Kinh nghiệm quốc tế trong thu hồi, lưu giữ Carbon vào các mỏ dầu khí cũ

Kết quả triển khai chương trình Net Zero năm 2022 trên thế giới và Việt Nam Đến nay, con đường tiến đến đích Net Zero (trung hòa carbon) của nhân loại đã được triển khai nhiều năm. Nhân kết thúc năm 2022, Tạp chí Năng lượng Việt Nam cập nhật kết quả, mục tiêu, cũng như việc triển khai chương trình này trong năm vừa qua ở một số khu vực trên thế giới và Việt Nam.

Tính cấp bách của việc thu giữ, lưu trữ carbon với mục tiêu Net Zero vào năm 2050 Dưới đây là 2 dự án thu giữ và lưu trữ carbon (CCS) của Anh và Mỹ hiện đang thực hiện. Qua hai dự án này, ngoài việc giảm dùng nguyên liệu hóa thạch thì công nghệ CCS là rất quan trọng để đạt mục tiêu trung hòa carbon vào năm 2050. Tổng hợp của chuyên gia Tạp chí Năng lượng Việt Nam.

Đôi nét về CCS trên thế giới hiện nay:

CCS (Carbon Capture and Storage) là quá trình thu hồi và lưu giữ CO2 từ các hoạt động công nghiệp, nếu không được thu hồi, chúng sẽ đi vào khí quyển. CO2 được lưu giữ trong lòng đất, hay các mỏ dầu khí đã hết hạn được xem là giải pháp tối ưu, an toàn và bền vững. Mặc dù các nguồn năng lượng tái tạo đóng vai trò quan trọng trong quá trình chuyển đổi năng lượng của thế giới, CCS vẫn là một trong số ít các công nghệ đã được chứng minh có khả năng giảm đáng kể lượng khí thải trong các lĩnh vực khó khử carbon.

Thu hồi và lưu trữ carbon vào các mỏ dầu khí đã hết tuổi đời khai thác là một hướng đi quan trọng trong việc thực hiện các mục tiêu giảm nhẹ biến đổi khí hậu. Hiện nay, các mỏ dầu khí đã hết hạn khai thác có tiềm năng lớn có thể lưu giữ khí thải CO2, cũng như tăng hiệu quả sử dụng năng lượng.

Hiện tại, các phương án tận dụng các mỏ dầu khí cạn kiệt cho mục tiêu lưu trữ CO2 và thu hồi dầu tăng cường (EOR) - nghĩa là bơm CO2 vào mỏ để tận thu, tăng thêm dầu thu được là những ứng viên tiềm năng trong CCS và CCUS (thu hồi, sử dụng và lưu trữ carbon).

Tính đến năm 2019, có 17 dự án CCS đang hoạt động trên thế giới, thu được 31,5 triệu tấn CO2 mỗi năm, trong đó 3,7 triệu tấn được lưu trữ về địa chất. Hầu hết là từ các nhà máy công nghiệp, không phải nhà máy điện. CCS có thể (khi kết hợp với sinh khối) dẫn đến phát thải âm. Một thử nghiệm năng lượng sinh học với thu hồi và lưu trữ carbon (BECCS) tại một cơ sở đốt gỗ trong nhà máy điện Drax ở Anh bắt đầu vào năm 2019. Theo dự này có thể loại bỏ 1 tấn CO2 mỗi ngày từ bầu không khí.

Tiềm năng lưu trữ CO2 được dự tính trong các mỏ dầu khí đã hết, hoặc trong các thành tạo địa chất sâu, hoặc ở dạng cacbonat khoáng sản trên thế giới rất lớn. Theo số liệu Phòng thí nghiệm công nghệ năng lượng quốc gia Hoa Kỳ (NETL): Chỉ riêng khu vực Bắc Mỹ có đủ khả năng lưu trữ cho lượng CO2 hơn 900 năm với tốc độ sản xuất hiện tại. Tuy nhiên, về an ninh, lưu trữ dưới biển, hoặc dưới lòng đất không chắc chắn, vẫn có nguy cơ CO2 rò rỉ vào khí quyển.

Thực trạng, kinh nghiệm CCS vào các mỏ dầu khí đã hết hạn trên thế giới:

Thu hồi và lưu giữ carbon (CCS) ở châu Âu:

Các địa điểm dùng cho CCS ở EU là các mỏ dầu khí đã cạn kiệt và các địa tầng chứa nước mặn. Thủ tục cấp phép (bao gồm đánh giá hai bước bởi cơ quan có thẩm quyền của các quốc gia thành viên và của Ủy ban châu Âu).

Các sáng kiến ​​về luật pháp và chính sách ở EU liên quan đến CCS trong các mỏ dầu khí đã hết hạn được thực hiện theo Chỉ thị 2009/31/EC về lưu trữ địa chất CO2 (Chỉ thị CCS). Chỉ thị này thiết lập khung pháp lý chung cho việc lưu trữ địa chất an toàn với môi trường của CO2 nhằm hậu thuẫn cho cuộc chiến chống biến đổi khí hậu.

Kể từ năm 2021, EU có thêm Chỉ thị Năng lượng Tái tạo giúp khuyến khích hơn CCUS. Tháng 12 năm 2021, Ủy ban (EC) đã ban hành Thông báo Chu kỳ carbon bền vững để phát triển các giải pháp bền vững để tăng cường khử carbon.

Ngoài ra, EU còn ban hành Kế hoạch Công nghệ Chiến lược Năng lượng (SET) TWG9 và Nghiên cứu và Đổi mới (R&I) cho CCS và CCUS. Đây là kim chỉ nam cho các quốc gia thành viên, các viện nghiên cứu, công ty tập trung vào việc đưa các công nghệ carbon thấp này ra thị trường nhanh hơn và theo cách cạnh tranh về chi phí.

Theo EU có 4 cơ chế chính để lưu giữ CO2 trong các thành tạo địa chất:

1/ Bẫy dạng cấu trúc (Structural trapping).

2/ Bẫy CO2 dư (Residual CO2 trapping).

3/ Bẫy hòa tan (Solubility trapping).

4/ Bẫy khoáng sản (Mineral trapping). Bẫy khoáng sản giúp CO2 hòa tan phản ứng hóa học với sự hình thành đá để tạo ra khoáng chất.

Hai yếu tố địa chất chính có thể được sử dụng để lưu trữ CO2 là các mỏ dầu khí đã cạn kiệt, hay hết hạn khai thác và các tầng chứa nước mặn (các vùng nước ngầm có hàm lượng muối khiến chúng không phù hợp cho mục đích khai thác nước sinh hoạt, hoặc cho nông nghiệp).

Lựa chọn địa điểm là giai đoạn quan trọng trong việc thiết kế một dự án lưu trữ. Cơ quan có thẩm quyền của các quốc gia thành viên có quyền xác định khu vực trên lãnh thổ để lưu trữ CO2. Khi cần thăm dò để tạo ra thông tin cần thiết, giấy phép thăm dò được cấp trên cơ sở không phân biệt đối xử, có giá trị trong hai năm, kèm gia hạn nếu cần.

Phân tích chi tiết về vị trí tiềm năng phải được thực hiện theo các tiêu chí được nêu trong Phụ lục I của Chỉ thị CCS. Bao gồm mô hình hóa hoạt động dự kiến của CO2 sau khi bơm vào lưu giữ. Địa điểm chỉ có thể được sử dụng nếu phân tích này cho thấy điều kiện sử dụng đề xuất là an toàn, không có rủi ro rò rỉ đáng kể và không có khả năng xảy ra tác động đáng kể đến sức khỏe con người, hoặc môi trường.

Phân tích ban đầu của địa điểm được thực hiện bởi nhà điều hành tiềm năng, cơ quan này sau đó nộp tài liệu cho cơ quan có thẩm quyền của quốc gia thành viên trong đơn xin cấp phép. Cơ quan có thẩm quyền xem xét thông tin và nếu thấy đáp ứng điều kiện thì ban hành dự thảo quyết định cấp phép. Để đảm bảo áp dụng thống nhất Chỉ thị CCS trên khắp châu Âu và thúc đẩy niềm tin của công chúng vào việc thu hồi và lưu trữ carbon, các giấy phép dự thảo sẽ được Ủy ban xem xét. Ý kiến của Ủy ban là công khai, nhưng quyết định cho phép cuối cùng vẫn thuộc về cơ quan có thẩm quyền quốc gia thành viên.

EU hỗ trợ tài chính cho các dự án CCS theo cách chi trả một phần thông qua Chương trình mua bán phát thải của EU (ETS) và một phần thông qua tài trợ tư nhân và công cộng.

Hiện tại, ETS không thưởng cho CCU do thiếu bằng chứng và phương pháp. Chi phí của CCS dự kiến sẽ giảm khi có một số nhà máy trình diễn quy mô lớn đi vào hoạt động. Với tín hiệu giảm carbon được củng cố do tham vọng khí hậu vào năm 2030 và 2050 tăng lên, việc áp dụng CCS sẽ trở nên rẻ hơn.

Thu hồi và lưu giữ carbon (CCS) ở Mỹ:

Cơ quan Bảo vệ Môi trường Mỹ (EPA) ban hành các quy định về việc bơm CO2 vào lòng đất như một phần trách nhiệm đối với các chương trình kiểm soát việc bơm vào lòng đất (UIC) theo Đạo luật Nước sinh hoạt An toàn (SDWA). EPA cũng đưa ra hướng dẫn để hỗ trợ việc thực hiện chương trình của tiểu bang và trong một số trường hợp, trực tiếp quản lý các chương trình UIC ở các tiểu bang. Chủ sở hữu, hoặc người điều hành của các cơ sở này phải tuân theo các yêu cầu và tiêu chuẩn theo quy định của bang.

Lưu trữ địa chất được định nghĩa là việc đưa (bơm) CO2 vào một thành tạo dưới bề mặt, nơi nó sẽ được lưu trữ an toàn và vĩnh viễn. Ba loại hình địa chất chính đang được xem xét để lưu giữ CO2 vào trong lòng đất:

1/ Các bể chứa dầu khí cạn kiệt.

2/ Các hồ chứa nước mặn sâu.

3/ Các vỉa than chưa khai thác.

Trong mỗi trường hợp, CO2 ở trạng thái siêu tới hạn sẽ được bơm vào một vật liệu xốp. Khi CO2 được bơm ở độ sâu lớn hơn khoảng nửa dặm (800 mét) trong một hồ chứa điển hình, áp suất giữ CO2 được bơm vào ở trạng thái siêu tới hạn, làm cho CO2 ít có khả năng di chuyển ra khỏi khu vực địa chất. Quá trình này cũng đòi hỏi cấu trúc địa chất phải có đá phủ, hoặc hình thành tương đối không thấm nước, chẳng hạn như đá phiến sét.

Lưu trữ CO2 trong các mỏ dầu khí cạn kiệt hiện đã được chứng minh mang tính kinh tế tại nhiều nơi trên thế giới. Tuy vậy, việc lưu trữ CO2 “tinh khiết” quy mô lớn trong các mỏ cạn kiệt vẫn đang được thử nghiệm.

Tại Mỹ, các mỏ dầu khí cạn kiệt trở thành ứng cử viên lý tưởng cho việc lưu trữ CO2 lâu dài:

Thứ nhất: Bằng chứng đầu tiên về tính toàn vẹn, an toàn là dầu và khí đốt ban đầu tích tụ trong các bẫy (cấu trúc và địa tầng) đã không thoát ra ngoài trong hàng triệu năm.

Thứ hai: Các mỏ dầu khí đã được phân tích kỹ lưỡng về cấu trúc địa chất và các thuộc tính vật lý của chúng.

Thứ ba: Các công ty dầu khí đã tạo ra các mô hình máy tính để dự báo quá trình vận chuyển hydrocacbon, hành vi dịch chuyển và bẫy.

Thứ tư: Một số cơ sở hạ tầng và giếng hiện có có thể được tái sử dụng để lưu trữ CO2.

Ngoài ra, các mỏ dầu khí cũ và cạn kiệt là một trong những mục tiêu phổ biến nhất cho các hoạt động cô lập và lưu trữ carbon bởi:

1/ Chúng có đặc điểm địa chất rộng.

2/ Cơ sở hạ tầng ngầm và trên mặt đất đã được phát triển.

3/ EOR (thu hồi dầu tăng cường) có thể được sử dụng vì CO2 làm giảm độ nhớt của dầu và ứng suất dầu - nước (IFT) trong một số trường hợp, có thể trộn lẫn với nó dẫn đến tăng cường thu hồi CH4 do khả năng hấp thụ ưu tiên của CO2 so với CH4.

Hydrocacbon trong các mỏ cạn kiệt sẽ không bị ảnh hưởng tiêu cực bởi CO2, nên chiến lược lưu trữ CO2 có thể được điều chỉnh để tăng sản lượng dầu, hoặc khí đốt trong các mỏ hydrocacbon vẫn đang sản xuất.

Trong các mỏ dầu khí đã cạn kiệt, khả năng lưu trữ bị giảm đi đáng kể do sự cần thiết phải ngăn chặn áp suất vượt quá làm nứt đá và nguy cơ rò rỉ rất lớn do các giếng bị bỏ hoang gây ra, nên cần lưu tâm tới khía cạnh này và cần tránh bằng mọi giá.

Hai dự án lưu trữ CO2 trong các mỏ dầu khí cạn kiệt ở Mỹ có mỏ dầu Cranfield và SACROC.

Một là CO2 từ bể chứa CO2 tự nhiên được bơm vào mỏ dầu Cranfield, tọa lạc tại phía Tây Nam Mississippi. Dự án này giúp tăng cường thu hồi dầu. Mặc dù vẫn đang trong quá trình phát triển, một số thông số đã được thiết lập tại Cranfield đều đảm bảo, đặc biệt là áp suất.

Hai là mỏ SACROC ở phía Tây Texas. Từ năm 1972, mỏ này trở thành một trong những địa điểm CO2-EOR liên tục lâu đời nhất trên thế giới và cũng là dự án có lượng CO2 được bơm vào nhiều nhất cho đến nay (khoảng 100 tấn được lưu trữ trong 255 tấn được đưa vào và tái chế vào năm 2013). Giám sát nước ngầm được sử dụng rộng rãi để đảm bảo ngăn chặn tại SACROC và cho thấy không có sự khác biệt về địa hóa giữa nước ngầm bên trong và bên ngoài khu vực, hoặc so với các bộ dữ liệu lịch sử, giữa trước và sau khi bơm CO2, cho thấy các tầng chứa nước nông không bị ảnh hưởng bởi CO2 được bơm vào.

Tại Việt Nam, Tập đoàn Dầu khí Việt Nam (PVN) đã có những nghiên cứu về cấu tạo địa chất tại các mỏ dầu để xác định tiềm năng lưu trữ carbon (CCS), hoặc lưu trữ và sử dụng carbon (CCUS). Tập đoàn đã xây dựng lộ trình CCUS, cũng như chuẩn bị một dự án thí điểm. Đồng thời hợp tác với các cơ quan quốc tế có kinh nghiệm trong lĩnh vực này như JOGMEC của Nhật Bản.

Thu hồi carbon nằm trong chiến lược chuyển dịch năng lượng của PVN trong tương lai tới./.

KHẮC NAM - CHUYÊN GIA TẠP CHÍ NĂNG LƯỢNG VIỆT NAM

(THEO: SFG/REC//SDC- 12/2022)

Tham khảo Link:

1. https://sgp.fas.org/crs/misc/R44902.pdf

2. https://climate.ec.europa.eu/eu-action/carbon-capture-use-and-storage_en

3. CO2 storage in depleted or depleting oil and gas fields: What can we

learn from existing projects?

4. reader.elsevier.com/reader/sd/pii/S1876610217319082?token=A14B2F6B195257DC1D5EC0517BDF6FA93168E7D93FFBC403451EACF27EAE8CD7B4A7206D8B4331CB80153D8EED26EFFD&originRegion=us-east-1&originCreation=20221208033319

5. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1750583614003144