Đại chuyển đổi hóa dầu
③ Giải pháp thay thế chắc chắn cho khử cacbon, 'Điện hóa NCC' đã tiến xa đến đâu?

[비즈한국] Việc phê duyệt dự án 'Daesan số 1' đã đánh dấu sự khởi đầu cho quá trình tái cơ cấu toàn diện ngành hóa dầu trong nước. Chính phủ và ngành công nghiệp đặt mục tiêu giải quyết tình trạng dư thừa nguồn cung thông qua đợt tái cơ cấu này, đồng thời cải thiện cơ cấu ngành theo hướng công nghệ cao và thân thiện với môi trường. Tuy nhiên, vẫn có những chỉ trích cho rằng các biện pháp chuyển đổi công nghiệp thiết thực cho mục tiêu trung hòa cacbon còn thiếu sót. Bài viết này sẽ đi sâu vào những yếu tố cần thiết để quá trình tái cơ cấu không dừng lại ở việc cắt giảm sản lượng đơn thuần mà thực sự hướng tới một sự 'chuyển đổi' đúng nghĩa.

Ngành hóa dầu vốn đóng vai trò trụ cột của nền kinh tế quốc gia, nhưng đồng thời cũng là ngành công nghiệp phát thải khí nhà kính lớn thứ hai trong lĩnh vực sản xuất tại Hàn Quốc. Theo số liệu thống kê năm 2022, lĩnh vực công nghiệp chiếm khoảng 38% tổng lượng khí thải nhà kính trong nước, trong đó hóa dầu cùng với lĩnh vực lọc dầu chiếm khoảng 10% tổng lượng phát thải cả nước. Đặc biệt, quy trình cracking naphtha (Naphtha Cracking Center, NCC) - nơi sản xuất các nguyên liệu cơ bản như ethylene, propylene bằng cách cracking naphtha - chiếm tỷ trọng áp đảo trong tổng lượng phát thải của toàn bộ quy trình hóa dầu, đang nổi lên như một mục tiêu then chốt quyết định sự thành bại của mục tiêu trung hòa cacbon.

Quy trình NCC trải qua quá trình nhiệt phân, trong đó naphtha thu được từ quá trình lọc dầu thô được đun nóng đến nhiệt độ cực cao trên 800°C để bẻ gãy các liên kết hóa học. Để duy trì nhiệt độ cao trong quá trình này, một lượng lớn nhiên liệu hóa thạch phải được đốt cháy, dẫn đến lượng phát thải khí nhà kính quy mô lớn. Hiện tại, quy trình NCC chiếm khoảng 70% tổng lượng phát thải cacbon của ngành hóa dầu.

Nếu không chuyển đổi nhiên liệu cho quy trình NCC, việc đạt được mục tiêu trung hòa cacbon vào năm 2050 trong ngành hóa dầu gần như là bất khả thi. Hiện nay, hầu hết các thiết bị NCC đều sử dụng khí methane và LNG làm nhiên liệu chính để vận hành lò đốt. Do đó, việc chuyển đổi công nghệ sang nguồn điện dựa trên năng lượng tái tạo hoặc nhiên liệu không phát thải đã trở nên vô cùng quan trọng. Nếu thất bại trong việc chuyển đổi quy trình, các cụm công nghiệp hóa dầu chính như Yeosu, Daesan, Ulsan có nguy cơ trở thành 'tài sản bị mắc kẹt' (stranded assets), đối mặt với các rào cản quy định về cacbon và gây ra thiệt hại kinh tế khổng lồ.

Phương pháp điện hóa hiệu quả hơn hydro xanh

Lộ trình công nghệ then chốt để khử cacbon cho thiết bị NCC chủ yếu tập trung vào hai hướng chính. Một là phương pháp 'Hydro hóa', thay thế nhiên liệu hóa thạch trong lò đốt bằng hydro xanh; hai là phương pháp 'Điện hóa', chuyển đổi chính lò đốt sang chế độ gia nhiệt bằng điện.

Phương pháp điện hóa sử dụng điện sản xuất từ năng lượng tái tạo để trực tiếp chuyển đổi thành nhiệt năng thông qua dây nhiệt hoặc plasma trong lò đốt để cracking naphtha. Ngược lại, phương pháp hydro hóa trải qua quá trình đa bước: dùng năng lượng tái tạo để phân tách nước thu được hydro (điện phân nước), sau đó đốt hydro để lấy nhiệt. Do tổn thất năng lượng phát sinh trong quá trình chuyển đổi này, phương pháp điện hóa được phân tích là có hiệu suất năng lượng cao hơn phương pháp hydro hóa khoảng 2,3 lần.

Kết quả phân tích tính kinh tế cũng củng cố thêm sức nặng cho phương pháp điện hóa. Tổng chi phí tích lũy để chuyển đổi quy trình NCC sang hydro hóa bằng cách sử dụng hydro xanh sản xuất trong nước ước tính đạt khoảng 148,8 tỷ USD (khoảng 219 nghìn tỷ won) đến năm 2050, trong khi nếu chọn phương pháp điện hóa, chi phí chỉ bằng một nửa, vào khoảng 75,6 tỷ USD (khoảng 112 nghìn tỷ won).

Lý do cho sự chênh lệch chi phí lớn nằm ở chi phí sản xuất và vận chuyển hydro xanh cao. Ở trình độ công nghệ hiện nay, hydro xanh là nguồn năng lượng đắt đỏ hơn điện năng, và việc xây dựng cơ sở hạ tầng để lưu trữ, vận chuyển khối lượng lớn cũng tiêu tốn chi phí khổng lồ. Do đó, điện hóa trực tiếp được đánh giá là phương án thay thế thực tế và kinh tế nhất trong các công nghệ khử cacbon hiện có.

Các tập đoàn hàng đầu thế giới đã xác nhận tiềm năng của công nghệ điện hóa NCC và đang đi trước với việc vận hành các cơ sở trình diễn thương mại quy mô lớn. Tập đoàn BASF của Đức, thông qua hợp tác với SABIC của Ả Rập Xê Út và đối tác kỹ thuật Linde, đã xây dựng nhà máy trình diễn cracking naphtha bằng điện quy mô lớn đầu tiên trên thế giới.

Cơ sở này đặt tại Ludwigshafen, Đức, bắt đầu vận hành chính thức từ tháng 4 năm 2024 và đã hoàn tất kiểm chứng kỹ thuật về việc duy trì ổn định quy trình ở nhiệt độ cực cao trên 850°C bằng năng lượng tái tạo. Khu vực trình diễn này tiêu thụ năng lượng điện tái tạo công suất 6MW mỗi giờ để xử lý khoảng 4 tấn hydrocarbon.

Những bước đi nhanh chóng của các tập đoàn toàn cầu đang tạo áp lực lớn lên ngành hóa dầu Hàn Quốc. Tại Hàn Quốc, LG Chem051910 và các đơn vị khác đang thúc đẩy phát triển công nghệ với mục tiêu thương mại hóa vào năm 2030, tuy nhiên hiện vẫn đang dừng ở giai đoạn thí điểm quy mô nhỏ, tạo ra khoảng cách kỹ thuật so với thế giới.

Rào cản của việc hiện thực hóa điện hóa NCC: 'Methane và chi phí'

Mặc dù có hiệu quả giảm cacbon đột phá, việc áp dụng điện hóa NCC vào thực tế vẫn đối mặt với nhiều khó khăn về cấu trúc và kinh tế. Điều này là bởi đây là bài toán phức tạp đòi hỏi phải thiết kế lại toàn bộ năng lượng và nguyên liệu của quy trình hóa dầu chứ không chỉ đơn thuần là thay thế thiết bị.

Một trong những rào cản kỹ thuật lớn nhất là xử lý methane, một phụ phẩm của quá trình. Quy trình NCC truyền thống đã thiết lập một hệ thống tự tiêu thụ hoàn hảo, nơi methane phát sinh trong quá trình cracking được tái sử dụng trực tiếp làm nhiên liệu cho lò đốt mà không cần bán ra ngoài. Đây là cơ chế cốt lõi giúp tiết kiệm chi phí nhiên liệu và xử lý phụ phẩm hiệu quả.

Tuy nhiên, khi điện hóa quy trình, lượng methane này sẽ không còn được dùng làm nhiên liệu mà trở thành một lượng lớn phụ phẩm dư thừa. Nếu đơn thuần đốt bỏ hoặc thải ra khí quyển, đây không chỉ là thiệt hại kinh tế lớn mà còn làm giảm đi ý nghĩa của việc giảm thiểu cacbon. Vì vậy, các doanh nghiệp hóa dầu đang tìm cách xây dựng các quy trình bổ sung để chuyển đổi methane thành nguyên liệu hóa học giá trị cao hoặc chuyển thành hydro. Dự án 'Chuyển đổi hydro từ methane phụ phẩm' mà LG Chem đang thúc đẩy chính là nhằm giải quyết vấn đề này, với mục tiêu thiết lập hệ thống hydro xanh dương (blue hydrogen) bằng cách phản ứng methane với hơi nước nhiệt độ cao để chuyển thành hydro và tái sử dụng.

Một biến số khác là 'chi phí năng lượng'. Ngành hóa dầu coi giá điện là một chi phí cấu trúc khó kiểm soát. Việc giá điện công nghiệp tăng vọt gần đây đang trở thành yếu tố chính gây suy giảm ý chí chuyển đổi trung hòa cacbon. Từ năm 2022 đến nay, giá điện công nghiệp đã tăng hơn 80,0 won/kWh, và đối với các tập đoàn lớn, gánh nặng giá vốn ngày càng trầm trọng với tỷ trọng chi phí điện trên doanh thu tăng vọt khoảng 74,7%. Vì quy trình hóa dầu là quy trình vận hành liên tục 24 giờ không thể dừng lại, nên việc tăng giá điện dẫn trực tiếp đến tăng giá thành sản xuất. Nếu có lo ngại rằng điện sẽ đắt hơn nhiên liệu hóa thạch như LNG hoặc methane, thì động lực kinh tế để doanh nghiệp bỏ ra số vốn đầu tư khổng lồ nhằm chuyển đổi sang điện hóa sẽ biến mất.

Jang Yong-hee, Trưởng nhóm Thúc đẩy Carbon thấp của LG Chem, cho biết: "Việc chuyển đổi methane là rất quan trọng, và vì quá trình chuyển đổi methane thành hydro cũng cần năng lượng, nên chúng tôi cũng phải cân nhắc vấn đề giá điện ở đây".

Để điện NCC có thể ổn định, nguồn cung năng lượng tái tạo và giá điện phải được đảm bảo. Quy trình điện hóa NCC tiêu tốn lượng điện khổng lồ khoảng 5,0MWh cho mỗi 1 tấn ethylene được sản xuất, do đó việc cung cấp năng lượng tái tạo quy mô lớn và xây dựng cơ sở hạ tầng điện lực để đáp ứng là điều bắt buộc. Đặc biệt, cần tạo ra môi trường để có thể huy động điện trực tiếp bằng cách đảm bảo chuỗi cung ứng gần về mặt vật lý với các nguồn phát điện tái tạo.

Về giá điện, có thể tận dụng tích cực cơ chế 'Khu vực đặc quyền năng lượng phân tán' bao gồm các khu công nghiệp hóa dầu trọng điểm như Jeonnam, Ulsan, Daesan để giảm chi phí phụ trợ khi mua điện. Việc ký kết hợp đồng mua bán điện trực tiếp với các đơn vị kinh doanh năng lượng phân tán trong khu vực đặc quyền, nhận các ưu đãi miễn giảm phí sử dụng lưới điện do cung cầu gần và miễn thuế khí hậu môi trường, được kỳ vọng sẽ giúp giảm bớt chi phí.

Điện hóa NCC đòi hỏi chi phí đầu tư ban đầu khổng lồ, và vì NCC hiện tại là thiết bị có hiệu suất cao trong việc tận dụng phụ phẩm methane, chi phí cho quá trình chuyển đổi là rất lớn. Đây là lý do tại sao có nhiều ý kiến cho rằng cần hỗ trợ trình diễn điện hóa NCC thông qua Quỹ ứng phó khí hậu của Chính phủ.

Park Jin-soo, CEO của Planit, nhấn mạnh: "Sự khởi đầu của ngành hóa dầu là tài chính chính sách do nhà nước dồn vốn với tỷ lệ vốn tự có thấp. Từ quan điểm đó, việc chuyển đổi khử cacbon của ngành hóa dầu cũng có thể được xem là trách nhiệm của doanh nghiệp đối với xã hội".