Công nghệ thu hồi và lưu giữ CO2: Một giải pháp chống biến đổi khí hậu

Thuật ngữ “thu hồi và lưu giữ carbon” (Carbon capture and storage – 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…

Quy trình CCS hoàn chỉnh bao gồm bốn bước cơ bản: 1/ thu COtừ 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 COtại 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.

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.

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 COthải 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 CO2và 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.

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 COphổ 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.

Lưu trữ carbon trong các thành hệ địa chất

Để giải “bài toán khí thải”, rất nhiều phương án lưu giữ CO2 khác nhau đã được đề xuất ngoài quá trình lưu trữ tự nhiên của các hệ sinh thái Trái đất nhờ quang hợp và chuyển đổi CO2 thành carbon hữu cơ. Các công nghệ lưu trữ CO2 như bơm trực tiếp xuống biển, xuống các bể chứa địa chất tự nhiên dưới lòng đất, khoáng hóa cacbon… đều đã được nghiên cứu và thử nghiệm. Trong đó, quá trình lưu giữ trong lòng đất nổi lên là phương pháp tiềm năng nhất cho việc cắt giảm lượng khí thải CO2 trên quy mô lớn trong tương lai gần.

Có ba dạng thành địa chất chính đang được xem xét cho việc lưu trữ carbon: (1) các bể chứa dầu khí đã cạn kiệt, (2) các kho chứa nước mặn sâu và (3) các vỉa than không thể khai thác.

Trong kỹ thuật này, CO2 cô đặc sẽ được bơm xuống đất vào các thành hệ đá xốp, các bể chứa dầu đã cạn kiệt hoặc các kho nước mặn sâu… Khi bơm COsâu xuống 800m vào một kho chứa như vậy, áp lực khiến COtrở thành một chất lỏng tương đối đặc, do vậy ít có khả năng xâm nhập ra ngoài thành địa chất.

Các kỹ thuật bơm phun CO2 vào lòng đất chủ yếu được phát triển trong ngành dầu khí nay có tiềm năng ứng dụng sang lưu trữ và giám sát lưu trữ COlâu dài. Những công nghệ bơm phun khác hiện nay, như lưu trữ khí tự nhiên, bơm sâu chất thải lỏng và xử lý nước mặn ở các mỏ dầu, cũng có thể là nguồn tham khảo hữu ích cho kỹ thuật lưu trữ CO2 trong các thành hệ địa chất.

Các bể trầm tích là các hố đất lún tự nhiên lớn trên bề mặt trái đất, chứa đầy trầm tích và chất lỏng, có rất nhiều tiềm năng cho việc lưu trữ CO2. Khả năng lưu trữ CO2 ở các thành hệ địa chất là rất có tiềm năng nếu tính đến các bể trầm tích trên khắp thế giới. Tuy vậy, sự phù hợp của thành hệ địa chất đối với việc lưu trữ CO2 còn phù thuộc vào nhiều yếu tố, như khoảng cách tới các nguồn khí CO2 và các đặc tính khác của bể chứa như độ rỗ xốp, tính thẩm thấu và nguy cơ rò rỉ.

Các bể chứa dầu và khí

Việc bơm CO2 vào các bể dầu khí để tăng năng suất hiện được áp dụng phổ biến trong ngành công nghiệp dầu mỏ. Mỹ là nước dẫn đầu thế giới về công nghệ này, với khoảng 48 triệu tấn CO2 được bơm vào lòng đất mỗi năm để tăng sản lượng khai thác dầu mỏ và khí đốt.

Lợi thế của kỹ thuật này đối với việc lưu trữ CO2 là chi phí có thể được bù đắp một phần từ doanh thu sản xuất dầu và khí đốt. Tuy nhiên, kể cả khi không có lợi nhuận từ khai thác dầu và khí đốt, vẫn có thể bơm CO2 vào các bể dầu đã hoàn toàn cạn kiệt để lưu trữ lâu dài.

Các bể chứa dầu đã khai thác hoặc bị bỏ hoang được xem là những điểm lưu trữ CO2 đầy tiềm năng vì nhiều lý do. Thứ nhất, lượng dầu khí ban đầu đã không thoát ra được trong hàng triệu năm, chứng tỏ cấu trúc kín khít hoàn hảo của các bể chứa. Thứ hai, các khảo sát khai thác dầu đã cung cấp đặc điểm địa chất của các bể chứa và các mô hình máy tính giúp khảo sát sự vận động của hydrocarbon trong bể chứa có thể áp dụng cho việc bơm CO2 sau này. Cuối cùng, hoàn toàn có thể tận dụng cơ sở hạ tầng khai thác dầu khí để tiến hành lưu trữ CO2.

Tuy nhiên, những đặc điểm trên đồng thời cũng có thể là điểm bất lợi đối với việc lưu trữ CO2 lâu dài. Bởi lẽ, các lỗ khoan dầu trên mặt đất có thể là điểm rò rỉ CO2 nếu các ống dẫn không được đặt chính xác. Đồng thời quá trình bơm CO2 xuống cũng phải tiến hành rất thận trọng, tránh tạo áp suất quá lớn trong bể khí khiến các vỉa đá đã được bít kín sau khi khai thác bị phá vỡ, tạo lỗ hổng thoát khí CO2. Ngoài ra, các bể dầu sâu chưa đến 800m không thích hợp để lưu trữ COvì độ sâu đó chưa đủ để khí này chuyển sang thể lỏng đặc và do đó có thể dễ dàng thoát lên mặt đất.

Bể chứa nước mặn sâu

Một số bể trầm tích bị ngập mặn hoặc chứa đầy nước lợ, không thể cung cấp nước cho sinh hoạt và nông nghiệp, có thể là điểm đến thích hợp cho CO2 đã được cô lập. Tương tự như các bể dầu khí, các bể nước mặn có thể thấy trên đất liền hoặc ngoài khơi. Chúng thường là một phần của các túi dầu và túi khí nên có chung một số đặc điểm. Ngành khai thác dầu thường loại bỏ nước mặn trong quá trình khai thác dầu bằng cách bơm nước mặn từ bể dầu sang bể nước mặn.

Mặc dù các bể chứa nước biển sâu có tiềm năng rất lớn trong việc lưu giữ COnhưng phương pháp này còn gặp khó khăn trong việc ước lượng dung tích bể chứa.

Thêm nữa, một số nghiên cứu đã chỉ ra những nguy cơ tiềm ẩn trong việc bảo toàn tính nguyên vẹn của bể chứa dưới ảnh hưởng của những phản ứng hóa học xảy ra sau khi bơm CO2. Các phản ứng này có thể làm axit hóa dung dịch trong bể chứa (làm giảm độ pH), hòa tan các lớp muối khoáng như canxi carbonat và do đó làm tăng khả năng thẩm thấu của thành bể, khiến các chất lỏng chứa đầy CO2 có thể thoát ra ngoài, gây ô nhiễm nguồn nước sinh hoạt.

Những vỉa than không thể khai thác

Những vỉa than không đủ dày, nằm sâu dưới mặt đất hoặc có cấu tạo quá vững chắc khiến việc khai thác không thể thực hiện, đều có thể trở thành các kho chứa CO2.
Các vỉa than này có khả năng thẩm thấu và lưu trữ các loại khí như metan, loại khí gắn kết vật lý với các vỉa than này và có thể tách ra. Các nghiên cứu cho thấy rằng CO2 thậm chí còn liên kết với vỉa than chặt chẽ hơn cả metan và do đó, khi được bơm vào các vỉa than, CO2 có thể đẩy metan ra. Khí này sau đó được thu hồi qua các lỗ khoan và đưa lên mặt đất, tạo một khoản lợi nhuận bù đắp cho chi phí bơm CO2.

Bên cạnh khả năng tách khí từ vỉa than metan, dự án bơm khí vào các vỉa than không thể khai thác được này cũng cần phải xem xét đến một số yếu tố bao gồm độ sâu, tính thẩm thấu, cấu trúc, tính liên tục của vỉ than và khả năng cô lập khí theo phương thẳng đứng (giảm khả năng rò rỉ từ dưới lên), cùng một vài yếu tố khác. Khi CO2 được bơm vào trong vỉa than, nó sẽ nằm yên tại đó trừ trường hợp áp suất bị giảm hoặc khi than bị khai thác.

Tuy nhiên, không phải tất cả các dạng vỉa than đều có thể tách khí metan. Nếu không có các vỉa than metan, kỹ thuật lưu trữ CO2 này sẽ giảm sức hấp dẫn về mặt kinh tế.
Hiện tại, chưa có bất cứ dự án thương mại nào liên quan đến việc bơm và lưu trữ CO2 ở các vỉa than không thể khai thác. Và vì chưa có kinh nghiệm thực tế, việc lưu giữ CO2 trong các mỏ than như vậy có vẻ kém ổn định hơn nhiều so với hai hình thức lưu trữ đề cập ở trên.

Lưu trữ CO2 dưới biển

Lượng cacbon trong nước biển xấp xỉ 50 lần trong khí quyển và gấp gần 10 lần lượng cacbon có trong thực vật và đất. Với vai trò như một mạng lưới hấp thụ CO2, các đại dương tiếp nhận khoảng 1,7 tỉ tấn CO2 mỗi năm.

Khoảng 45% CO2 thoát ra trong quá trình đốt cháy các nhiên liệu hóa thạch và hoạt động sử dụng đất trong những năm 90 của thế kỷ trước vẫn ở lại trong khí quyển trong khi số còn lại đã được đại dương, thực vật và đất đai hấp thụ.

Nếu không được các đại dương hấp thụ, mật độ CO2 trong khí quyển sẽ gia tăng rất nhanh. Tổng cộng, đại dương có thể lưu giữ tới 90% lượng cacbon thải vào bầu khí quyển từ hoạt động của con người. Tuy nhiên, phải mất tới hàng nghìn năm để CO2 trở thành axit cacbonic khi hòa tan trong nước biển và qua thời gian, các chất rắn canxi carbonat (CaCO3) trên đáy biển sẽ phản ứng với, hoặc trung hòa với chất axit cacbonic này.

Điều đáng lo ngại là, trong tương lai, khả năng hấp thụ CO2 của đại dương có thể giảm đi. Một số nghiên cứu cũng cho thấy tầng nước mặt của các đại đương ngày càng bị axit hóa do lượng CO2 từ bầu khí quyển xâm nhập mỗi ngày một tăng.

Mặc dù nồng độ CO2 trên bề mặt các đại dương ngày càng tăng, sự hòa trộn các lớp nước trên bề mặt và các tầng nước phía dưới diễn ra rất chậm chạp. Quá trình này có thể kéo dài hàng chục đến hàng trăm năm. Bơm CO2 trực tiếp xuống tầng nước sâu sẽ tận dụng được tốc độ hòa trộn chậm để lượng CO2 bơm xuống được lưu giữ cho đến khi các tầng nước mặt và nước sâu hòa trộn với nhau và nồng độ CO2 trong nước biển cân bằng với nồng độ trong khí quyển. Tuy nhiên, kết quả của quá trình này còn tùy thuộc vào cách CO2 được đưa vào lòng đại dương, độ sâu được đưa xuống và nhiệt độ của tầng nước.

Tuy tiềm năng lưu giữ CO2 của đại dương là rất lớn, nhưng trước khi nói đến khả năng lưu giữ vô hạn dưới đáy biển những khối lượng lớn khí CO2, rất cần xét đến những tác động lên hệ sinh thái biển và nhiều vấn đề khác. Chưa kể, công nghệ lưu giữ dưới đáy biển mới chỉ ở trong giai đoạn nghiên cứu và chưa thể lường hết được các hiệu ứng phát sinh từ việc tăng lượng lưu trữ thử nghiệm dưới 100 lít lên đến vài tỷ tấn.

Bơm CO2 vào sâu trong lòng đại dương có thể làm thay đổi thành phần hóa học của nước biển, ban đầu chỉ ở một vùng nhỏ và biến đổi sẽ rõ rệt khắp nơi nếu lượng lưu giữ lên đến hàng trăm tỷ tấn. Tác động quan trọng nhất và có thể thấy ngay là độ pH của đại dương sẽ giảm, độ axit tăng. Điều này có thể gây tổn hại cho một số tổ chức sinh vật, tùy thuộc vào mức độ thay đổi và từng loài sinh vật.

Tuy nhiên, tác động thực sự của việc lưu giữ CO2 dưới đáy đại dương hầu như chưa xác định được do hiểu biết của chúng ta về hệ sinh thái vẫn còn hạn chế.

Carbonat hóa khoáng chất

Một lựa chọn khác để lưu giữ CO2 sinh ra do đốt cháy nhiên liệu hóa thạch là chuyển khí này thành các carbonat rắn vô cơ, chẳng hạn thành đá vôi CaCO3, nhờ các phản ứng hóa học. Hiện tượng được gọi là “quá trình phong hóa” này phải mất hàng ngàn tới hàng triệu năm để diễn ra trong tự nhiên.

Ở kỹ thuật này, phong hóa được thúc đẩy nhờ phản ứng của CO2 nồng độ cao với các khoáng chất có trữ lượng lớn trên bề mặt trái đất như olivin hoặc xecpentin. Những chất khoáng này là oxit của silic với thành phần gồm silic, oxy và magie – phản ứng với COđể tạo thành magie carbonat. Ngoài ra còn có wollastonite chứa canxi, phản ứng với COđể tạo thành canxi carbonat. Magie carbonat và canxi cacbonat là những khoáng chất tồn tại ổn định trong thời gian dài.

Ưu điểm của kỹ thuật carbonat hóa khoáng chất là có thể lưu giữ cacbon trong khoáng chất rắn một cách ổn định, không làm thoát cacbon vào bầu khí quyển trong thời gian dài.

Quy trình carbonat hóa các khoáng chất bao gồm ba bước chính: 1/ chuẩn bị các khoáng chất là chất phản ứng (khai thác, nghiền nhỏ và vận chuyển chúng đến nhà máy chế biến) 2/ cho các khoáng chất này phản ứng với dòng khí CO2 và 3/ tách carbonat thành phẩm và lưu giữ chúng ở địa điểm thích hợp.

Phương pháp carbonat hóa khoáng chất đã được biết đến từ lâu và có thể ứng dụng ở quy mô nhỏ, nhưng đến nay công nghệ lưu giữ COở quy mô lớn mới chỉ chập chững những bước đi đầu tiên. Carbonat hóa khoáng chất với khối lượng lớn đòi hỏi tiến hành khai thác và sản xuất nguyên liệu rắn trên quy mô lớn để cung cấp cho các phản ứng hóa học. Trung bình để xử lý mỗi tấn CO2 cần tới 1,6 – 1,7 tấn silicat oxit, hay 2,6 – 4,7 tấn nguyên liệu rắn. Theo đó, sản lượng khoáng khai thác phải tăng từ 50-100% so với hiện nay.

Thêm nữa, vì quy trình carbonat khoáng chất mới ở trong giai đoạn nghiên cứu thử nghiệm nên rất khó ước tính khối lượng COcó thể lưu giữ nhờ kỹ thuật này.

Một trong những bể địa chất có thể lưu trữ CO2 là các bể đá bazan lớn có chứa olivin, như ở vùng cao nguyên đá bazan bên sông Colombia, bể đá Deccan Traps ở Ấn Độ và Siberi ở Nga… Các hố phủ đá bazan đang được nghiên cứu về khả năng phản ứng với CO2 tạo carbonat rắn tại chỗ. Ở đây, thay vì khai thác và nghiền vụn các khoáng chất làm nguyên liệu cho phản ứng carbonat hóa như đã đề cập ở trên, CO2 sẽ được bơm trực tiếp vào các vỉa đá. Ở độ sâu đó, theo thời gian, chúng sẽ phản ứng với đá để tạo thành các khoáng chất rắn carbonat.

Cấu trúc lớn và dày của các hố đá bazan là như nhau trên toàn cầu, chúng có rất nhiều đặc điểm thuận lợi cho việc lưu trữ CO2 như độ xốp và khả năng ngậm nước cao. Những đặc điểm này, kết hợp xu hướng phản ứng với CO2 của bazan có thể đưa tới khả năng chuyển đổi trên quy mô lớn chất khí thải này thành dạng khoáng chất rắn ổn định.

Theo THIENNHIEN.NET

Tags: ,