Công Nghệ Capturing và Lưu Trữ Carbon Dioxide: Xu Hướng và Đổi Mới

Khám phá công nghệ thu giữ, lưu trữ và vận chuyển carbon dioxide trong cuốn sách của M Mercedes Maroto Valer. Tìm hiểu giải pháp bền vững cho môi trường.

• Tác giả: M. Mercedes Maroto-Valer
• Trường học: University of Nottingham
• Chuyên ngành: Environmental Science
• Đề tài: Công Nghệ Capturing và Lưu Trữ Carbon Dioxide: Xu Hướng và Đổi Mới
• Loại tài liệu: thesis
• Năm xuất bản: 2010
• Địa điểm: Cambridge

Mục lục chi tiết

• Contributor contact details
• Woodhead Publishing Series in Energy
• Foreword by Lord Oxburgh
• 1. Overview of carbon dioxide (CO2) capture and storage technology
• 1.2. Greenhouse gas emissions and global climate change
• 1.3. Carbon management and stabilisation routes
• 1.4. Development and innovation in carbon dioxide (CO2) capture and transport technology
• 1.5. Development and innovation in carbon dioxide (CO2) storage and utilisation technology
• 1.7. Sources of further information and advice
• 1.9. References
• 2. Techno-economic analysis and modeling of carbon dioxide (CO2) capture and storage (CCS) technologies
• 2.2. Carbon dioxide (CO2) capture
• 2.3. Carbon dioxide (CO2) transport
• 2.4. Carbon dioxide (CO2) injection
• 2.5. Carbon dioxide (CO2) capture and storage (CCS) system modeling
• 2.7. References
• 3. Regulatory and social analysis for the legitimation and market formation of carbon dioxide (CO2) capture and storage technologies
• 3.2. Technological maturity and the carbon dioxide (CO2) capture and storage (CCS) innovation system
• 3.3. Legitimation: results and gaps in social scientific research regarding public perception and participation
• 3.4. Market formation and direction of search: an enabling regulatory framework for carbon dioxide (CO2) capture and storage (CCS) in the EU
• 3.5. Implementation outlook for carbon dioxide (CO2) capture and storage (CCS) technologies
• 3.6. Sources of further information and advice
• 3.7. References
• 4. Energy supply planning for the introduction of carbon dioxide (CO2) capture technologies
• 4.1. The emerging energy challenge and a case from Ontario, Canada
• 4.2. Overview of supply technologies and carbon capture and storage
• 4.4. Energy conservation strategy
• 4.6. Illustrative case study
• 4.8. References
• 5. Advanced absorption processes and technology for carbon dioxide (CO2) capture in power plants
• 5.3. Description of the technology
• 5.4. Advancements in the technologies
• 5.5. Advantages and disadvantages
• 5.6. Applications and future trends
• 5.8. References
• 6. Advanced adsorption processes and technology for carbon dioxide (CO2) capture in power plants
• 6.2. Mesoporous and microporous adsorbents
• 6.5. Sources of further information and advice
• 6.7. References
• 7. Advanced membrane separation processes and technology for carbon dioxide (CO2) capture in power plants
• 7.2. Cryogenic carbon dioxide (CO2) capture
• 7.3. Performance of membrane systems
• 7.4. Carbon dioxide (CO2) membrane materials and design
• 7.6. Comparing membrane modules
• 7.7. Design for power plant integration
• 7.9. Future trends and conclusions
• 7.10. Sources of further information and advice
• 7.11. References
• 8. Gasification processes and synthesis gas treatment technologies for carbon dioxide (CO2) capture
• 8.4. Building blocks for complete systems
• 8.5. Power plant as an example for a complete system
• 8.6. Advantages and limitations
• 8.8. Sources of further information and advice
• 8.9. References
• 9. Oxyfuel combustion systems and technology for carbon dioxide (CO2) capture in power plants
• 9.2. Basic principles of oxyfuel combustion
• 9.3. Technologies and potential applications
• 9.4. Advantages and limitations
• 9.6. References
• 10. Advanced oxygen production systems for power plants with integrated carbon dioxide (CO2) capture
• 10.2. Technologies for air separation
• 10.3. Oxygen selective membrane technology for oxyfuel power plants
• 10.4. Power generation systems integrated with oxygen selective membrane (OSM) units
• 10.5. Advantages and limitations
• 10.7. Sources of further information and advice
• 10.9. References
• 11. Chemical-looping combustion systems and technology for carbon dioxide (CO2) capture in power plants
• 11.3. Technologies and potential applications
• 11.4. Advantages and limitations of chemical-looping combustion (CLC) for natural gas and syngas
• 11.5. Hydrogen manufacture using chemical-looping combustion (CLC)
• 11.6. The use of chemical-looping combustion (CLC) technology with solid fuels
• 11.7. The CaS–CaSO4 system
• 11.9. Sources of further information and advice
• 11.10. References
• 12. Gas purification, compression and liquefaction processes and technology for carbon dioxide (CO2) transport
• 12.2. Selection of transport pressures
• 12.3. Carbon dioxide (CO2) quality recommendations for transport in pipelines and by ship
• 12.4. Overview and basic building blocks in carbon dioxide (CO2) transport processes
• 12.6. The interface between capture and transport
• 12.7. Ship to pipeline and pipeline to ship processes
• 12.9. Future trends and future work
• 12.12. References
• 13. Infrastructure and pipeline technology for carbon dioxide (CO2) transport
• 13.2. Carbon dioxide (CO2) phase properties
• 13.3. Transport of carbon dioxide (CO2) by pipeline
• 13.4. Transport of carbon dioxide (CO2) by ship
• 13.6. Large-scale transport infrastructure
• 13.8. Future trends and future work
• 13.10. Sources of further information and advice
• 13.12. References
• 14. Carbon dioxide (CO2) injection processes and technology
• 14.2. Underground fluid injection
• 14.3. Analogues for carbon dioxide (CO2) storage and best practices from other sectors
• 14.4. Injection well technologies
• 14.5. Controlling parameters for carbon dioxide (CO2) injectivity
• 14.6. Carbon dioxide (CO2) injection in different storage formations
• 14.7. Carbon dioxide (CO2) injection field operations
• 14.8. Injection of carbon dioxide (CO2) and well integrity
• 14.9. Technologies for monitoring injection well integrity
• 14.11. Sources of further information and advice
• 14.13. References
• 15. Carbon dioxide (CO2) capture and storage technology in the cement and concrete industry
• 15.1. Introduction
• 15.3. Capture of carbon dioxide (CO2) from cement plants
• 15.4. Accelerated carbon dioxide (CO2) curing of concrete
• 15.7. Sources of further information and advice
• 15.8. References
• 16. Carbon dioxide (CO2) capture and storage technology in the iron and steel industry
• 16.2. Carbon dioxide (CO2) emissions of the steel sector
• 16.3. Strategies to control carbon dioxide (CO2) emissions from the steel sector
• 16.4. Carbon capture and storage (CCS) for the steel sector
• 16.5. Carbon dioxide (CO2) capture technologies for the steel sector
• 16.6. Carbon dioxide (CO2) storage for the steel sector
• 16.7. Perspectives on carbon capture and storage (CCS) and carbon dioxide (CO2) abatement in the steel sector
• 16.10. Sources of further information and advice
• 16.11. References
• Index

Tóm tắt

I. Tổng quan về công nghệ Capturing và Lưu trữ Carbon Dioxide

Công nghệ carbon capture và lưu trữ carbon dioxide (CCS) đang trở thành một trong những giải pháp quan trọng để giảm thiểu phát thải khí nhà kính. Công nghệ này không chỉ giúp giảm lượng CO2 thải ra môi trường mà còn góp phần vào việc đạt được các mục tiêu về biến đổi khí hậu. Nghiên cứu cho thấy, việc áp dụng công nghệ CCS có thể giảm đáng kể lượng CO2 trong khí quyển, từ đó cải thiện chất lượng không khí và bảo vệ sức khỏe cộng đồng.

1.1. Định nghĩa và nguyên lý hoạt động của công nghệ CCS

Công nghệ CCS bao gồm ba bước chính: thu giữ CO2 từ nguồn phát thải, vận chuyển CO2 đến địa điểm lưu trữ và lưu trữ CO2 trong các cấu trúc địa chất. Việc thu giữ CO2 có thể thực hiện qua nhiều phương pháp khác nhau như hấp thụ, hấp phụ và màng lọc.

1.2. Lịch sử phát triển công nghệ CCS

Công nghệ CCS đã được nghiên cứu và phát triển từ những năm 1970. Ban đầu, nó được áp dụng trong ngành công nghiệp dầu khí để tăng cường thu hồi dầu. Gần đây, công nghệ này đã được mở rộng ra nhiều lĩnh vực khác nhau, bao gồm cả sản xuất điện và công nghiệp nặng.

II. Thách thức trong việc triển khai công nghệ Capturing và Lưu trữ Carbon Dioxide

Mặc dù công nghệ CCS có tiềm năng lớn, nhưng vẫn tồn tại nhiều thách thức trong việc triển khai. Các vấn đề như chi phí cao, thiếu cơ sở hạ tầng và sự chấp nhận của cộng đồng là những rào cản lớn. Theo một nghiên cứu của Woodhead Publishing, chi phí cho việc xây dựng và vận hành các nhà máy CCS có thể lên đến hàng triệu đô la, điều này làm giảm tính khả thi của công nghệ này.

2.1. Chi phí và đầu tư cho công nghệ CCS

Chi phí đầu tư cho công nghệ CCS thường rất cao, bao gồm chi phí xây dựng, vận hành và bảo trì. Điều này đòi hỏi sự hỗ trợ từ chính phủ và các tổ chức tài chính để thúc đẩy việc áp dụng công nghệ này.

2.2. Sự chấp nhận của cộng đồng và chính sách

Sự chấp nhận của cộng đồng đối với công nghệ CCS là rất quan trọng. Nhiều người vẫn còn lo ngại về an toàn và tác động môi trường của việc lưu trữ CO2. Chính sách hỗ trợ từ chính phủ có thể giúp tăng cường sự chấp nhận này.

III. Các phương pháp chính trong công nghệ Capturing và Lưu trữ Carbon Dioxide

Có nhiều phương pháp khác nhau để thu giữ và lưu trữ CO2. Các phương pháp này bao gồm hấp thụ, hấp phụ, và công nghệ màng. Mỗi phương pháp đều có ưu điểm và nhược điểm riêng, và việc lựa chọn phương pháp phù hợp phụ thuộc vào điều kiện cụ thể của từng dự án.

3.1. Phương pháp hấp thụ trong công nghệ CCS

Phương pháp hấp thụ sử dụng dung dịch hóa học để thu giữ CO2 từ khí thải. Đây là phương pháp phổ biến nhất hiện nay, nhưng chi phí và hiệu suất có thể thay đổi tùy thuộc vào loại dung dịch sử dụng.

3.2. Phương pháp hấp phụ và ứng dụng của nó

Phương pháp hấp phụ sử dụng vật liệu rắn để thu giữ CO2. Vật liệu này có thể tái sử dụng, giúp giảm chi phí và tăng hiệu quả. Nghiên cứu hiện tại đang tập trung vào việc phát triển các vật liệu hấp phụ mới với hiệu suất cao hơn.

3.3. Công nghệ màng trong thu giữ CO2

Công nghệ màng sử dụng các màng lọc đặc biệt để tách CO2 ra khỏi khí thải. Phương pháp này có ưu điểm là hiệu suất cao và có thể hoạt động liên tục, nhưng vẫn cần nghiên cứu thêm để cải thiện tính kinh tế.

IV. Ứng dụng thực tiễn của công nghệ Capturing và Lưu trữ Carbon Dioxide

Công nghệ CCS đã được áp dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, từ sản xuất điện đến công nghiệp nặng. Các nhà máy điện sử dụng công nghệ oxy-fuel combustion có thể thu giữ CO2 hiệu quả hơn, từ đó giảm thiểu phát thải. Nghiên cứu cho thấy, việc áp dụng công nghệ này có thể giúp giảm đáng kể lượng CO2 thải ra môi trường.

4.1. Ứng dụng trong ngành điện

Nhiều nhà máy điện hiện nay đã áp dụng công nghệ CCS để giảm thiểu phát thải CO2. Công nghệ oxy-fuel combustion cho phép thu giữ CO2 với hiệu suất cao, đồng thời giảm thiểu các khí thải độc hại khác.

4.2. Ứng dụng trong ngành công nghiệp nặng

Ngành công nghiệp nặng như sản xuất thép và xi măng cũng đang áp dụng công nghệ CCS để giảm thiểu phát thải. Việc thu giữ CO2 từ các quy trình sản xuất này không chỉ giúp bảo vệ môi trường mà còn tạo ra cơ hội kinh tế mới.

V. Kết luận và tương lai của công nghệ Capturing và Lưu trữ Carbon Dioxide

Công nghệ CCS có tiềm năng lớn trong việc giảm thiểu phát thải CO2 và bảo vệ môi trường. Tuy nhiên, để công nghệ này phát triển bền vững, cần có sự hỗ trợ từ chính phủ, các tổ chức tài chính và cộng đồng. Tương lai của công nghệ này phụ thuộc vào việc giải quyết các thách thức hiện tại và phát triển các giải pháp đổi mới.

5.1. Triển vọng phát triển công nghệ CCS

Triển vọng phát triển công nghệ CCS rất khả quan, với nhiều nghiên cứu và sáng kiến mới đang được thực hiện. Các công nghệ mới có thể giúp giảm chi phí và tăng hiệu quả thu giữ CO2.

5.2. Vai trò của chính phủ và cộng đồng trong việc thúc đẩy CCS

Chính phủ và cộng đồng đóng vai trò quan trọng trong việc thúc đẩy công nghệ CCS. Các chính sách hỗ trợ và sự chấp nhận của cộng đồng sẽ là yếu tố quyết định cho sự thành công của công nghệ này.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Khủng hoảng biến đổi khí hậu toàn cầu đang đặt ra thách thức cấp bách đối với sự phát triển kinh tế bền vững. Hiện nay, khí carbon dioxide chiếm khoảng 56.6% đến 57% tổng lượng phát thải khí nhà kính từ việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch. Nồng độ carbon dioxide trong khí quyển đã gia tăng từ mức 280 ppmv thời kỳ tiền công nghiệp lên hơn 389 ppmv trong các đo đạc gần đây và hiện đã vượt ngưỡng 420 ppmv. Hoạt động sản xuất điện năng là tác nhân lớn nhất, chiếm khoảng 29% tổng lượng phát thải tại khu vực các quốc gia phát triển và tiêu thụ năng lượng toàn cầu tạo ra hơn 28.1 tỷ tấn carbon dioxide mỗi năm với mức tăng trung bình 1.7% hàng năm.

Vấn đề nghiên cứu trọng tâm của luận văn là giải quyết mâu thuẫn giữa nhu cầu sử dụng nhiên liệu hóa thạch để đảm bảo an ninh năng lượng và yêu cầu cắt giảm phát thải cấp bách. Mục tiêu cụ thể của công trình là đánh giá toàn diện chuỗi công nghệ thu giữ, vận chuyển và lưu trữ carbon, xây dựng mô hình phân tích kỹ thuật - kinh tế và tối ưu hóa chi phí vận hành hệ thống. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào các nguồn phát thải tĩnh quy mô lớn như nhà máy nhiệt điện than, điện khí, nhà máy sản xuất xi măng và luyện kim trong khung thời gian dự phóng từ năm 2005 đến năm 2030 và tầm nhìn 2050. Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua khả năng cung cấp giải pháp giảm thiểu tới 90% lượng khí thải từ các nguồn điểm, đóng góp vào mục tiêu ổn định nồng độ khí quyển ở mức 450 đến 550 ppm carbon dioxide tương đương và giảm giá thành sản xuất điện sạch trong dài hạn.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu xây dựng trên nền tảng lý thuyết các nêm ổn định carbon của hai nhà khoa học Stephen Pacala và Robert Socolow. Khung lý thuyết này chia mục tiêu cắt giảm phát thải toàn cầu trong vòng 50 năm thành 7 nêm giải pháp riêng biệt, mỗi nêm đóng góp mức cắt giảm 1 tỷ tấn carbon nguyên tố mỗi năm vào năm 2054. Trong đó, công nghệ thu giữ và lưu trữ carbon đại diện cho ít nhất một nêm hoàn chỉnh thông qua việc trang bị hệ thống thu giữ tại 800 GW nhà máy điện than hoặc 1600 GW nhà máy điện khí vận hành tải nền.

Bên cạnh đó, mô hình chuỗi giá trị tích hợp được áp dụng để liên kết ba mắt xích cốt lõi: quá trình tách khí tại nguồn phát, vận chuyển môi chất siêu tới hạn và cô lập vĩnh viễn trong địa chất. Các khái niệm chính bao gồm: công nghệ thu giữ sau cháy bằng dung môi hóa học lỏng, công nghệ thu giữ trước cháy qua quá trình khí hóa nhiên liệu, công nghệ đốt cháy giàu oxy tạo dòng khí thải nồng độ tinh khiết cao trên 90%, và cơ chế lưu trữ địa chất tại các tầng ngậm nước mặn sâu cùng các mỏ dầu khí đã suy kiệt kết hợp thu hồi dầu tăng cường.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng nguồn dữ liệu kỹ thuật và chi phí từ 28 dự án thử nghiệm và trình diễn thương mại quy mô lớn trên phạm vi toàn cầu với công suất danh định từ 30 MW đến 1600 MW. Phương pháp chọn mẫu là chọn mẫu có chủ đích nhằm bao phủ đầy đủ các loại hình nhiên liệu gồm than đá, khí tự nhiên và dầu mỏ, cũng như các cấu hình công nghệ thu giữ khác nhau. Quy mô mẫu 28 dự án đảm bảo tính đại diện thống kê cho các điều kiện vận hành công nghiệp thực tế.

Phương pháp phân tích trọng tâm là mô hình hóa kỹ thuật - kinh tế kết hợp phân tích chi phí vòng đời và mô phỏng cân bằng nhiệt động lực học. Lý do lựa chọn tổ hợp phương pháp này là nhằm chuẩn hóa các chỉ số tài chính phức tạp về cùng một thước đo chi phí quy dẫn trên mỗi tấn khí thải tránh được, đồng thời cho phép đánh giá độ nhạy của chi phí trước sự thay đổi của giá nhiên liệu và suất tiêu hao nhiệt. Quá trình thu thập dữ liệu và mô phỏng kinh tế kỹ thuật được chuẩn hóa theo niên độ từ năm 2005 đến năm 2020 và ngoại suy kịch bản phát triển công nghệ đến năm 2030.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, phân tích chi phí chuỗi giá trị chỉ ra rằng khâu thu giữ khí chiếm tỷ trọng áp đảo, dao động từ 60% đến 70% tổng chi phí toàn bộ hệ thống. Trong kịch bản thương mại hóa ban đầu với tổng chi phí giảm phát thải từ 35 đến 50 Euro cho mỗi tấn carbon dioxide, chi phí dành riêng cho khâu thu giữ đạt mức 25 đến 32 Euro mỗi tấn.

Thứ hai, việc tích hợp hệ thống thu giữ tạo ra hình phạt năng lượng đáng kể, làm suy giảm hiệu suất phát điện của nhà máy từ 7 đến 12 điểm phần trăm. Tổn thất này khiến chi phí sản xuất điện quy dẫn tại các nhà máy nhiệt điện than có lắp đặt hệ thống thu giữ tăng từ 30% đến 50% so với nhà máy vận hành tiêu chuẩn không thu giữ khí.

Thứ ba, công đoạn vận chuyển bằng đường ống chịu áp suất siêu tới hạn trên quãng đường từ 200 km đến 300 km chỉ tiêu tốn từ 4 đến 6 Euro mỗi tấn, trong khi chi phí bơm ép lưu trữ tại các tầng ngậm nước mặn sâu ở độ sâu 1500 mét dao động từ 4 đến 12 Euro mỗi tấn.

Thứ tư, tiềm năng ứng dụng công nghệ thu hồi khí trong các ngành công nghiệp nặng là rất lớn. Ngành sản xuất xi măng đóng góp khoảng 5% và ngành sản xuất gang thép đóng góp từ 6% đến 7% tổng lượng phát thải toàn cầu. Việc ứng dụng giải pháp hấp thụ kết hợp đóng rắn carbon trong bê tông giúp giảm trên 50% lượng phát thải trực tiếp từ các lò nung clinker.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính dẫn đến chi phí thu giữ cao và hình phạt năng lượng lớn bắt nguồn từ năng lượng nhiệt cần thiết để tái sinh dung môi hấp thụ amine trong tháp giải hấp. Khi so sánh với các nghiên cứu năng lượng tái tạo, công nghệ thu giữ và lưu trữ carbon thể hiện ưu thế vượt trội trong việc duy trì độ ổn định của lưới điện nền mà không đòi hỏi phải thay thế toàn bộ hạ tầng phát điện hiện hữu trị giá hàng nghìn tỷ USD.

Để trực quan hóa các kết quả này, dữ liệu chi phí được biểu diễn thông qua biểu đồ cấu trúc chi phí dạng thác nước, thể hiện rõ khâu thu giữ đóng góp 65%, khâu vận chuyển đóng góp 12% và khâu lưu trữ chiếm 23% tổng ngân sách vận hành. Ngoài ra, bảng ma trận kỹ thuật so sánh giữa ba công nghệ thu giữ khẳng định rằng phương pháp đốt cháy nhiên liệu trong oxy tinh khiết giúp giảm 80% thể tích dòng khí thải cần xử lý, mặc dù chi phí đầu tư ban đầu cho phân xưởng tách khí oxy làm tăng 15% tổng mức đầu tư thiết bị cơ bản.

Đề xuất và khuyến nghị

Thứ nhất, hoàn thiện khung pháp lý và chính sách định giá carbon. Cơ quan quản lý nhà nước và Bộ Tài nguyên Môi trường cần xây dựng quy chuẩn kỹ thuật về an toàn lưu trữ địa chất dài hạn trước năm 2027, đồng thời thiết lập cơ chế định giá carbon với mức sàn tối thiểu 45 Euro cho mỗi tấn khí thải vào năm 2028 nhằm tạo động lực tài chính rõ ràng cho các doanh nghiệp đầu tư.

Thứ tư, tối ưu hóa công nghệ và phát triển dung môi thế hệ mới. Các viện nghiên cứu phối hợp với doanh nghiệp năng lượng đẩy mạnh thử nghiệm các loại vật liệu hấp phụ xốp và màng phân tách chọn lọc nhằm hạ thấp mức suy giảm hiệu suất nhà máy xuống dưới 5 điểm phần trăm trong giai đoạn 2026 đến 2030.

Thứ ba, quy hoạch và xây dựng hạ tầng vận chuyển carbon dùng chung. Tập đoàn Điện lực và Tập đoàn Dầu khí cần chủ trì đầu tư mạng lưới đường ống trục liên vùng kết nối các cụm phát thải công nghiệp tập trung với các bể trầm tích lưu trữ ngoài khơi trước năm 2030, giúp giảm 20% chi phí vận chuyển đơn vị nhờ quy mô kinh tế.

Thứ tư, triển khai các dự án thí điểm tích hợp trong ngành công nghiệp nặng. Bộ Công Thương cần ban hành quy định bắt buộc các dự án xi măng và luyện kim xây mới có quy mô phát thải trên 1 triệu tấn mỗi năm phải sẵn sàng phương án mặt bằng để tích hợp hệ thống thu hồi khí từ năm 2027, hướng tới mục tiêu giảm 30% cường độ phát thải ngành vào năm 2035.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Học viên cao học và nghiên cứu sinh thuộc các chuyên ngành Kỹ thuật Hóa học, Kỹ thuật Năng lượng và Quản lý Môi trường có thể khai thác mô hình toán kinh tế kỹ thuật và phương pháp đánh giá vòng đời làm tài liệu tham khảo cho các nghiên cứu chuyên sâu.

Các chuyên gia hoạch định chính sách khí hậu và phát triển bền vững tại các cơ quan quản lý nhà nước có thể sử dụng các số liệu về chi phí biên giảm phát thải để xây dựng lộ trình cam kết phát thải ròng bằng không và thiết kế thị trường tín chỉ carbon.

Kỹ sư thiết kế, chuyên gia công nghệ tại các tập đoàn năng lượng, dầu khí và sản xuất vật liệu xây dựng sẽ tìm thấy các phân tích định lượng về hiệu suất phân tách khí, áp suất đường ống và độ an toàn cơ học của giếng bơm ngầm để áp dụng vào các dự án chuyển dịch năng lượng.

Các quỹ đầu tư tài chính xanh và giám đốc quản trị bền vững doanh nghiệp có thể sử dụng khung đánh giá rủi ro và các chỉ số kinh tế kỹ thuật trong luận văn để thẩm định tính khả thi thương mại của các dự án công nghệ sạch.

Câu hỏi thường gặp

Công nghệ thu giữ và lưu trữ carbon có thể giúp giảm tối đa bao nhiêu lượng khí thải?

Các hệ thống thu giữ carbon hiện đại được thiết kế để tách và giữ lại từ 85% đến 95% lượng khí carbon dioxide phát sinh từ các nguồn phát thải tĩnh quy mô lớn. Đối với các nhà máy nhiệt điện than và điện khí tiêu chuẩn, hiệu suất thu hồi trung bình đạt 90%, ngăn chặn hàng triệu tấn khí nhà kính đi vào khí quyển mỗi năm.

Tại sao chi phí thu giữ carbon lại chiếm tỷ trọng lớn nhất trong chuỗi giá trị?

Khâu thu giữ chiếm tới 60% đến 70% tổng chi phí do đòi hỏi năng lượng nhiệt rất lớn để tái sinh dung môi hóa học, làm giảm từ 7 đến 12 điểm phần trăm hiệu suất nhà máy. Ngoài ra, việc bổ sung tháp hấp thụ kích thước lớn và hệ thống nén khí áp suất cao đòi hỏi vốn đầu tư thiết bị ban đầu rất cao.

Hoạt động lưu trữ carbon sâu dưới lòng đất có nguy cơ rò rỉ hay không?

Quá trình bơm ép carbon dioxide ở trạng thái siêu tới hạn xuống độ sâu trên 1500 mét tại các tầng ngậm nước mặn sâu được bảo vệ bởi các tầng đá chắn địa chất dày và kín khít. Các cơ chế bẫy cấu trúc, bẫy hòa tan và bẫy khoáng hóa cùng hệ thống cảm biến quan trắc địa chấn liên tục đảm bảo khả năng cô lập khí an toàn trong hàng nghìn năm.

Ngành sản xuất nào có thể tận dụng carbon dioxide sau khi thu giữ?

Bên cạnh lưu trữ địa chất, carbon dioxide tinh khiết có thể phục vụ cho công nghệ thu hồi dầu tăng cường, đóng rắn tăng cường độ chịu lực trong sản xuất bê tông, tổng hợp hóa chất hữu cơ và nuôi trồng vi tảo sản xuất nhiên liệu sinh học, giúp giảm thiểu đáng kể chi phí ròng cho toàn hệ thống.

Việc áp dụng hệ thống thu giữ carbon làm thay đổi giá bán điện như thế nào?

Do phát sinh chi phí đầu tư thiết bị và tiêu hao năng lượng tự dùng cho phân xưởng tách khí, giá thành sản xuất điện quy dẫn tại các nhà máy có lắp đặt hệ thống thu giữ carbon sẽ tăng từ 30% đến 50%. Mức chênh lệch này dự kiến sẽ giảm dần theo thời gian nhờ tiến bộ công nghệ và quy mô mở rộng hạ tầng.

Kết luận

• Công nghệ thu giữ và lưu trữ carbon là giải pháp kỹ thuật cốt lõi giúp loại bỏ tới 90% phát thải từ các nguồn điểm lớn trong giai đoạn chuyển dịch năng lượng.
• Khâu thu giữ carbon là mắt xích chiếm tỷ trọng chi phí cao nhất, đòi hỏi các bước đột phá về dung môi và vật liệu phân tách để giảm bớt hình phạt năng lượng.
• Hệ thống vận chuyển bằng đường ống siêu tới hạn và lưu trữ địa chất tầng ngậm nước mặn sâu đã chứng minh được tính khả thi kỹ thuật và mức chi phí tối ưu.
• Tiềm năng khử carbon trong các ngành sản xuất vật liệu như xi măng và gang thép là rất lớn, đóng góp trực tiếp vào mục tiêu giảm phát thải công nghiệp toàn cầu.
• Luận văn đã xây dựng thành công mô hình phân tích kỹ thuật - kinh tế toàn diện, cung cấp công cụ lượng hóa chi phí chuẩn xác phục vụ công tác ra quyết định đầu tư.

Đóng góp chính của luận văn là hoàn thiện bộ chỉ số phân tích kinh tế kỹ thuật cho toàn chuỗi giá trị thu giữ, vận chuyển và lưu trữ carbon trong điều kiện vận hành công nghiệp. Trong giai đoạn 2026 đến 2030, các bước nghiên cứu tiếp theo cần tập trung vào việc mô phỏng mạng lưới hạ tầng thu gom tích hợp đa nguồn thải và tối ưu hóa vị trí mỏ lưu trữ ngoài khơi. Các đơn vị nghiên cứu và doanh nghiệp quan tâm có thể khai thác các công thức và dữ liệu mô hình trong công trình này để triển khai các dự án thử nghiệm thực tế ngay hôm nay.

Trích đoạn nội dung tài liệu

i Developments and innovation in carbon dioxide (CO2) capture and storage technology © Woodhead Publishing Limited, 2010 ii Related titles: Advanced power plant materials, design and technology (ISBN 978-1-84569-515-6) Fossil-fuel power plants generate the majority of the world’s power, but many plants are ageing and cannot meet rising global energy demands and increasingly stringent emissions criteria. To ensure security and economy of supply, utilities are building a new generation of advanced power plant with increased output and environmental performance. This book initially reviews improved plant designs for efficiency and fuel flexibility, including combined- cycle technology and utilisation of lower-grade feedstocks. Coverage extends to advanced material and component use, and the incorporation of alternative energy conversion technology, such as hydrogen production.

Environmental and emissions performance issues round off the book. Oxy-fuel combustion for power generation and carbon dioxide (CO2) capture (ISBN: 978-1-84569-671-9) Oxy-fuel combustion is a power generation and carbon dioxide (CO2) capture option for advanced power plant in which fuel is burnt in an oxygen-rich environment instead of in air. This allows for a reduction in NOx and SOx emissions as well as producing a high-purity carbon dioxide (CO2) flue gas stream. This high-purity CO2 stream allows for more efficient and economical capture, processing and sequestration.

This book critically reviews the fundamental principles, processes and technology of oxy-fuel combustion, including advanced concepts for its implementation. Details of these and other Woodhead Publishing books can be obtained by:  visiting our web site at www.com  contacting Customer Services (e-mail: [e-mail]; fax: [phone]; tel. 130; address: Woodhead Publishing Limited, Abington Hall, Granta Park, Great Abington, Cambridge CB21 6AH, UK) If you would like to receive information on forthcoming titles, please send your address details to: Francis Dodds (address, tel. and fax as above; e-mail: francis.

Please confirm which subject areas you are interested in. © Woodhead Publishing Limited, 2010 iii Woodhead Publishing Series in Energy: Number 8 Developments and innovation in carbon dioxide (CO2) capture and storage technology Volume 1: Carbon dioxide (CO2) capture, transport and industrial applications Edited by M. Mercedes Maroto-Valer CRC Press Boca Raton Boston New York Washington, DC Woodhead publishing limited Oxford    Cambridge    New Delhi © Woodhead Publishing Limited, 2010 iv Published by Woodhead Publishing Limited, Abington Hall, Granta Park, Great Abington, Cambridge CB21 6AH, UK www.com Woodhead Publishing India Private Limited, G-2, Vardaan House, 7/28 Ansari Road, Daryaganj, New Delhi – 110002, India www.com Published in North America by CRC Press LLC, 6000 Broken Sound Parkway, NW, Suite 300, Boca Raton, FL 33487, USA First published 2010, Woodhead Publishing Limited and CRC Press LLC © Woodhead Publishing Limited, 2010 The authors have asserted their moral rights. This book contains information obtained from authentic and highly regarded sources.

Reprinted material is quoted with permission, and sources are indicated. Reasonable efforts have been made to publish reliable data and information, but the author and the publishers cannot assume responsibility for the validity of all materials. Neither the author nor the publishers, nor anyone else associated with this publication, shall be liable for any loss, damage or liability directly or indirectly caused or alleged to be caused by this book. Neither this book nor any part may be reproduced or transmitted in any form or by any means, electronic or mechanical, including photocopying, microfilming and recording, or by any information storage or retrieval system, without permission in writing from Woodhead Publishing Limited.

The consent of Woodhead Publishing Limited does not extend to copying for general distribution, for promotion, for creating new works, or for resale. Specific permission must be obtained in writing from Woodhead Publishing Limited for such copying. Trademark notice: Product or corporate names may be trademarks or registered trademarks, and are used only for identification and explanation, without intent to infringe. British Library Cataloguing in Publication Data A catalogue record for this book is available from the British Library.

Library of Congress Cataloging in Publication Data A catalog record for this book is available from the Library of Congress. Woodhead Publishing ISBN 978-1-84569-533-0 (book) Woodhead Publishing ISBN 978-1-84569-957-4 (e-book) CRC Press ISBN 978-1-4398-3099-4 CRC Press order number: N10185 The publishers’ policy is to use permanent paper from mills that operate a sustainable forestry policy, and which has been manufactured from pulp which is processed using acid-free and elemental chlorine-free practices. Furthermore, the publishers ensure that the text paper and cover board used have met acceptable environmental accreditation standards. Cover image © BCS Creative, 88–90 North Sherwood Street, Nottingham NG1 4EE, UK, www.uk Typeset by Replika Press Pvt Ltd, India Printed by TJ International Limited, Padstow, Cornwall, UK © Woodhead Publishing Limited, 2010 v Contents Contributor contact details xiii Woodhead Publishing Series in Energy xvii Foreword by Lord Oxburgh xix 1 Overview of carbon dioxide (CO2) capture and storage technology 1 S.

Mercedes Maroto-Valer, University of Nottingham, UK 1.2 Greenhouse gas emissions and global climate change 2 1.3 Carbon management and stabilisation routes 8 1.4 Development and innovation in carbon dioxide (CO2) capture and transport technology 11 1.5 Development and innovation in carbon dioxide (CO2) storage and utilisation technology 17 1.7 Sources of further information and advice 20 1.9 References 22 Part I Carbon dioxide (CO2) capture and storage economics, regulation and planning 2 Techno-economic analysis and modeling of carbon dioxide (CO2) capture and storage (CCS) technologies 27 J. Johnson, University of California Davis, USA 2.2 Carbon dioxide (CO2) capture 31 © Woodhead Publishing Limited, 2010 vi Contents 2.3 Carbon dioxide (CO2) transport 36 2.4 Carbon dioxide (CO2) injection 44 2.5 Carbon dioxide (CO2) capture and storage (CCS) system modeling 56 2.7 References 61 3 Regulatory and social analysis for the legitimation and market formation of carbon dioxide (CO2) capture and storage technologies 64 H. de Best-Waldhober and H. Groenenberg, Energy research Centre of the Netherlands (ECN), the Netherlands 3.2 Technological maturity and the carbon dioxide (CO2) capture and storage (CCS) innovation system 67 3.3 Legitimation: results and gaps in social scientific research regarding public perception and participation 74 3.4 Market formation and direction of search: an enabling regulatory framework for carbon dioxide (CO2) capture and storage (CCS) in the EU 80 3.5 Implementation outlook for carbon dioxide (CO2) capture and storage (CCS) technologies 86 3.6 Sources of further information and advice 88 3.7 References 88 4 Energy supply planning for the introduction of carbon dioxide (CO2) capture technologies 93 A.

Douglas, University of Waterloo, Canada 4.1 The emerging energy challenge and a case from Ontario, Canada 93 4.2 Overview of supply technologies and carbon capture and storage 98 4.4 Energy conservation strategy 113 4.6 Illustrative case study 124 4.8 References 151 © Woodhead Publishing Limited, 2010 Contents vii Part II Post- and pre-combustion processes and technology for carbon dioxide (CO2) capture in power plants 5 Advanced absorption processes and technology for carbon dioxide (CO2) capture in power plants 155 U. Desideri, Università degli Studi di Perugia, Italy 5.3 Description of the technology 161 5.4 Advancements in the technologies 166 5.5 Advantages and disadvantages 170 5.6 Applications and future trends 172 5.8 References 180 6 Advanced adsorption processes and technology for carbon dioxide (CO2) capture in power plants 183 R. Davidson, IEA Clean Coal Centre, UK 6.2 Mesoporous and microporous adsorbents 184 6.5 Sources of further information and advice 197 6.7 References 198 7 Advanced membrane separation processes and technology for carbon dioxide (CO2) capture in power plants 203 A. Iulianelli, Italian National Research Council, Italy, F.

Gallucci, University of Twente, the Netherlands, P. Morrone, University of Calabria, Italy 7.2 Cryogenic carbon dioxide (CO2) capture 208 7.3 Performance of membrane systems 213 7.4 Carbon dioxide (CO2) membrane materials and design 216 7.6 Comparing membrane modules 223 7.7 Design for power plant integration 225 7.9 Future trends and conclusions 234 7.10 Sources of further information and advice 236 7.11 References 238 © Woodhead Publishing Limited, 2010 viii Contents 8 Gasification processes and synthesis gas treatment technologies for carbon dioxide (CO2) capture 243 C. Higman, Higman Consulting GmbH, Germany 8.4 Building blocks for complete systems 261 8.5 Power plant as an example for a complete system 270 8.6 Advantages and limitations 273 8.8 Sources of further information and advice 277 8.9 References 278 Part III Advanced combustion processes and technology for carbon dioxide (CO2) capture in power plants 9 Oxyfuel combustion systems and technology for carbon dioxide (CO2) capture in power plants 283 P. Mathieu, University of Liège, Belgium 9.2 Basic principles of oxyfuel combustion 285 9.3 Technologies and potential applications 287 9.4 Advantages and limitations 307 9.6 References 315 10 Advanced oxygen production systems for power plants with integrated carbon dioxide (CO2) capture 320 S.

van den Brink and W. Haije, Energy research Centre of the Netherlands, the Netherlands 10.2 Technologies for air separation 322 10.3 Oxygen selective membrane technology for oxyfuel power plants 326 10.4 Power generation systems integrated with oxygen selective membrane (OSM) units 331 10.5 Advantages and limitations 347 10.7 Sources of further information and advice 352 10.9 References 354 © Woodhead Publishing Limited, 2010 Contents ix 11 Chemical-looping combustion systems and technology for carbon dioxide (CO2) capture in power plants 358 E. Anthony, CANMET Energy Technology Centre-Ottawa, Canada 11.3 Technologies and potential applications 362 11.4 Advantages and limitations of chemical-looping combustion (CLC) for natural gas and syngas 364 11.5 Hydrogen manufacture using chemical-looping combustion (CLC) 366 11.6 The use of chemical-looping combustion (CLC) technology with solid fuels 368 11.7 The CaS–CaSO4 system 371 11.9 Sources of further information and advice 374 11.10 References 374 Part IV Carbon dioxide (CO2) compression, transport and injection processes and technology 12 Gas purification, compression and liquefaction processes and technology for carbon dioxide (CO2) transport 383 A. Aspelund, The Norwegian University of Science and Technology, Norway 12.2 Selection of transport pressures 385 12.3 Carbon dioxide (CO2) quality recommendations for transport in pipelines and by ship 386 12.4 Overview and basic building blocks in carbon dioxide (CO2) transport processes 387 12.6 The interface between capture and transport 400 12.7 Ship to pipeline and pipeline to ship processes 402 12.9 Future trends and future work 404 12.12 References 405 © Woodhead Publishing Limited, 2010 x Contents 13 Infrastructure and pipeline technology for carbon dioxide (CO2) transport 408 P.

Downie, Newcastle University, UK 13.2 Carbon dioxide (CO2) phase properties 409 13.3 Transport of carbon dioxide (CO2) by pipeline 414 13.4 Transport of carbon dioxide (CO2) by ship 423 13.6 Large-scale transport infrastructure 425 13.8 Future trends and future work 429 13.10 Sources of further information and advice 430 13.12 References 431 14 Carbon dioxide (CO2) injection processes and technology 435 S. Flach, DNV – Research and Innovation, Norway 14.2 Underground fluid injection 436 14.3 Analogues for carbon dioxide (CO2) storage and best practices from other sectors 437 14.4 Injection well technologies 438 14.5 Controlling parameters for carbon dioxide (CO2) injectivity 441 14.6 Carbon dioxide (CO2) injection in different storage formations 449 14.7 Carbon dioxide (CO2) injection field operations 451 14.8 Injection of carbon dioxide (CO2) and well integrity 453 14.9 Technologies for monitoring injection well integrity 459 14.11 Sources of further information and advice 462 14.13 References 463 Part V Industrial applications of carbon dioxide (CO2) capture and storage technology 15 Carbon dioxide (CO2) capture and storage technology in the cement and concrete industry 469 S. Ghoshal, McGill University, Canada, F. Zeman, New York Institute of Technology, USA 15.1 Introduction 469 © Woodhead Publishing Limited, 2010 Contents xi 15.3 Capture of carbon dioxide (CO2) from cement plants 472 15.4 Accelerated carbon dioxide (CO2) curing of concrete 479 15.7 Sources of further information and advice 488 15.8 References 489 16 Carbon dioxide (CO2) capture and storage technology in the iron and steel industry 492 J-P.

Birat, Arcelor Mittal, France 16.2 Carbon dioxide (CO2) emissions of the steel sector 493 16.3 Strategies to control carbon dioxide (CO2) emissions from the steel sector 497 16.4 Carbon capture and storage (CCS) for the steel sector 503 16.5 Carbon dioxide (CO2) capture technologies for the steel sector 504 16.6 Carbon dioxide (CO2) storage for the steel sector 509 16.