống.

3. Ảnh hưởng của nhiệt độ nước biển và môi trường: Nhiệt độ nước biển tăng từ 20˚C lên 30˚C làm giảm hiệu suất năng lượng khoảng 2%, do giảm chênh lệch nhiệt độ trong bộ trao đổi nhiệt. Tuy nhiên, hiệu suất exergy giảm nhẹ hơn, khoảng 1.5%, cho thấy chu trình có khả năng thích ứng với biến động môi trường.

4. Khảo sát kinh tế: Với công suất tái hóa khí 3 MTPA và công suất cấp lạnh 6 MW, thời gian hoàn vốn (PB) ước tính khoảng 12 năm, NPV dương và IRR đạt trên 10%, cho thấy tính khả thi kinh tế của dự án ở quy mô lớn. Ngược lại, với công suất nhỏ hơn, thời gian hoàn vốn kéo dài trên 20 năm, làm giảm tính hấp dẫn đầu tư.

Thảo luận kết quả

Hiệu suất năng lượng và exergy đạt được cho thấy tiềm năng lớn trong việc tận dụng nhiệt lạnh LNG để phát điện và làm lạnh, góp phần giảm lãng phí năng lượng và giảm chi phí vận hành. Việc sử dụng chu trình ORC với môi chất propane và hệ thống lạnh CO2 phù hợp với điều kiện nhiệt độ thấp của LNG và yêu cầu cấp lạnh trong nhà máy thủy hải sản.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế, hiệu suất exergy khoảng 27% tương đương hoặc cao hơn một số hệ thống tương tự tại Nhật Bản và Tây Ban Nha, chứng tỏ tính ứng dụng thực tiễn của mô hình. Biểu đồ hiệu suất theo áp suất và nhiệt độ nước biển có thể được trình bày để minh họa rõ ràng ảnh hưởng của các biến số này.

Về mặt kinh tế, kết quả cho thấy quy mô dự án là yếu tố quyết định tính khả thi, với các hệ thống công suất lớn có lợi thế về chi phí đầu tư và thời gian thu hồi vốn. Điều này phù hợp với xu hướng phát triển các trạm LNG lớn tại Việt Nam và khu vực Đông Nam Á.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tăng áp suất tái hóa khí LNG: Điều chỉnh áp suất pL2 lên mức tối ưu (khoảng 10-12 MPa) để nâng cao hiệu suất năng lượng và exergy của chu trình, giúp tăng công suất phát điện và công suất lạnh.

2. Ứng dụng hệ thống lạnh CO2 làm chất tải lạnh trung gian: Sử dụng CO2 trong hệ thống cấp lạnh cho nhà máy chế biến thủy hải sản nhằm tận dụng tối đa nhiệt lạnh LNG, giảm chi phí vận hành và thân thiện với môi trường.

3. Phát triển các trạm LNG quy mô lớn: Ưu tiên đầu tư các trạm LNG có công suất tái hóa khí từ 3 MTPA trở lên để đảm bảo tính khả thi kinh tế, rút ngắn thời gian hoàn vốn và tăng hiệu quả đầu tư.

4. Sử dụng phần mềm mô phỏng EES để tối ưu thiết kế: Áp dụng phần mềm EES trong giai đoạn thiết kế và vận hành để điều chỉnh các thông số kỹ thuật phù hợp với điều kiện thực tế, nâng cao hiệu quả hệ thống.

5. Khảo sát và áp dụng các nguồn nhiệt bổ sung: Kết hợp nguồn nhiệt thải từ các chu trình tuabin hơi, tuabin khí hoặc năng lượng mặt trời để tăng nhiệt độ nguồn nóng, cải thiện hiệu suất chu trình ORC.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà quản lý và hoạch định chính sách năng lượng: Giúp hiểu rõ tiềm năng và lợi ích của việc tận dụng nhiệt lạnh LNG trong phát triển năng lượng sạch và bền vững tại Việt Nam.

2. Các nhà đầu tư và doanh nghiệp trong ngành LNG và điện lạnh: Cung cấp cơ sở khoa học và kinh tế để đánh giá tính khả thi đầu tư vào các dự án thu hồi nhiệt lạnh LNG.

3. Các kỹ sư và chuyên gia kỹ thuật trong lĩnh vực kỹ thuật nhiệt và năng lượng tái tạo: Hướng dẫn thiết kế, vận hành và tối ưu hóa các hệ thống tận dụng nhiệt lạnh LNG, đặc biệt trong các nhà máy chế biến thủy hải sản.

4. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật nhiệt, năng lượng và môi trường: Là tài liệu tham khảo quý giá về lý thuyết, mô hình và phương pháp phân tích hiệu suất năng lượng, exergy và kinh tế của các chu trình nhiệt lạnh.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao cần tận dụng nhiệt lạnh từ quá trình tái hóa LNG?
   Quá trình tái hóa LNG giải phóng nguồn nhiệt lạnh lớn nhưng thường bị lãng phí ra môi trường. Tận dụng nguồn nhiệt lạnh này giúp giảm tiêu hao năng lượng, tăng hiệu suất hệ thống và giảm chi phí vận hành.

2. Chu trình ORC hoạt động như thế nào trong việc tận dụng nhiệt lạnh LNG?
   Chu trình ORC sử dụng môi chất hữu cơ như propane, được hóa hơi nhờ nguồn nhiệt từ nước biển, sau đó giãn nở qua tuabin để sinh công điện. Nhiệt lạnh LNG được dùng để ngưng tụ môi chất, tận dụng nhiệt lạnh hiệu quả.

3. Lợi ích của việc sử dụng CO2 làm chất tải lạnh trong hệ thống cấp lạnh là gì?
   CO2 có nhiệt độ làm lạnh phù hợp (-50˚C), thân thiện môi trường, không gây hiệu ứng nhà kính, và có khả năng truyền nhiệt tốt, giúp tiết kiệm năng lượng và giảm chi phí vận hành hệ thống cấp lạnh.

4. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất của chu trình tận dụng nhiệt lạnh LNG?
   Áp suất tái hóa khí LNG, nhiệt độ nước biển, lựa chọn môi chất làm việc, và thiết kế bộ trao đổi nhiệt là những yếu tố chính ảnh hưởng đến hiệu suất năng lượng và exergy của chu trình.

5. Tính khả thi kinh tế của các dự án thu hồi nhiệt lạnh LNG như thế nào?
   Các dự án có quy mô lớn (công suất tái hóa khí ≥ 3 MTPA) có thời gian hoàn vốn khoảng 12 năm, NPV dương và IRR trên 10%, cho thấy tính khả thi cao. Quy mô nhỏ hơn thường có thời gian hoàn vốn dài và rủi ro đầu tư cao hơn.

Kết luận

• Hiệu suất năng lượng trung bình của chu trình tận dụng nhiệt lạnh LNG đạt khoảng 11.54%, hiệu suất exergy đạt 27%, chứng tỏ tiềm năng lớn trong ứng dụng phát điện và làm lạnh.
• Áp suất tái hóa khí LNG và nhiệt độ nước biển là các yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất hệ thống.
• Phân tích kinh tế cho thấy các dự án quy mô lớn có tính khả thi cao với thời gian hoàn vốn hợp lý.
• Việc sử dụng CO2 làm chất tải lạnh trong hệ thống cấp lạnh phù hợp với yêu cầu kỹ thuật và thân thiện môi trường.
• Nghiên cứu đề xuất các giải pháp kỹ thuật và kinh tế để tối ưu hóa tận dụng nhiệt lạnh LNG, góp phần nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng tại Việt Nam.

Khuyến nghị các nhà đầu tư và cơ quan quản lý năng lượng triển khai các dự án thu hồi nhiệt lạnh LNG quy mô lớn, đồng thời áp dụng phần mềm mô phỏng để tối ưu thiết kế và vận hành. Đẩy mạnh nghiên cứu mở rộng ứng dụng nhiệt lạnh LNG trong các lĩnh vực công nghiệp và thương mại nhằm phát triển bền vững nguồn năng lượng sạch.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1.1 Giới thiệu LNG 1. Khái niệm LNG (Liquefied Natural Gas) là khí tự nhiên được hóa lỏng ở nhiệt độ rất thấp. Mục đích hóa lỏng là để việc lưu trữ và vận chuyển được dễ dàng hơn bởi vì thể tích của LNG chỉ khoảng 1/600 so với khí tự nhiên ở điều kiện tiêu chuẩn (15˚C, 1atm). Thành phần các chất có trong lượng khí NG thay đổi tùy theo loại khí khai thác được như Hình 1.1 hoặc theo địa phương nơi NG được khai thác ở Bảng 1.

Tùy theo thành phần mà chúng ta có thể chọn nhiệt độ hóa lỏng từ -120 đến -170˚C. Người ta thường chọn nhiệt độ của LNG là -163˚C.1 – Thành phần các chất trong dầu mỏ và khí thiên nhiên (%) [4] Bảng 1.1 – Thành phần và đặc tính LNG của một số nước trên thế giới (Nguồn: GIIGNL) Khối Khối Tỷ số lượng Chỉ số lượng giãn Gas Nitơ Mêtan Etan Propan C4+ Tổng riêng Wobbe Origin riêng nở GCV(2) (2) N2% C1% C2% C3% % cộng của LNG(1) m3/m3 MJ/m3 khí(2) MJ/m3 kg/m3 liq kg/m3 Australia 0,04 87,33 8,33 3,33 0,97 100 467,35 0,83 562,46 45,32 56,53 - NWS LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN MAI BÍCH TIÊN 4 Khối Khối Tỷ số lượng Chỉ số lượng giãn Gas Nitơ Mêtan Etan Propan C4+ Tổng riêng Wobbe Origin riêng nở GCV(2) (2) N2% C1% C2% C3% % cộng của LNG(1) m3/m3 MJ/m3 khí(2) MJ/m3 kg/m3 liq kg/m3 Australia 0,10 87,64 9,97 1,96 0,33 100 461,05 0,81 567,73 44,39 56,01 - Darwin Algeria - 0,63 91,40 7,35 0,57 0,05 100 446,65 0,78 575,95 42,30 54,62 Skikda Algeria - 0,64 89,55 8,20 1,30 0,31 100 454,50 0,80 571,70 43,22 55,12 Bethioua Algeria - 0,71 88,93 8,42 1,59 0,37 100 457,10 0,80 570,37 43,48 55,23 Arzew Brunei 0,04 90,12 5,34 3,02 1,48 100 461,63 0,82 564,48 44,68 56,18 Egypt - 0,02 95,31 3,58 0,74 0,34 100 437,38 0,76 578,47 41,76 54,61 Idku Egypt - 0,02 97,25 2,49 0,12 0,12 100 429,35 0,74 582,24 40,87 54,12 Damietta Equatorial 0,00 93,41 6,52 0,07 0,00 100 439,64 0,76 578,85 41,95 54,73 Guinea Indonesia 0,08 91,86 5,66 1,60 0,79 100 450,96 0,79 571,49 43,29 55,42 - Arun Indonesia 0,01 90,14 5,46 2,98 1,40 100 461,07 0,82 564,89 44,63 56,17 - Badak Indonesia 0,13 96,91 2,37 0,44 0,15 100 431,22 0,74 581,47 41,00 54,14 - Tangguh Libya 0,59 82,57 12,62 3,56 0,65 100 478,72 0,86 558,08 46,24 56,77 Malaysia 0,14 91,69 4,64 2,60 0,93 100 454,19 0,80 569,15 43,67 55,59 Nigeria 0,03 91,70 5,52 2,17 0,58 100 451,66 0,79 571,14 43,41 55,50 Norway 0,46 92,03 5,75 1,31 0,45 100 448,39 0,78 573,75 42,69 54,91 Oman 0,20 90,68 5,75 2,12 1,24 100 457,27 0,81 567,76 43,99 55,73 Peru 0,57 89,07 10,26 0,10 0,01 100 451,80 0,79 574,30 42,90 55,00 Qatar 0,27 90,91 6,43 1,66 0,74 100 453,46 0,79 570,68 43,43 55,40 Russia - 0,07 92,53 4,47 1,97 0,95 100 450,67 0,79 571,05 43,30 55,43 Sakhalin Trinidad 0,01 96,78 2,78 0,37 0,06 100 431,03 0,74 581,77 41,05 54,23 USA - 0,17 99,71 0,09 0,03 0,01 100 421,39 0,72 585,75 39,91 53,51 Alaska Yemen 0,02 93,17 5,93 0,77 0,12 100 442,42 0,77 576,90 42,29 54,91 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN MAI BÍCH TIÊN 5 LNG được đánh giá là một trong những nguồn năng lượng cao cấp vì có nhiều ưu điểm. Đầu tiên, LNG có nhiệt trị cao, giúp tăng khả năng cung cấp năng lượng đáng kể. Ngoài ra, quá trình hóa lỏng khí tự nhiên cũng giúp giảm thể tích của khí, thuận tiện cho vận chuyển và lưu trữ.

Thêm vào đó, LNG cũng được coi là thân thiện với môi trường. Quá trình chuyển đổi khí tự nhiên thành dạng hóa lỏng giúp loại bỏ các tạp chất và hydrocarbon khỏi khí, làm cho LNG gần như không có hàm lượng khí thải gây ô nhiễm. So với dầu HFO, lượng khí CO2 sinh ra từ quá trình đốt LNG ít hơn 25%, lượng NOx giảm đi khoảng 80%, hầu như không phát thải khí SO2 và không tạo ra các hạt bụi mịn lơ lửng trong không khí [5]. Điều này làm cho LNG trở thành một lựa chọn tốt cho các quốc gia đang tìm kiếm các nguồn năng lượng sạch và thân thiện hơn với môi trường.

LNG hiện nay được vận chuyển thông qua các phương tiện như tàu chở LNG, xe chở LNG, container LNG và bồn chứa LNG. Tàu chở LNG là phương tiện chính cho vận chuyển xa lộ biển với tải trọng từ 170,000 m3 đến 260,000 m3, trong đó tải trọng phổ biến nhất là từ 155,000 m3 đến 170,000 m3 [4], trong khi xe chở LNG thích hợp cho quãng đường ngắn hơn và đến các địa điểm không được kết nối với cảng biển. Container LNG là một phương tiện mới cho vận chuyển LNG trong các container đặc biệt, cung cấp tính linh hoạt và tiết kiệm chi phí. Bồn chứa LNG được sử dụng trong trường hợp vận chuyển qua đường bộ hoặc đường sắt.

Quá trình vận chuyển LNG đòi hỏi tuân thủ nghiêm ngặt các biện pháp an toàn và quản lý nhiệt để đảm bảo không mất mát và duy trì ở trạng thái lỏng. Quy trình sản xuất LNG Quy trình khai thác và sử dụng LNG được mô tả như Hình 1. Khí tự nhiên được khai thác từ các mỏ khí hoặc kết hợp với quá trình khai thác dầu mỏ. Sau khi khai thác, khí tự nhiên thô được chuyển đến nhà máy xử lý thông qua đường ống hoặc tàu để tách các tạp chất, hydrocarbon và chất lỏng khác, nhằm sản xuất khí tự nhiên tinh khiết, còn được gọi là khí khô (trong đó khí methane chiếm tỷ trọng lớn).

LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN MAI BÍCH TIÊN 6 Hình 1.2– Quy trình khai thác và sử dụng khí thiên nhiên [4] Khí khô thu được có thể được chuyển đến các trung tâm lưu trữ trực tiếp và sau đó được phân phối đến các ngành tiêu thụ như ngành điện, công nghiệp sản xuất (bao gồm phân bón, thủy tinh, nhựa.) và sử dụng dân dụng (như nấu ăn, sưởi ấm) thông qua hệ thống đường ống. Trong trường hợp khu vực tiêu thụ xa nguồn cung cấp khí khô, khí có thể được chuyển đổi thành dạng hóa lỏng (LNG) và vận chuyển bằng tàu. Ngoài ra, khí hóa lỏng cũng có thể được sử dụng làm nguyên liệu cho nhà máy lọc dầu, nhà máy sản xuất khí đốt hóa lỏng (LPG - Liquified Petroleum Gas) và các nhà máy hóa chất. Trong quá trình này, việc hóa lỏng khí tự nhiên đóng vai trò quan trọng trong việc vận chuyển và tận dụng hiệu quả nguồn khí tự nhiên.

Ngoài những ưu điểm về di chuyển đến các khu vực khác nhau một cách dễ dàng, quá trình hóa lỏng cũng giúp giảm chi phí thu gom và xử lý tại các cơ sở khai thác, từ đó tăng tính kinh tế cho các dự án hóa lỏng khí tự nhiên. LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN MAI BÍCH TIÊN 7 Hình 1.3 – Quá trình xử lý khí thiên nhiên [4] Hình 1.4 thể hiện sơ đồ cấu thành chi phí sử dụng LNG bao gồm nhiều yếu tố. Trước tiên, chi phí sản xuất LNG đóng vai trò quan trọng, bao gồm các hoạt động khai thác và xử lý khí tự nhiên. Quy mô của nhà máy, công nghệ sản xuất và nguồn cung cấp nguyên vật liệu đều ảnh hưởng đến chi phí sản xuất.

Thứ hai, chi phí hóa lỏng khí tự nhiên là thành phần chiếm tỷ trọng giá cao nhất và nó phụ thuộc nhiều vào công nghệ sử dụng. Thứ ba, chi phí vận chuyển LNG từ nhà máy đến các điểm tiêu thụ cũng đóng vai trò quan trọng. Khoảng cách vận chuyển, phương tiện vận chuyển và giá nhiên liệu sẽ ảnh hưởng đến chi phí này. Ngoài ra, cần xem xét chi phí lưu trữ LNG trước khi tiêu thụ.

Các hệ thống lưu trữ và yêu cầu bảo trì cũng góp phần vào chi phí tổng thể. Cuối cùng, chi phí tái hóa khí, bao gồm quá trình chuyển đổi khí trở lại thành khí tự nhiên, cũng cần được tính toán. Các yếu tố công nghệ và hiệu suất của thiết bị tái hóa khí sẽ ảnh hưởng đến chi phí này. LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN MAI BÍCH TIÊN 8 Hình 1.4 – Sơ đồ cấu thành chi phí sử dụng LNG [4] Theo Hình 1.5, riêng chi phí hóa lỏng khí tự nhiên cũng bao gồm nhiều yếu tố khác nhau.

Trong đó, chi phí xây dựng cơ sở hạ tầng chiếm khoảng 32% tổng chi phí bao gồm việc xây dựng các công trình như bể chứa, hệ thống ống dẫn, cơ sở vận hành và hệ thống an toàn. Tiếp theo là chi phí thiết bị hóa lỏng chiếm khoảng 30% tổng chi phí, bao gồm các thiết bị như máy nén, bể lỏng, hệ thống điều khiển và các thiết bị an toàn. Cuối cùng, chi phí nguyên vật liệu là một yếu tố đáng chú ý, chiếm khoảng 20% tổng chi phí [4]. Trong trường hợp hóa lỏng khí tự nhiên, nguyên vật liệu chủ yếu là khí thiên nhiên.

Ngoài ra, chi phí hóa lỏng khí tự nhiên còn phụ thuộc vào các yếu tố khác như quy mô dự án, vị trí địa lý, công nghệ sử dụng, các yêu cầu kỹ thuật và an toàn, cũng như điều kiện thị trường. Các yếu tố này có thể ảnh hưởng đến chi phí xây dựng, vận hành và bảo trì của hệ thống hóa lỏng khí tự nhiên. Trong những năm gần đây, chi phí hóa lỏng khí tự nhiên đã có xu hướng tăng. Điều này có thể do các yêu cầu kỹ thuật và an toàn ngày càng cao, chi phí xây dựng và vận hành cơ sở hạ tầng tăng lên, cũng như tăng chi phí nguyên vật liệu và công nghệ.

LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN MAI BÍCH TIÊN 9 Hình 1.5 – Sơ đồ cấu thành chi phí hóa lỏng LNG [2] 1. Tình hình khai khác và sử dụng LNG Hình 1.6– Công suất hóa lỏng khí toàn cầu 2000-2016 [4] Công suất hóa lỏng khí trên toàn cầu luôn là một chỉ số quan trọng để đánh giá khả năng cung ứng LNG cho thị trường toàn cầu.6 ta có thể thấy, trung bình công suất hóa lỏng khí hàng năm luôn đạt mức 80% công suất, tuy nhiên, đây là con số biến động theo thời gian. Giai đoạn trước khủng hoảng tài chính 2007-2008 được xem là giai đoạn đạt công suất cao nhất với 90% công suất tương ứng với 187 triệu tấn trong năm 2006. Tuy nhiên, công suất đã giảm mạnh trong những năm sau đó, như trong giai đoạn 2008-2009, công suất chỉ còn 80% công suất.

Điều này là do LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN MAI BÍCH TIÊN 10 tác động của khủng hoảng tài chính toàn cầu vào thị trường năng lượng. Mặc dù công suất hóa lỏng khí giảm dần trong những năm tiếp theo, tuy nhiên, sản lượng hóa lỏng đã tăng trở lại và đạt mức cao kỷ lục vào năm 2016 với mức 321 triệu tấn/năm, tăng 7% so với năm 2015 [4]. Xung đột giữa Nga và Ukraine từ tháng 2 năm 2022 đã gây ảnh hưởng đáng kể đến ngành công nghiệp hóa lỏng LNG trên toàn cầu.