Khí Cacbonic là thành phần của khí quyển, tồn tại tự nhiên trong bầu khí quyển của Trái đất với nồng độ tương đối khoảng 350 ppm, tham gia vào chu trình các-bon tự nhiên đã giúp cho các chu trình vận động của tự nhiên và sự sống trên Trái đất được ổn định. Tuy nhiên, quá trình phát triển của con người làm gia tăng lượng Cacbonic phát thải vào bầu khí quyển, dẫn tới thay đổi các chu trình tự nhiên của Trái đất, thời gian gần đây, hiện tượng được nhắc đến nhiều nhất đó là khí quyển trái đất đang ấ
1. Bối cảnh đặt ra yêu cầu giảm phát thải và tái tuần hoàn CO2
Khí CO2 là thành phần của khí quyển, tồn tại tự nhiên trong bầu khí quyển của Trái đất với nồng độ tương đối khoảng 350 ppm, tham gia vào chu trình các-bon tự nhiên đã giúp cho các chu trình vận động của tự nhiên và sự sống trên Trái đất được ổn định. Tuy nhiên, quá trình phát triển của con người làm gia tăng lượng CO2 phát thải vào bầu khí quyển, dẫn tới thay đổi các chu trình tự nhiên của Trái đất, thời gian gần đây, hiện tượng được nhắc đến nhiều nhất đó là khí quyển trái đất đang ấm dần lên, gây biến đổi khí hậu toàn cầu và nguyên nhân được xác định là do nồng độ khí CO2 gây hiệu ứng nhà kính đã tăng lên đáng kể.
Nguyên nhân chính gia tăng nồng độ khí CO2 chủ yếu gồm:
(1) Do đốt nhiên liệu hóa thạch (than đá, dầu mỏ, khí đốt) đáp ứng nhu cầu năng lượng cho quá trình phát triển của con người;
(2) Do mất rừng làm giảm nguồn hấp thụ CO2 nhờ quá trình quang hợp, làm mất cân bằng chu trình các-bon tự nhiên.
- Nguồn phát thải CO2 từ đốt nhiên liệu hóa thạch gồm hai dạng:
(1) Nguồn phát thải tập trung: Các cơ sở sử dụng nhiên liệu hóa thạch (than đá, dầu mỏ, khí đốt) cho quá trình năng lượng như các nhà máy nhiệt điện, nhà máy sản xuất thép, xi măng, hóa chất...;
(2) Nguồn phát thải phân tán: Từ các hoạt động giao thông, đun nấu tại các hộ gia đình, hoạt động canh tác nông nghiệp...
Nguồn ảnh: https://www.freepik.com
Trước yêu cầu về giảm nhẹ biến đổi khí hậu toàn cầu, việc giảm phát thải khí CO2 trên thế giới hiện nay đang tập trung vào 2 nhóm chính và 4 giải pháp cụ thể gồm:
- Nhóm 1: Không phát tán thêm CO2 vào khí quyển:
(1) Giảm sử dụng nhiên liệu hóa thạch bằng các chính sách, giải pháp nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng trong nền kinh tế. (Chi phí thấp);
(2) Giảm sử dụng nhiên liệu hóa thạch thông qua chuyển đổi sang sử dụng các dạng năng lượng tái tạo, năng lượng mới (gió, mặt trời, thủy điện, thủy triều, địa nhiệt, sinh khối, hạt nhân, năng lượng hydrogen...) thay thế các dạng năng lượng hóa thạch truyền thống. (Chi phí cao).
(3) Thu giữ, sử dụng tuần hoàn, lưu trữ các-bon (CCUS) bằng các giải pháp kỹ thuật, công nghệ từ các nguồn phát thải lớn, tập trung. (Chi phí cao).
- Nhóm 2: Làm giảm lượng CO2 trong khí quyển xuống mức phù hợp:
(4) Tăng cường hấp thụ CO2 và lưu trữ trong các sinh khối rừng trồng và rừng tự nhiên nhờ quá trình quang hợp tự nhiên của thực vật. (Chi phí thấp).
Như vậy, hầu hết các quốc gia như Việt Nam có xu hướng lựa chọn các giải pháp có chi phí thấp số (1) và số (4) để thực hiện trước, từng bước triển khai các giải pháp có chi phí cao phù hợp với điều kiện và quy mô của nền kinh tế. Hiện nay, Việt Nam vẫn chưa ban hành chính sách cụ thể về trách nhiệm, nghĩa vụ giảm phát thải khí nhà kính bắt buộc, chủ yếu đang được lồng ghép trong các chính sách phát triển năng lượng quốc gia như phát triển năng lượng tái tạo và chính sách về sử dụng hiệu quả năng lượng.
Đối với giải pháp số (3) được áp dụng chủ yếu đối với các nguồn phát thải CO2 lớn, tập trung như các nhà máy nhiệt điện, hóa chất, xi măng, phân bón,... và được tiếp cận qua các bước gồm thu giữ (Carbon Capture), sử dụng (Utilization), lưu giữ (Storage) hoặc kết hợp sử dụng và lưu giữ các-bon gọi chung là CCUS.
2. Các công nghệ CCUS
Để thực hiện giải pháp về CCUS đối với các nguồn phát thải CO2 lớn, tập trung được tiếp cận thông qua giải pháp của từng công đoạn cụ thể.
Nguồn ảnh: https://www.carbonrecycling.is/
a) Thu giữ CO2
Việc thu giữ CO2 hiện nay đã có công nghệ tích hợp vào hệ thống khí thải các nhà máy nhiệt điện với hiệu suất thu hồi khoảng 85-95%. Các hệ thống này mới chỉ ưu tiên triển khai tại các nhà máy nhiệt điện khí, dầu và than sạch hoặc các nhà máy sản xuất phân đạm (để đảm bảo thành phần khí thải ít tạp chất như bụi).
b) Vận chuyển CO2
Việc vận chuyển CO2 được sử dụng phổ biến hiện nay thông qua hệ thống đường ống dẫn đến các khu vực lưu trữ các-bon, tuy nhiên hầu hết là các hệ thống có quy mô nhỏ. Ngoài ra có thể sử dụng phương pháp nén khí vào các bình áp suất cao và vận chuyển bằng các phương tiện giao thông đường bộ, đường thủy đến các khu vực lưu trữ các-bon ở xa nguồn phát thải hoặc các quốc gia khác, tuy nhiên chi phí cho quá trình này là khá cao.
c) Sử dụng hoặc lưu trữ CO2
Khí CO2 được xử lý tinh khiết và nén vào các bình áp suất cao có thể vận chuyển và sử dụng cho các ngành khác như công nghiệp thực phẩm, đồ uống có gas, phân bón, hóa chất, nông nghiệp, y học... Khí CO2 có thể kết hợp với khí hydrogen (H2) hoặc khí thiên nhiên để sản xuất ra các dạng nhiên liệu khác như CH3OH, CH4... hoặc có thể kết hợp với vôi bột (CaO) hoặc dung dịch sữa vôi (Ca(OH)2) để sản xuất ra CaCO3 được sử dụng trong các ngành công nghiệp, xây dựng.
Lượng lớn CO2 hiện nay thu hồi được chủ yếu tuần hoàn trong quá trình sản xuất phân đạm hoặc bơm trực tiếp xuống các giếng dầu đã khai thác xong hoặc đang khai thác nhằm tăng khả năng khai thác dầu triệt để hơn, đồng thời lượng CO2 bơm xuống cũng được lữu giữ luôn tại các tầng địa chất, thay thế cho thể tích dầu mỏ đã hút lên.
Một số giải pháp hấp thụ CO2 cưỡng bức đối với rừng hoặc nền nông nghiệp trong nhà kính cũng đã được áp dụng với chi phí phù hợp. Lượng CO2 lớn phát thải từ các nguồn tập trung có thể thu hồi, vận chuyển thông qua hệ thống đường ống và cho phát tán vào trong môi trường rừng để tăng cường quá trình quang hợp của thực vật, từ đó lưu trữ được lượng các-bon đáng kể trong sinh khối của rừng. Hay trong nông nghiệp và y sinh vật học, việc sục khí CO2 cưỡng bức vào các bể dung môi nhân nuôi tảo, vi tảo cũng là giải pháp góp phần tái sử dụng, lưu trữ các-bon, giảm lượng CO2 phát thải trực tiếp vào khí quyển.
Ngoài ra, một số giải pháp về lưu trữ CO2 trong các tầng địa chất như vỉa than không thể khai thác, các kho chứa nước mặn sâu, carbonnat hóa khoáng chất, lưu trữ trong đại dương vẫn còn đang nghiên cứu, hoàn thiện, hiện nay mới áp dụng ở một số quốc gia phát triển như các nước vùng vịnh như Saudi Arabiat, Canada với chi phí đầu tư cao và chưa sẵn sàng để thương mại hóa.
3. Ưu điểm của CCUS
- CCUS là công nghệ sạch, có thể loại bỏ phát thải CO2 từ các ngành công nghiệp lớn như nhiệt điện, xi măng, luyện gang thép, sản xuất phân bón và hóa dầu.
- CCUS là một phần của nền kinh tế năng lượng mới trong tương lai khi kết hợp với nguồn năng lượng Hydrogen và năng lượng sinh học để tạo ra nguồn năng lượng các-bon trung tính đang là hướng đi được nhiều quốc gia đang triển khai.
- CCUS sẽ tạo ra việc làm mới và cộng đồng bền vững trong tương lai. Đây là giải pháp có chi phí thấp hơn so với các chi phí thiệt hại về môi trường và sức khỏe do phát thải gây ra và sẽ tiếp tiếp tục giảm khi các thiết bị được thương mại hóa nhiều hơn.
- CCUS là giải pháp có hiệu quả cao trong việc loại bỏ CO2 từ quá trình sử dụng năng lượng hóa thạch, đặc biệt khi kết hợp với các nguồn năng lượng tái tạo sẽ tạo ra một tương lai không có phát thải các-bon, xanh và bền vững.
- Với gần 50 năm nghiên cứu và phát triển, đến này về cơ bản các công nghệ về CCUS đã đạt được đến trình độ sẵn sàng có thể thương mại hóa cao.
4. Thách thức đối với CCUS
Bên cạnh các ưu điểm của CCUS nêu trên, với đặc tính và yêu cầu của các quá trình phân tách, vận chuyển, phân phối sử dụng và lưu trữ vẫn còn một số thách thức làm cho công nghệ này mới chỉ được phát triển ở các quốc gia phát triển, các thách thức gồm:
- Thách thức đầu tiên không phải đến từ bản thân công nghệ CCUS mà là chính sách và thực tế phương pháp tính toán xác định thiệt hại về môi trường và chi phí về sức khỏe khi phát thải CO2 vào môi trường vẫn còn nhiều tranh cãi dẫn đến vẫn chưa phải chịu trách nhiệm đầy đủ cho các chi phí này (chưa bị tính thuế hay phí), do đó không tạo được động lực phải xử lý CO2 của các doanh nghiệp. Cũng từ nguyên nhân này mà việc so sánh với chi phí đầu tư cho công nghệ CCUS vẫn làm hấp dẫn các nhà đầu tư.
- Trong CCUS nếu được triển khai tại các vị trí xa nguồn sử dụng, lưu trữ CO2 sẽ phát sinh thêm chi phí đầu tư vào công nghệ cho việc lưu trữ và vận chuyển đến nơi lưu trữ, điều này cũng làm cho giá thành của công nghệ này tăng lên, đặc biệt trong điều kiện các nhà máy nhiệt điện, sản xuất gang thép, xi măng, phân bón, hóa dầu... nằm phân tán, cách xa nhau và cách xa khu vực lưu trữ, sử dụng.
5. Tình hình thực hiện CCUS tại một số quốc gia
- Với mục tiêu phát triển thành cộng đồng tuần hoàn bền vững, Nhật Bản đã có Chiến lược đổi mới vì cộng đồng bền vững tuần hoàn, theo đó, Cơ quan phát triển công nghệ và năng lượng mới (NEDO) giữ vai trò dẫn dắt triển khai nhiều dự án thực hiện các giải pháp về tuần hoàn và tái sử dụng các-bon trong nền kinh tế, các nghiên cứu điển hình gồm:
(1) Dự án quang hợp nhân tạo được thực hiện bởi chất xúc tác đặc biệt có thể sử dụng năng lượng từ ánh sáng mặt trời để phân tách nước H2O thành khí H2 và khí O2, khí H2 được phân tách sẽ được kết hợp với CO2 thu được từ các nhà máy nhiệt điện, công nghiệp để tổng hợp thành các hợp chất hydrocacbon mạch ngắn (C2 ~ C4) gọi là Olefins và được dùng làm nguyên liệu để sản xuất nhựa và các sản phẩm khác. Dự án đang tiếp tục được nghiên cứu, hoàn thiện và phát triển thương mại hóa.
(2) Dự án phân tách và thu giữ CO2 từ các nhà máy nhiệt điện đang được triển khai với mục tiêu nghiên cứu và áp dụng các phương pháp tách CO2 từ khói thải của các nhà máy nhiệt điện nhằm giảm chi phí của việc thu giữ CO2 từ 4.200 ¥ / Tấn CO2 năm 2018 xuống còn 2.000 ¥ vào năm 2020 và khoảng 1.000 ¥ vào năm 2030.
(3) Dự án Mê-tan hóa quay vòng CO2 thành nhiên liệu được khởi động từ năm 2017. Với giải pháp kết hợp nguồn khí H2 tái tạo và CO2 thu giữ được từ các nhà máy nhiệt điện tạo thành các loại nhiêu nhiệu như Metal, Metanol (được coi là nguồn năng lượng các-bon trung tính) sẽ được cung cấp cho các nhu cầu sử dụng trong sinh hoạt như đun nấu, sưởi ấm và cả công nghiệp hoặc quay trở lại tiếp tục sử dụng trong các nhà máy nhiệt điện. Khí H2 tái tạo được sản xuất thông qua quá trình điện phân nước sử dụng năng lượng từ các nguồn tái tạo như gió, mặt trời, thủy điện, thủy triều... Mục tiêu của dự án sẽ thương mại hóa được vào năm 2030.
(4) Dự án lưu trữ trong các kho chứa nước mặn sâu bên dưới đáy biển với độ sâu từ 3-4 km (hơn 1 km dưới đáy biển), Nhật Bản đã có 1 dự án trình diễn được triển khai thành công do Công ty CCS Nhật Bản bắt đầu thực hiện từ năm 2012, việc bơm, giữ CO2 trong các tầng địa chất được thực hiện từ năm 2016 đến năm 2018 và đã lưu giữ khoảng 1.000 ngàn tấn CO2 mỗi năm. Nguồn CO2 được thu giữ từ nhà máy sản xuất khí H2 có nguồn gốc dầu mỏ tại Tomakomai, Nhật Bản.
- Từ năm 2003 đến nay, Trung Quốc cũng đã có trên 20 dự án triển khai CCUS và gần đây nhất Dự án lưu giữ CO2 trong giếng giầu tại Cát Lâm ở quy mô lớn (đứng thứ 18 về quy mô trên toàn cầu) đã được triển khai.
- Tại Hoa Kỳ, với các chính sách về tài chính các-bon đã được áp dụng, các dự án về CCUS đã được triển khai khá phổ biến. Hoa Kỳ là nước sở hữu số lượng các dự án về CCUS lớn nhất thế giới, đến năm 2017 đã lưu giữ được trên 150 triệu tấn CO2 và hiện nay có thể thu giữ được khoảng 25 triệu tấn mỗi năm, tương đương với lượng phát thải của 5,4 triệu xe hơi trong vòng một năm. Hiện Hoa Kỳ đang 18 dự án CCUS quy mô lớn trên toàn Thế giới, trong đó có 10 dự án đặt tại quốc gia này.
- Ngoài ra các cuốc gia như Vương quốc Anh, Hà Lan, Na Uy, Úc,... cũng đã triển khai các dự án CCUS đạt hiệu quả và đang tiếp tục xác định lựa chọn đây sẽ là giải pháp cho các giải quyết vấn đề biến đổi khí hậu toàn cầu và phát triển ngành năng lượng không phát thải các-bon, xanh và bền vững trong chính sách của quốc gia.
- Ở Việt Nam từ năm 2010 đã có Nhà máy sản xuất phân đạm Phú Mỹ đã lắp đặt thiết bị thu hồi CO2 từ quá trình đốt và tái sử dụng với lượng NH3 dư của nhà máy để sản xuất thành phân urê. Tuy nhiên, sau 5 năm vận hành thì hiệu quả kinh tế đem lại không được đảm bảo do các yếu tố về thị trường, giá nhiên liệu và đã phải dừng hoạt động.
6. Kết luận
Như vậy, với mục tiêu xử lý khí CO2 thải nhằm bảo vệ môi trường và hệ thống khi hậu của Trái đất thì CCUS là một trong những giải pháp đang được ưu tiên áp dụng trên Thế giới. Đặc biệt với mục tiêu chống biến đổi khí hậu toàn cầu là giữ cho nhiệt độ Trái đất tăng không quá 2,0 OC vào cuối thế kỷ này và có thể đạt mức 1,5 OC với sự nỗ lực nhiều hơn từ cộng đồng quốc tế, theo đó trong báo cáo gần đây nhất của Ban Thư ký Liên hợp quốc về biến đổi khí hậu (IPCC) năm 2018 đã đưa ra tính toán về các mục tiêu trên chỉ có thể đạt được khi thế giới phải cắt giảm 45% mức phát thải CO2 của năm 2010 vào năm 2030 và đạt mức phát thải bằng không “Net Zero” vào năm 2050 thì việc áp dụng công nghệ CCUS sẽ là một tất yếu để loại bỏ triệt để phát thải CO2 vào khí quyển./.
ThS. Nguyễn Quang Huy - Vụ Tiết kiệm năng lượng và Phát triển bền vững
