Công nghệ Thu giữ, Sử dụng và Lưu trữ Carbon (CCUS)

Trong bối cảnh biến đổi khí hậu ngày càng nghiêm trọng, công nghệ Thu giữ, Sử dụng và Lưu trữ Carbon (CCUS – Carbon Capture, Utilization, and Storage) đã nổi lên như một giải pháp chiến lược để giảm phát thải khí nhà kính, đặc biệt là CO₂, từ các ngành công nghiệp nặng và năng lượng. CCUS không chỉ giúp giảm lượng CO₂ thải ra môi trường mà còn tạo cơ hội để tái sử dụng khí này trong các ứng dụng công nghiệp, từ sản xuất nhiên liệu đến hóa chất, đồng thời lưu trữ an toàn dưới lòng đất để ngăn chặn tác động đến khí quyển. Với vai trò quan trọng trong việc đạt được mục tiêu phát thải ròng bằng không (net-zero) vào năm 2050, CCUS đang nhận được sự quan tâm mạnh mẽ từ các chính phủ, doanh nghiệp và cộng đồng khoa học trên toàn cầu.

Bài viết này sẽ cung cấp cái nhìn toàn diện về công nghệ CCUS, bao gồm các khía cạnh kỹ thuật, ứng dụng thực tiễn, triển vọng thị trường, thách thức và giải pháp.

Phần 1: Tổng quan về Công nghệ CCUS

1.1 CCUS là gì?

CCUS là một tập hợp các công nghệ được thiết kế để thu giữ khí CO₂ từ các nguồn phát thải lớn, vận chuyển nó đến các địa điểm sử dụng hoặc lưu trữ, và cuối cùng sử dụng CO₂ trong các ứng dụng công nghiệp hoặc lưu trữ an toàn dưới lòng đất. CCUS bao gồm bốn giai đoạn chính:

  1. Thu giữ CO₂ (Capture): Tách CO₂ từ khí thải công nghiệp, nhà máy điện, hoặc trực tiếp từ không khí.
  2. Vận chuyển CO₂ (Transportation): Chuyển CO₂ từ nơi thu giữ đến nơi sử dụng hoặc lưu trữ thông qua đường ống, tàu biển, hoặc xe bồn.
  3. Sử dụng CO₂ (Utilization): Chuyển hóa CO₂ thành các sản phẩm có giá trị như nhiên liệu, hóa chất, hoặc vật liệu xây dựng.
  4. Lưu trữ CO₂ (Storage): Lưu trữ CO₂ trong các thành hệ địa chất dưới lòng đất để ngăn chặn phát thải vào khí quyển.

CCUS đặc biệt quan trọng đối với các ngành công nghiệp khó khử carbon (hard-to-abate), như sản xuất xi măng, thép, hóa chất, và nhiệt điện, nơi các giải pháp thay thế như năng lượng tái tạo hoặc điện khí hóa khó có thể thay thế hoàn toàn.

1.2 Vai trò của CCUS trong giảm phát thải toàn cầu

Theo kịch bản phát triển bền vững của Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IEA), CCUS đóng góp hơn 15% tổng mức giảm phát thải CO₂ toàn cầu đến năm 2070. Công nghệ này được xem là một giải pháp không thể thiếu để đạt mục tiêu net-zero, đặc biệt trong các lĩnh vực sau:

  • Công nghiệp nặng: Các ngành như xi măng, thép, và hóa chất tạo ra lượng lớn CO₂ trong quá trình sản xuất. CCUS cung cấp khả năng giảm phát thải mà không làm gián đoạn hoạt động sản xuất.
  • Sản xuất năng lượng: Các nhà máy điện than và khí tự nhiên có thể tích hợp CCUS để giảm lượng CO₂ thải ra, đồng thời duy trì vai trò trong lưới điện.
  • Sản xuất hydro xanh dương: CCUS cho phép sản xuất hydro từ khí tự nhiên với mức phát thải gần bằng không, hỗ trợ quá trình chuyển đổi năng lượng.
  • Thu giữ CO₂ trực tiếp từ không khí (DAC): Mặc dù còn đắt đỏ, DAC có tiềm năng loại bỏ CO₂ đã tích lũy trong khí quyển, đóng vai trò quan trọng trong các chiến lược net-zero dài hạn.

1.3 Lợi ích kinh tế và môi trường

CCUS không chỉ mang lại lợi ích môi trường mà còn tạo ra giá trị kinh tế đáng kể:

  • Tạo việc làm: Các dự án CCUS đòi hỏi đầu tư vào cơ sở hạ tầng, vận hành, và nghiên cứu, từ đó tạo ra hàng triệu việc làm trong các lĩnh vực kỹ thuật, xây dựng, và công nghệ.
  • Tăng cường sản xuất năng lượng: Sử dụng CO₂ trong các ứng dụng như thu hồi dầu tăng cường (CO2-EOR) giúp tăng sản lượng dầu, đồng thời lưu trữ CO₂ dưới lòng đất.
  • Sản xuất sản phẩm giá trị cao: CO₂ có thể được chuyển hóa thành methanol, nhiên liệu hàng không bền vững (SAF), hoặc các hóa chất khác, tạo ra nguồn thu nhập mới.
  • Tuân thủ quy định môi trường: CCUS giúp các doanh nghiệp đáp ứng các quy định về phát thải ngày càng nghiêm ngặt, tránh các khoản phạt hoặc chi phí liên quan đến thuế carbon.

Phần 2: Công nghệ Thu giữ CO₂

2.1 Các phương pháp thu giữ CO₂

Thu giữ CO₂ là bước đầu tiên và quan trọng nhất trong chuỗi giá trị CCUS. Có ba phương pháp chính để thu giữ CO₂, tùy thuộc vào nguồn phát thải và giai đoạn của quá trình sản xuất:

2.1.1 Thu giữ trước khi đốt cháy (Pre-Combustion)

Trong phương pháp này, CO₂ được tách ra trước khi nhiên liệu được đốt cháy để tạo ra năng lượng. Quá trình này thường được áp dụng trong sản xuất hydro hoặc khí tổng hợp (syngas):

  • Quy trình:
    • Nhiên liệu (như khí tự nhiên hoặc sinh khối) được chuyển hóa thành khí tổng hợp chứa hydro (H₂) và carbon monoxide (CO) thông qua phản ứng cải tạo methane bằng hơi nước (Steam Methane Reforming – SMR) hoặc khí hóa.
    • Phản ứng dịch chuyển nước-gas (Water Gas Shift – WGS) chuyển CO thành CO₂, tạo ra hỗn hợp khí giàu H₂ và CO₂.
    • CO₂ được tách ra bằng các phương pháp như hấp phụ dao động áp suất (PSA) hoặc dung môi hóa học, trong khi H₂ được tinh chế để sử dụng.
  • Ứng dụng:
    • Sản xuất hydro xanh dương (Blue H₂), nơi CO₂ được thu giữ và lưu trữ để giảm phát thải.
    • Các nhà máy hóa chất hoặc sản xuất amoniac, nơi khí tổng hợp là nguyên liệu chính.
  • Ưu điểm:
    • Nồng độ CO₂ cao trong dòng khí, giúp giảm chi phí thu giữ.
    • Có thể tích hợp với các công nghệ sản xuất hydro hiện có.
  • Nhược điểm:
    • Yêu cầu cơ sở hạ tầng phức tạp và đầu tư ban đầu cao.
    • Hiệu quả phụ thuộc vào chất lượng nguyên liệu đầu vào.

2.1.2 Thu giữ sau khi đốt cháy (Post-Combustion)

Phương pháp này thu giữ CO₂ từ khí thải sau khi nhiên liệu đã được đốt cháy, thường áp dụng cho các nhà máy điện than hoặc khí tự nhiên:

  • Quy trình:
    • Khí thải (flue gas) chứa CO₂, nitơ, và các tạp chất khác được đưa qua thiết bị làm mát sơ bộ (quench).
    • CO₂ được hấp thụ bởi dung môi hóa học (như amine) trong tháp hấp thụ (absorber).
    • Dung môi chứa CO₂ được chuyển đến tháp giải hấp (stripper), nơi CO₂ được tách ra bằng cách gia nhiệt, sau đó được nén và xử lý để lưu trữ hoặc sử dụng.
  • Ứng dụng:
    • Các nhà máy điện than hoặc khí tự nhiên hiện có, nơi có thể tích hợp hệ thống CCUS mà không cần thay đổi quy trình sản xuất chính.
    • Các ngành công nghiệp như xi măng và thép, nơi khí thải có nồng độ CO₂ thấp.
  • Ưu điểm:
    • Dễ dàng tích hợp vào các cơ sở hiện có (retrofit).
    • Công nghệ trưởng thành, với nhiều kinh nghiệm thương mại.
  • Nhược điểm:
    • Chi phí vận hành cao do tiêu thụ năng lượng lớn (đặc biệt là hơi nước để tái sinh dung môi).
    • Hiệu quả giảm khi nồng độ CO₂ trong khí thải thấp.

2.1.3 Thu giữ CO₂ trực tiếp từ không khí (Direct Air Capture – DAC)

DAC là công nghệ tiên tiến nhằm thu giữ CO₂ trực tiếp từ khí quyển, nơi nồng độ CO₂ rất thấp (khoảng 0,04%):

  • Quy trình:
    • Không khí được đưa qua các bộ lọc hoặc dung môi hóa học để hấp thụ CO₂.
    • CO₂ được tách ra từ dung môi hoặc chất hấp phụ bằng cách gia nhiệt hoặc thay đổi áp suất.
    • CO₂ tinh khiết được nén để lưu trữ hoặc sử dụng.
  • Ứng dụng:
    • Loại bỏ CO₂ lịch sử trong khí quyển, hỗ trợ các chiến lược giảm phát thải âm (negative emissions).
    • Cung cấp CO₂ cho các ứng dụng sử dụng như sản xuất nhiên liệu tổng hợp hoặc thực phẩm.
  • Ưu điểm:
    • Có thể triển khai ở bất kỳ đâu, không phụ thuộc vào nguồn phát thải công nghiệp.
    • Đóng vai trò quan trọng trong việc đạt mục tiêu net-zero dài hạn.
  • Nhược điểm:
    • Chi phí cao (hiện tại khoảng 600-1000 USD/tấn CO₂).
    • Tiêu thụ năng lượng lớn, đòi hỏi nguồn năng lượng tái tạo để đảm bảo tính bền vững.

2.2 Các công nghệ thu giữ CO₂ phổ biến

Có nhiều công nghệ được sử dụng để thu giữ CO₂, mỗi loại phù hợp với các điều kiện và ứng dụng khác nhau:

2.2.1 Dung môi hóa học (Chemical Solvents)

  • Hệ dung môi amine:
    • Sử dụng các hợp chất amine (như monoethanolamine – MEA) để hấp thụ CO₂ từ khí thải.
    • Ưu điểm: Hiệu suất thu giữ cao (>99%), công nghệ trưởng thành, phù hợp với khí thải nồng độ thấp.
    • Nhược điểm: Chi phí vận hành cao do tiêu thụ năng lượng để tái sinh dung môi, có thể gây ăn mòn thiết bị.
  • Hệ dung môi hóa học vô cơ (K2CO3):
    • Áp dụng cho khí thải áp suất cao, như trong các nhà máy hóa chất hoặc lọc dầu.
    • Ưu điểm: Ít độc hại hơn amine, ổn định trong môi trường khắc nghiệt.
    • Nhược điểm: Hiệu suất thấp hơn so với amine trong điều kiện nồng độ CO₂ thấp.
  • Dung môi lai:
    • Kết hợp các công nghệ (amine, màng, hoặc hấp phụ) để tối ưu hóa hiệu suất và giảm chi phí.
    • Ví dụ: Hệ thống dung môi mới phát triển có thể thu giữ >95% CO₂, nhưng vẫn cần xác minh thêm trong thực tế.

2.2.2 Dung môi vật lý (Physical Solvents)

  • Sử dụng các dung môi vật lý để tách CO₂ và H2S từ dòng khí, thường áp dụng trong khí hóa than hoặc sản xuất hydro.
  • Ưu điểm: Ổn định trong môi trường oxy hóa, có thể kết hợp với PSA hoặc màng lọc.
  • Nhược điểm: Hiệu quả thấp hơn trong điều kiện áp suất thấp, chi phí đầu tư cao.

2.2.3 Chất hấp phụ (Adsorbents)

  • Hấp phụ dao động áp suất (PSA):
    • Sử dụng các vật liệu hấp phụ (như zeolite hoặc than hoạt tính) để tách CO₂ từ dòng khí áp suất cao.
    • Ưu điểm: Chi phí thấp, công nghệ trưởng thành, phù hợp cho sản xuất hydro xanh.
    • Nhược điểm: Yêu cầu áp suất riêng phần CO₂ cao, tiêu thụ điện năng lớn nếu sử dụng máy bơm chân không.
  • Hấp phụ dao động nhiệt độ (TSA):
    • Sử dụng nhiệt độ để giải hấp CO₂ từ chất hấp phụ.
    • Ưu điểm: Phù hợp với các ứng dụng cần CO₂ tinh khiết.
    • Nhược điểm: Tiêu thụ năng lượng cao hơn PSA.

2.2.4 Công nghệ màng (Membranes)

  • Sử dụng màng polymer hoặc gốm để tách CO₂ từ hỗn hợp khí.
  • Ưu điểm: Phù hợp với các nền tảng ngoài khơi, không yêu cầu hóa chất.
  • Nhược điểm: Hiệu suất giảm khi nồng độ CO₂ thấp, chi phí bảo trì cao.

2.2.5 Công nghệ lạnh sâu (Cryogenics)

  • Làm lạnh khí thải để ngưng tụ CO₂ thành dạng lỏng, thường kết hợp với phân đoạn CO₂.
  • Ưu điểm: Tạo ra CO₂ lỏng chất lượng cao, phù hợp cho ngành thực phẩm.
  • Nhược điểm: Tiêu thụ năng lượng lớn, chỉ hiệu quả với nguồn CO₂ nồng độ cao.

2.3 Các nguồn CO₂ và giai đoạn thu giữ

CO₂ có thể được thu giữ từ nhiều nguồn khác nhau, với nồng độ và điều kiện khác nhau:

  • Nguồn CO₂ nồng độ cao:
    • Ngành hóa chất than, sản xuất hydro, hoặc khí hóa.
    • Ưu điểm: Dễ thu giữ do nồng độ CO₂ cao (20-90%).
  • Nguồn CO₂ nồng độ thấp:
    • Ngành điện, xi măng, thép, nơi nồng độ CO₂ thường dưới 15%.
    • Thách thức: Yêu cầu công nghệ hiệu suất cao và chi phí lớn hơn.
  • Giai đoạn thu giữ:
    • Tiền đốt (Pre-combustion): Thu giữ CO₂ trong quá trình sản xuất khí tổng hợp, sử dụng dung môi hoặc PSA.
    • Hậu đốt (Post-combustion): Thu giữ CO₂ từ khí thải sau khi đốt cháy, sử dụng dung môi amine hoặc màng.
    • Oxy-fuel combustion: Sử dụng oxy tinh khiết để đốt cháy nhiên liệu, tạo ra khí thải giàu CO₂, dễ thu giữ hơn.

Phần 3: Vận chuyển CO₂

3.1 Các phương thức vận chuyển CO₂

Sau khi thu giữ, CO₂ cần được vận chuyển đến các địa điểm sử dụng hoặc lưu trữ. Có ba phương thức chính:

  • Đường ống (Pipeline):
    • Phương thức phổ biến nhất cho các dự án quy mô lớn.
    • Ưu điểm: Hiệu quả cao, chi phí thấp trên quãng đường dài, phù hợp với các cụm công nghiệp.
    • Nhược điểm: Yêu cầu đầu tư ban đầu lớn, cần bảo trì thường xuyên.
  • Tàu biển (Vessel):
    • Phù hợp cho vận chuyển CO₂ lỏng qua khoảng cách xa hoặc giữa các khu vực không có đường ống.
    • Ưu điểm: Linh hoạt, có thể phục vụ nhiều điểm đến.
    • Nhược điểm: Chi phí cao hơn đường ống, cần cơ sở hạ tầng cảng chuyên dụng.
  • Xe bồn (Tanker Truck):
    • Sử dụng cho các dự án nhỏ hoặc khoảng cách ngắn.
    • Ưu điểm: Dễ triển khai, không yêu cầu cơ sở hạ tầng phức tạp.
    • Nhược điểm: Chi phí cao trên mỗi tấn CO₂, không phù hợp với quy mô lớn.

3.2 Thách thức trong vận chuyển CO₂

  • An toàn: CO₂ là khí không độc nhưng có thể gây ngạt nếu rò rỉ ở nồng độ cao. Các hệ thống vận chuyển cần được thiết kế để đảm bảo an toàn.
  • Chi phí: Chi phí vận chuyển phụ thuộc vào khoảng cách, phương thức, và cơ sở hạ tầng. Ví dụ, vận chuyển bằng tàu biển có thể tốn kém hơn đường ống trên các quãng đường dài.
  • Quy định: Các quy định về vận chuyển CO₂ qua biên giới hoặc trên biển vẫn đang được phát triển, gây khó khăn cho các dự án quốc tế.

Phần 4: Sử dụng CO₂ (Utilization)

Sử dụng CO₂ là một trong những khía cạnh hấp dẫn nhất của CCUS, vì nó biến khí thải thành nguồn tài nguyên có giá trị. Có bốn loại sử dụng CO₂ chính:

4.1 Sử dụng địa chất (Geological Utilization)

  • Thu hồi dầu tăng cường (CO2-EOR):
    • CO₂ được bơm vào các mỏ dầu để tăng áp suất và đẩy dầu ra khỏi các lỗ rỗng, từ đó tăng sản lượng dầu.
    • Ví dụ: Tại Trung Quốc, các dự án CO2-EOR đã đạt sản lượng dầu bổ sung 300.000 tấn/năm với 1,1 triệu tấn CO₂ được bơm vào năm 2022.
    • Ưu điểm: Tăng sản lượng dầu, lưu trữ CO₂ lâu dài dưới lòng đất.
    • Nhược điểm: Chi phí thu giữ và vận chuyển CO₂ cao, phụ thuộc vào giá dầu.
  • Tăng cường khai thác khí metan từ than (CO2-ECBM):
    • CO₂ được bơm vào các vỉa than để thay thế khí metan, vừa khai thác metan vừa lưu trữ CO₂.
    • Ưu điểm: Tạo nguồn năng lượng sạch hơn, lưu trữ CO₂ hiệu quả.
    • Nhược điểm: Công nghệ còn hạn chế, chi phí cao.

4.2 Sử dụng hóa học (Chemical Utilization)

  • Reforming khô CH4-CO2 (Dry Reforming of Methane – DRM):
    • Sử dụng CO₂ và metan để sản xuất khí tổng hợp (H₂ và CO) thông qua phản ứng: CH4 + CO2 → 2H2 + 2CO.
    • Ưu điểm: Tận dụng cả CO₂ và CH4 từ khí thải, tạo ra nguyên liệu cho ngành hóa chất.
    • Nhược điểm: Sự hình thành cốc trên xúc tác (coking) làm giảm hiệu suất, chi phí vận hành cao.
  • Hydro hóa CO₂ thành methanol:
    • CO₂ được kết hợp với hydro (thường từ điện phân nước) để sản xuất methanol (CH3OH).
    • Ví dụ: Nhà máy MefCO2 sản xuất 500 tấn methanol/năm từ CO₂.
    • Ưu điểm: Methanol là nguyên liệu quan trọng trong ngành hóa chất và nhiên liệu.
    • Nhược điểm: Chi phí cao khi sử dụng hydro xanh, phụ thuộc vào giá năng lượng tái tạo.
  • Hydro hóa CO₂ thành nhiên liệu hàng không (SAF):
    • CO₂ và hydro xanh được chuyển hóa thành nhiên liệu hàng không bền vững (C8-15).
    • Ví dụ: Dự án của Đại học Thanh Hoa đạt độ chọn lọc thơm trên 80%, nhưng cần tối ưu hóa để đáp ứng tiêu chuẩn ASTM D7566.
    • Ưu điểm: Góp phần khử carbon ngành hàng không, tiềm năng thị trường lớn.
    • Nhược điểm: Chi phí sản xuất cao, yêu cầu hydro xanh và xúc tác hiệu quả.

4.3 Sử dụng khoáng hóa (Mineralized Utilization)

  • Sản xuất canxi cacbonat:
    • CO₂ phản ứng với xỉ thép hoặc các khoáng chất để tạo ra canxi cacbonat tinh khiết, dùng trong ngành xây dựng hoặc công nghiệp giấy.
    • Ưu điểm: Lưu trữ CO₂ lâu dài, tạo sản phẩm có giá trị.
    • Nhược điểm: Quy mô thị trường hạn chế, phụ thuộc vào nguồn nguyên liệu.

4.4 Sử dụng sinh học (Bio-Utilization)

  • Chuyển hóa CO₂ bằng vi tảo:
    • Vi tảo sử dụng CO₂ để quang hợp, tạo ra sinh khối cho nhiên liệu sinh học hoặc thực phẩm.
    • Ưu điểm: Tính bền vững cao, tiềm năng ứng dụng rộng.
    • Nhược điểm: Hiệu suất thấp, chi phí nuôi cấy cao.
  • Bón phân CO₂ cho cây trồng:
    • CO₂ được sử dụng để tăng cường sự phát triển của cây trồng trong nhà kính.
    • Ưu điểm: Dễ triển khai, chi phí thấp.
    • Nhược điểm: Quy mô ứng dụng nhỏ, không phù hợp với mục tiêu giảm phát thải lớn.

4.5 CO₂ cấp thực phẩm

  • Quy trình:
    • CO₂ được thu giữ từ các nguồn công nghiệp, tinh chế qua PSA, dung môi, hoặc phân đoạn để đạt độ tinh khiết >99,9% theo tiêu chuẩn GB1886.228-2016.
    • Ứng dụng: Sử dụng trong đồ uống, bia, thuốc lá, và bảo quản thực phẩm.
  • Thị trường tại Trung Quốc:
    • Sản lượng CO₂ cấp thực phẩm dao động quanh 200.000 tấn/năm từ 2013-2020.
    • Giá thị trường: 400 CNY/tấn, có thể lên đến 600-700 CNY/tấn trong mùa cao điểm.
  • Thách thức:
    • Quy mô thị trường nhỏ, không đủ để đáp ứng nhu cầu giảm phát thải lớn.
    • Chi phí tinh chế cao để đạt tiêu chuẩn thực phẩm.

Phần 5: Lưu trữ CO₂

5.1 Các phương thức lưu trữ CO₂

Lưu trữ CO₂ là bước cuối cùng trong chuỗi giá trị CCUS, nhằm đảm bảo CO₂ không quay trở lại khí quyển. Có hai phương thức chính:

  • Lưu trữ địa chất:
    • CO₂ được bơm vào các thành hệ địa chất như mỏ dầu cạn kiệt, vỉa than, hoặc tầng chứa nước mặn.
    • Ưu điểm: Dung lượng lưu trữ lớn, công nghệ trưởng thành.
    • Nhược điểm: Yêu cầu giám sát dài hạn để đảm bảo không rò rỉ, chi phí bơm và vận chuyển cao.
  • Lưu trữ trong đại dương:
    • CO₂ được bơm vào các tầng nước sâu trong đại dương (hiện ít được sử dụng do lo ngại về tác động môi trường).
    • Ưu điểm: Dung lượng tiềm năng lớn.
    • Nhược điểm: Quy định nghiêm ngặt, nguy cơ gây ô nhiễm biển.

5.2 Triển vọng lưu trữ CO₂

  • Công suất lưu trữ:
    • Công suất lưu trữ theo kế hoạch đang bắt kịp với lượng thu giữ theo kế hoạch, với sự gia tăng đáng kể từ năm 2017 đến 2022.
    • Hai phần ba tổng lượng CO₂ thu giữ đến từ các thị trường mới nổi và các nền kinh tế đang phát triển, đặc biệt là Trung Quốc và Ấn Độ.
  • Mục tiêu Net-Zero 2030:
    • Để đạt mục tiêu phát thải ròng bằng không vào năm 2030, công suất lưu trữ toàn cầu cần tăng đáng kể, đặc biệt ở các nền kinh tế mới nổi.
    • Nếu tất cả các dự án thu giữ CO₂ được thực hiện theo kế hoạch, công suất thu giữ có thể đạt mức cần thiết cho kịch bản NZE vào năm 2030. Điều này được đánh giá là “quá lý tưởng” do các thách thức về kinh tế, kỹ thuật và chính sách.
  • Thách thức lưu trữ:
    • Chi phí: Lưu trữ CO₂ đòi hỏi chi phí bổ sung cho vận chuyển, bơm, và giám sát dài hạn. Ví dụ, chi phí bơm CO₂ vào các mỏ dầu hoặc tầng địa chất có thể chiếm một phần đáng kể trong tổng chi phí CCUS.
    • Rủi ro rò rỉ: Mặc dù các thành hệ địa chất được chọn thường có khả năng giữ CO₂ trong hàng nghìn năm, vẫn cần các biện pháp giám sát để đảm bảo không có rò rỉ.
    • Quy định và chấp nhận xã hội: Việc lưu trữ CO₂ dưới lòng đất, đặc biệt ở các khu vực đông dân cư, có thể gặp phản đối từ cộng đồng do lo ngại về an toàn và tác động môi trường.

5.3 Các dự án lưu trữ CO₂ tiêu biểu

  • Dự án tại Trung Quốc:
    • Một dự án CCUS tại nhà máy điện than ở Trung Quốc có công suất thu hồi 150.000 tấn CO₂/năm từ khí thải sau đốt than. CO₂ được tinh chế đến độ tinh khiết 99,9% và sử dụng cho các mục đích như thu hồi dầu tăng cường (CO2-EOR), sản xuất baking soda, và hóa chất giá trị cao như dimethyl carbonate. Chi phí thu hồi CO₂ dao động từ 35-40 USD/tấn, tương đối cạnh tranh so với các dự án khác.
  • Dự án Baytown của ExxonMobil:
    • Cơ sở sản xuất hydro xanh dương tại Baytown, Mỹ, dự kiến thu giữ và lưu trữ 7 triệu tấn CO₂ mỗi năm, tương đương với việc loại bỏ 1,5 triệu ô tô khỏi đường phố. Hệ thống sử dụng công nghệ PSA, màng Polysep, và phân tách CO₂ dạng module, đạt hiệu suất thu giữ hơn 98%.

Phần 6: Triển vọng Thị trường và Tăng trưởng CCUS

6.1 Tăng trưởng công suất thu giữ CO₂

Lượng CO₂ được thu giữ toàn cầu dự kiến tăng 20 lần trong thập kỷ tới nhờ vào tiến bộ công nghệ và chính sách hỗ trợ. Cụ thể:

  • Tốc độ tăng trưởng:
    • Tốc độ tăng trưởng hàng năm gộp (CAGR) đạt 24% đến năm 2030 với các dự án hiện có.
    • Theo kịch bản phát triển bền vững của IEA, CAGR có thể đạt 36% nếu các chính sách và đầu tư được thúc đẩy mạnh mẽ.
  • Số lượng dự án:
    • Để đạt mục tiêu net-zero, cần triển khai khoảng 70-100 dự án CCUS mỗi năm từ nay đến năm 2050.
    • Biểu đồ “Capture Capacity” cho thấy công suất đã công bố (announced captured capacity) đang tăng nhanh, tiến gần đến mức cần thiết cho kịch bản NZE vào năm 2030.

6.2 Các khu vực dẫn đầu

  • Thị trường mới nổi và các nền kinh tế đang phát triển:
    • Hai phần ba tổng lượng CO₂ thu giữ đến từ các khu vực như Trung Quốc, Ấn Độ, và Đông Nam Á, nơi ngành công nghiệp nặng và nhiệt điện than vẫn chiếm ưu thế.
    • Trung Quốc đang dẫn đầu với các dự án quy mô lớn, như dự án thu hồi CO₂ từ nhà máy điện than và các ứng dụng CO2-EOR.
  • Các nền kinh tế tiên tiến:
    • EU và Mỹ đang đầu tư mạnh vào CCUS, với các chính sách như Hệ thống Giao dịch Phát thải (ETS) và các khoản trợ cấp cho công nghệ sạch.
    • Ví dụ, giá carbon tại EU vào ngày 12/2/2025 là 78 EURO/tấn, tạo động lực cho các doanh nghiệp triển khai CCUS.

6.3 Các ngành công nghiệp ứng dụng CCUS

CCUS được triển khai rộng rãi trong các ngành công nghiệp khó khử carbon:

  • Nhiệt điện: Các nhà máy điện than và khí tự nhiên tích hợp CCUS để giảm phát thải, đặc biệt ở các quốc gia phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch.
  • Xi măng: Ngành xi măng tạo ra CO₂ từ cả quá trình đốt cháy và phản ứng hóa học (calcination). CCUS là giải pháp duy nhất để giảm phát thải từ nguồn này.
  • Thép: Thu giữ CO₂ từ khí thải lò cao hoặc tích hợp CCUS vào các quy trình sản xuất thép dựa trên hydro.
  • Hóa chất: Sản xuất amoniac, methanol, và các hóa chất khác có thể tích hợp CCUS để giảm phát thải.
  • Lọc dầu: Các nhà máy lọc dầu sử dụng CCUS để thu giữ CO₂ từ khí thải và tái sử dụng trong CO2-EOR.

6.4 Vai trò của chính sách và đầu tư

  • Chính sách hỗ trợ:
    • Các cơ chế như thuế carbon, trợ cấp, và quy định phát thải nghiêm ngặt đang thúc đẩy triển khai CCUS. Ví dụ, Hệ thống Giao dịch Phát thải (ETS) tại Trung Quốc và EU tạo áp lực tài chính cho các doanh nghiệp không giảm phát thải.
    • Các chương trình tài trợ nghiên cứu và phát triển (R&D) giúp giảm chi phí công nghệ, đặc biệt là DAC và các dung môi tiên tiến.
  • Đầu tư tư nhân:
    • Các công ty lớn như ExxonMobil, BASF, và Sinopec đang đầu tư hàng tỷ USD vào các dự án CCUS, từ sản xuất hydro xanh dương đến thu giữ CO₂ trên tàu biển.
    • Các quỹ đầu tư mạo hiểm và ngân hàng phát triển cũng tham gia tài trợ cho các dự án CCUS quy mô lớn.

Phần 7: Thách thức và Giải pháp

7.1 Thách thức của CCUS

Mặc dù CCUS có tiềm năng lớn, công nghệ này vẫn đối mặt với nhiều thách thức:

7.1.1 Chi phí cao

  • Thu giữ CO₂:
    • Chi phí thu giữ CO₂ dao động từ 20-70 USD/tấn tùy thuộc vào công nghệ và nguồn phát thải. Ví dụ, hệ thống amine tiên tiến cho nhà máy điện than có chi phí khoảng 300 CNY/tấn (khoảng 42 USD/tấn), cao hơn giá carbon ETS tại Trung Quốc (98 CNY/tấn).
    • Công nghệ DAC hiện có chi phí cao nhất, từ 600-1000 USD/tấn, khiến nó khó cạnh tranh trong ngắn hạn.
  • Vận chuyển và lưu trữ:
    • Chi phí vận chuyển CO₂ bằng tàu biển hoặc xe bồn cao hơn đường ống, đặc biệt trên các quãng đường dài.
    • Lưu trữ CO₂ đòi hỏi chi phí bơm, giám sát, và quản lý rủi ro rò rỉ, làm tăng tổng chi phí dự án.

7.1.2 Hạn chế kỹ thuật

  • Hiệu suất công nghệ:
    • Các công nghệ như DRM và DAC vẫn gặp vấn đề về hiệu suất và độ bền. Ví dụ, quá trình DRM bị cản trở bởi sự hình thành cốc trên xúc tác, làm giảm tuổi thọ hệ thống.
    • Thu giữ CO₂ từ nguồn nồng độ thấp (như khí thải xi măng) yêu cầu công nghệ tiên tiến hơn, làm tăng chi phí.
  • Quy mô hóa:
    • Nhiều công nghệ CCUS, như sản xuất SAF từ CO₂, vẫn đang ở giai đoạn thử nghiệm hoặc quy mô nhỏ (10.000 tấn/năm). Việc mở rộng lên quy mô công nghiệp đòi hỏi đầu tư lớn và thời gian dài.

7.1.3 Phụ thuộc vào chính sách và kinh tế

  • Chính sách không ổn định:
    • CCUS phụ thuộc vào các chính sách như thuế carbon hoặc trợ cấp, nhưng những chính sách này có thể thay đổi theo chính quyền hoặc bối cảnh kinh tế.
    • Ví dụ về sự không chắc chắn trong chính sách năng lượng dưới thời chính quyền Trump mới, có thể ảnh hưởng đến đầu tư CCUS tại Mỹ.
  • Suy thoái kinh tế:
    • Trong bối cảnh kinh tế toàn cầu suy yếu, các doanh nghiệp có thể ưu tiên lợi nhuận ngắn hạn thay vì đầu tư vào CCUS, vốn có chi phí ban đầu cao.

7.1.4 Chấp nhận xã hội

  • Lo ngại về an toàn:
    • Lưu trữ CO₂ dưới lòng đất hoặc vận chuyển CO₂ qua đường ống có thể gây lo ngại cho cộng đồng, đặc biệt ở các khu vực đông dân cư.
  • Nhận thức công chúng:
    • Một số người coi CCUS là “giải pháp tạm thời” hoặc “biện minh” cho việc tiếp tục sử dụng nhiên liệu hóa thạch, thay vì chuyển sang năng lượng tái tạo.

7.2 Giải pháp đề xuất

Để vượt qua các thách thức trên, ngành CCUS cần triển khai các giải pháp sau:

7.2.1 Giảm chi phí thông qua đổi mới công nghệ

  • Phát triển dung môi và xúc tác mới:
    • Các dung môi lai và chất hấp phụ tiên tiến có thể giảm tiêu thụ năng lượng và chi phí vận hành. Ví dụ, dung môi amine mới phát triển có hiệu suất thu giữ >95% và chi phí thấp hơn MEA truyền thống.
    • Xúc tác cải tiến cho các quá trình như DRM hoặc hydro hóa CO₂ có thể tăng hiệu suất và giảm coking.
  • Tối ưu hóa quy trình:
    • Sử dụng các giải pháp phần mềm như EMS (Energy Management Systems) hoặc Visual MESA để tối ưu hóa tiêu thụ năng lượng trong các nhà máy CCUS.
    • Áp dụng công nghệ module (như hệ thống PSA/màng lọc của UOP) để giảm chi phí lắp đặt và vận hành.

7.2.2 Tăng cường chính sách hỗ trợ

  • Thuế carbon và trợ cấp:
    • Tăng giá carbon trong các hệ thống ETS để khuyến khích triển khai CCUS. Ví dụ, giá carbon tại EU (78 EURO/tấn) cao hơn Trung Quốc (98 CNY/tấn), tạo động lực mạnh hơn cho các doanh nghiệp.
    • Cung cấp trợ cấp hoặc khoản vay ưu đãi cho các dự án CCUS, đặc biệt là DAC và các ứng dụng mới như SAF.
  • Quy định rõ ràng:
    • Xây dựng các quy định quốc tế về vận chuyển và lưu trữ CO₂, đặc biệt cho các dự án xuyên biên giới.
    • Thiết lập các tiêu chuẩn an toàn và giám sát để tăng niềm tin của cộng đồng vào CCUS.

7.2.3 Hợp tác công-tư

  • Quan hệ đối tác chiến lược:
    • Các công ty như BASF, ExxonMobil, và Sinopec đang hợp tác với các viện nghiên cứu và chính phủ để phát triển công nghệ CCUS. Ví dụ, dự án OCCS của CSBC Power và BASF đạt hiệu suất thu giữ 88% CO₂ trên tàu LNG.
    • Tăng cường hợp tác với các công ty dầu khí để mở rộng ứng dụng CO2-EOR, vừa tăng sản lượng dầu vừa lưu trữ CO₂.
  • Đầu tư sớm:
    • Tham gia vào giai đoạn đầu của các dự án CCUS để giảm rủi ro và tối ưu hóa chi phí. Ví dụ, đầu tư vào các nhà máy trình diễn SAF hoặc methanol từ CO₂ có thể mang lại lợi thế cạnh tranh khi công nghệ trưởng thành.

7.2.4 Tăng cường sử dụng CO₂

  • Phát triển thị trường cho sản phẩm từ CO₂:
    • Đẩy mạnh sản xuất methanol, SAF, và các hóa chất từ CO₂ để tạo nguồn thu nhập, bù đắp chi phí thu giữ và lưu trữ.
    • Ví dụ, methanol từ CO₂ có tiềm năng thay thế methanol truyền thống từ than, đặc biệt nếu sử dụng hydro xanh.
  • Tích hợp với các ngành công nghiệp khác:
    • Kết hợp CCUS với sản xuất hydro xanh, năng lượng tái tạo, hoặc ngành hàng không để tạo chuỗi giá trị bền vững.
    • Ví dụ, dự án Baytown của ExxonMobil tích hợp CCUS với sản xuất hydro xanh dương, đạt hiệu quả kinh tế và môi trường cao.

7.2.5 Giáo dục và truyền thông

  • Nâng cao nhận thức:
    • Tăng cường truyền thông về lợi ích của CCUS, nhấn mạnh vai trò của nó trong việc giảm phát thải và tạo việc làm.
    • Giải thích rằng CCUS không phải là “biện minh” cho nhiên liệu hóa thạch mà là giải pháp bổ sung cho năng lượng tái tạo.
  • Thu hút cộng đồng:
    • Tổ chức các buổi tham quan dự án CCUS hoặc hội thảo để cộng đồng hiểu rõ về tính an toàn và lợi ích của công nghệ.

Phần 8: Các Ứng dụng Thực tiễn của CCUS

8.1 CCUS trong ngành năng lượng

  • Nhà máy điện than:
    • Ví dụ: Dự án tại Trung Quốc thu hồi 150.000 tấn CO₂/năm từ nhà máy điện than 600 MW, sử dụng dung môi amine của Sinopec. CO₂ được sử dụng cho CO2-EOR và sản xuất hóa chất.
  • Sản xuất hydro xanh dương:
    • Dự án Baytown của ExxonMobil sản xuất 1.000 MMSCFD hydro và thu giữ 7 triệu tấn CO₂/năm, sử dụng công nghệ PSA và màng Polysep.
  • Nhà máy điện khí:
    • CCUS có thể được tích hợp vào các nhà máy điện khí tự nhiên để giảm phát thải, đặc biệt ở các quốc gia như Mỹ và EU.

8.2 CCUS trong ngành công nghiệp nặng

  • Xi măng:
    • CCUS là giải pháp duy nhất để thu giữ CO₂ từ quá trình calcination trong sản xuất xi măng. Các dự án thí điểm đang được triển khai tại EU và Trung Quốc.
  • Thép:
    • Thu giữ CO₂ từ khí thải lò cao hoặc tích hợp CCUS vào các quy trình sản xuất thép dựa trên hydro đang được nghiên cứu.
  • Hóa chất:
    • Các nhà máy sản xuất amoniac và methanol sử dụng CCUS để thu giữ CO₂ từ khí tổng hợp, sau đó tái sử dụng trong các quy trình hóa học.

8.3 CCUS trong ngành hàng hải

  • Hệ thống thu giữ carbon trên tàu (OCCS):
    • Dự án hợp tác giữa CSBC Power và BASF đã thử nghiệm hệ thống OCCS trên tàu chở khí LNG, đạt hiệu suất thu giữ 88% CO₂ với mức tiêu thụ năng lượng 2,8 GJ/tấn CO₂.
    • Công nghệ sử dụng dung môi amine tiên tiến (OASE® blue) để thu giữ CO₂ từ khí thải động cơ tàu, sau đó nén và hóa lỏng để lưu trữ.
  • Nhiên liệu thay thế:
    • CCUS hỗ trợ sản xuất nhiên liệu hàng không bền vững (SAF) và methanol từ CO₂, giúp ngành hàng hải giảm phát thải.

8.4 CCUS trong sản xuất nhiên liệu và hóa chất

  • Methanol từ CO₂:
    • Nhà máy MefCO2 sản xuất 500 tấn methanol/năm từ CO₂ và hydro xanh, sử dụng công nghệ điện phân nước.
    • Chi phí sản xuất cao hơn phương pháp truyền thống, nhưng có tiềm năng cạnh tranh nếu giá hydro xanh giảm.
  • Nhiên liệu hàng không (SAF):
    • Dự án của Đại học Thanh Hoa sản xuất SAF từ CO₂ với độ chọn lọc thơm trên 80%, nhưng cần tối ưu hóa để đáp ứng tiêu chuẩn ASTM D7566.
  • CO₂ cấp thực phẩm:
    • CO₂ tinh khiết (>99,9%) được sử dụng trong đồ uống, bia, và bảo quản thực phẩm, với giá thị trường tại Trung Quốc khoảng 400-700 CNY/tấn.

Phần 9: Tương Lai của CCUS

9.1 Xu hướng công nghệ

  • DAC và các công nghệ tiên tiến:
    • DAC dự kiến tăng công suất từ 0 Mt CO₂ năm 2022 lên 1.041 Mt CO₂ vào năm 2050, nhưng cần giảm chi phí để trở nên khả thi về mặt kinh tế.
    • Các công nghệ như hấp phụ dao động áp suất chân không (VPSA) và màng lọc tiên tiến đang được phát triển để tăng hiệu suất thu giữ.
  • Tích hợp với năng lượng tái tạo:
    • Sử dụng năng lượng mặt trời hoặc gió để cung cấp điện cho các quá trình CCUS, đặc biệt là DAC và sản xuất hydro xanh.
    • Ví dụ, methanol từ CO₂ có thể trở thành nhiên liệu trung hòa carbon nếu sử dụng hydro xanh từ điện phân nước bằng năng lượng tái tạo.

9.2 Vai trò của CCUS trong chuyển đổi năng lượng

  • Bổ sung cho năng lượng tái tạo:
    • CCUS không cạnh tranh mà bổ sung cho năng lượng tái tạo, đặc biệt trong các ngành công nghiệp khó khử carbon.
    • Ví dụ, trong khi năng lượng mặt trời và gió thay thế nhiệt điện, CCUS giúp giảm phát thải từ các nhà máy điện than còn lại.
  • Hỗ trợ sản xuất hydro:
    • CCUS là yếu tố then chốt trong sản xuất hydro xanh dương, giúp giảm phát thải từ các quy trình SMR hoặc POX.
    • Trong tương lai, CCUS có thể hỗ trợ sản xuất hydro xanh bằng cách cung cấp CO₂ cho các quá trình tổng hợp nhiên liệu.

9.3 Tác động kinh tế và xã hội

  • Tạo việc làm:
    • Các dự án CCUS tạo ra hàng triệu việc làm trong các lĩnh vực như kỹ thuật, xây dựng, và nghiên cứu công nghệ.
    • Ví dụ, dự án Baytown của ExxonMobil không chỉ giảm phát thải mà còn thúc đẩy kinh tế địa phương thông qua việc làm và đầu tư.
  • Cân bằng kinh tế và môi trường:
    • CCUS giúp các quốc gia duy trì tăng trưởng kinh tế trong khi đạt mục tiêu giảm phát thải, đặc biệt ở các nền kinh tế phụ thuộc vào công nghiệp nặng như Trung Quốc và Ấn Độ.

Phần 10: Kết luận

Công nghệ Thu giữ, Sử dụng và Lưu trữ Carbon (CCUS) là một trụ cột quan trọng trong chiến lược toàn cầu nhằm đạt mục tiêu phát thải ròng bằng không vào năm 2050. Với khả năng giảm phát thải từ các ngành công nghiệp khó khử carbon, tái sử dụng CO₂ trong các ứng dụng giá trị cao, và lưu trữ an toàn dưới lòng đất, CCUS không chỉ là giải pháp môi trường mà còn là cơ hội kinh tế đầy tiềm năng.

Tuy nhiên, để CCUS phát huy hết tiềm năng, cần vượt qua các thách thức về chi phí, kỹ thuật, và chính sách. Các giải pháp như đổi mới công nghệ, tăng cường chính sách hỗ trợ, hợp tác công-tư, và nâng cao nhận thức cộng đồng sẽ đóng vai trò then chốt. Trong bối cảnh chuyển đổi năng lượng, CCUS không phải là giải pháp duy nhất, nhưng là một phần không thể thiếu để xây dựng một tương lai bền vững.

Với sự đầu tư mạnh mẽ từ các chính phủ và doanh nghiệp, cùng với tiến bộ công nghệ, CCUS hứa hẹn sẽ trở thành một trong những công cụ mạnh mẽ nhất trong cuộc chiến chống biến đổi khí hậu, đưa nhân loại tiến gần hơn đến mục tiêu net-zero.

Tài liệu tham khảo:

  • Tài liệu cung cấp thông tin chi tiết về công nghệ, ứng dụng, và triển vọng thị trường.
  • Báo cáo của Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IEA) về vai trò của CCUS trong kịch bản phát triển bền vững.
  • Các nghiên cứu và dự án thực tiễn từ ExxonMobil, BASF, Sinopec, và Đại học Thanh Hoa.
Chia sẻ bài viết này

Đăng ký nhận bản tin của chúng tôi

Cập nhật các bài viết tại chuyên mục Góc tư vấn mới nhất bằng cách theo dõi. Không spam: chúng tôi hứa.

Bằng cách nhấp vào Đăng ký, bạn xác nhận rằng bạn đồng ý với Điều khoản và Điều kiện của chúng tôi.

Bài viết liên quan

error: Content is protected !!