Công nghệ thu hồi khí thải CO2 trực tiếp từ khí quyển

Quản trị viên 29/11/2021 Khối công nghệ thông tin

Lâu nay, carbon vẫn luôn bị chỉ trích trên các phương tiện truyền thông đại chúng về vai trò của nó trong sự nóng lên toàn cầu. Carbon dioxide (CO2), một loại khí được tạo thành từ carbon và oxy, là một trong bốn loại khí thải gây hiệu ứng nhà kính phổ biến nhất trong khí quyển (bao gồm cácbon điôxit (C02), mêtan, nitơ ôxit và CFC) và cho đến nay nó vẫn là chất đóng góp lớn nhất vào sự biến đổi khí hậu toàn cầu. Carbon cũng có trong mêtan, một loại khí gây hiệu ứng nhà kính mạnh hơn nhiều nhưng thật may là mêtan kém dồi dào hơn.

Trước hết phải khẳng định rằng carbon là một nguyên tố vô cùng hữu ích và quan trọng. Carbon là nguyên tố phổ biến thứ 4 trong vũ trụ về khối lượng sau hydro, heli, oxy và có tính chất linh hoạt nhất. Các hợp chất của carbon tạo ra nền tảng cho mọi loại hình sự sống trên Trái đất: Carbon là cơ sở xây dựng của tất cả các sinh vật và tạo nên một nửa khối lượng khô của mọi loài thực vật và khoảng 1/5 khối lượng của tất cả các loài động vật, bao gồm cả con người.

Các nguyên tử carbon có thể được sắp xếp để tạo thành kim cương, than chì, sợi carbon và graphene cũng như các vật liệu nano kỳ lạ và tuyệt vời như buckminsterfullerene.

Carbon có thể kết hợp với các nguyên tố khác để tạo ra một số lượng gần như vô hạn các hợp chất như carbohydrate (bao gồm đường), hydrocarbon (thành phần của hầu hết các loại nhiên liệu và chất dẻo) và carbonat (bao gồm đá vôi). Nó có thể chuyển hóa thành sợi carbon và là một thành phần thiết yếu của thép (hợp kim của sắt và carbon). Carbon cũng là thành phần chính của gỗ và tất cả sinh khối. Một loạt các vật liệu mới dựa trên carbon đang được phát triển trên khắp thế giới bao gồm thực phẩm, nhựa, nhiên liệu và xi măng - những vật liệu mà phương pháp sản xuất ra chúng hiện nay chịu trách nhiệm cho phần lớn sự tàn phá môi trường.

Nhờ cấu trúc địa chất, một số thành tạo đá nhất định có thể giữ CO2 dưới lòng đất một cách an toàn và vĩnh viễn. Trên thực tế, việc lưu trữ CO2 dưới lòng đất là một quá trình tự nhiên xảy ra trong hàng trăm triệu năm. Các nghiên cứu độc lập đều nhất trí rằng lưu trữ CO2 trong các thành hệ địa chất vẫn là một lựa chọn an toàn để giải quyết vấn đề biến đổi khí hậu.

Cho đến nay, các hệ thống thu hồi và lưu trữ carbon nhằm giảm lượng khí thải CO2 vào khí quyển thường được áp dụng bên trong các nhà máy điện, tại các nguồn tập trung CO2. CO2 được vận chuyển đến nơi lưu trữ, ở đó nó lắng đọng và sẽ không đi vào khí quyển. Việc hút trực tiếp CO2 từ không khí được biết là có thể thực hiện được, tuy nhiên được coi là không thực tế lắm do nồng độ CO2 thấp hơn.

Trong nhiều năm, các công ty như Climeworks của Thụy Sĩ đã và đang phát triển những giải pháp khả thi về mặt thương mại nhằm loại bỏ một lượng lớn carbon khỏi khí quyển. Chi phí cho các giải pháp này hiện tương đối đắt đỏ nhưng nếu giá carbon trong khí quyển giảm xuống đủ thấp, nó có thể là nguồn nguyên liệu thô có phát thải ròng bằng 0 không thể tin được, cuối cùng có thể thay thế nhiên liệu hóa thạch trong khi góp phần đáng kể giảm nguy cơ biến đổi khí hậu.

Mới đây, vào tháng 9-2021, nhà máy thu hồi và lưu trữ carbon trực tiếp từ không khí có công suất lớn nhất thế giới do công ty Climeworks điều hành có tên là Orca đã chính thức đi vào hoạt động tại Iceland. Sử dụng công nghệ của Carbfix- đối tác người Iceland của Climeworks, Orca tiến hành hút CO2 trực tiếp từ không khí rồi chôn sâu dưới lòng đất dưới dạng các khối đá.

Được coi là một cột mốc quan trọng trong ngành công nghiệp thu khí trực tiếp, Orca có khả năng loại bỏ 4.000 tấn CO2 khỏi khí quyển mỗi năm, tương đương với lượng khí thải CO2 của 870 xe ô tô hoặc 9.281 thùng dầu tiêu thụ trong một năm, theo ước tính của Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ.

Vận hành bằng năng lượng tái tạo

Công ty Climeworks được thành lập vào năm 2009 bởi Christoph Gebald và Jan Wurzbacher, hai sinh viên người Đức tốt nghiệp chuyên ngành kỹ thuật của trường đại học nghiên cứu Thụy Sĩ ETH Zurich. Kể từ đó, họ đã cùng nhau phát triển các bộ thu hồi CO2 giống như các bộ điều hòa không khí khổng lồ bằng thép không gỉ, mỗi bộ có kích thước tương đương một chiếc xe ô tô thể thao SUV, được lắp đặt trên các giàn có kích thước bằng công-ten-nơ. Khí được quạt hút vào các bộ thu hồi, tại đây, CO2 được hấp thụ bởi các bộ lọc đặc biệt giúp thu hút các phân tử khí. Khi bộ lọc đầy CO2, bộ thu hồi được đóng kín và làm nóng lên đến khoảng 100°C. Lúc này, các bộ lọc giải phóng khí CO2 đậm đặc, sau đó khí CO2 được làm lạnh và lưu trữ dưới dạng CO2 lỏng. Quá trình này đạt hiệu quả khoảng 90%, có nghĩa là cứ 100 tấn CO2 được thu giữ thì chỉ có 10 tấn được tái thải vào khí quyển.

Có một số công nghệ đối thủ hoạt động theo cách tương tự nhưng Climeworks tuyên bố phiên bản của họ hoạt động ở nhiệt độ thấp hơn nên chi phí vận hành rẻ hơn.

Máy móc cần năng lượng để vận hành các quạt và làm nóng các bộ lọc, vì vậy chúng cần được cung cấp năng lượng từ các nguồn tái tạo nếu muốn tránh thải nhiều carbon hơn vào khí quyển so với mức thu hồi. Đây là mục tiêu ngay từ ban đầu của Climeworks- nhắm đến mức phát thải ròng bằng 0.

Chính vì vậy, nhà máy Orca vừa đi vào hoạt động nằm ở Hellisheidi, Iceland, liền kề nhà máy điện địa nhiệt lớn thứ 3 thế giới của công ty năng lượng Iceland ON Power và hoàn toàn chạy bằng nguồn năng lượng tái tạo này.

Orca được xây dựng trong 15 tháng, bao gồm 8 thùng chứa khổng lồ có kích thước và bề ngoài tương tự như các công-ten-nơ trong ngành vận tải biển có thể xếp chồng lên nhau, sử dụng các bộ lọc và quạt công nghệ cao để hút trực tiếp CO2. Theo Climeworks, hệ thống này có diện tích vật lý nhỏ, thời gian xây dựng ngắn và có thể được nhân rộng ở bất kỳ đâu trên thế giới với đủ năng lượng tái tạo và điều kiện lưu trữ. Nó cũng sử dụng lượng thép bằng một nửa so với công nghệ trước đây của Climeworks.

Carbon thu được sẽ được trộn với nước rồi bơm sâu xuống lòng đất, ở đó nó sẽ phản ứng với đá gốc bazan để thạo thành đá canxit mới. Kết quả là loại bỏ CO2 khỏi bầu khí quyển vĩnh viễn. Cả hai công nghệ này đều sử dụng năng lượng tái tạo từ nhà máy địa nhiệt gần đó.

Thu khí trực tiếp vẫn là một công nghệ mới và tốn kém. Tuy nhiên, các nhà phát triển công nghệ này hy vọng sẽ giảm giá thành bằng cách mở rộng quy mô khi ngày càng có nhiều công ty và nhà tiêu dùng tìm cách cắt giảm lượng khí thải carbon của họ.

Kinh doanh CO2 thu hồi từ khí quyển

Trước Nhà máy Orca, Climeworks đã khởi động một nhà máy thử nghiệm thu hồi khí trực tiếp ở Thụy Sĩ vào năm 2017, CO2 thu hồi được đem bán để sử dụng thương mại trong phân bón, đồ uống có ga và nhiên liệu tổng hợp.

Những người chỉ trích giải pháp thu hồi và lưu trữ carbon cho rằng đó là một sự xao lãng tốn kém khỏi các biện pháp chính sách thực sự cần thiết để chống lại biến đổi khí hậu. Tuy nhiên, theo báo cáo của Ủy ban Liên chính phủ về biến đổi khí hậu của Liên hợp quốc, việc mở rộng quy mô công nghệ loại bỏ carbon có thể giúp thế giới giới hạn sự nóng lên toàn cầu ở mức 1,5 độ C.

Do đó, các nhà sáng lập Climeworks tin tưởng rằng, nếu mở rộng quy mô đủ lớn, công nghệ của Climeworks có thể đóng một vai trò quan trọng trong việc cắt giảm lượng carbon trong khí quyển và từ đó ngăn ngừa sự biến đổi khí hậu. Đồng thời, nó có thể tạo ra một lượng lớn carbon có giá trị có thể sử dụng để sản xuất mọi thứ từ nhựa đến nhiên liệu.

Trả lời phỏng vấn của tạp chí Dezeen, người đứng đầu Ban Chính sách khí hậu của Climeworks- ông Christoph Beuttler giải thích: “Carbon là tài nguyên quý giá nhất trong xã hội chúng ta. Chúng ta đã xây dựng xã hội dựa trên carbon. Vấn đề là nó thoát ra khỏi mặt đất và làm tăng thêm lượng carbon thải vào khí quyển.Vì vậy, chúng tôi thu hồi CO2 từ khí quyển để làm hai việc: Lưu trữ nó vĩnh viễn để đạt được âm phát thải (loại bỏ khí thải nhiều hơn lượng khí thải được thải ra) và tạo ra các sản phẩm từ CO2 để thay thế cho CO2 hóa thạch. Chúng ta có thể tạo ra các polyme, chế tạo dầu hỏa; bất cứ thứ gì có thể tạo ra từ dầu và khí đốt thì đều có thể xây dựng bằng quá trình đó."

Sản xuất xi măng từ carbon thu hồi được từ khí quyển

Các vật liệu chế biến từ carbon trong khí quyển có thể dùng trong lĩnh vực thi công xây dựng công trình, đây là những ngành ước tính chiếm khoảng 40% lượng khí thải toàn cầu.

Trong đó, xi măng được coi là thủ phạm tồi tệ nhất, đóng góp khoảng 8% tổng lượng cacbon trong khí quyển. Sản xuất xi măng tổng hợp từ khí thải CO2 sẽ góp phần đạt được mục tiêu “âm carbon”. Các tòa nhà tồn tại trong một thời gian dài và xi măng có thể tái chế nên về cơ bản có thể lưu trữ CO2 trong một thời gian dài.

Beuttler lập luận rằng, những nỗ lực để trung hòa khí thải từ các quá trình dựa trên nhiên liệu hóa thạch không thấy được điểm cốt yếu bởi vì rốt cuộc, carbon cũng sẽ bị thải vào khí quyển. Chỉ khi sử dụng vật liệu xây dựng tạo từ carbon thu hồi trong khí quyển, chúng ta mới có thể đóng chu trình carbon.

So với quá trình thu hồi carbon tự nhiên thông qua các dự án trồng rừng và dự án sinh khối quy mô lớn thì thu hồi carbon trực tiếp bằng công nghệ có ưu điểm hơn nhiều. Bởi đất là nguồn tài nguyên hữu hạn, hơn nữa còn cần dành cho sản xuất lương thực và các mục đích sử dụng khác.

Ông Beuttler giải thích: “Chúng ta không thể mở rộng quy mô sinh khối một cách vô hạn. Sẽ cần (diện tích của) ba hành tinh để giải quyết được vấn đề khí hậu. Lợi thế công nghệ của chúng tôi là có diện tích nhỏ hơn khoảng 400 lần (so với sinh khối) và sử dụng năng lượng tái tạo để vận hành các nhà máy của Climeworks."

Giảm sử dụng nhiên liệu hóa thạch

Climeworks không đề xuất giúp khử carbon cho nền kinh tế toàn cầu mà đề xuất giúp giảm sử dụng các nguồn nhiên liệu hóa thạch. Điều này có nghĩa là để lại trữ lượng hóa thạch còn lại trong lòng đất nhằm ngăn chặn lượng khí thải carbon mới xâm nhập vào khí quyển.

Theo Beuttler, “Trước hết, chúng ta phải ngừng phát thải. Như vậy, sẽ thực hiện được việc giảm thiểu. Nhưng sẽ có một điểm mà chúng ta không thể giảm thiểu thêm nữa. Chẳng hạn như, không thể thu hồi carbon từ khí thải của máy bay và không thể trực tiếp điện khí hóa các máy bay chở khách và vận chuyển hàng hóa đường dài."

Ngoài ra, ngay cả ngành hàng không cuối cùng cũng có thể không sử dụng nhiên liệu hóa thạch và do đó đạt được mục tiêu trung hòa carbon. Máy bay có thể chạy bằng dầu hỏa làm từ carbon thu hồi từ khí quyển trộn với hydro xanh, là hydro được chiết xuất từ nước sử dụng năng lượng tái tạo. Chu trình carbon được khép kín vì CO2 quay trở lại bầu khí quyển khi nó bị đốt cháy.

Ngoài việc giảm thiểu, sẽ cần một loạt các biện pháp để loại bỏ một lượng lớn CO2 khỏi bầu khí quyển - ước tính khoảng 10 gigaton mỗi năm - nhằm ngăn chặn sự biến đổi khí hậu đang ngày càng trở nên nghiêm trọng.

Thu hồi carbon ở những nơi cần thiết

Trong tương lai, các nhà máy của Climeworks có thể được thiết lập theo nhu cầu thương mại của địa phương. Vì nồng độ carbon trong khí quyển là khá giống nhau ở khắp mọi nơi trên hành tinh nên máy móc của Climeworks có thể được đặt ở bất kỳ nơi nào có nguồn năng lượng tái tạo và bất kỳ nơi nào có nhu cầu về carbon chiết xuất, được bán dưới dạng CO2 lỏng không mùi.

Ví dụ, một nhà máy sản xuất đồ uống có ga ở Hawaii có thể thiết lập các bộ thu hồi khí ngay cạnh nhà máy của họ và sử dụng carbon để tạo ga cho các sản phẩm của họ.

Vấn đề chủ yếu là carbon thu được từ bầu trời hiện đang quá đắt so với carbon hóa thạch. Hiện giá carbon của Climeworks khoảng 900 €/tấn, gần gấp đôi giá dầu thô. Trong khi đó, chi phí gây ô nhiễm không khí thậm chí còn thấp hơn: mặc dù giá bù đắp trên thị trường giao dịch carbon của EU đã tăng 50% lên mức cao kỷ lục trong năm 2021, nó vẫn chỉ có giá 50 €/tấn.

So sánh tiềm năng của ngành kinh doanh carbon thu hồi từ khí quyển với ngành năng lượng mặt trời nơi giá đã giảm mạnh trong vài thập kỷ qua, Beuttler cho biết: “Để biến kinh doanh carbon trong khí quyển thành kinh doanh hàng loạt, cần có các chính sách khiến cho việc thải ra khí CO2 hóa thạch đắt hơn hoặc thiết lập “các lan can” để Climeworks có thể tăng quy mô. Tiếp theo sẽ chỉ là vấn đề về lợi thế quy mô kinh tế."

Theo tính toán của Beuttler, cần khoảng 80 triệu bộ thu hồi CO2 Climeworks để loại bỏ 4 gigaton carbon khỏi khí quyển mỗi năm, chiếm khoảng 40% tổng khối lượng cần được thu hồi mỗi năm nhằm ổn định khí hậu. Có thể đạt được mục tiêu này, nhưng ngành thu hồi CO2 trực tiếp từ khí quyển cần phải trở thành một trong những ngành công nghiệp lớn nhất trên thế giới.

Mặc dù các nguồn năng lượng tái tạo đóng vai trò then chốt trong quá trình chuyển đổi năng lượng của thế giới, công nghệ thu hồi và lưu trữ carbon vẫn là một trong các công nghệ đã được chứng minh có khả năng giảm đáng kể lượng khí thải trên quy mô toàn cầu. Tuy không có giải pháp duy nhất nào có thể giải quyết triệt để vấn đề biến đổi khí hậu, CCS sẽ là một trong những chìa khóa có thể mở ra một tương lai phát thải thấp hơn. Và chúng ta có thể đặt nhiều hy vọng vào công nghệ thu khí trực tiếp của Climeworks hay của các nhà phát triển giải pháp khác./.

Ảnh chụp từ trên không của Nhà máy điện địa nhiệt Hellisheidi gần Reykjavik, Iceland, ngày 4 tháng 6 năm 2016. Nguồn: Reuters

Nhà máy Orca được tạo thành từ các đơn vị thu hồi CO2 carbon dioxide có thể xếp chồng lên nhau. Nguồn: Dezeen

Nhà máy Orca ở ngoại ô Reykjavik, Iceland. Nguồn: Climeworks

Tác giả: Đỗ Thị Thanh Hương (Theo Dezeen, Reuters, Climeworks)