Kiến nghị thử nghiệm công nghệ khí hóa than ngầm tại Hưng Yên, Thái Bình

1. Tổng quan chung

Loài người hiện đang tồn tại và phát triển trong "Nền văn minh số 0" (phụ thuộc vào thiên nhiên và khai thác thiên nhiên). Theo đánh giá chung của nhiều học giả, sau năm 2100 loài người sẽ bước vào "Nền văn minh số 1" (chinh phục thiên nhiên).

Trong nền "Văn minh số 0", loài người hiện đang trong giai đoạn phát triển sau cuộc Cách mạng Khoa học lần thứ hai (CMKH 2.0). Cuộc CMKH 1.0 là cuộc cách mạng trong nhận thức của con người về vật chất. Cuộc CMKH 2.0 là cuộc cách mạng trong nhận thức của con người về vũ trụ.

Trong CMKH 2.0, loài người đang bước sang cuộc Cách mạng kỹ thuật/công nghệ/công nghiệp lần thứ tư (CMKT, CMCN 4.0).

Trong CMCN 4.0, lĩnh vực khai khoáng- khai thác/chế biến tài nguyên khoáng sản (TNKS), trong đó có than trên thế giới cũng đang ở trong giai đoạn phát triển 4.0.

2. Về công nghệ khai thác than

Tương ứng với các cuộc CMKT, đến nay công nghệ khai thác/chế biến than hay TNKS cũng bước sang thế hệ 4.0.

Công nghệ 1.0 - khai thác thủ công: đào/bới và thu gom bằng sức người những TNKS có sẵn trên mặt đất bằng phương pháp mỏ lộ thiên (Open Pit- OP).

Công nghệ 2.0 - cơ giới hóa và tự động hóa: dựa trên các qui trình vật lý kết hợp với tin học trong khai thác và chế biến. Công nghệ này cho phép loài người tiệm cận được ngày càng nhiều hơn tới các các nguồn TNKS có ích, nằm sâu dưới lòng đất, chủ yếu bằng phương pháp khai thác lộ thiên (OP) đến độ sâu -500m và hầm lò (Underground Mining- UM) đến độ sâu -1000m (so với mực nước biển).

Công nghệ 3.0 - hóa học hóa: dựa trên các qui trình hóa học trong khai thác và chế biến TNKS bằng phương pháp hầm lò (UM) và phương pháp khí hóa than ngầm dưới lòng đất (Underground Coal Gasification- UCG).

Công nghệ 4.0 - sinh học hóa: dựa trên các qui trình sinh học để khai thác và chế biến TNKS bằng công nghệ khí hóa than ngầm bằng vi sinh (Underground Coal Bio-Gasification- UCBG).

Các công nghệ UCG và UCBG cho phép khai thác than ở độ sâu dưới 1000-1200m so với mực nước biển và trong các điều kiện không thể khai thác có hiệu quả bằng các công nghệ OP và UM.

3. So sánh hai công nghệ khai thác than Đồng bằng Sông Hồng

Hai phương án công nghệ có thể và cần thử nghiệm cho bể than Đồng bằng Sông Hồng (ĐBSH) là UCG và UCBG có những điểm giống và khác nhau như sau:

4. Phương án thử nghiệm công nghệ UCBG

4.1.Cơ sở khoa học:

Công nghệ khí hóa than ngầm bằng phương pháp sinh học (UCBG) được Bộ Quốc phòng Mỹ triển khai thành công nhờ dựa trên hai thành tựu khoa học quan trọng gần đây (cuối thế kỷ 20/đầu thế kỷ 21) của loài người là:

1/ Công trình lỗ khoan sâu vào trong lòng đất và kính hiển vi điện tử: trong các mẫu khoan thu được ở độ sâu hơn 4500m, bằng các kính hiển vi điện tử cực mạnh (độ phóng đại cực cao) người ta đã phát hiện ra các vi sinh vật "ký sinh" cùng với than đá.

2/ Công trình khoa học về giải mã gen (kết quả của dự án Human Genome được chính phủ Mỹ triển khai từ năm 1990) với sự tham gia của nhà sinh vật học nổi tiếng người Mỹ Kreig Venter (giải thưởng Nebel) đã cho phép rút ngắn đến mức độ kỷ lục thời gian giải mã gen. Kreig Venter là người đã tạo ra các vi sinh vật có khả năng chuyển hóa than thành khí, và cũng là người đề xuất công nghệ khí hóa than dưới lòng đất bằng vi sinh vật. Những ý tưởng của ông đang dần trở thành hiện thực và chính các vi sinh vật do ông tìm ra và nuôi cấy được sẽ cứu cả loài người khỏi cuộc khủng hoảng năng lượng và giúp loài người giải quyết triệt để vấn đề "nhà kính".

4.2. Lựa chọn đối tác chuyển giao công nghệ:

UCBG là một trong những công trình nghiên cứu khoa học do Bộ Quốc phòng Mỹ chủ trì đặt hàng (khởi xướng/tài trợ ban đầu). Việt Nam có thể hợp tác trực tiếp với các đối tác Mỹ.

4.3. Nội dung thử nghiệm:

Việc nghiên cứu và phát triển công nghệ sử dụng vi sinh vật được tiến hành với 6 nội dung chính như sau:

1/ Khoan 1 lỗ khoan thăm dò tới 1 vỉa than để thu được mẫu than phù hợp.

2/ Phân tích mẫu than dưới kính hiển vi điện tử cực mạnh để thu và cách ly được loại vi sinh vật phù hợp và có tính năng (sinh sản và ăn) cao nhất tồn tại trong mẫu than của ĐBSH.

3/ Tiến hành giải mã gen của vi sinh vật đó để xác định gen "sinh sản mạnh" và gen "ăn nhanh".

4/ Xác định các dưỡng chất để nuôi các vi sinh vật đó để thử nghiệm trong phòng thí nghiệm với than đã được nghiền mịn, và với than chưa nghiền để so sánh kết quả.

5/ Thử nghiệm ngoài thực địa (ex-situ pilot) và thử trong vỉa than (in-situ pilot) để đưa các vi sinh vật cùng dưỡng chất vào trong vỉa than.

6/ Khoan lỗ khoan "khai thác" tới vỉa than để thu hồi khí CH4 ở qui mô lớn.

Trong 6 nội dung trên, phía ĐB có thể thực hiện 3 bước (1/, 5/, và 6/). Các đối tác Mỹ kết hợp với các đối tác Việt Nam (Tổng công ty Đông Bắc và/hoặc Trường Đại học Bách khoa Hà Nội và/hoặc Viện hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam) thực hiện 3 bước (2/, 3/, và 4/).

4.4. Qui trình công nghệ UCBG:

Qui trình của công nghệ UCGB gồm 6 bước:

1/ Đưa từ mặt đất qua các lỗ khoan vào vỉa than dung dịch nước gồm các vi sinh vật và dưỡng chất (microbes & nutrients).

2/ Các vi sinh vật và dưỡng chất xâm nhập vào vỉa than.

3/ Các vi sinh vật tạo ra màng vi sinh (biofilm) trên than và chuyển hóa cabon thành dạng lỏng (acetats).

4/ Các vi sinh vật trong nước chuyển hóa các acetats dạng lỏng thành khí vi sinh (biogas).

5/ Đưa khí vi sinh và nước lên mặt đất.

6/ Thu khí để sử dụng và tách nước để đưa tuần hoàn trở lại vào trong vỉa than.

Sơ đồ công nghệ khí hóa than ngầm bằng vi sinh vật

5. Đánh giá tính khả thi

5.1. Tính khả thi về mặt kỹ thuật

5.1.1. Ở Việt Nam:

Hiện nay, trong khuôn khổ của Chương trình KHCN cấp nhà nước, Trung tâm Sinh học của trường Đại học Bách khoa Hà Nội đang kết hợp với một số nhà khoa học Mỹ nghiên cứu lý thuyết liên quan đến công nghệ UCBG.

5.1.2. Trên thế giới:

Đến nay đã có nhiều tập đoàn lớn đang đầu tư vào công nghệ khí hóa than ngầm dưới lòng đất bằng phương pháp vi sinh (UCBG) gồm: ConocoPhillip, BP, Sell, GE, KPCB, BRANEMAR, RHO, vv...

Trên thế giới đã hình thành và hoạt động nhiều công ty chuyên nghiên cứu và phát triển công nghệ UCBG ở các mức độ khác nhau. Các công ty đã thành công trong việc thử nghiệm công nghệ UCBG gồm: Luca Technologies (thành lập 2003, vốn hóa trên thị trường 335 triệu U$); Ciris Energy (thành lập 2007, vốn hóa trên thị trường 160 triệu U$); Next Fuels Inc. (hoạt động từ 2009, vốn hóa trên thị trường 36 triệu U$); MicGAS (thuộc Arctech Inc.).

Công ty Arctech Inc. (có một công ty R&D con là MicGAS đã nghiên cứu công nghệ khí vi sinh hơn 25 năm) là đơn vị có thâm niên trong lĩnh vực công nghệ sinh học chuyển hóa than thành các sản phẩm có giá trị gia tăng cao.

MicGAS đã sử dụng 2 tập hợp (họ) vi sinh vật bền vững được đặt tên là Mic1 và Mic2 chuyển hóa nhanh than thành CH4 ở qui mô lớn. Ban đầu, MicGAS đã sử dụng Mic1 để chuyển hóa than thành các acetate dạng lỏng (có thể làm phân bón), và sau đó sử dụng Mic2 để chuyển hóa tiếp các acetat thành CH4 và CO2. Một dự án thử nghiệm qui trình công nghệ này do MicGAS kết hợp với Tổng công ty than quốc gia của Thổ Nhĩ Kỳ đã được hoàn thành trong năm 2011-2012. Hàng loạt các thử nghiệm khác sử dụng vi sinh vật trong phòng thí nghiệm đã được MicGAS triển khai thành công với nhiều loại than khác nhau (của Mỹ, Thổ Nhĩ Kỳ, Indonesia, Australia).

Hiện nay MicGAS đang tiếp tục cộng tác với Tổng cục địa chất Mỹ để đưa công nghệ ra thực địa ở qui mô thương mại.

Công ty Next Fuels của Mỹ (hoạt động từ 2009) đang tích cực xây dựng các công nghệ cho phép thu khí trực tiếp từ than nhờ các loại vi khuẩn ngay cả từ các mỏ than chưa hề có khí CH4. Mỗi một loại than cần có một công nghệ (hay loại vi khuẩn) riêng biệt.

Đầu tiên, cần xác định cụ thể loại vi khuẩn nào đang sống trong mỏ than cụ thể đó? Chúng tồn tại nhờ cái gì? Chúng đang "ăn" gì? Loại vật chất nào cần để nuôi chúng phát triển nhanh? Để chúng tạo ra nhiều CH4? Và để chúng có thể "cạnh tranh" áp đảo được với các loại vi khuẩn khác?

Theo chuyên gia Bob Cavnar của Next Fuel, vai trò quan trọng trong các nghiên cứu nói trên là các công nghệ sequentum (xác định các trình tự ban đầu của các nuclein của phân tử axít nuclein) theo phương pháp của F. Sanger và công nghệ xác định trình tự của chuỗi gien (ADN). Chúng cho phép các nhà khoa học khi nhận được mẫu than có thể xác định nhanh chóng thành phần vi khuẩn tồn tại trong mẫu, xác định loại vật chất quan trọng nhất để nuôi chúng và tìm ra được các biến thể gien cụ thể cho từng loại than.

Hiện nay Next Fuel đang thành công trong việc sử dụng vi sinh vật để nâng cao hệ số thu hồi CH4 từ các mỏ than đang hoạt động rất có hiệu quả ở Mỹ. Mặc dù giá khí thiên nhiên ở Mỹ tương đối thấp, nhưng khí CH4 thu được bằng công nghệ này cũng cạnh tranh được. Việc áp dụng công nghệ này cho các mỏ than mới nguyên (chưa khai thác, tương tự như bể than ĐBSH) đang được nghiên cứu hoàn thiện. Kết quả ban đầu rất khả quan: nếu trên thực tế, việc biến than thành khí bằng các vi sinh vật chỉ cần đạt được 30% mức thu được trong phòng thí nghiệm thì thị trường năng lượng thế giới sẽ có biến động sâu sắc theo hướng có lợi hơn cho người tiêu dùng.

Công ty Luca Technologies thành lập năm 2003 ở bang Kolorado (Mỹ) cũng chuyên nghiên cứu các công nghệ sạch để thu hồi các khoáng vật mang năng lượng. Luca Technologies đã xây dựng qui trình khai thác và thu hồi khí CH4 từ các vỉa than qua các lỗ khoan đã bị bỏ đi bằng cách đưa vào nước của tầng chứa than những vi sinh vật cùng với thức ăn của chúng. Công ty đã mua lại 1350 lỗ khoan như vậy để thử nghiệm công nghiệp. Công nghệ này giống như qui trình bón phân cho thảm cỏ. Các vi khuẩn sẽ "tiêu hóa" các vỉa than ngầm và tạo ra CH4. Vi sinh vật càng "ăn" nhiều than, càng tạo ra nhiều CH4. Để tăng khả năng sinh khí của vi sinh vật, công ty đã dẫn nước từ các lỗ khoan đang còn tồn tại và cấp cho chúng các thức ăn đặc biệt.

Theo đánh giá của Luca Technologies, việc áp dụng thành công qui trình này cho các lỗ khoan đã được khai thác hết tại bể than sông Powder (nằm trên các bang Wyoming và Montana) cũng đủ đáp ứng nhu cầu hàng năm về khí của cả nước Mỹ.

Ngoài ra, công nghệ này rất an toàn và sạch về sinh thái vì các vi sinh vật, dưỡng chất của chúng và khoáng vật chính là một phần của môi trường xung quanh chúng ta.

5.2. Tính khả thi về mặt kinh tế:

Về hiệu quả kinh tế sơ bộ theo số liệu công bố của MicGAS:

Thứ nhất: Chi phí đầu tư: hiện MicGAS dự tính cho việc triển khai công nghệ này trên cơ sở tận dụng các lỗ khoan có sẵn tại các khoáng sàng than đã áp dụng CBM với chi phí đầu tư dự tính như sau:

- Dự án thử nghiệm (5 lỗ khoan): đầu tư 0,6 triệu U$ + vận hành 1,4 triệu U$/năm.

- Dự án thương mại (150 lỗ khoan): đầu tư 22,5 triệu U$ + vận hành 18 triệu U$/năm.

Thứ hai: Chi phí sản xuất khí bằng công nghệ khí hóa than ngầm dưới lòng đất theo phương pháp vi sinh khoảng 1,6 U$/GJ. Trong đó, bao gồm các khoản mục:

(1) Vi sinh vật và dưỡng chất (microbes & nutrients): 0,82 (51%).

(2) Các lỗ khoan (well implementtion): 0,25 (16%).

(3) Tư vấn và nhân công (enginnering & staff): 0,25 (16%).

(4) Bộ dụng cụ thiết bị (batching facility): 0,15 (9%).

(5) Quản lý (overheads): 0,11 (7%).

Thứ ba: Giá thành khí và giá thành điện (với giả định qui mô thử nghiệm là 5MWe và tỷ lệ hoàn vốn - IRR của dự án là 20%/năm) sẽ như sau:

(1) Dự án thử nghiệm trên mặt đất: giá thành khí 15U$/triệu BTU; giá thành điện năng 21 cents/kWh.

(2) Dự án thử nghiệm trong vỉa: giá thành khí: 3U$/triệu BTU; giá thành điện 7 cents/kWh.

6. Triển vọng phát triển trong tương lai

6.1. Trên thế giới:

Các công nghệ đốt than đã và đang được hoàn thiện, cho phép kết hợp có hiệu quả với việc khai thác than ĐBSH để phát điện với hiệu suất cao như:

Thứ nhất: Công nghệ đốt than bằng lò hơi siêu tới hạn (Ultra Super Critical Steam).

Thứ hai: Công nghệ đốt than bằng lò tầng sôi: CFBC (Circulating Fluidized-bed Combustion); ICFBC (Internal Circulating Fluidized-bed Combustion); PICFBC (Pressurized Internal Circulating Fluidized-bed Combustion); PFBC (Pressurized Fluidized-bed Combustion); APFBC (Advanced Pressurized Fluidized-bed Combustion).

Thứ ba: Công nghệ đốt than không hoàn toàn CPC (Coal Partial Combustor).

Thứ tư: Quy trình hóa than HYCOL (Hydrogen-from-Coal Process).

Thứ năm: Công nghệ phát điện tích hợp IGCC (Integrated Coal Gasification Combined Cycle).

Thứ sáu: Công nghệ khí hóa than đa mục tiêu EAGLE (Mutil-purpose Coal Gasification).

Thứ bảy: Chu trình tích hợp khí hóa than trên mặt đất kết hợp phát điện IGFC (Integrated Coal Gasification Fuel Cell Combined Cycle).

Thứ tám: Quy trình tích hợp hiệu suất cao giữa khí hóa than với phát điện A-IGCC/A-IGFC (High-efficiency Integrated Coal Gasification Electric Power Generating Process).

Thứ chín: Công nghệ đốt than hiệu suất cao Hyper-coal (Hyper-coal-based High-efficiency Combustion) v.v...

6.2. Ở Việt Nam:

Hiện nay, tại Thái Bình đã đưa vào sản xuất dự án sản xuất amonitrat (300.000 tấn/năm), và đang xây dựng 2 dự án nhiệt điện (1.800MW). Đây là các hộ có khả năng sử dụng hiệu quả sản phẩm khí thiên nhiên của công nghệ UCBG.

Đặc biệt, dự án Nitrat Amoni hiện đang phải nhập khẩu ammoniac với giá (CFR) 500-600U$/tấn. Trong tương lai, ammoniac có thể được sản xuất từ khí thiên nhiên tại chỗ với giá thành 300-350U$/tấn.

7. Kiến nghị

1/ Chính phủ đã có nhiều văn bản giao cho TKV thử nghiệm công nghệ UCG tại Hưng Yên (sau chuyển sang Thái Bình). Gần đây nhất, tại văn bản số 46/TTg-CN ngày 16/01/2017 về việc cung cấp than cho sản xuất điện nhiệm vụ này đã được Thủ tướng Chính phủ "Giao Bộ Công Thương phối hợp với Bộ TNMT, TKV và các cơ quan liên quan, nghiên cứu, tính toán tiềm năng các nguồn than khác đang được nghiên cứu thăm dò khai thác (trong đó có nghiên cứu Bể than Sông Hồng) để có các phương án, giải pháp đảm bảo than đáp ứng nhu cầu phát triển trong tương lai" (hết trích dẫn). Vì vậy, đề nghị Bộ Công Thương yêu cầu TKV sớm tiến hành thử nghiệm công nghệ UCG tại Thái Bình.

2/ Đồng thời với việc đã giao TKV thử nghiệm công nghệ UCG, Chính phủ nên tiếp tục giao Tổng công ty Đông Bắc (kết hợp với trường Đại học Bách khoa Hà Nội) triển khai thử nghiệm công nghệ UCBG tại khu mỏ Tiền Hải với diện tích khoảng 15km2 bao gồm các xã: Tây Sơn, Tây Ninh, Tây Giang, Tây Tiến, Nam Cường, Đông Lâm, Đông Cơ (nằm ở trung tâm khu mỏ), Đông Phong thuộc huyện Tiền Hải. Theo hệ toạ độ VN2000, kinh tuyến trục 105 độ 00’00’’, múi chiếu 6 độ toạ độ các điểm dự kiến của khu mỏ như sau:

TH1: X=657263 Y=2256996

TH2: X=659632 Y=2258836

TH3: X=662699 Y=2254887

TH4: X=660330 Y=2253047

Hiện tại trong và lân cận khu mỏ này có các lỗ khoan LK65, LK71, GK69, LK63, LK67 do Đoàn 36 - Tổng cục Địa chất thi công và lỗ khoan 01KT-TB-08 do Nhà thầu Arrow thi công năm 2008-2009. Theo tài liệu thu thập của Cục Địa chất và Khoáng sản và của PVN, đến độ sâu -1000m các lỗ khoan trên bắt gặp nhiều vỉa than >2m. Khu này gần các dự án nhiệt điện của EVN, PVN và dự án nitrat amoni của TKV. Và rất phù hợp để thử nghiệm công nghệ UCGB.

TS. NGUYỄN THÀNH SƠN - HỘI ĐỒNG PHẢN BIỆN TẠP CHÍ NĂNG LƯỢNG VIỆT NAM