CHƯƠNG 1. Thu hồi và lưu trữ Carbon (CCS) 1. Thực trạng Theo International Energy Agency (IEA), lượng phát thải CO2 toàn cầu liên quan đến năng lượng đã tăng 1,1% vào năm 2023, vào khoảng 410 triệu tấn (Mt) để đạt mức cao kỷ lục mới là 37,4 tỷ tấn (Gt) CO2. Trong đó, khí thải từ than đá chiếm hơn 65% mức tăng trong năm 2023.
Tổng lượng phát thải CO2 liên quan đến năng lượng từ năm 1900 đến năm 2023 (đơn vị: tỷ tấn) [1] Xét ở góc độ tích cực, lượng khí thải CO2 từ năm 2019 đến năm 2023 đáng ra phải gấp 3 lần so với thực tế, nếu không có sự triển khai vận hành nhanh chóng các công nghệ năng lượng sạch (năng lượng mặt trời, năng lượng gió, năng lượng hạt nhân, máy 1 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP BẠCH NGỌC NGUYỄN DUY bơm nhiệt và ô tô điện), nhờ vào các gói kích thích trong và sau thời kỳ dịch Covid-19. Công suất điện toàn cầu của năng lượng gió và năng lượng mặt trời đạt mức kỷ lục gần 540 GW vào năm 2023, tăng 75% so với năm 2022. Trong khi đó, doanh số bán ô tô điện toàn cầu tăng lên khoảng 14 triệu chiếc, mức tăng 35% so với năm 2022. Điều đó cho thấy năng lượng sạch đang có tác động đáng kể đến quỹ đạo phát thải CO2 toàn cầu.
Tổng lượng phát thải CO2 theo từng khu vực từ năm 2000 đến năm 2023 [1] Tuy nhiên, những đóng góp của các nguồn năng lượng sạch và các công nghệ mới không thể ngăn cản một sự thật rằng lượng phát thải CO2 vẫn không ngừng tăng và tăng với tốc độ ổn định bởi 2 yếu tố không thể tránh khỏi: sự biến đổi khí hậu toàn cầu và sự phục hồi kinh tế hậu Covid. Chỉ xét riêng năm 2023, Trái Đất ghi nhận mức nhiệt độ cao kỷ lục và vẫn chưa dừng lại, dẫn đến nhu cầu năng lượng cho hệ thống làm mát cực kỳ cao, nhất là những quốc gia nhiệt đới và dân số đông. Nhu cầu đó đồng thời cũng tăng trưởng mạnh khi quá trình lao động và làm việc của người dân ngày càng được đẩy mạnh về khối lượng và hiệu suất công việc để vực dậy các ngành công nghiệp, dịch vụ, du 2 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP BẠCH NGỌC NGUYỄN DUY lịch,… như thời kỳ trước đại dịch. Tại các nước đang phát triển, nhu cầu sử dụng than đá và nhiên liệu hóa thạch vẫn là bất khả kháng và là nguồn cung năng lượng chính, dẫn đến gần 70% lượng phát thải CO2 từ phát sinh năng lượng toàn cầu là do than đó gây ra.
Theo kế hoạch thực hiện mục tiêu net-zero đến năm 2050, cần phải thực hiện việc giảm phát thải ròng xuống mức 0 thông qua việc thay đổi toàn bộ chuỗi cung ứng của tất cả doanh nghiệp để cắt giảm lượng khí thải carbonic hoàn toàn, đồng thời phải kiểm soát được mức tăng nhiệt toàn cầu dưới 2oC. Điều kiện đầu tiên mang tính vĩ mô bởi đó là bài toán chung của tất cả các doanh nghiệp với sự kiểm soát, hỗ trợ và giúp đỡ của chính quyền tất cả các nước, có thể xem là tham vọng phức tạp và cần có chiến lược dài hạn. Với điều kiện thứ hai, việc kiểm soát sự nóng lên toàn cầu thực tế đã và đang được triển khai ngày càng rộng rãi, với những tiến bộ đáng kể trong việc kiểm soát nguồn phát thải khí nhà kính, nhất là nguồn khí carbonic, cho thấy nỗ lực đáng ghi nhận trong nhiều năm qua. Theo IEA, thu hồi và lưu trữ CO2 (CCS) là bước tạo tiền đề để đạt được mục tiêu net-zero một cách hiệu quả, là động lực thứ ba sau hiệu suất sử dụng năng lượng và phát triển năng lượng tái tạo.
Trong Kịch bản net-zero vào năm 2050 của IEA, 5,9 tỷ tấn CO2 thu được sẽ được lưu trữ hàng năm từ năm 2050. Tuy nhiên, các phát triển về công nghệ lưu trữ CO2 (CO2 storage) trên toàn cầu vẫn còn tụt hậu so với công nghệ thu hồi (CO2 capture), trong khi muốn loại bỏ được lượng khí thải carbonic cho mục tiêu net-zero đòi hỏi phải lưu trữ được CO2. Do đó, kế hoạch net-zero lộ trình đến năm 2050 vẫn là một chặng đường dài đầy thử thách đối với không chỉ khoa học công nghệ mà còn của toàn nhân loại. 3 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP BẠCH NGỌC NGUYỄN DUY Hình 1.
Công suất của các dự án thu hồi CO2 quy mô lớn hiện tại theo kế hoạch so với Kịch bản Net-zero, 2020 – 2030 [2] 1. Quy trình CCS hiện nay Chuỗi CCS bao gồm các công đoạn: thu hồi CO2, vận chuyển và lưu trữ hoặc tận dụng. Thông thường CO2 được tái sử dụng trực tiếp để sản xuất Ure cho ngành công nghiệp phân bón hoặc tăng độ thu hồi khi khai thác dầu mỏ. Trong khi đó, việc lưu trữ CO2 chủ yếu là quá trình chôn sâu dưới các tầng địa chất gần bờ (hang động, mảng địa chất giàu khoáng,…) hoặc xa bờ (các bể dầu, khí đã khai thác).
Công nghệ thu hồi CO2 được nghiên cứu và triển khai vận hành rộng rãi nhất, ứng dụng ngay tại các nguồn phát thải tĩnh cỡ vừa hoặc lớn, với khả năng thu hồi trên 90% 4 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP BẠCH NGỌC NGUYỄN DUY lượng CO2 từ khí thải. Hiện tại, khoảng 65% công suất thu hồi CO2 đang hoạt động là tại các nhà máy chế biến khí đốt tự nhiên, nơi có chi phí vận hành thấp nhất, nhưng việc áp dụng rộng rãi các mục tiêu phi cacbon hóa đến năm 2050 đang thúc đẩy sự đa dạng hóa các công nghệ thu giữ CO2 sang các lĩnh vực khác, bao gồm các ngành công nghiệp khó giảm thiểu, lĩnh vực điện, sản xuất hydro và amoniac phát thải thấp và loại bỏ carbon dioxide trực tiếp trong khí quyển. Năm 2024, nhà máy Mammoth – nhà máy thu hồi CO2 trực tiếp từ không khí lớn nhất thế giới – đi vào hoạt động, đặt những cột mốc quan trọng để đánh dấu những tiến bộ công nghệ trong việc xử lý các nguồn phát thải CO2 khác nhau, thể hiện quyết tâm hiện thực hóa và khả thi hóa mục tiêu net-zero toàn cầu. Sơ đồ quy trình CCS hiện nay 1.
Thách thức và tiềm năng Công nghệ thu hồi CO2 là mắt xích quan trọng để xử lý được hầu hết các nguồn phát thải khí đang đưa ra môi trường. Nếu muốn đạt được mức net-zero thì mục tiêu rõ ràng nhất là phải cải thiện được hiệu suất thu hồi CO2 lên tỉ lệ cao nhất với mức chi phí thấp nhất. Đối với các công nghệ thu hồi trực tiếp ở nhà máy công nghiệp, hầu như không có rào cản nào trong việc giữ tỉ lệ thu hồi 90% kể cả giai đoạn trong khi đốt và sau khi đốt. Tuy nhiên, để nâng tỉ lệ thu hồi lên 98% đòi hỏi cần lượng lớn thiết bị, các bước xử lý và tiêu hao năng lượng nhiều hơn, dẫn đến chi phí vận hành tăng cao.
Công nghệ thu hồi trực tiếp từ không khí (Direct Air Capture – DAC) lại càng đắt đỏ hơn, bởi lượng 5 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP BẠCH NGỌC NGUYỄN DUY CO2 trong khí quyển loãng hơn nhiều so với trong nguồn khí thải. Chi phí vận hành quá tốn kém so với hiệu quả thực tế sẽ là trở ngại lớn nhất để việc áp dụng các công nghệ tiên tiến này có thể đi vào thực tiễn và khai thác toàn cầu. Hiện nay, các công nghệ xử lý CO2 bằng cách phân tách vật lý và thu hồi thông qua hấp phụ vật lý hay hóa học có thể xem là tối ưu và phổ biến nhất. Ở các nhà máy công nghiệp hoặc nhà máy điện, các hệ thống xử lý CO2 khác nhau (hấp phụ xoay áp – PSA, hấp phụ xoay nhiệt – TSA, công nghệ màng,…) được thêm vào quy trình vận hành và đạt được hiệu suất thu hồi cao với chi phí ngày càng được cải thiện nhờ những nỗ lực cải tiến không ngừng.
Việc tìm ra các vật liệu hoặc nhân tố phù hợp cho từng quá trình, điều kiện vận hành khác nhau là vô cùng quan trọng để giải quyết bài toán kinh tế về chi phí năng lượng, vốn phải là thứ phải được gỡ bỏ đầu tiên để có thể hướng tới vận hành vì chính vấn đề năng lượng và môi trường. Zeolite Đã hơn 250 năm kể từ khi zeolite lần đầu được biết đến và hơn 60 năm từ khi mẫu zeolite tổng hợp đầu tiên được công bố, mặt trận nghiên cứu và ứng dụng zeolite vào công nghiệp lẫn đời sống vẫn ngày càng sôi nổi, khẳng định vai trò hết sức quan trọng của zeolite trong ngành công nghệ xúc tác nói chung và vai trò của nó trong công nghệ xử lý khí thải/môi trường nói riêng. Giới thiệu Zeolite là một đại diện nổi bật của nhóm vật liệu “rây phân tử” – bên cạnh than hoạt tính, thuỷ tinh thiên nhiên, oxide kim loại,… Rây phân tử là các vật liệu rắn chứa các lỗ xốp bên trong với kích thước lỗ vào khoảng kích thước phân tử, nằm trong khoảng đường kính từ 0. Các vật liệu rây phân tử có khả năng sàng lọc các phân tử khác nhau bằng cách giữ lại phân tử có kích thước lớn hơn và cho phân tử có kích thước nhỏ hơn đi qua.
Thực tế, hầu hết các rây phân tử sử dụng hiện nay là zeolite do nó 6 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP BẠCH NGỌC NGUYỄN DUY có dạng tinh thể với không gian đồng đều của các khoang lỗ tạo bởi chính cấu trúc tinh thể của nó. Cấu tạo cơ bản của zeolite là tinh thể aluminumsilicate của các nguyên tố nhóm IA và IIA, như Na, K, Ca, Mg,… Công thức hoá học tổng quát mô tả cấu tạo của zeolite là: 𝑀2/𝑛 𝑂. 𝑦𝐻2 𝑂 trong đó: n là hoá trị của cation M, x là tỉ số SiO2/Al2O3, nằm trong khoảng từ 2 – 200, y là số phân tử nước chứa trong các khoảng trống của phân tử zeolite. Về mặt cấu trúc không gian, zeolite giống như một phân tử polymer vô cơ có dạng tinh thể và vô cùng phức tạp dựa trên khung liên kết ba chiều mở rộng vô hạn của các tứ diện AlO4 và SiO4 liên kết với nhau bằng cách chia sẻ ion oxy.
Các tứ diện AlO4 và SiO4 là các đơn vị cấu tạo sơ cấp (Primary Building Units – PBUs) của zeolite. Cấu trúc cơ bản của zeolite. Do mỗi tứ diện AlO4 mang một điện tích âm nên cần trung hoà bằng một cation bù trừ điện tích khung. Các cation này nằm ngoài mạng lưới tinh thể và liên kết với khung zeolite bằng liên kết ion.
Vì vậy, các cation này có thể được trao đổi với các cation khác mà không làm ảnh hưởng đến cấu trúc tinh thể của zeolite.