Hình 1. Quy trình Công nghệ thu hồi và lưu giữ cacbon (nguồn: the Global CCS Institute)

Công nghệ thu hồi và lưu giữ cacbon là gì?

Công nghệ thu hồi và lưu giữ cacbon (Carbon Capture and Storage - CCS) dùng để chỉ nhóm các công nghệ được sử dụng nhằm thu hồi khí thải cacbon từ các nguồn phát thải lớn như các nhà máy sản xuất công nghiệp, nhà máy nhiệt điện,… và vận chuyển lượng khí thải này tới điểm lưu trữ lâu dài an toàn.

Các lựa chọn chính để lưu trữ CO2 là các tầng địa chất sâu dưới lòng đất, một số khu vực dưới đáy các đại dương hoặc các bể chứa dầu khí đã cạn kiệt. CO2 có thể được ứng dụng cho giải pháp tăng khả năng thu hồi dầu (Enhanced Oil Recovery - EOR) bằng cách bơm CO2 vào các mỏ dầu sắp cạn kiệt giúp áp suất của mỏ dầu được tăng lên, mật độ và độ nhớt của dầu giảm. Tương tự, CO2 có thể được sử dụng để tăng cường sản xuất khí than và mêtan trong các mỏ than.

Hình 2. Các lựa chọn địa điểm lưu giữ cacbon (nguồn: the Global CCS Institute)

Có ba phương pháp chính để thu hồi CO2 bao gồm: Thu hồi CO2 trước quá trình đốt nhiên liệu; thu hồi CO2 sau khi đốt nhiên liệu và thu hồi CO2 bằng cách đốt nhiên liệu với Oxi.

Tương ứng với ba phương pháp trên, nhiều công nghệ đã được nghiên cứu và ứng dụng, như sử dụng các dung môi, chất hấp thụ, hấp phụ; sử dụng màng phân tách CO2; sử dụng phương pháp ngưng tụ hơi nước,… Các công nghệ này đã được phát triển trong thời gian dài và chứng minh được tính hiệu quả.

Công nghệ hấp thụ cacbon bằng dung dịch hỗn hợp amin là công nghệ xuất hiện sớm nhất và được sử dụng trong phương pháp thu hồi cacbon sau đốt nhiên liệu. Công nghệ này đã được chứng minh có thể thu hồi khoảng 95% CO2 (và đôi khi cao hơn) ở quy mô thương mại. Hạn chế lớn nhất của công nghệ này là tiêu tốn nhiều năng lượng, chi phí đầu tư cao.[1]

Các công nghệ sử dụng quy trình lạnh để thu giữ cacbon sau quá trình cháy cũng đang thu hút sự quan tâm của một số tổ chức. Công nghệ này cần một lượng năng lượng đáng kể để làm mát khí thải xuống khoảng -85 đến -90 độ C, giúp giảm 98% thể tích và tạo ra quá trình chuyển pha của khí CO2 để loại bỏ khỏi khí thải.

Đối với công nghệ lọc cacbon qua màng, CO2 liên kết với màng lọc và được giải phóng vào bộ phận lưu trữ khi bão hòa. Quá trình này đòi hỏi áp suất cao và hoạt động tốt nhất trong điều kiện có nồng độ CO2 cao. Yêu cầu năng lượng phụ trợ không cao, tuy nhiên tỷ lệ thu giữ cacbon có phần thấp hơn, dao động trong khoảng từ 60% đến 80%.

Tình hình ứng dụng CCS trên thế giới

Theo Viện CCS Toàn cầu, số lượng dự án thu hồi và lưu trữ cacbon đang hoạt động có xu hướng tăng lên đáng kể ở một số lĩnh vực công nghiệp nặng. Nhiều dự án có công suất lớn đang được phát triển ở Bắc Mỹ, Đông Nam Á và Vương quốc Anh. Tại Hoa Kỳ, các biện pháp khuyến khích hỗ trợ đang được triển khai nhằm thúc đẩy quá trình thu giữ cacbon trên nhiều lĩnh vực công nghiệp.

Tính đến Quý II/2023, có 37 cơ sở CCS quy mô lớn đang hoạt động, 20 cơ sở đang được xây dựng và khoảng 200 dự án đang trong các giai đoạn phát triển khác nhau. Tổng khối lượng cacbon được loại bỏ mỗi năm bởi các cơ sở đang vận hành là vào khoảng 50,6 triệu tấn CO2[2]. Hầu hết các cơ sở hoạt động được đặt tại Hoa Kỳ và Canada và được kết nối với các hoạt động EOR (thu hồi dầu tăng cường).

Một số dự án CSS nổi bật

Dự án CCS Petra Nova là một trong những cơ sở thu hồi và lưu trữ carbon (CCS) đầu tiên được đưa vào vận hành thương mại trên thế giới. Dự án được thiết kế để loại bỏ hơn 90% lượng khí CO2 từ khói thải của một tổ máy phát điện đốt than công suất 650 MW thuộc trung tâm điện lực W.A. Parish ở Texas, Hoa Kỳ. Dự án có chi phí khoảng 1 tỷ USD, trong đó gồm khoản tài trợ 190 triệu USD từ Chính phủ Hoa Kỳ và khoản vay 250 triệu USD từ Chính phủ Nhật Bản.

Petra Nova được bắt đầu hoạt động vào tháng 01/2017, sử dụng công nghệ hấp thụ cacbon bằng dung dịch hỗn hợp amin. Lượng CO2 thu được được nén khô và vận chuyển qua đường ống dài 130 km đến mỏ dầu West Ranch ở Quận Jackson, Texas để ứng dụng cho giải pháp tăng cường thu hồi dầu (EOR).

Hình 3. Cơ sở CCS Petra Nova (nguồn: NRG)

Trong thời gian ba năm thử nghiệm, dự án đã thu hồi hơn 3,5 triệu tấn CO2, chiếm 92,4% lượng CO2 từ dòng khí thải có công suất ước tính 240MW. Lượng CO2 này cũng giúp sản lượng tại mỏ dầu West Ranch vượt mức 4,2 triệu thùng dầu.

Sau khi phải tạm dừng từ tháng 5/2020 do sự sụt giảm giá dầu và điện cũng như do đại dịch COVID-19, dự án đã được khởi động lại hoạt động vào ngày 5/9/2023.

Công ty điện lực Thung lũng Tennessee (TVA), Hoa Kỳ và công ty TC Energy đang đầu tư 1,25 triệu USD để nghiên cứu áp dụng thu hồi cacbon cho hai nhà máy điện tuabin khí chu trình hỗn hợp Ackerman công suất 705 MW và nhà máy Paradise với công suất 1.000 MW ở Mississippi và Kentucky.

Công ty Nghiên cứu Công nghệ Màng lọc (MTR) có trụ sở tại Hoa Kỳ đã bắt đầu xây dựng một dự án thí điểm thu giữ CO2 từ nhà máy nhiệt điện đốt than Dry Fork, sử dụng công nghệ màng polyme Polaris độc quyền để thu giữ hơn 150 tấn CO2 mỗi ngày. Công nghệ này thực hiện việc phân tách CO2 thụ động qua màng polyme bằng cách sử dụng sự chênh lệch áp suất do máy thổi và máy bơm cung cấp. Công ty cho biết quy trình thu giữ cacbon của họ không sử dụng hóa chất, cần ít nước và chạy hoàn toàn bằng điện. Điều này giúp phương pháp thu giữ cacbon của MTR sạch hơn so với các phương pháp thu giữ cacbon dựa trên dung môi thông thường. Trước tiên dự án sẽ được thử nghiệm tại Trung tâm Thử nghiệm Tích hợp Wyoming (ITC), một cơ sở thử nghiệm thu giữ và sử dụng cacbon tại nhà máy Dry Fork ở Gillette, Wyoming.

Dự án này là một phần của chương trình thu hồi cacbon thí điểm quy mô lớn của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ hỗ trợ phát triển các công nghệ nhằm nâng cao hiệu quả, giảm chi phí, giảm phát thải và bảo vệ môi trường của công nghệ thu hồi cacbon. Dự kiến khi đi vào hoạt động vào năm 2024, dự án sẽ là hệ thống thu hồi CO2 sử dụng màng lọc lớn nhất trên thế giới.

Các thách thức và cơ hội

Để đưa các hệ thống CCS vào vận hành thương mại vẫn còn nhiều thách thức như chi phí đầu tư và vận hành bảo trì cao, việc vận chuyển và lưu trữ CO2 cũng gây tốn kém chi phí và đòi hỏi phải phát triển cơ sở hạ tầng tương ứng. Các hệ thống CCS cũng tiêu tốn một lượng lớn năng lượng cho các biện pháp thu hồi và vận chuyển CO2.

Theo tạp chí Gas Turbine World [6], khi ứng dụng hệ thống thu hồi cacbon ở nhà máy điện tuabin khí chu trình hỗn hợp (TBKHH) sẽ làm tăng gấp đôi chi phí đầu tư nhà máy điện, tăng gấp đôi mặt bằng nhà máy (nhà máy thu hồi cacbon có diện tích gần bằng nhà máy điện TBKHH), làm giảm đáng kể hiệu suất và công suất nhà máy điện TBKHH (giảm hiệu suất khoảng 9%, giảm công suất khoảng 10-15%).

Hình 4. Mặt bằng bố trí nhà máy điện TBKHH và nhà máy thu giữ cacbon [6]

Bên cạnh những thách thức này, các công nghệ giảm phát thải CO₂ vẫn đang tiếp tục được nghiên cứu và phát triển trên thế giới với kỳ vọng sẽ có được giải pháp hiệu quả về mặt kỹ thuật và kinh tế được đưa vào vận hành thương mại trong tương lai gần. Việc sử dụng các vật liệu tiên tiến trong công nghệ thu giữ như khung kim loại-hữu cơ (MOF) và màng lọc cacbon đang cho thấy tiềm năng giảm chi phí và nâng cao hiệu quả thu giữ CO2. Ngoài ra, những tiến bộ trong công nghệ đường ống và kỹ thuật lưu trữ địa chất đang giúp việc vận chuyển và lưu trữ CO2 trở nên dễ dàng và tiết kiệm chi phí hơn. Ứng dụng các công nghệ tự động hóa, cảm biến giám sát thời gian thực cũng giúp giảm thiểu những thách thức mang tính hệ thống, quản lý rủi ro và tránh thời gian ngừng hoạt động ngoài dự kiến của hệ thống CCS.

Với những tiến bộ công nghệ đầy hứa hẹn nêu trên, CCS đang được các quốc gia thúc đẩy phát triển mạnh mẽ nhằm nhanh chóng đưa vào ứng dụng thương mại, góp phần đảm bảo đạt được mục tiêu phát thải ròng bằng 0 vào năm 2050.

Lược dịch và tổng hợp: Phạm Đức Trung

Tài liệu tham khảo:

[1] Power Engineering. Get ready for a new era of carbon capture at power plants. https://www.power-eng.com/emissions/get-ready-for-a-new-era-of-carbon-capture-at-power-plants/#gref

[2] The Global CCS Institute. Q2 2023: CCS Facilities Update. https://www.globalccsinstitute.com/news-media/latest-news/q2-2023-ccs-facilities-update/

[3] Power Engineering. TVA to study carbon capture at two natural gas-fired plants. https://www.power-eng.com/news/tva-to-study-carbon-capture-at-two-natural-gas-fired-plants/#gref

[4] Power Magazine. Petra Nova, Pioneering Power Plant Carbon Capture Unit, Is Up and Running Again, says JX Nippon. https://www.powermag.com/petra-nova-pioneering-power-plant-carbon-capture-unit-is-up-and-running-again-says-jx-nippon/

[5] Power Engineering. Membrane-based carbon capture pilot under construction at Wyoming coal plant. https://www.powerengineeringint.com/gas-oil-fired/emissions-control/membrane-based-co2-capture-pilot-now-under-construction-at-wyoming-coal-plant/

[6] Gas Turbine World. 2022 GTW Handbook, Volume 37.