Tính cấp bách của việc thu giữ, lưu trữ carbon với mục tiêu Net Zero vào năm 2050

Tổng quan công nghệ thu giữ, lưu trữ CO2 và những rào cản triển khai Theo dự báo, đến năm 2030, sản lượng năng lượng sơ cấp từ than đạt 3.976 triệu tấn dầu quy đổi (TOE) và lượng khí thải CO2 là 38.749 triệu tấn CO2 mỗi năm. Vì vậy, việc thu hồi và lưu giữ carbon (CCS) được xem là một trong các biện pháp quan trọng để giảm phát thải khí nhà kính. Tuy nhiên, ngoài một số thuận lợi, còn có nhiều rào cản khiến công nghệ thu giữ CO2 vẫn chưa được áp dụng rộng rãi trên quy mô toàn cầu. Tổng hợp của chuyên gia Tạp chí Năng lượng Việt Nam.

Nghiên cứu phát triển công nghệ lưu giữ, sử dụng carbon ở Việt Nam Phó Thủ tướng Chính phủ Lê Văn Thành vừa ký Quyết định số 888/QĐ-TTg ngày 25/7/2022 phê duyệt Đề án về những nhiệm vụ, giải pháp triển khai kết quả Hội nghị lần thứ 26 các bên tham gia Công ước khung của Liên hợp quốc về biến đổi khí hậu. Trong đó, yêu cầu, cũng với phát triển các dự án năng lượng tái tạo, cần nghiên cứu phát triển, sử dụng nhiên liệu amonia xanh, hydro xanh; lưu trữ năng lượng, phát triển công nghệ thu hồi, lưu giữ và sử dụng carbon.

Sự cấp bách của CCS với mục tiêu Net Zero:

CCS (Carbon Capture Storage), có nghĩa thu giữ và lưu trữ carbon, hoặc thu hồi và cô lập carbon. Theo Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IEA), giới chuyên gia quốc tế đều thống nhất CCS là một giải pháp trung và dài hạn vô cùng quan trọng để giảm lượng phát thải ròng khí nhà kính xuống bằng 0 ròng trước năm 2100.

Theo ước tính, CCS có thể đóng góp tới 15% vào việc giảm lượng khí thải CO2 từ nhiên liệu hóa thạch toàn cầu vào năm 2060. Điều này sẽ khiến nó trở thành động lực hiệu quả thứ ba, sau hiệu suất năng lượng (40%) và sự phát triển của năng lượng tái tạo (35%). Do đó, thách thức trong những thập kỷ tới là xây dựng một ngành công nghiệp hùng mạnh với quy mô tương đương với ngành dầu khí ngày nay.

Trong báo cáo mới nhất về con đường dẫn đến phát thải ròng 0 vào năm 2050, IEA ước tính khối lượng khí thải được xử lý hàng năm cần tăng lên 7,6 tỷ tấn vào năm 2050, so với 40 triệu tấn năm 2020, tương đương tăng công suất lên gần 200 lần. Cũng theo IEA, 95% lượng CO2 bị thu giữ này nên được chôn dưới lòng đất, 5% còn lại được sử dụng để sản xuất nhiên liệu sinh học hay cho các mục đích khác.

Các hệ thống CCS đang phát triển mạnh mẽ hơn bao giờ hết, từ 73 triệu tấn/năm (Mtpa) vào cuối năm 2020, đã tăng lên 111 Mtpa vào tháng 9/2021, tăng 48%. Bất chấp sự tăng trưởng chưa từng có trong số dự án CCS dự kiến, vẫn còn một khoảng cách về những gì cần thiết để giảm lượng khí thải do con người gây ra trên toàn cầu xuống còn 0.

CCS thu giữ lượng khí thải CO2 và cô lập chúng một cách an toàn dưới lòng đất. Một công nghệ đa năng và đã được chứng minh, có thể được áp dụng cho nhiều nguồn phát thải khác nhau, bao gồm các ngành công nghiệp khó giảm thiểu như sản xuất thép, xi măng, cho đến các quy trình hóa học và năng lượng. Ngoài việc thu giữ khí thải từ các nguồn điểm, sự sẵn có của CCS cũng là yếu tố cơ bản để sử dụng CO2 quy mô lớn như công nghệ như BECCS và Direct Air Capture để sản xuất hydro sạch có chi phí thấp nhất.

Các chính phủ trên thế giới ngày càng ủng hộ CCS và ban hành chính sách để cho phép triển khai. Tại Mỹ, ưu đãi tín dụng thuế số 45Q sửa đổi đã được áp dụng, phần thưởng cho việc lưu trữ khí CO2 trong lòng đất. Một số dự luật phác thảo những cải tiến cho điều này hiện đang được xem xét.

Phòng thí nghiệm công nghệ năng lượng quốc gia (NETL) cho biết: Bắc Mỹ có đủ khả năng lưu trữ lượng CO2 hơn 900 năm với tốc độ sản xuất hiện tại. Còn ở EU, nhóm dự án CCS đầu tiên được hỗ trợ thông qua Quỹ đổi mới. Tại Anh, cuối năm 2021, Chính phủ đã công bố hai cụm dự án ban đầu sẽ nhận được tài trợ và đi vào hoạt động vào giữa những năm 2020, dự án Acorn Project được đề cập dưới đây nằm trong cụm dự án này.

Hai dự án thu giữ và chôn carbon của Anh và Mỹ:

1/ Dự án Acorn Project (Anh):

Acorn Project hay Acorn CCS là dự án được thiết kế để thu hồi 300 ngàn tấn CO2/năm từ các nguồn phát thải công nghiệp hiện có tại khu liên hợp ga St Fergus ở Đông Bắc Scotland. Khí carbon dioxide (CO2) thu gom sẽ được được xử lý điều hòa, nén, sau đó được vận chuyển ra ngoài khơi để chôn tại tại “nghĩa địa” CO2 Acorn thông qua đường ống Goldeneye dài 102 km hiện có. Acorn CCS do Tập đoàn Pale Blue Dot Energy (PBDE) cùng các đối tác thực hiện.

Đây là dự án chi phí và rủi ro thấp, được thiết kế để xây dựng nhanh chóng, tận dụng cơ sở hạ tầng dầu khí hiện có với địa điểm lưu trữ CO2 ngoài khơi nên an toàn cho người và môi trường. Dự án nằm ở phía Đông Bắc Scotland, tại Trạm khí đốt St Fergus - một khu công nghiệp đang hoạt động, nơi khoảng 35% tổng lượng khí đốt tự nhiên được sử dụng ở Vương quốc Anh được đưa vào bờ. Theo nghiên cứu khả thi, Acorn CCS sẽ đạt hiệu quả kinh tế vào giữa những năm 2020. Ban đầu nó sẽ lưu trữ 300 ngàn tấn CO2/năm thải ra tại khu phức hợp trạm khí đốt St. Fergus và sau đó nâng công suất để chôn tiếp CO2 từ Scotland và các nơi khác ở Anh và Biển Bắc, công suất sẽ vượt trên 5 triệu tấn CO2/năm.

Acorn CCS là dự án CCS đầu tiên của Anh trong thế kỷ 21 để chôn CO2 của Anh và các quốc gia khác xung quanh Biển Bắc. Dự án qua 2 giai đoạn như được xác định trong Thỏa thuận cấp phép của Cơ quan Dầu khí (OGA) và Crown Estate Scotland (CES). Hiện Acorn CCS đang trong giai đoạn thực hiện trên cơ sở độc lập. Một trung tâm lưu trữ CO2 quốc tế ở Biển Bắc mở ra các giải pháp vận chuyển và lưu trữ CO2 cho các cụm lưu trữ và sử dụng carbon (CCUS) khác trên khắp Vương quốc Anh và châu Âu bằng cách sử dụng cơ sở hạ tầng hiện có là đường ống Goldeneye 20. Một số lĩnh vực chính của Acorn CCS bao gồm lựa chọn công nghệ thu giữ carbon, kiểm soát độ an toàn dưới biển, xác định vị trí nơi đặt phòng điều khiển trung tâm, soạn thảo hướng dẫn vận hành và bảo trì cũng như các công việc khác để đảm bảo vận hành dự án an toàn, trơn tru.

2/ Dự án Petra Nova (Mỹ):

Petra Nova là dự án trình diễn năng lượng sạch của Mỹ được thiết kế để giảm lượng khí thải carbon từ một trong những lò hơi của nhà máy điện đốt than ở Thompsons, Texas. Dự án có vốn đầu tư lên tới hàng tỷ đô la do NRG Energy và JX Nippon Oil làm chủ đầu tư để trang bị thêm cho một trong những lò hơi tại Trạm phát điện WA của họ bằng hệ thống CCS sau đốt để xử lý một phần khí thải. Nhà máy điện hoạt động từ năm 1977, hệ thống giảm phát thải carbon mới lần đầu tiên được đưa vào hoạt động vào ngày 10/1/2017. Dự án được thiết kế để thu giữ danh nghĩa khoảng 33% lượng khí CO2 (hoặc 1,6 triệu tấn) hàng năm từ lò hơi số 8 của nhà máy.

Khí carbon dioxide được thu giữ ở độ tinh khiết 99%, sau đó được hấp thụ vào amine nén và dẫn đi khoảng 82 dặm đến mỏ dầu West Ranch, tại đây nơi nó được sử dụng để tăng cường thu hồi dầu. Mỏ dầu này trước đây đã sản xuất 300 thùng dầu mỗi ngày. Với việc phun khí cacbonic áp suất cao mới vào mỏ, sản lượng dầu của mỏ đã tăng lên từ 50 đến 15.000 thùng mỗi ngày. Dự án này dự kiến ​có tuổi thọ ít nhất 20 năm. Để đáp ứng các yêu cầu của Sáng kiến ​​Điện than sạch, Cục Địa chất Kinh tế Texas đã đưa ra một kế hoạch giám sát để theo dõi quá trình phun và chuyển động của CO2 bên dưới bề mặt và trong các cấu trúc đá ở West Ranch.

Hệ thống giảm phát thải carbon Petra Nova sử dụng hệ thống hấp thụ dựa trên amine, hay còn gọi là Công nghệ KM CDR (Công nghệ thu hồi CO2 Kansai Mitsubishi). Quy trình này được phát triển bởi Mitsubishi và Kansai Electric Power và sử dụng dung môi độc quyền hiệu suất cao KS-1. CO2 được loại bỏ khỏi khí thải thông qua một hệ thống thoát khí hấp thụ cơ bản. CO2 ở thể khí sau đó được hập thụ vào amine thành chất lỏng siêu tới hạn rồi chuyển đến mỏ.

Hệ thống giảm phát thải carbon Petra Nova có chi phí lắp đặt khoảng 1 tỷ USD và đã nhận được khoản tài trợ gần 190 triệu USD từ Chính phủ Mỹ trong không khổ Sáng kiến ​​Than sạch, và khoản vay 250 triệu USD từ Nhật Bản. Thu hồi dầu tăng ở mỏ dầu dự kiến ​​sẽ dẫn đến tiết kiệm ròng. Tuy nhiên, khi dự án được đề xuất, giá dầu cao 100 USD/thùng và khi giá dầu giảm đã dẫn đến lỗ ròng. Ngày 1/5/2020, NRG đóng cửa Petra Nova, với lý do giá dầu thấp bởi hậu quả của đại dịch COVID-19.

Trong ba năm đầu tiên đi vào hoạt động (tính đến tháng 12/2019), Petra Nova đã báo cáo mức thiếu hụt 16% trong tổng lượng CO2 thu được. Điều này chủ yếu là do các bộ phận khác nhau của dây chuyền quy trình bị ngừng hoạt động đột xuất, đặc biệt lo ngại là bộ trao đổi nhiệt bị rò rỉ và thiết bị đóng cặn canxi. Mặc dù các vấn đề về ngừng hoạt động rất đa dạng, nhưng một điểm tích cực chính từ dự án Petra Nova là có tương đối ít vấn đề với công nghệ thu giữ CO2 cốt lõi, một quy trình dựa trên dung môi do Mitsubishi phát triển. Khi dự án tiếp tục, thời gian ngừng hoạt động ngoài kế hoạch đã giảm đáng kể, với 95% tổng lượng CO2 mục tiêu được thu giữ vào năm 2019. Theo kết quả của dữ liệu thu được trong toàn bộ dự án Petra Nova, Mitsubishi đã tuyên bố rằng chi phí xây dựng quy trình thu giữ CO2 của họ có thể giảm 30% và cũng đã tuyên bố đã phát triển một dung môi cải tiến. Từ góc độ kỹ thuật, dự án Petra Nova là một bài học quý giá có khả năng cải thiện thế hệ tiếp theo của các dự án thu giữ carbon trong tương lai.

Tuy nhiên, các vấn đề kinh tế mà dự án phải đối mặt khó có thể sớm biến mất. Việc sử dụng CO2 - nơi CO2 được chuyển hóa thành các sản phẩm hữu ích trong công nghiệp, vẫn còn ở giai đoạn sơ khai, và do đó, tăng cường thu hồi dầu (EOR) là một trong những cách duy nhất mà quá trình thu giữ, lưu trữ carbon có thể kiếm được tiền trực tiếp. Tính khả thì của EOR phụ thuộc vào giá dầu cao và có thể dẫn đến các lợi ích về tính bền vững không ngờ, đặc biệt nếu dầu được sản xuất được đốt cháy mà không có CCUS. Hệ thống tín dụng thuế 45Q sắp có ở Mỹ sẽ cung cấp tới 50 USD cho mỗi tấn CO2 cô lập vĩnh viễn, cùng với các chương trình định giá carbon đang có hiệu lực trên toàn thế giới, sẽ giúp giảm bớt một số thách thức kinh tế của CCUS.

Tuy nhiên, thực tế là CCUS vẫn là một công nghệ đắt tiền. Việc thu một tấn CO2 từ khí thải của một nhà máy nhiệt điện than có giá từ $ 40 đến $ 80 bằng công nghệ thông thường, chưa bao gồm các chi phí cần thiết để vận chuyển đến vị trí lưu trữ và bơm xuống đất. Quá trình thu CO2 từ khí thải cũng tiêu tốn nhiều năng lượng - có nghĩa là các nhà máy điện được trang bị thiết bị CCUS sẽ phải đốt cháy nhiều nhiên liệu hơn để duy trì mức phát điện như cũ.

Qua việc thảo luận về Petra Nova, thì điều quan trọng cần nhớ là Petra Nova chủ yếu là một cuộc trình diễn công nghệ để giúp xác định bất kỳ vấn đề kỹ thuật nào phát sinh từ việc mở rộng quy trình thu giữ carbon và tinh chỉnh công nghệ để triển khai trong các dự án mới trên toàn thế giới. Tình hình tài chính của nó cũng hơi độc đáo, dựa vào EOR và một loạt các ưu đãi thuế, trợ cấp và tín dụng. Khi thế giới rời xa dầu mỏ, EOR có khả năng không còn là động lực thúc đẩy công nghệ này, và khi các kế hoạch định giá carbon trở nên mạnh mẽ hơn và thị trường sử dụng CO2 phát triển, các cuộc thảo luận về khả năng tài chính cũng sẽ bắt đầu tiếp tục.

Vài năm tới có thể sẽ có nhiều xáo trộn đối với ngành CCUS. Tuy nhiên, nó rất quan trọng đối với thế giới nên “khó có thể thất bại”. Các công ty trên khắp thế giới đang học hỏi các bài học từ Petra Nova, với nỗ lực R&D tập trung vào việc cải thiện hiệu quả chi phí của quá trình thu giữ carbon và phát triển các phương pháp sử dụng hiệu quả hơn CO2 đã thu giữ (chẳng hạn như thông qua việc phát triển các chất xúc tác hiệu quả để chuyển đổi CO2 thành nhiên liệu trung tính carbon, hoặc hóa chất hàng hóa). Việc mở rộng quy mô ngày càng cấp thiết để triển khai CCUS cùng với tốc độ phát triển nhanh chóng trong ngành được thiết lập sẽ tạo ra nhiều cơ hội trong tương lai gần, ít nhất là hai thập kỷ tới./.

KHẮC NAM - CHUYÊN GIA TẠP CHÍ NĂNG LƯỢNG VIỆT NAM

Link tham khảo:

1. https://www.planete-energies.com/en/medias/close/carbon-capture-and-storage-projects-worldwide

2. https://www.sustainablefinance.hsbc.com/carbon-transition/carbon-capture-and-storage-2021

3. https://assets.publishing.service.gov.uk/government/uploads/system/uploads/attachment_data/file/1057558/A01_KKD7_D08_Ops_and_Maintenance.pdf

4. https://jpt.spe.org/uks-first-carbon-capture-and-storage-project-could-be-operational-mid-2020s?gclid=CjwKCAjw5s6WBhA4EiwACGncZdgdTp1og-C05cr02AN4eJxDl4hiUmh752abiaVPmst6-1XhXbtbGxoC-cwQAvD_BwE

5. https://www.idtechex.com/fr/research-article/lessons-learned-from-the-closure-of-petra-nova/23267