Thuật ngữ “thu hồi và lưu giữ carbon” (CCS) dùng để chỉ nhóm các công nghệ giúp giảm lượng khí thải CO2 từ các nguồn phát sinh chủ yếu, qua đó làm giảm tác động tới quá trình biến đổi khí hậu. Thay vì thải vào bầu khí quyển để lượng CO2 tích tụ mỗi ngày, công nghệ CCS thực hiện thu hồi và sau đó lưu trữ khí này trong các “kho chứa”. Bài viết dưới đây trình bày các công nghệ lưu trữ CO2 nằm ngoài quá trình hấp thụ carbon tự nhiên của thực vật, đất và đại dương.

Ở nhiều quốc gia trên thế giới, các nhà máy điện quy mô lớn là “ứng viên” phù hợp nhất cho công nghệ thu giữ, tách lọc, lưu trữ hoặc tái sử dụng CO2 vì đó là nguồn phát thải khí CO2 lớn nhất bên cạnh các cơ sở công nghiệp khác như nhà máy sản xuất xi-măng, chưng cất cồn, sản xuất hydro…

Công nghệ thu hồi và lưu giữ CO2

Quy trình CCS hoàn chỉnh bao gồm bốn bước cơ bản: 1/ thu CO2 từ nhà máy điện hoặc các nguồn tập trung khác; 2/ vận chuyển CO2 đến địa điểm lưu giữ thích hợp; 3/ bơm CO2 vào các kho chứa ngầm; 4/ giám sát quá trình bơm khí CO2 và đảm bảo CO2 được cô lập hoàn toàn.

Trong khi về mặt kỹ thuật, tính khả thi của CCS trong các tầng địa chất đã được chứng minh trong nhiều ứng dụng khác, công nghệ này lại gần như không được ngó ngàng tới cho đến khi các quy định về cắt giảm khí thải được ban hành nhằm giảm thải lượng CO2 vào khí quyển. Mặc dù các nghiên cứu cho thấy độ rủi ro của phương pháp này là không đáng kể thì khả năng phổ biến rộng rãi các công nghệ CCS vẫn có thể bị giới hạn vì chính sự mới mẻ của nó và vì thiếu sự kết nối toàn diện của công nghệ.

Thu khí CO2

Bước đầu tiên của quá trình CCS là thu hồi CO2 tại nguồn sinh khí và nén lại để vận chuyển và lưu trữ. Hiện tại, có ba phương pháp chính được ứng dụng để thu hồi CO2 từ các cơ sở công nghiệp lớn hoặc từ các nhà máy điện: 1/ thu khí sau khi đốt, 2/ thu khí trước khi đốt và 3/ thu khí nhờ đốt than bằng oxy tinh khiết.

Ở các nhà máy điện, các hệ thống thu hồi CO2 thương mại hiện tại có thể vận hành với hiệu suất 85 – 95%. Các kỹ thuật thu giữ CO2 vẫn chưa được ứng dụng cho các nhà máy có công suất lớn hơn 500 MW.

Thu khí sau khi đốt

Đây là quá trình tách khí CO2 từ ống khói sau khi đốt các nhiên liệu hóa thạch hoặc sinh khối.

Hiện có rất nhiều công nghệ thương mại có thể thực hiện bước này, trong đó một số sử dụng các dung môi hóa học có khả năng thu giữ một lượng lớn CO2 từ các ống khói.

Quá trình thu hồi khí CO2 sau khi đốt. (Nguồn: Trung tâm Thu hồi và Lưu giữ carbon Scotland.)

Thu khí trước khi đốt

Quá trình này tách CO2 từ nhiên liệu bằng cách kết hợp nó với khí hoặc hơi nước để đốt cháy và lưu giữ luồng CO2 đã được tách ra.

Hiện nay người ta thường dùng công nghệ cải hóa khí tự nhiên bằng hơi nước, trong đó hơi nước được sử dụng để tách hydro từ khí tự nhiên.

Tuy nhiên, nếu không có quy định ràng buộc về pháp lý hoặc hỗ trợ về tài chính thì các nhà máy sẽ không áp dụng các biện pháp thu hồi CO2 trước khi đốt trong hệ thống năng lượng của mình.

Quá trình thu hồi khí CO2 trước khi đốt. (Nguồn: Trung tâm Thu hồi và Lưu giữ carbon Scotland.)

Một số ý kiến cho rằng tách khí CO2 trước khi đốt là yêu cầu kỹ thuật cần thiết cho quá trình chuyển hóa than thành nhiên liệu lỏng nhờ các phản ứng hóa học. Tuy nhiên, vấn đề nằm ở chỗ, bản thân quá trình chuyển hóa than đá thành nhiên liệu lỏng cũng thải CO2, và các sản phẩm nhiên liệu lỏng khi cháy cũng là nguồn sinh khí CO2.

Kỹ thuật thu hồi khí trước khi đốt ứng dụng trong công nghệ sản xuất nhiên liệu lỏng từ than đá sẽ làm giảm tổng lượng CO2 thải ra, mặc dù sau đó chất khí này vẫn là sản phẩm tất yếu khi các loại nhiên liệu lỏng được tiêu thụ trong vận tải hoặc phát điện.

Thu khí nhờ đốt nhiên liệu bằng oxy

Ở quá trình này, oxy sẽ được dùng làm khí đốt để thải ra một hỗn hợp khí với thành phần chủ yếu là CO2 và nước dễ dàng phân tách, sau đó CO2 có thể được nén, vận chuyển và lưu trữ.

Kỹ thuật này hiện vẫn đang được tiếp tục nghiên cứu, một phần là vì nhiệt độ cháy của oxy tinh khiết (khoảng 3.500oC) là quá cao đối với nhiên liệu của các nhà máy phát điện thông thường.

Quá trình thu hồi khí CO2 khi đốt oxy. (Nguồn: Trung tâm Thu hồi và Lưu giữ carbon Scotland.)

Vận chuyển CO2

Một số giải pháp vận chuyển CO2 đã được vận dụng trong thực tế, tuy nhiên, hầu hết mới chỉ được áp dụng ở quy mô nhỏ.

Dùng đường ống là phương pháp vận chuyển khí CO2 phổ biến nhất tại Hoa Kỳ. Hiện nay, có hơn 5.800 km đường ống vận chuyển khí CO2 ở nước này, chủ yếu để phục vụ các khu khai thác dầu khí.

Tương tự như vận chuyển sản phẩm dầu mỏ và khí thiên nhiên, đường ống vận chuyển khí CO2 đòi hỏi chú trọng đến thiết kế, giám sát rò rỉ và bảo vệ đường ống khỏi áp lực cao, đặc biệt đối với đoạn ống đi qua khu dân cư.

Tàu biển có thể được dùng để vận chuyển CO2 ở khoảng cách xa hay sang nước khác. Trên thế giới, các loại chất đốt hoá lỏng tự nhiên, propan và butan thường được vận chuyển bằng tàu biển tải trọng lớn.

Các loại phương tiện vận tải đường bộ cũng có thể sử dụng để vận chuyển khí CO2 nhưng phương án này không kinh tế nếu triển khai hoạt động CCS trên quy mô lớn.

Chi phí cho vận chuyển bằng đường ống dao động tùy thuộc vào giá thành xây dựng, phí vận hành, bảo trì, quản lý và các khoản phí khác. Đối với loại hình vận chuyển này, lưu lượng và khoảng cách vận chuyển là những yếu tố chủ yếu để xác định chi phí. Ngoài ra còn phải tính đến vị trí địa lý của đường ống (ở trên bờ hay ngoài khơi) và mức độ tắc nghẽn lưu thông dọc tuyến đường vận chuyển (có gặp núi, sông lớn và có đi qua vùng băng tuyết bao phủ hay không).

Chi phí vận chuyển hàng hải hiện mới chỉ được ước tính vì trên thực tế vẫn chưa có hệ thống vận tải khí CO2 quy mô lớn (cỡ hàng triệu tấn CO2/năm) nào hoạt động. Đối với những khoảng cách xa hơn 1.000km và lưu lượng nhỏ hơn vài triệu tấn CO2/năm thì chi phí vận chuyển hàng hải có thể thấp hơn vận chuyển bằng đường ống.