Công nghệ CCUS tích hợp vào nhà máy điện than - Các kết quả thử nghiệm và một số khuyến nghị

Tổng quan công nghệ thu giữ CO2 sau khi đốt và một số kết quả kiểm chứng ban đầu Bài báo dưới đây của chuyên gia thuộc Trung tâm Nghiên cứu Năng lượng châu Á - Thái Bình Dương (APERC) viết riêng cho Tạp chí Năng lượng Việt Nam sẽ giới thiệu tổng quan công nghệ thu giữ CO₂ sau khi đốt, cũng như các phương pháp thu giữ CO₂, ứng dụng trong ngành điện, lọc hóa dầu, sản xuất hydro, xi măng, thép... và một số kết quả kiểm chứng thực tế ban đầu tại Canada, Hoa Kỳ, Trung Quốc.

Các chuyên gia gợi ý với Thủ tướng một số giải pháp ban đầu cho dự án điện hạt nhân Ninh Thuận 1 và 2 Tập thể các chuyên gia, nhà khoa học thuộc Hội đồng Khoa học Tạp chí Năng lượng Việt Nam vừa có báo cáo tổng hợp (từ các bài báo phản biện trong chuyên đề “phát triển điện hạt nhân Việt Nam trong bối cảnh mới”) gửi tới Thủ tướng Chính phủ Phạm Minh Chính. Trong báo cáo, các chuyên gia đã đề xuất Thủ tướng xem xét quyết định một số vấn đề liên quan trong giai đoạn đầu thực hiện đầu tư các dự án điện hạt nhân Ninh Thuận 1, Ninh Thuận 2. Dưới đây là nội dung chính được đề cập trong báo cáo này.

Theo báo cáo của Viện CCS toàn cầu: Năm 2024 đã chứng kiến sự tăng trưởng đáng kể trong việc phát triển các cơ sở thu giữ và lưu trữ carbon (CCS). Hiện có 50 cơ sở CCS đang hoạt động và 44 cơ sở khác đang được xây dựng. Tính đến tháng 7 năm 2024, số lượng dự án CCS trong kế hoạch đã lên tới 628, tăng 60% so với cùng kỳ năm trước.

Báo cáo cũng cho thấy sự tiến triển rộng khắp, với nhiều dự án xuất hiện tại Hoa Kỳ, châu Âu, Trung Đông, Trung Quốc và Đông Nam Á.

Đối với ngành sản xuất điện, những phát triển này mang ý nghĩa sâu sắc. Trong một thời gian dài bị coi là nguồn phát thải CO₂ chính, ngành điện đã chịu nhiều áp lực để giảm lượng khí thải carbon, đồng thời phải cân bằng giữa độ tin cậy và tính bền vững, đặc biệt trong bối cảnh nhu cầu điện năng gia tăng mạnh tại các khu vực như Hoa Kỳ. Các chuyên gia coi CCS là con đường thực tế giúp ngành điện tiếp tục vận hành các nhà máy điện sử dụng nhiên liệu hóa thạch trong khi vẫn cắt giảm đáng kể lượng khí thải.

Dưới đây là một số dự án điển hình trên thế giới hiện nay:

1. Dự án Boundary Dam (Canada):

Đây là dự án CCS quy mô thương mại đầu tiên trên thế giới cho nhà máy điện than, vận hành từ năm 2014 tại tổ máy số 3 (110 MW) của Nhà máy Boundary Dam ở Saskatchewan. Hệ thống sử dụng công nghệ hấp thụ amine (MEA) sau đốt cháy để thu CO₂ từ khí thải lò hơi đốt than non.

Hình 1: Một số cột mốc quan trọng của dự án Boundary Dam.

Về kỹ thuật, dự án chứng minh thu giữ >90% CO₂ ở dòng khí xử lý, với độ tinh khiết CO₂ 99%. Tính đến 2022, Boundary Dam 3 đã thu giữ và lưu trữ an toàn hơn 4,5 triệu tấn CO₂ và đến cuối năm 2024 con số tăng lên trên 6,4 triệu tấn.

Hình 2: Dự án CCUS Boundary Dam tại Saskatchewan (Canada).

CO₂ thu được được nén và chuyển qua đường ống ~66 km để bơm xuống mỏ dầu Weyburn nhằm tăng cường khai thác dầu (EOR). Lượng CO₂ bơm đã giúp tăng sản lượng dầu mỏ từ 500 lên ~5000 thùng/ngày tại mỏ dầu này, tạo nguồn thu hỗ trợ chi phí vận hành CCS. Về kinh tế, dự án tiêu tốn khoảng 1,1 tỷ USD vốn đầu tư, vượt khoảng 4% so với ngân sách ban đầu - được xem là thành công với một dự án đầu tiên. Tổ máy có trang bị hệ thống CCS vẫn phát điện ~115 MW (so với 139 MW nếu không thu CO₂) do tổn hao hiệu suất ~20-25%.

Hình 3: Toàn cảnh nhà máy nhiệt điện than Boundary Dam.

Trong những năm đầu, hệ thống gặp một số trục trặc (van, quạt, trao đổi nhiệt) buộc phải dừng nhiều đợt để khắc phục. Nhờ cải tiến, hiệu suất vận hành đã tăng dần. Năm 2023, hệ thống đạt kỷ lục thu 819 nghìn tấn CO₂ (trong 12 tháng) - gần đạt công suất thiết kế 1 triệu tấn/năm.

Bài học kinh nghiệm: Dự án cho thấy CCS khả thi về kỹ thuật, nhưng cần chú ý thiết kế tiền xử lý khí (vấn đề tro bụi mịn ban đầu ảnh hưởng dung môi) và cần có thị trường CO₂ (như tăng cường thu hồi dầu - EOR), hoặc chính sách để đảm bảo tài chính. Thành công của Boundary Dam tạo niềm tin cho các dự án CCS tiếp theo và cung cấp dữ liệu thực tế về vận hành liên tục một hệ thống CCS lớn.

2. Dự án Petra Nova (Hoa Kỳ):

Là dự án CCS thương mại trên nhà máy nhiệt điện than lớn nhất thế giới vào thời điểm khánh thành năm 2017. Hệ thống CCS của Petra Nova đặt tại Nhà máy W.A. Parish gần Houston, Texas, thu CO₂ từ một phần dòng khói của tổ máy than 610 MW (thu khoảng 240 MW công suất khí thải). Công nghệ sử dụng dung môi amine tiên tiến (KS-1 của Mitsubishi) với quy trình hấp thụ - tách CO₂ tương tự Boundary Dam.

Kết quả: Hệ thống được thiết kế thu khoảng 1,6 triệu tấn CO₂/năm (tương đương 33% lượng CO₂ của cả nhà máy).

Thực tế vận hành 2017-2019, Petra Nova thu được 3,8 triệu tấn CO₂ (3,8 triệu short tons Mỹ) trong 3 năm, đạt ~83% mục tiêu đề ra (thiếu hụt chủ yếu do thời gian dừng bảo trì và một số sự cố với nhà máy phụ trợ khí). CO₂ được nén và vận chuyển qua đường ống 82 dặm (131 km) đến mỏ dầu West Ranch để bơm xuống vỉa, giúp tăng sản lượng dầu từ 300 thùng/ngày lên ~15.000 thùng/ngày.

Về kinh tế, dự án có chi phí ~1 tỷ USD (nhận tài trợ $190 triệu từ Bộ Năng lượng Hoa Kỳ). Vận hành CCS tiêu thụ ~78 MW điện từ một tổ máy khí phụ trợ cung cấp hơi và điện cho hệ thống - tức là chiếm khoảng 25-30% năng lượng của nhà máy. Năm 2020, Petra Nova tạm dừng hoạt động do giá dầu sụt giảm khiến EOR không có lãi.

Hình 4: Nhà máy nhiệt điện than Petra Nova (Hoa Kỳ) có trang bị hệ thống CCUS. (Nguồn TIC).

Tuy nhiên, sau khi đổi chủ phần lớn cho JX Nippon, dự án đã tái khởi động vào tháng 9/2023 khi điều kiện kinh tế cải thiện.

Bài học kinh nghiệm: Petra Nova chứng minh khả năng mở rộng quy mô CCS lên gần 1,4 triệu tấn/năm trên một tổ máy lớn hơn. Dự án cũng cho thấy tầm quan trọng của yếu tố thị trường dầu khí - việc phụ thuộc doanh thu EOR khiến dự án dễ bị ảnh hưởng bởi biến động giá dầu (như sự cố dừng 2020). Về kỹ thuật, hiệu suất thu ~92% khi hoạt động, nhưng thời gian vận hành cần ổn định hơn để đạt mục tiêu năm. Sự cố của hệ thống hơi phụ trợ cũng nhắc nhở về tính liên kết: CCS phụ thuộc cả vào các hệ thống phụ và lưới điện ngoài. Việc dự án tái vận hành thành công năm 2023 sẽ cung cấp thêm dữ liệu về tính bền vững dài hạn của CCS trong điều kiện thương mại.

3. Các dự án khác:

Ngoài hai dự án trên, một số dự án CCS nhỏ hơn, hoặc thí điểm cũng đáng chú ý. Nhà máy nhiệt điện than Thái Châu (Trung Quốc) đã vận hành đơn nguyên thu 0,5 triệu tấn CO2/năm từ năm 2022 - đây là dự án CCS lớn đầu tiên trên nhà máy than ở châu Á, sử dụng công nghệ hấp thụ amine cải tiến. Trung Quốc còn có một số dự án quy mô hàng trăm nghìn tấn tại các nhà máy như Vĩnh Tuyền, Thâm Sơn, nhằm sử dụng CO₂ cho hóa chất và EOR.

Nhật Bản triển khai dự án Osaki CoolGen (Hiroshima) - một tổ máy IGCC 166 MW kết hợp thử nghiệm thu CO₂ trước và sau đốt để hướng đến thiết kế nhà máy phát điện than không phát thải trong tương lai.

Hình 5: Toàn cảnh nhà máy nhiệt điện có trang bị CCUS lớn nhất Châu Á tại Giang Tô (Trung Quốc).

Australia đã thử nghiệm oxy-fuel qua dự án Callide và đang lên kế hoạch cho CCS tại các nhà máy khí. Châu Âu dù đã đóng hầu hết nhà máy than, nhưng có dự án Longship của Na Uy tập trung vào vận chuyển và lưu trữ CO₂ cho các nguồn công nghiệp (có thể tiếp nhận CO₂ từ nhà máy điện tương lai nếu cần).

Nhìn chung, số lượng dự án CCUS cho nhiệt điện than còn ít (chỉ khoảng 2-3 dự án thương mại và vài dự án thí điểm). Tuy nhiên, kinh nghiệm toàn cầu đang tăng lên khi các nước chia sẻ bài học. (Ví dụ, Báo cáo “Lessons Learned” từ dự án Boundary Dam do Trung tâm Tri thức CCS quốc tế phát hành). Những dự án đầu tiên chứng minh CCS hoạt động đúng kỳ vọng, nhưng cũng cảnh báo về rủi ro chi phí và vận hành.

Tóm lại, công nghệ CCUS áp dụng tại nhà máy nhiệt điện than đã đi từ ý tưởng đến thực tế, nhưng quy mô triển khai còn rất hạn chế. Tính đến 2023, chỉ có Boundary Dam là dự án nhiệt điện than CCS hoạt động liên tục, Petra Nova vừa hoạt động trở lại và vài dự án nhỏ khác. Dù vậy, các dự án này rất quan trọng, vì chúng xác nhận tính khả thi và cung cấp dữ liệu thực tiễn giúp cải thiện công nghệ.

Trong những năm tới, nhiều dự án CCUS mới đang dự kiến khởi công nhờ các chính sách khí hậu mạnh hơn. Trung Quốc thông báo kế hoạch một loạt dự án CCUS lớn hơn 1 triệu tấn, Mỹ có dự án CCS cho nhà máy khí thiên nhiên (Project Cypress) v.v... Những kinh nghiệm từ các dự án hiện tại sẽ giúp các dự án tương lai thành công với chi phí thấp hơn và độ tin cậy cao hơn./.

TS. PHÙNG QUỐC HUY - TRUNG TÂM NGHIÊN CỨU NĂNG LƯỢNG CHÂU Á - THÁI BÌNH DƯƠNG (APERC)

Tài liệu tham khảo:

1. World Nuclear Association. (2021). “Clean Coal” Technologies, Carbon Capture & Sequestration. WNA Information Library.

2. Reuters. (2023, Sept 14). Carbon capture project back at Texas coal plant after 3-year shutdown.

3. Saskatchewan Power (SaskPower). (2022). Boundary Dam Unit 3 CCS Facility – Celebrating Success and Sharing Lessons Learned. International CCS Knowledge Centre.

4. Global CCS Institute. (2024). Global CCS Status 2024.