Tổng quan công nghệ thu giữ, lưu trữ CO2 và những rào cản triển khai

Phát thải CO2 từ tiêu dùng năng lượng: Nhìn và suy ngẫm từ mọi góc độ [Kỳ cuối] Xét trên mọi phương diện, quy mô tiêu dùng năng lượng sơ cấp, quy mô phát thải CO2, kể cả tính theo bình quân đầu người, thì Việt Nam còn rất thấp so với bình quân của thế giới và quá thấp so với nhiều nước trong khu vực, cũng như mức phát thải cho phép. Do đó, nhu cầu năng lượng cho phát triển kinh tế, xã hội của Việt Nam thời gian tới tiếp tục tăng cao, kéo theo mức phát thải khí nhà kính tăng lên là xu thế tất yếu.

Phát thải CO2 từ tiêu dùng năng lượng: Nhìn và suy ngẫm từ mọi góc độ [Kỳ 2] Phát thải CO2 từ tiêu dùng năng lượng, xét theo khối nước, thì khối OECD đa phần là các nước có xu hướng giảm phát thải, song năm 2018 một số nước phát thải vẫn cao như: Mỹ, Hàn Quốc, Ba Lan, Úc... nên mức phát thải của toàn khối tăng lên. Còn khối các nước ngoài OECD, do nhu cầu năng lượng cho phát triển kinh tế, xã hội ngày càng tăng, kéo theo mức phát thải CO2 tăng lên. Với EU, mức phát thải có giảm, do cơ cấu tiêu dùng năng lượng sơ cấp chuyển dịch theo hướng sạch hơn...

Phát thải CO2 từ tiêu dùng năng lượng: Nhìn và suy ngẫm từ mọi góc độ [Kỳ 1] Năng lượng đóng vai trò vô cùng quan trọng trong đời sống kinh tế, xã hội của loài người. Xã hội ngày càng phát triển thì nhu cầu sử dụng năng lượng ngày càng cao. Tuy nhiên, đi đôi với lợi ích to lớn, quá trình khai thác, chế biến và sử dụng năng lượng cũng gây ra ô nhiễm nghiêm trọng cho môi trường, nhất là phát thải khí nhà kính (CO2) - thủ phạm chính gây biến đổi khí hậu toàn cầu hiện nay. Trong chuyên đề này, Tạp chí Năng lượng Việt Nam sẽ giới thiệu bức tranh toàn cảnh về tình hình phát thải khí nhà kính từ tiêu dùng năng lượng năm 2018 trên phạm vi toàm cầu, nhóm nước và từng nước dưới các góc độ: quy mô, tăng trưởng, tỉ phần, bình quân đầu người và bình quân trên 1 đơn vị năng lượng tiêu thụ. Qua đó suy ngẫm cho nhiệm vụ của toàn thế giới, của từng khối nước, từng nước và của Việt Nam trong cuộc chiến giảm thiểu khí nhà kính nói chung, khí nhà kính từ tiêu dùng năng lượng nói riêng nhằm góp phần bảo vệ Trái Đất xanh của chúng ta.

Tính cấp bách của việc thu giữ và lưu trữ carbon:

Quá trình công nghiệp hóa nhanh chóng và xu hướng sử dụng năng lượng ngày càng tăng dẫn đến việc khai thác tài nguyên thiên nhiên, nhất là nhiên liệu hóa thạch cho sản xuất điện ngày càng nhiều. Hầu hết các đơn vị phát điện (như nhà máy nhiệt điện và tổ máy phát điện diesel), phương tiện vận tải (ô tô, tàu hỏa, tàu thủy, máy bay v.v...) đều dựa trên nhiên liệu hóa thạch nên dẫn đến gia tăng lượng khí thải, đặc biệt là carbon dioxide (CO₂).

Theo dự báo công bố trên Tạp chí SN Applied Sciences (Thụy Sỹ): Đến năm 2030, sản lượng năng lượng sơ cấp từ than sẽ đạt 3.976 triệu tấn dầu quy đổi (TOE) và lượng khí thải CO₂ là 38.749 triệu tấn CO₂ mỗi năm. Khoảng 82% năng lượng cần thiết trên toàn thế giới được tạo ra từ nhiên liệu hóa thạch thông qua nhiều quá trình khác nhau và hậu quả CO₂ thải ra môi trường ngày càng tăng.

CO₂ có thể được thu giữ trong quá trình xử lý nhiên liệu, hoặc sau khi đốt cháy nhiên liệu và được vận chuyển đến nơi để lưu trữ lâu dài. Một loạt các kỹ thuật tách và thu giữ carbon bao gồm hấp thụ vào chất lỏng, tách pha khí, hấp phụ trên các quá trình rắn và lai như hệ thống màng hấp phụ. Ngoài ra, các quy định về CCS, phân tích kinh tế và các vấn đề chính sách cũng đồng thời được nghiên cứu giải quyết.

CCS - công cụ hiệu quả để tăng tốc độ khử carbon trong ngành công nghiệp:

Theo các chuyên gia ở DNV, tổ chức đăng ký và phân loại quốc tế có trụ sở tại Høvik, Na Uy, CCS (Carbon Capture and Storage) được đề cập trong Triển vọng Công nghệ 2030 không khác biệt so với các bản báo cáo trước đó. Nó được xem là công cụ khử carbon rất cần thiết, đặc biệt là khi thế giới đang thực hiện mục tiêu phát thải ròng bằng 0, hay Net Zero vào năm 2050. Thực tế phũ phàng là thải carbon dioxide rẻ hơn so với thu giữ và lưu trữ nên các nhà hoạch định chính sách phải đi trước đón đầu. Thực tế CCS chưa được mở rộng ở cấp công nghiệp, nên các chính sách giá lũy tiến cần sớm ra đời để đưa CCS trở nên thực thi trong những năm tới.

Theo DNV, CCS bao gồm ba bước chính: Thu giữ CO₂ từ khí thải ra tại nguồn, vận chuyển đến nơi lưu trữ và sau đó bơm sâu vào các bể chứa dưới lòng đất được lựa chọn cẩn thận để lưu giữ lâu dài và an toàn. Phương pháp phổ biến nhất để loại bỏ CO₂ khỏi các dòng khí thải là làm sạch nó khỏi khí bằng cách sử dụng dung môi, chuyên môn gọi là "chu trình giải hấp". Chất hấp thụ được chuyển liên tục giữa chất hấp thụ nơi nó liên kết với CO₂ và chất khử cặn nơi CO₂ tinh khiết được giải phóng bằng cách làm nóng dung môi. Các hệ thống như vậy yêu cầu cung cấp nhiệt khoảng 130 - 140°C thường được cung cấp bằng hơi nước. Đối với mỗi tấn CO₂ thu được, cần khoảng 2,5-4 MJ nhiệt. Đối với các nhà máy điện khí, hoặc điện than, mức phạt năng lượng tương ứng với khoảng 8 - 10% điểm về hiệu suất, hoặc khoảng 20 - 30% mức giảm sản lượng điện. CO₂ tinh khiết được nén đến 150 - 200 bar và sau đó được vận chuyển ở dạng lỏng bằng đường ống, hoặc tàu đến nơi lưu trữ.

Thông thường, CCS được dùng để chỉ các hệ thống thu hồi áp dụng tại các nhà máy nhiệt điện than và khí đốt. Tuy nhiên, phạm vi ứng dụng thực tế lớn hơn và bao gồm các ngành công nghiệp như xi măng, thép, hydro, amoniac. Cụ thể, đối với tất cả các quá trình giải phóng CO₂ trong khí quyển như kết quả của một quá trình đốt cháy. Khi được áp dụng cho các quy trình sử dụng sinh khối như gỗ, CCS thường được gọi là "quá trình năng lượng sinh học qua CCS" (BECCS) có thể dẫn đến giảm phát thải âm thuần. Khi CO₂ thu được được sử dụng cho mục đích thương mại như một phần của chuỗi giá trị, khi đó CCS được gọi là CCUS, (thêm từ Utilization - ứng dụng).

Tất cả các thành phần của CCS đều là công nghệ đã được sử dụng trong nhiều ngành công nghiệp kể từ năm 1972 khi một số nhà máy xử lý khí tự nhiên ở khu vực Val Verde của Texas (Mỹ) bắt đầu thu hồi carbon để cung cấp CO₂ cho các hoạt động thu hồi dầu tăng cường - EOR. Kể từ đó, hơn 200 triệu tấn CO₂ đã được thu giữ và bơm vào sâu dưới lòng đất.

Ứng dụng CCS đã được chứng minh thành công ở quy mô lớn lên đến 1 triệu tấn/năm từ một cơ sở duy nhất, như tại nhà máy đốt than Petra Nova ở Texas. Ngày nay, có 19 nhà máy CCS quy mô lớn đang hoạt động, 4 nhà máy đang được xây dựng và khoảng 28 nhà máy đang trong giai đoạn phát triển khác nhau. Tổng khối lượng hàng năm do các nhà máy vận hành loại bỏ lên đến khoảng 40 triệu tấn CO₂. Hầu hết các cơ sở hoạt động được đặt tại Mỹ và Canada và được kết nối với các hoạt động của EOR (thu hồi dầu tăng cường).

CCS bao gồm ba bước: Thu giữ CO2 từ khí thải ra tại nguồn, vận chuyển đến nơi lưu trữ và sau đó bơm sâu để lưu giữ lâu dài và an toàn. (Nguồn: Thorntontomasetti).

Cơ hội và thách thức công nghệ CCS khi triển khai trên quy mô toàn cầu:

CCS có thể đóng góp đáng kể để đạt được quá trình khử carbon triệt để theo quy mô lớn và trong khung thời gian tương đối ngắn trong một số ngành công nghiệp. Tuy nhiên, cũng không nên coi CCS là con đường duy nhất để khử carbon trong các lĩnh vực phụ thuộc nhiều vào nhiên liệu hóa thạch. Đôi khi, nó có thể được xem là giải pháp bắc cầu để khử carbon trong một số ngành mà giải pháp phát thải thấp đòi hỏi thời gian thực hiện lâu hơn, hoặc đơn giản như ngành sản xuất xi măng chẳng hạn.

Do đó, CCS có thể đóng một vai trò quan trọng để đạt được mục tiêu 1,5°C. Các số liệu được công bố trong Báo cáo đặc biệt về sự nóng lên toàn cầu 1,5°C do IPCC (Ủy ban Liên Chính phủ về Biến đổi Khí hậu của LHQ) soạn thảo được xem là mục tiêu cho việc thực hiện CCS càng nhanh càng tốt. Trong số bốn kịch bản chính đề cập trong nghiên cứu của IPCC, CCS được nhắc tới trong hầu hết các kịch bản để giảm thiểu biến đổi khí hậu. Chưa hết, Báo cáo AR5 Report của IPCC cũng nhấn mạnh vai trò to lớn của CCS. Các lộ trình nói chung dựa vào việc mở rộng quy mô của CCS trong công nghiệp và điện khí, kết hợp với BECCS và để đạt được mức công suất thu giữ cacbon giả định cần thiết vào năm 2050, cần phải mở rộng quy mô đáng kể so với mức hiện nay.

Khi hydro đang được quan tâm trở lại, nó sẽ tạo cơ hội để phát triển thị trường CCS kết hợp với sự phát triển của nền kinh tế hydro. Hydro khử cacbon có thể được sản xuất thông qua việc ứng dụng CCS trên các thiết bị reforming khí mêtan (Steam Methane Reforming- SMR) (hydro xanh dương), hoặc thông qua quá trình điện phân sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo (hydro xanh lá). Chi phí hiện tại của sản xuất hydro xanh dương với SMR quy mô lớn với CCS đã được ước tính ở mức 2 - 4 € / kg H2 (tùy thuộc vào giá khí) so với chi phí khoảng 4 - 8 € / kg H2 để sản xuất thông qua điện phân. Hydro xanh dương ngày nay có giá thành cạnh tranh hơn, có thể được coi là bước đệm để phát triển nền kinh tế hydro và các cơ sở hạ tầng cần thiết.

Mặc dù thiếu chính sách toàn cầu phối hợp để tạo điều kiện thuận lợi cho việc tiếp nhận CCS, nhưng vẫn có những khu vực mà ở đó nó có nhiều chỗ đứng hơn. Đặc biệt tại Mỹ, Luật mới 45Q đang củng cố cho một thế hệ dự án CCS mới. Luật này khuyến khích triển khai CCS và CCU, bằng cách cung cấp khoản tín dụng giá lên đến $ 50/tấn CO₂ cho lưu trữ địa chất chuyên dụng và $ 35/tấn CO₂ cho EOR. Được cập nhật vào năm 2018, Luật giảm ngưỡng đủ điều kiện từ 500.000/tấn xuống 100.000/tấn CO₂ được lưu trữ hàng năm cho các dự án công nghiệp và duy trì ngưỡng ban đầu 500.000/tấn mỗi năm từ phát thải do sản xuất điện. 45Q yêu cầu việc xây dựng các cơ sở CCS và CCU phải bắt đầu trước ngày 1/1/2024, với các cơ sở đó đủ điều kiện nhận tín dụng trong 12 năm.

Chi phí quá cao và ai là người trả nó thường được coi là một trong những lý do chính khiến CCS không thể mở rộng quy mô đáng kể hơn, nhưng khi quá trình khử carbon trở thành một rủi ro thực sự đối với các nền kinh tế gắn liền với vận hội của nhiên liệu hóa thạch, do vậy, CCS được coi là một tùy chọn hấp dẫn.

Ví dụ, một nghiên cứu đã dự báo, CCS quy mô công nghiệp có thể dẫn đến việc tạo ra 40.000 việc làm ở Na Uy. Điều quan trọng nữa là các nhà hoạch định chính sách cần coi các kỹ năng của ngành dầu khí có vai trò quan trọng trong quá trình khử carbon.

Theo dự báo về Triển vọng Chuyển đổi Năng lượng (ETO) của DNV, CCS sẽ không được thực hiện trên quy mô ít nhất cho đến những năm 2040, trừ khi các chính phủ thay đổi chính sách và đặt giá carbon cao hơn giá thành của công nghệ. Rào cản chính là chi phí vốn tương đối cao để thực hiện và thiếu các động lực tài chính để hỗ trợ đầu tư. Cho đến nay, các dự án CCS chỉ có thể thực hiện được khi có sự can thiệp của chính phủ. Việc sử dụng CCS để thu hồi dầu tăng cường (EOR) là trường hợp kinh doanh hấp dẫn duy nhất đối với những người đề xuất CCS đến nay.

Về cơ bản, CCS hiện chưa được quan tâm đúng mức nên các ngành sản xuất vẫn diễn ra bình thường như không có chuyện gì xảy ra. Việc "phóng không" carbon vào không khí vừa đơn giản lại không tốn kém gì. Vì vậy, giới kinh tế cho rằng: Các chính phủ cần thiết lập giá carbon để khuyến khích giảm phát thải. Đến nay, 85% lượng khí thải toàn cầu vẫn chưa được đánh thuế. Nếu chi phí phát thải carbon vào khí quyển tăng lên, tốc độ ngành công nghiệp triển khai công nghệ CCS cũng sẽ tăng lên.

Theo dự báo ETO của DNV, mức công suất dự kiến ​​của CCS vào năm 2050 là 800 triệu tấn/năm, nếu cứ 2 tuần lại một nhà máy CCS công suất đạt 1 triệu tấn/năm ra đời từ nay cho đến năm 2050. Dự báo của ETO nhấn mạnh: Chúng ta sẽ không đạt được các mục tiêu khí hậu Paris, và COP26 nếu không tăng tốc CCS. Do đó, để thực hiện CCS trên quy mô lớn, chi phí phải giảm đáng kể và phải tăng công suất theo các đường cong học tập công nghệ tương tự như giảm chi phí trong điện mặt trời, thông qua giải pháp tăng gấp đôi công suất lắp đặt.

Một rào cản khác làm chậm sự phát triển của CCS là nhận thức của công chúng xung quanh sự an toàn của việc lưu trữ CO₂ dưới lòng đất. Các cuộc biểu tình của người dân, lo sợ nguy cơ tử vong do rò rỉ khí CO₂, trong một số trường hợp đã dẫn đến việc hủy bỏ dự án, như ở Barendrecht ở Hà Lan - nơi một dự án đã bị tạm dừng vào năm 2009 do các cuộc biểu tình của người dân. Ở Đức, việc lưu trữ trên bờ đã bị cấm kể từ năm 2011 sau cuộc trưng cầu dân ý toàn quốc.

Dư luận thường thành kiến ​​bởi nhận thức rằng: CCS là không an toàn và rủi ro, cũng như lo sợ về một điều gì đó "bất thường" và chưa được hiểu rõ hoàn toàn. Tuy nhiên, nhiều nỗ lực nghiên cứu và phát triển (R&D) đã được thực hiện để giảm thiểu rủi ro cho việc lưu trữ dưới lòng đất. Ngoài ra, việc lựa chọn chính xác địa điểm lưu trữ, kết hợp với quy trình giám sát hiện đại, sẽ không có nguy cơ làm tăng mối nguy hiểm, giúp cộng đồng yên tâm hơn khi ủng hộ các dự án CCS trong tương lai./.

KHẮC NAM - CHUYÊN GIA TẠP CHÍ NĂNG LƯỢNG VIỆT NAM

(THEO: DNV/LSC - 7/2022)

Link tham khảo:

1/ https://link.springer.com/article/10.1007/s42452-019-0909-2#:~:text=The%20post%2Dcombustion%20CCS%20technology,needed%20for%20transport%20and%20storage.

2/ https://www.dnv.com/to2030/technology/carbon-capture-and-storage.html