Tái chế gas thừa để sản xuất điện

Đuốc đốt khí gas thừa là hình ảnh quen thuộc ở vùng Tây Phi dồi dào dầu mỏ. Ngọn lửa cháy suốt ngày đêm này là biểu tượng của sự giàu có, đánh dấu sự hiện diện của một mỏ dầu, hoặc khí đốt trong vùng. Đáng tiếc, nó đồng thời cũng thể hiện sự lãng phí và ô nhiễm môi trường khi lượng nhiên liệu thừa trị giá hàng triệu đô la bị đốt và tan vào không khí một cách phí phạm.

Ảnh minh họa: Dự án Atuabo Waste to Power Independent Power sử dụng isopentan để sản xuất và cung cấp điện cho hơn 100.000 hộ gia đình ở Ghana. Ảnh: IStock.

Vì vậy, một dự án đã ra đời để giải quyết vấn đề này. GE Power hợp tác với Marinus Energy, một công ty sản xuất điện của Ghana, để tách riêng phần khí "thừa" và dùng lượng khí này sản xuất điện.

Thành phần chính của khí gas thừa này là isopentan, một trong những hydrocacbon nặng có sẵn trong khí thô khai thác từ các giếng dầu khổng lồ ngoài khơi Ghana. Trong quá trình tinh lọc, công ty khai thác thường tách riêng những hydrocacbon nặng hơn để thu về loại khí hợp chuẩn vận chuyển trong đường ống.

Trong các hydrocacbon nặng đã tinh lọc vẫn có khá nhiều thành phần hữu ích. Người ta có thể dễ dàng nén etan, butan và propan vào xi-lanh thép và dùng để đun nấu; hoặc có thể ứng dụng isopentan vào các sản phẩm công nghiệp như mỹ phẩm, kem cạo râu và dầu xả dưỡng tóc. "Đây là một chất rất dễ cháy, nên isopentan còn được dùng làm nhiên liệu cho xe đua Công thức 1" - Fred Asamany, cố vấn chiến lược cho Marinus Energy cho biết.

Tuy nhiên, Ghana không nổi tiếng với mỹ phẩm hay các giải đua xe và isopentan bị xem là thành phần "dư thừa". Vì không có thị trường cho nguồn nhiên liệu này nên Công ty Khí đốt Quốc gia Ghana chỉ còn cách… đốt đuốc!

Được thiết kế trên cơ sở mẫu tua bin của động cơ phản lực, TM2500 giống như những nhà máy điện di động. Ảnh: GE Aviation.

Nhưng đốt isopentan không chỉ gây lãng phí mà còn làm ô nhiễm môi trường. Quá trình đốt isopentan sản sinh ra khí nitric oxit (NO) và nitơ oxit (NOx). Chất hydrocacbon này sau khi đốt có mùi giống xăng. Tùy thuộc vào thông số vận hành của nhà máy xử lý khí đốt, hợp chất sau khi đốt có thể có các thành phần chứa lưu huỳnh, khiến không khí trong vùng đặc biệt khó ngửi.

Năm 2012, GE và Marinus quyết định sẽ chấm dứt tình trạng lãng phí và ô nhiễm này. "Chúng tôi đã cùng suy nghĩ và chung tay đề xuất một phương án để tận dụng isopentan tối ưu nhất" - Asmany nói. Dự án Atuabo Waste to Power Independent Power (Dự án nhà máy điện độc lập Atuabo tái chế nhiên liệu thừa thành điện) chính là phương án đó.

Về cơ bản, ý tưởng của dự án này là lọc riêng isopentan và dùng nó làm nhiên liệu chạy loại tua bin khí hiện đại nhất của GE là TM2500 để tạo ra 25 MW điện, đủ cung cấp 100.000 hộ gia đình ở Ghana.

Được thiết kế trên cơ sở mẫu tua bin của động cơ phản lực, TM2500 giống như những nhà máy điện di động. Thiết bị này có thể đặt vừa trong máy bay vận tải, xe tải, hoặc xà lan và lắp đặt nhanh chóng, dễ dàng ở những vùng sâu vùng xa. Hiện nay, TM2500 đang sản xuất điện ở sa mạc Algeria, Angola, Indonesia và Ghana.

Ban đầu, nhiên liệu chạy tua bin trong dự án Atuabo sẽ là khí thiên nhiên, nhưng sau đó sẽ chuyển dần sang hỗn hợp chứa isopentan. Đơn vị vận hành dự kiến sẽ bổ sung thêm tua bin để tăng công suất lên 100 MW. "Chúng ta đang ở vị trí thuận lợi để có thể thu được lượng isopentan lớn hơn" - Asamany nói.

TM2500 hiện đang được sử dụng để sản xuất điện tại sa mạc Tunisia, Angola, Indonesia và Ghana. Ảnh: GE Power.

Nhưng khai thác isopentan và biến nó thành nhiên liệu chạy tua bin không phải chuyện dễ dàng, đặc biệt trong điều kiện khí hậu nhiệt đới của Ghana. Isopentan là một chất rất dễ bay hơi và dễ cháy với nhiệt độ sôi khoảng 27,8 độ C - tương đương với nhiệt độ không khí trung bình tại quốc gia Tây Phi này. "Chúng tôi phải liên tục theo dõi nhiệt độ, áp suất và thành phần nhiên liệu" - Asamany cho biết.

Đầu tiên, người ta phải làm nguội khí isopentan từ nhiệt độ 87 độ C cho đến khi hoàn toàn hóa lỏng. Sau đó, họ bơm isopentan lỏng vào các bể chứa nhiên liệu rồi dùng vòi phun nhiên liệu để đưa isopentan lỏng đã được tăng áp vào buồng đốt tua bin. Nhiệt lượng thu được từ quá trình này làm quay tua bin, chạy máy phát điện và hoàn tất quy trình tái chế khí gas thừa.

Tận dụng isopentan mang lại lợi ích to lớn. Đốt khí gas thừa sẽ thải ra 297 ppm các khí nitơ oxit (NOx) làm ô nhiễm môi trường nhưng sau khi lọc isopentan ra khỏi nhiên liệu đốt đuốc, nồng độ nitơ oxit (NOx) trong khu vực Atuabo giảm xuống còn 97 ppm, theo Wilmot Asumeng - Giám đốc kinh doanh cao cấp tại GE Power.

Tinh lọc isopentan còn làm tăng hiệu suất của nhà máy xử lý khí đốt bằng cách đẩy mạnh thông lượng khí thiên nhiên và các chất hydrocacbon nặng khác có thể tiêu thụ tại Ghana. Điều này giúp công ty xử lý khí đốt có thêm US$50.000 doanh thu mỗi ngày, Asamany nói.

Phần doanh thu có thêm là tiền bán điện sản xuất bằng isopentan. Tại Ghana, điện sản xuất bằng isopentan có giá $0,11/kWh, rẻ hơn một nửa so với giá điện sản xuất từ khí thiên nhiên vì ở Ghana, giá bán khí đốt thiên nhiên cao gấp đôi giá của isopentan.

Một cặp tua bin TM2500 được lắp đặt tại sa mạc Algeria. Ảnh: GE Power.

Một nguyên nhân khác khiến giá điện sản xuất bằng isopentan rẻ như vậy là TM2500. Tua bin khí di động của GE rất linh hoạt và có thể chạy bằng nhiều loại nhiên liệu khác nhau như khí thiên nhiên, isopentan và các hydrocacbon khác. TM2500 có thể sản xuất điện bằng cách đốt khí thiên nhiên hóa lỏng - một hỗn hợp gồm khí thiên nhiên thô, propan, butan hoặc pentan dạng lỏng. Tua bin này cũng có thể tạo ra điện bằng cách đốt propan và butan nguyên chất, dạng khí hoặc dạng lỏng.

Trong bối cảnh nhiều quốc gia châu Phi khác đang đốt khí gas thừa, Atuabo có thể là dự án thí điểm cho nhiều dự án tương tự trong tương lai. Nigeria chính là quốc gia phù hợp với mô hình dự án này.