Công nghệ thu hồi, sử dụng và lưu trữ carbon (CCUS) đang trở thành một trụ cột trong lộ trình hiện thực hóa mục tiêu Net Zero, đặc biệt đối với các ngành khó khử carbon như thép, xi măng và hóa chất. Tuy nhiên, để mở rộng quy mô, CCUS cần vượt qua rào cản về chi phí, hạ tầng và cơ chế chính sách nhằm đảm bảo tính khả thi trong dài hạn.

Công ty John Crane (Anh) đang hợp tác với nhiều đối tác trong các dự án CCUS thương mại để phát triển các giải pháp bơm, niêm kín và kiểm soát dòng chảy chuyên dụng - những mắt xích quan trọng trong vận hành hiệu quả chuỗi thu gom, nén và vận chuyển CO₂. Nguồn: Innovation News Network

Tháng 12/2024, Vương quốc Anh đã đánh dấu bước tiến quan trọng trên hành trình hướng tới phát thải ròng bằng 0 (Net Zero) khi ký kết hai thỏa thuận lớn về thu hồi carbon, mở đường cho hàng nghìn việc làm chất lượng cao tại vùng Đông Bắc. Theo đó, liên doanh Northern Endurance Partnership - gồm BP, Equinor và TotalEnergies - sẽ xây dựng hệ thống đường ống vận chuyển CO₂ từ các nhà máy công nghiệp đến khu vực lưu trữ dưới đáy biển Bắc. Cùng lúc, Net Zero Teesside Power sẽ khởi công nhà máy điện khí tự nhiên đầu tiên trên thế giới tích hợp công nghệ thu giữ carbon (CCS) ở quy mô thương mại. Với tổng đầu tư hơn 4 tỷ bảng Anh, dự án này đưa Teesside trở thành cụm công nghiệp khử carbon đầu tiên của Anh, đồng thời củng cố vị thế quốc gia trong cuộc đua hiện thực hóa Net Zero vào năm 2050.

Tầm quan trọng của CCUS

Về cốt lõi, CCUS (thu hồi, sử dụng và lưu trữ carbon) là một công nghệ khử cacbon quan trọng trong ngành công nghiệp nặng. Công nghệ này cho phép thu giữ CO₂ tại nguồn phát thải lớn - như nhà máy điện đốt nhiên liệu hóa thạch, nhà máy lọc dầu hoặc xưởng sản xuất vật liệu xây dựng - sau đó, lưu trữ khí thải an toàn dưới lòng đất hoặc tái sử dụng trong các ngành như: sản xuất hóa chất, thực phẩm và thậm chí cả khai thác dầu.

Dù đã được nghiên cứu và ứng dụng từ hơn ba thập kỷ qua, CCUS chỉ mới bắt đầu thu hút được sự quan tâm chính trị và đầu tư lớn trong những năm gần đây, khi thế giới bước vào cuộc chuyển dịch năng lượng toàn cầu tương tự quy mô của Cách mạng Công nghiệp. Trong bối cảnh yêu cầu cắt giảm khí nhà kính ngày càng cấp thiết, CCUS nổi lên như một công nghệ trung gian không thể thiếu - đặc biệt đối với các ngành “khó khử carbon” như sản xuất thép, xi măng, hóa chất, chế biến dầu khí và vận tải hạng nặng.

Theo Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IEA), CCUS có thể giảm tới 13% lượng khí thải từ ngành năng lượng vào năm 2030. Đồng thời, nó mở ra tiềm năng kinh tế đáng kể khi cho phép tái sử dụng CO₂ như một nguồn nguyên liệu có giá trị.

CCUS vận hành như thế nào?

Hiện nay, có khoảng 50 cơ sở CCUS thương mại đang hoạt động trên toàn cầu, một số bắt đầu từ những năm 1970. Dù tốc độ triển khai chưa đáp ứng kỳ vọng, nhưng xu hướng đang thay đổi. Theo IEA, trên thế giới có hơn 700 dự án đang trong các giai đoạn phát triển, với công suất thu gom và lưu trữ CO₂ dự kiến tăng lần lượt 35% và 70% vào năm 2030. Nếu các mục tiêu này đạt được, CCUS có thể thu được 435 triệu tấn CO₂ hàng năm vào cuối thập kỷ này.

CCUS hoạt động dựa trên hai phương pháp chính: thu CO₂ trước khi đốt nhiên liệu (pre-combustion) và sau khi đốt (post-combustion). Phổ biến nhất hiện nay là phương pháp loại bỏ CO₂ trước quá trình đốt, trong giai đoạn xử lý hydrocacbon, thông qua tách khí và thường kết hợp với hấp thụ hóa học. Phương pháp thứ hai loại bỏ CO₂ khỏi khí thải sau khi nhiên liệu hóa thạch được đốt cháy, chủ yếu bằng cách hấp thụ hóa học. Ở phương pháp này, khí thải công nghiệp được dẫn qua dung dịch amin, nơi các phân tử amin liên kết với CO₂. Khi được gia nhiệt, CO₂ sẽ được giải phóng dưới dạng khí, sẵn sàng cho quá trình thu gom, vận chuyển và lưu trữ. Có thể hình dung quá trình này như một tấm lưới phân tử - đơn giản về mặt lý thuyết, nhưng đầy thách thức và tốn kém khi triển khai ở quy mô lớn.

Hình minh họa hệ thống đường ống dẫn CO₂ trong công nghệ CCUS. Nguồn: Innovation News Network

CO₂ thu hồi sẽ được vận chuyển đến địa điểm lưu trữ thông qua hệ thống đường ống - phương pháp phổ biến nhất. Riêng tại Mỹ, hệ thống ống dẫn CO₂ đã dài hơn 6.500 km, vận chuyển khoảng 68 triệu tấn mỗi năm. Khi được nén đến trạng thái siêu tới hạn, CO₂ có tính chất lý tưởng cho vận chuyển: vừa có mật độ cao như chất lỏng, vừa có độ nhớt thấp như chất khí. Sau cùng, khí CO₂ sẽ được bơm vào các tầng đá sâu trong lòng đất, được giám sát nghiêm ngặt để đảm bảo lưu trữ an toàn hàng triệu năm.

Từ năm 1996, cơ sở Sleipner ở Na Uy đã lưu trữ an toàn gần 1 triệu tấn CO₂ mỗi năm. Tại Brazil, lưu vực Santos của Petrobras sử dụng công nghệ kết hợp giữa CCUS và tăng cường thu hồi dầu (CO₂-EOR), cho phép vừa giảm khí thải vừa tăng sản lượng dầu. Dự kiến, trong vòng 20 năm tới, công nghệ này có thể giúp Brazil khai thác thêm 5,7 tỷ thùng dầu và lưu trữ khoảng 266 triệu tấn CO₂.

Thách thức đối với CCUS

Dù tiềm năng lớn, CCUS vẫn đối mặt với nhiều rào cản trên hành trình mở rộng quy mô. Trên thực tế, hơn 90% lượng khí thải CO₂ từ công nghiệp có thể được thu hồi, nhưng phần lớn các dự án hiện nay vẫn bị đình trệ do chi phí đầu tư cao, hạ tầng vận chuyển - lưu trữ chưa phát triển đồng bộ, và thiếu hành lang pháp lý hỗ trợ.

Ngoài ra, nhận thức của công chúng cũng là một trở ngại không nhỏ. Nhiều ý kiến lo ngại CCUS có thể vô tình kéo dài sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch, nhất là khi được dùng làm "lá chắn carbon" cho các dự án khai thác mới. Bên cạnh đó, dù đã có nhiều dự án lưu trữ thành công trong nhiều thập kỷ, tính an toàn dài hạn của công nghệ vẫn là mối quan tâm thường trực. Giải quyết những lo ngại này là điều kiện tiên quyết để CCUS có thể được chấp nhận và triển khai rộng rãi trên quy mô toàn cầu.

Từ CCS đến CCUS: Biến CO₂ thành cơ hội

Khác với CCS truyền thống vốn chỉ tập trung vào lưu trữ CO₂, CCUS mở rộng thêm yếu tố "sử dụng", giúp biến khí thải thành sản phẩm có giá trị. Chẳng hạn như, CO₂ có thể dùng để sản xuất bê tông, nhiên liệu tổng hợp, cacbonat hóa nước giải khát, hoặc bảo quản thực phẩm.

Nhiều startup đã nổi lên trong làn sóng này. CleanO2 (Canada) phát triển thiết bị CARBiNX™ thu giữ CO₂ từ lò hơi khí tự nhiên và chuyển hóa thành potassium carbonate - nguyên liệu sản xuất xà phòng thân thiện môi trường. Econic Technologies (Anh) đang tiên phong sử dụng CO₂ làm nguyên liệu sản xuất polyol, thành phần chủ chốt trong các sản phẩm polyurethane ứng dụng rộng rãi từ giày dép, thiết bị gia dụng, đồ nội thất đến xe hơi.

Ngoài ra, hiện nay cũng đang có nhiều nghiên cứu khám phá tiềm năng ứng dụng CO₂ trong việc kích thích tăng trưởng cây trồng, khử caffein cho cà phê và trà, thậm chí sử dụng như một tác nhân trong các hệ thống chữa cháy.

CCUS - Lời giải cho ngành công nghiệp nặng

CCUS đặc biệt phù hợp với các lĩnh vực khó điện khí hóa như thép và xi măng. ArcelorMittal - tập đoàn thép hàng đầu thế giới - đã bắt đầu tích hợp công nghệ thu hồi carbon tại các nhà máy ở Bỉ và Bắc Mỹ. Giai đoạn đầu của dự án thử nghiệm tại Gent đã đạt mức thu giữ 300kg CO₂ mỗi ngày - tiền đề để mở rộng lên quy mô công nghiệp trong tương lai gần.

Tuy nhiên, việc triển khai CCUS trên diện rộng vẫn vấp phải nhiều thách thức đáng kể. Chi phí đầu tư cao, nhu cầu thị trường chưa đủ lớn và mức độ sẵn sàng về công nghệ vẫn là những rào cản chính. Do tiêu tốn nhiều năng lượng trong quá trình vận hành, CCUS thường bị so sánh bất lợi với các giải pháp khử carbon thay thế như năng lượng tái tạo hoặc hydro - những lựa chọn có khả năng loại bỏ hoàn toàn khí thải carbon ngay từ nguồn.

Thêm vào đó, hiệu quả thực tế của một số dự án còn thấp, góp phần làm dấy lên hoài nghi về tính khả thi của công nghệ. Đơn cử như Dự án Al Reyadah tại UAE - dự án CCUS thương mại đầu tiên ở Trung Đông và cũng là dự án đầu tiên trên thế giới áp dụng công nghệ này trong ngành sản xuất thép - chỉ thu giữ được 26,6% lượng khí thải trong năm 2023, một con số còn khá khiêm tốn so với tiềm năng phát thải khổng lồ của ngành công nghiệp nặng.

Cần gì để công nghệ CCUS cất cánh?

Các thị trường tiên phong như Anh và EU đang đi đầu trong việc thúc đẩy CCUS thông qua khung chính sách rõ ràng và đầu tư quy mô lớn. Chính phủ Anh đã cam kết hỗ trợ 21,7 tỷ bảng Anh trong 25 năm cho lĩnh vực này. EU cũng đã yêu cầu các công ty dầu khí lưu trữ ít nhất 50 triệu tấn CO₂ mỗi năm vào năm 2030 thông qua Đạo luật Công nghiệp Net Zero.

Tổ chức tư vấn McKinsey chỉ ra bốn trụ cột để đẩy mạnh phát triển CCUS: cơ chế trợ cấp và tín dụng thuế; nhu cầu thị trường đối với sản phẩm carbon thấp; giá trị thương mại của CO₂ tái sử dụng; và sự hình thành thị trường carbon tự nguyện.

Một nhà máy công nghiệp tiềm năng cho triển khai công nghệ thu hồi và lưu trữ carbon (CCUS). Nguồn: Innovation News Network

Đẩy mạnh sự hợp tác giữa các tổ chức công và tư cũng góp phần triển khai mạnh mẽ CCUS. Các dự án như Acorn ở Scotland - tái sử dụng đường ống dẫn khí cho mục tiêu vận chuyển CO₂ - là minh chứng rõ ràng cho hiệu quả hợp tác công - tư. Với nguồn vốn 2 triệu bảng trong giai đoạn thăm dò đường ống và 80 triệu bảng trong giai đoạn tiếp theo từ chính phủ Scotland và nằm trong nhóm được xét chọn tài trợ từ quỹ CCS Track 2 (của Vương quốc Anh) trị giá 1 tỷ bảng Anh, Acorn cho thấy tương lai đầy hứa hẹn của hạ tầng CCUS.

Hạ tầng phục vụ cho CCUS - khâu vận chuyển và lưu trữ - vẫn là một nút thắt cần được tháo gỡ. Tuy nhiên, thách thức không chỉ nằm ở hệ thống đường ống hay các bể chứa dưới lòng đất. Trên thực tế, các thiết bị như máy bơm và hệ thống xử lý dòng chảy đóng vai trò thiết yếu trong toàn bộ chu trình vận hành. Từ việc bơm dung môi amin trong quá trình thu gom CO₂ cho đến vận chuyển khí nén ở trạng thái siêu tới hạn, mỗi mắt xích đều đòi hỏi công nghệ chính xác cao. Đặc biệt, việc kiểm soát dòng chảy đa pha là yếu tố then chốt trong vận hành, bởi CO₂ có đặc tính vật lý biến đổi theo nhiệt độ. Những công nghệ tiên tiến như máy bơm ly tâm đa pha hiện đang được ứng dụng để ổn định dòng chảy, nâng cao hiệu suất và đảm bảo tính an toàn cho quá trình vận chuyển.

CCUS: Chìa khóa cho công nghiệp xanh toàn cầu

Với lượng khí thải carbon ngày càng lớn từ ngành công nghiệp, CCUS hiện là giải pháp duy nhất có thể mở rộng quy mô để giảm thiểu phát thải hiệu quả. Theo ước tính của Bộ An ninh Năng lượng và Net Zero (DESNZ) của Anh, thị trường CCUS toàn cầu có thể đạt 260 tỷ bảng vào năm 2050. Nhưng để đạt được tiềm năng đó, thập kỷ này sẽ là thời điểm quyết định liệu CCUS có trở thành trụ cột trong chiến lược khí hậu toàn cầu hay không./.