Giải pháp công nghệ thu giữ và lưu trữ Carbon dioxide

Thuế carbon: Giải pháp hữu hiệu nhất giảm phát thải khí nhà kính

Thu giữ và lưu trữ carbon (carbon capture and storage - CCS) là một trong số ít các công nghệ có thể loại trừ hoàn toàn carbon dioxit (CO₂) từ các nhà máy nhiệt điện than, khí đốt và là công nghệ duy nhất có khả năng giảm phát thải khí nhà kính (GHG) quy mô lớn từ nhiều ngành công nghiệp.

CCS cũng có khả năng duy nhất được trang bị thêm cho nhiều tổ hợp công nghiệp hiện có để cho chúng hoạt động sạch trong suốt quá trình vận hành. Hội đồng Liên Chính phủ về Biến đổi khí hậu (IPCC) và Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IEA) đều đã chứng minh vai trò quan trọng của CCS trong việc đáp ứng các mục tiêu giảm phát thải toàn cầu.

Thu giữ (Capture) CO₂

Thu giữ CO₂ không phải là công nghệ mới, mà trên thực tế, nó đã được thực hiện trong ngành hóa chất từ những năm 1940. Thực chất của quá trình này là tách CO₂ ra khỏi các thành phần khác (chủ yếu là khí nitơ, một số loại khí và hạt khác) trong toàn bộ lượng khí thải từ một nguồn phát thải cụ thể.

Công nghệ thu giữ CO₂ bao gồm ba loại chính: Thu giữ sau đốt nhiên liệu, thu giữ trước đốt nhiên liệu, và thu giữ khi đốt nhiên liệu bằng oxy.

Công nghệ thu giữ CO₂ sau khi nhiên liệu được đốt cháy là giải pháp được sử dụng nhiều nhất:

Khí thải được chạy qua một dung môi hóa học để quện lấy CO₂. Khí thải còn lại (không có CO₂) được thải vào khí quyển, trong khi CO₂ được tách ra khỏi dung môi trong một thiết bị tách, để trở thành dòng CO₂ tinh khiết có thể lưu trữ được.

Một trong những lợi thế của giải pháp thu giữ CO₂ sau khi đốt nhiên liệu là nó có thể được trang bị tương đối dễ dàng trên các nguồn phát thải hiện có, và nó hoạt động trên bất kỳ loại nguồn ổn định lớn nào, bao gồm cả khí thải công nghiệp.

Với các dung môi và công nghệ hiện tại, các thiết bị thu giữ CO₂ sau đốt có thể loại bỏ hơn 90 phần trăm CO₂ khỏi khí thải.

Thu giữ CO₂ trước khi đốt nhiên liệu là một quá trình trong đó carbon được loại bỏ khỏi nhiên liệu trước khi nó được đốt cháy. Nhiên liệu hóa thạch là hydrocarbon - một hợp chất của hydro và carbon. Sử dụng một giải pháp quen thuộc đã biết từ việc sản xuất hydro, phân bón, hydrocarbon được tách thành CO₂ và hydro.

CO₂ được loại ra để lưu trữ, còn hydro thì được sử dụng làm nhiên liệu mà khi cháy không phát ra CO₂. Công nghệ phân tách hydrocarbon đã tồn tại gần một thế kỷ, nhưng việc sử dụng hydro làm nhiên liệu cho các nhà máy điện là một ý tưởng tương đối mới, đòi hỏi một số nghiên cứu phát triển tiếp theo để sẵn sàng sử dụng toàn diện.

Công nghệ này có thể mang lại tỷ lệ thu giữ CO₂ cao hơn so với công nghệ thu giữ sau đốt. Nó cũng rất phù hợp với các nhà máy nhiệt điện than thế hệ mới nhất, sử dụng quy trình tương tự để biến than thành khí trước khi đốt (Integrated Gasification Combined Cycle - IGCC). Tuy nhiên, công nghệ này thường chỉ áp dụng trong thực tế đối với các nhà máy điện mới, vì việc lắp đặt nó vào các nhà máy điện hiện có sẽ đòi hỏi phải bổ sung, cải tiến công nghệ của các nhà máy này với khối lượng thiết bị và chi phí đáng kể.

Đốt nhiên liệu bằng oxy tinh khiết (Oxyfuel) là cách tiếp cận chính thứ ba để thu giữ CO₂. Thay vì sử dụng không khí chỉ chứa khoảng 20% oxy để đốt cháy nhiên liệu trong các nhà máy nhiệt điện bình thường, nếu oxy tinh khiết được sử dụng để đốt cháy hydrocarbon thì khí thải sẽ chỉ bao gồm hơi nước và CO₂. Hơi nước dễ dàng ngưng tụ thành nước, để lại một luồng CO₂ tinh khiết để lưu trữ.

Tỷ lệ thu giữ CO₂ bằng oxyfuel rất cao, tới gần 100%. Tuy nhiên, các tạp chất trong nhiên liệu có thể yêu cầu phải thanh lọc bổ sung dòng CO₂ được thu giữ. Do đó giải pháp Oxyfuel sẽ ít phù hợp với loại nhiên liệu chất lượng thấp, như than non (lignite).

Vận chuyển CO₂

Sau khi tách ra khỏi các yếu thành phần khác trong khí thải (khí thoát ra qua ống khói) CO₂ được nén, hoặc hóa lỏng (CO₂ lỏng chiếm ít không gian hơn so với khí hóa lỏng) để giúp vận chuyển dễ dàng hơn. Ngày nay, CO₂ thường được vận chuyển bằng đường ống (CO₂ transported by pipeline), với những khoảng cách xa thì sử dụng tàu thủy tương tự như vận chuyển dầu, khí hóa lỏng, còn với khối lượng CO₂ không lớn thì trở bằng xe ô tô tải, tàu hỏa. Trong trường hợp vận chuyển CO₂ bằng đường ống, nhiều nước đã sử dụng lại các đường ống hiện có cho các mục đích khác (chẳng hạn như các đường ống dẫn dầu, khí), nhưng nay đã không dùng đến nữa.

Việc vận chuyển CO₂ đã được thực hiện trong hơn 40 năm nay với 7.762 km đường ống hoạt động trên khắp thế giới.

Lưu trữ (Storage) CO_{2 (}còn được gọi là cô lập CO₂₎ liên quan đến việc nén CO₂ và sau đó vận chuyển nó bằng đường ống (hoặc có thể vận chuyển bằng các phương tiện vận tải nếu nơi lưu trữ ở xa) đến một vị trí phù hợp, nơi CO₂ có thể được lưu trữ vĩnh viễn.

Có nhiều vị trí lưu trữ CO₂ khác nhau dưới lòng đất với độ sâu đến 2 km (xem hình minh họa): Tầng sâu ngậm nước mặn (1. Deep-saline aquifers), các bể dầu, khí đã khai thác kiệt (2. Depleted oil and gas reservoirs), các lớp nền muối hoặc hang động (3. Salt beds or cavems), các lớp than không thể khai thác (4. Unmineable coal bets).

Có nhiều vị trí lưu trữ CO₂ khác nhau dưới lòng đất với độ sâu đến 2 km.

Tại Anh, CO₂ dự kiến sẽ được lưu trữ dưới đáy Biển Bắc. Các vị trí lưu trữ thích hợp bao gồm các mỏ dầu và khí cạn kiệt và các tầng mặn sâu (đá xốp chứa đầy nước rất mặn).

CO₂ cũng có thể được sử dụng để tăng cường thu hồi dầu khí (Enhanced Oil Recovery - EOR) khi nó được bơm xuống các mỏ dầu khí đã được khai thác gần cạn kiệt để tăng sản lượng. Khối lượng dầu khí được thu hồi thông qua giải pháp này sẽ có giá trị kinh tế, có thể giúp bù đắp một số chi phí cho việc lưu trữ CO₂./.

TS. NGUYỄN MẠNH HIẾN - TẠP CHÍ NĂNG LƯỢNG VIỆT NAM