![[DeepTalk] Những công nghệ thu giữ carbon thú vị](https://photo2.tinhte.vn/data/attachment-files/2022/07/6053073_carbon_cover.png)
Khoảng 85% khí carbon dioxide (CO2) mà con người tạo ra được thải vào bầu khí quyển, chúng có nguồn gốc từ việc đốt cháy các nhiên liệu hóa thạch như dầu, khí tự nhiên và than đá.
Năm 2020, mức trung bình CO2 trên thế giới đã đạt kỷ lục mới - 412.5 phần triệu (Parts Per Million - PPM- đơn vị đo dành cho các mật độ rất thấp), chỉ số cho thấy tăng thêm 12% kể từ năm 2000. Thoạt nghe thì 412.5 phần triệu có vẻ rất nhỏ, nhưng thực tế chỉ với bấy nhiêu đó đã đủ để gia tăng đáng kể hiện tượng ấm lên toàn cầu. Khi lượng khí nhà kính trong không khí tăng lên, nhiệt độ của Mặt Trời bị giữ lại trong bầu khí quyển Trái Đất, làm hành tinh chúng ta nóng lên.
Ngoài việc cố gắng giảm lượng CO2 mà con người thải ra, các nhà khoa học đang nghiên cứu các phương pháp để thu giữ carbon để tránh chúng gây hại cho môi trường. Hầu hết những phương pháp này đều bao gồm việc chôn chúng xuống lòng đất. Những phương pháp thu giữ và lưu trữ carbon đã được chú trọng nhiều hơn kể từ khi Hiệp định Paris 2015 được thành lập. Đây là hiệp ước quốc tế về biến đổi khí hậu, với mục tiêu cốt lõi là giảm 40% lượng khí thải gây hiệu ứng nhà kính vào năm 2030.
Bản thân công nghệ thu giữ carbon không mới. Ý tưởng về 1 nhà máy thu giữ carbon với chức năng thu giữ khí CO2 và ngăn nó xâm nhập trở lại bầu khí quyển được đề xuất lần đầu vào năm 1938. Hơn 3 thập kỷ sau, năm 1972, nhà máy thu giữ carbon đầu tiên được xây dựng ở Texas, mục đích để bơm khí thải CO2 do mỏ dầu Sharon Ridge tạo ra vào lòng đất. Năm 2001, hơn 30 nhà máy thu giữ carbon thương mại đã đi vào hoạt động, cùng với kế hoạch cho thêm 135 nhà máy khác trong tương lai gần.
Thu giữ Carbon là xây nên các trạm thu hồi, sau đó để chúng hoạt động như những máy lọc không khí khổng lồ. Hệ thống này sẽ lọc CO2 từ không khí, nước, hoặc lấy trực tiếp từ nguồn thải. Tiếp đó
1. Precombustion: Trước khi đốt cháy, nhiên liệu hóa thạch được phân tách thành hỗn hợp gồm khí CO2 và H2. Trong khi khí H2 có thể được đốt cháy thì CO2 được nén lại và lưu trữ.
2. Post-Combustion: Đây là kiểu thu giữ CO2 từ khí thải sau khi nhiên liệu đã được đốt cháy. Một loại dung môi lỏng có thể hấp thụ CO2 từ khí thải và lưu giữ chúng, ngăn không cho nó xâm nhập vào khí quyển.
3. Oxyfuel: Quá trình đốt cháy sẽ diễn ra trong môi trường oxy tinh khiết để khí thải sạch hơn, chủ yếu gồm CO2 và nước. Điều này giúp cho việc chiết xuất và lưu giữ CO2 dễ dàng hơn.
1. Độ xốp: Những vị trí có đá với độ xốp cao sẽ được chọn để thu giữ carbon do những khoảng trống đáng kể trong đá xốp có thể tích trữ lượng lớn CO2.
2. Độ thấm: Do CO2 thường được lưu giữ ở trạng thái lỏng, đá cần phảii có độ thấm cao để chứa được nhiều CO2.
3. Độ sâu: CO2 thường được trữ ở độ sâu trên 800 mét.
4. Caprock: Là 1 lớp chống thấm, thường là đất sét, được chắn bên trên lớp lưu trữ carbon, ngăn không cho CO2 tái tạo lên bề mặt.
5. Độ mặn: Các tầng chứa nước gần bề mặt có nồng độ muối thấp hơn, có thể sử dụng làm nguồn nước uống, trong khi CO2 được lưu trữ ở độ sâu lớn, nơi nước có độ mặn cao và con người không tiếp cận được.
Orca là 1 nhà máy thu giữ carbon khổng lồ, hoạt động ở gần Reykjavik, Iceland.
1. Nhà máy điện xoay chiều: Orca được cung cấp năng lượng từ điện tạo ra bởi hơi nước tự nhiên.
2. Nước lạnh: Nước dùng trong nhà máy được đưa xuống mặt đất để làm nóng và tái sử dụng.
3. Quạt cỡ lớn: Không khí xung quanh được hút qua bộ lọc bởi các quạt kích thước lớn.
4. Bộ lọc: Vật liệu tạo nên màng lọc có thể liên kết và bắt giữ CO2 trong khi để các phần tử khác đi qua dễ dàng.
5. Bơm: Hỗn hợp gồm khí CO2 và nước được bơm xuống lòng đất.
6. Thu giữ trong đá: CO2 và nước được dẫn vào lớp đá bazan. Khi CO2 phản ứng với đá bazan, nó nguội đi và dần biến thành đá trong vài năm.
7. Nước nóng: Nước đã được làm nóng tự nhiên bên dưới mặt đất được bơm lên. Sự thay đổi áp suất biến nước thành hơi nước, dùng để chạy các turbine của nhà máy.
8. Nước ngầm: Được bơm lên phía trên bộ lọc, nơi nó kết hợp với lượng CO2 đã được thu giữ.
Nhà máy Orca bắt đầu thu giữ carbon từ năm 2001, có thể thu đến 4000 tấn CO2 ra khỏi không khí mỗi năm.
CO2 cần phải được thêm vào hỗn hợp bê tông trước khi nó đông cứng lại.
Giữ CO2 trong bê tông:
Có hơn 9 tỉ tấn bê tông được sản xuất mỗi năm trên toàn cầu. Một số công nghệ loại bỏ CO2 đang nhắm đến việc thu giữ carbon trong bê tông. Các nhà sản xuất bê tông bơm CO2 đã thu giữ vào bê tông đang được trộn, làm cho CO2 bị khoáng hóa, trở thành 1 chất rắn như carbonate. Vì là khoáng chất rắn nên carbon làm tăng cường tổng thể độ cứng của bê tông, đồng thời ngăn chặn khí CO2 trở lại bầu khí quyển.
Climeworks sử dụng cách thu giữ trực tiếp từ không khí, hút gió bằng các quạt cỡ lớn
Kiếm tiền từ carbon:
Climeworks là công ty đã xây dựng nhà máy thu giữ carbon lớn nhất thế giới, đồng thời cũng sản xuất nhà máy thu giữ khí thương mại đầu tiên. Năm 2017, Climeworks khai trương nhà máy thu giữ carbon cỡ nhỏ ở Thụy Sĩ. Thay vì thải bỏ xuống lòng đất, CO2 được chiết xuất từ không khí ở nhà máy này sẽ được bán lại cho các công ty khác. Một số lượng khí CO2 được 1 nhà kính gần đó sử dụng để tăng sản lượng rau, trong khi số khác sẽ dùng trong ngành công nghiệp thực phẩm và đồ uống. Nếu có nhiều công ty cung cấp CO2 từ các nhà máy thu giữ carbon, lượng nhiên liệu hóa thạch đốt cháy thải ra sẽ ít hơn, từ đó giảm lượng CO2 trong không khí.
1. Luồng nước biển đi vào: Nước biển được hút vào thiết bị qua 1 tấm lưới, tạo ra điện tích trong nước.
2. Thay đổi hóa học: Điện tích trong nước khi đi qua lưới sẽ làm cho CO2 hòa tan kết hợp với canxi và magiê trong nước.
3. Nước biển sâu: Khi nước đi qua hệ thống, phần CO2 hòa tan sẽ giảm xuống.
4. Chất lắng, kết tủa: Tương tự như cách hình thành vỏ sò, CO2, magiê và canxi sẽ trở thành đá vôi và magnesite khi chúng kết hợp với nhau, trở thành chất rắn.
5. Trở lại đại dương: Sau khi chảy qua hệ thống, CO2 trong nước biển sẽ bị loại bỏ. Khoảng trống này sẽ có thể tiếp tục lưu giữ thêm nhiều CO2 nữa, hạn chế carbon trong bầu khí quyển.
Một nhà máy sản xuất ethanol điển hình sẽ cho ra khoảng 150.000 tấn CO2 mỗi năm.
Những sản phẩm không Carbon
Một số sản phẩm thương mại sử dụng CO2 sau khi thu giữ để tạo nên quy trình sản xuất không cacbon. Ví dụ điển hình là Air Eau de Parfum, một công ty sản xuất nước hoa tạo ra ethanol từ CO2 bị thu giữ, Ethanol là một trong những thành phần chính của các loại nước hoa. Thay vì lên men các loại ngũ cốc như bắp - phương pháp thải ra một lượng lớn CO2 - việc sản xuất etanol độc đáo này không có cacbon.
Một ví dụ khác là bột protein, một số nhà sản xuất đang nghiên cứu các vi sinh vật với mục đích làm giảm tác động xấu đến môi trường từ các ngành công nghiệp thực phẩm. Quá trình này liên quan đến việc các vi sinh vật hấp thụ CO2 bị thu giữ và biến nó thành protein, 1kg protein được sản xuất theo cách này có thể loại bỏ được 0,2 kg CO2 khỏi bầu khí quyển, còn sản xuất protein từ thịt bò sẽ thải ra thêm 100 kg CO2.
Dự án lưu trữ In Salah Algeria
Trong gần 2 thập kỷ, công ty dầu khí quốc gia của Algeria đã tách CO2 từ khí tự nhiên mà họ khai thác ở độ sâu của sa mạc Sahara. Để trích khí theo cách này, CO2 không nguyên chất cần phải được tách ra thay vì thải sản phẩm phụ này vào bầu khí quyển thì mỏ dầu tạp chất cần phải được tách ra. Thay vì giải phóng sản phẩm phụ này vào khí quyển, mỏ khí In Salah đã nén khí CO2 đó và bơm nó trở lại lòng đất, bên dưới lớp sa thạch.
Dự án Gorgon
Tại các mỏ khí đốt ở Tây Úc, một dự án có thể tiếp tục trong 40 năm đã được khởi động. Kế hoạch là bơm tới 4 triệu tấn CO2 mỗi năm xuống bên dưới Đảo Barrow. Đảo Barrow có diện tích 78 dặm vuông ngoài khơi Bờ biển Pilbara của Úc. CO2 đã được bơm xuống độ sâu 1,2 dặm bên dưới hòn đảo này kể từ năm 2019. Khu vực được bơm vào được gọi là Hệ tầng Dupuy, được tạo thành từ sa thạch và đá bột kết (siltstone) có độ dày từ 200 đến 500 mét.
Nhà máy khí đốt Shute Creek
Nhà máy thu giữ và lưu trữ carbon này là nhà máy lớn nhất đang hoạt động, với khả năng lưu trữ hơn 7 triệu tấn CO2 mỗi năm và được vận chuyển bằng đường ống đến nhiều mỏ dầu khác nhau, dự án này đi vào hoạt động từ năm 1986.
Theo Tạp chí How It Works số 165
Năm 2020, mức trung bình CO2 trên thế giới đã đạt kỷ lục mới - 412.5 phần triệu (Parts Per Million - PPM- đơn vị đo dành cho các mật độ rất thấp), chỉ số cho thấy tăng thêm 12% kể từ năm 2000. Thoạt nghe thì 412.5 phần triệu có vẻ rất nhỏ, nhưng thực tế chỉ với bấy nhiêu đó đã đủ để gia tăng đáng kể hiện tượng ấm lên toàn cầu. Khi lượng khí nhà kính trong không khí tăng lên, nhiệt độ của Mặt Trời bị giữ lại trong bầu khí quyển Trái Đất, làm hành tinh chúng ta nóng lên.
Ngoài việc cố gắng giảm lượng CO2 mà con người thải ra, các nhà khoa học đang nghiên cứu các phương pháp để thu giữ carbon để tránh chúng gây hại cho môi trường. Hầu hết những phương pháp này đều bao gồm việc chôn chúng xuống lòng đất. Những phương pháp thu giữ và lưu trữ carbon đã được chú trọng nhiều hơn kể từ khi Hiệp định Paris 2015 được thành lập. Đây là hiệp ước quốc tế về biến đổi khí hậu, với mục tiêu cốt lõi là giảm 40% lượng khí thải gây hiệu ứng nhà kính vào năm 2030.
Bản thân công nghệ thu giữ carbon không mới. Ý tưởng về 1 nhà máy thu giữ carbon với chức năng thu giữ khí CO2 và ngăn nó xâm nhập trở lại bầu khí quyển được đề xuất lần đầu vào năm 1938. Hơn 3 thập kỷ sau, năm 1972, nhà máy thu giữ carbon đầu tiên được xây dựng ở Texas, mục đích để bơm khí thải CO2 do mỏ dầu Sharon Ridge tạo ra vào lòng đất. Năm 2001, hơn 30 nhà máy thu giữ carbon thương mại đã đi vào hoạt động, cùng với kế hoạch cho thêm 135 nhà máy khác trong tương lai gần.
Thu giữ Carbon là xây nên các trạm thu hồi, sau đó để chúng hoạt động như những máy lọc không khí khổng lồ. Hệ thống này sẽ lọc CO2 từ không khí, nước, hoặc lấy trực tiếp từ nguồn thải. Tiếp đó1. Precombustion: Trước khi đốt cháy, nhiên liệu hóa thạch được phân tách thành hỗn hợp gồm khí CO2 và H2. Trong khi khí H2 có thể được đốt cháy thì CO2 được nén lại và lưu trữ.
2. Post-Combustion: Đây là kiểu thu giữ CO2 từ khí thải sau khi nhiên liệu đã được đốt cháy. Một loại dung môi lỏng có thể hấp thụ CO2 từ khí thải và lưu giữ chúng, ngăn không cho nó xâm nhập vào khí quyển.
3. Oxyfuel: Quá trình đốt cháy sẽ diễn ra trong môi trường oxy tinh khiết để khí thải sạch hơn, chủ yếu gồm CO2 và nước. Điều này giúp cho việc chiết xuất và lưu giữ CO2 dễ dàng hơn.
1. Độ xốp: Những vị trí có đá với độ xốp cao sẽ được chọn để thu giữ carbon do những khoảng trống đáng kể trong đá xốp có thể tích trữ lượng lớn CO2.
2. Độ thấm: Do CO2 thường được lưu giữ ở trạng thái lỏng, đá cần phảii có độ thấm cao để chứa được nhiều CO2.
3. Độ sâu: CO2 thường được trữ ở độ sâu trên 800 mét.
4. Caprock: Là 1 lớp chống thấm, thường là đất sét, được chắn bên trên lớp lưu trữ carbon, ngăn không cho CO2 tái tạo lên bề mặt.
5. Độ mặn: Các tầng chứa nước gần bề mặt có nồng độ muối thấp hơn, có thể sử dụng làm nguồn nước uống, trong khi CO2 được lưu trữ ở độ sâu lớn, nơi nước có độ mặn cao và con người không tiếp cận được.
Orca là 1 nhà máy thu giữ carbon khổng lồ, hoạt động ở gần Reykjavik, Iceland.
2. Nước lạnh: Nước dùng trong nhà máy được đưa xuống mặt đất để làm nóng và tái sử dụng.
3. Quạt cỡ lớn: Không khí xung quanh được hút qua bộ lọc bởi các quạt kích thước lớn.
4. Bộ lọc: Vật liệu tạo nên màng lọc có thể liên kết và bắt giữ CO2 trong khi để các phần tử khác đi qua dễ dàng.
5. Bơm: Hỗn hợp gồm khí CO2 và nước được bơm xuống lòng đất.
6. Thu giữ trong đá: CO2 và nước được dẫn vào lớp đá bazan. Khi CO2 phản ứng với đá bazan, nó nguội đi và dần biến thành đá trong vài năm.
7. Nước nóng: Nước đã được làm nóng tự nhiên bên dưới mặt đất được bơm lên. Sự thay đổi áp suất biến nước thành hơi nước, dùng để chạy các turbine của nhà máy.
8. Nước ngầm: Được bơm lên phía trên bộ lọc, nơi nó kết hợp với lượng CO2 đã được thu giữ.
Giữ CO2 trong bê tông:
Có hơn 9 tỉ tấn bê tông được sản xuất mỗi năm trên toàn cầu. Một số công nghệ loại bỏ CO2 đang nhắm đến việc thu giữ carbon trong bê tông. Các nhà sản xuất bê tông bơm CO2 đã thu giữ vào bê tông đang được trộn, làm cho CO2 bị khoáng hóa, trở thành 1 chất rắn như carbonate. Vì là khoáng chất rắn nên carbon làm tăng cường tổng thể độ cứng của bê tông, đồng thời ngăn chặn khí CO2 trở lại bầu khí quyển.
Kiếm tiền từ carbon:
Climeworks là công ty đã xây dựng nhà máy thu giữ carbon lớn nhất thế giới, đồng thời cũng sản xuất nhà máy thu giữ khí thương mại đầu tiên. Năm 2017, Climeworks khai trương nhà máy thu giữ carbon cỡ nhỏ ở Thụy Sĩ. Thay vì thải bỏ xuống lòng đất, CO2 được chiết xuất từ không khí ở nhà máy này sẽ được bán lại cho các công ty khác. Một số lượng khí CO2 được 1 nhà kính gần đó sử dụng để tăng sản lượng rau, trong khi số khác sẽ dùng trong ngành công nghiệp thực phẩm và đồ uống. Nếu có nhiều công ty cung cấp CO2 từ các nhà máy thu giữ carbon, lượng nhiên liệu hóa thạch đốt cháy thải ra sẽ ít hơn, từ đó giảm lượng CO2 trong không khí.
2. Thay đổi hóa học: Điện tích trong nước khi đi qua lưới sẽ làm cho CO2 hòa tan kết hợp với canxi và magiê trong nước.
3. Nước biển sâu: Khi nước đi qua hệ thống, phần CO2 hòa tan sẽ giảm xuống.
4. Chất lắng, kết tủa: Tương tự như cách hình thành vỏ sò, CO2, magiê và canxi sẽ trở thành đá vôi và magnesite khi chúng kết hợp với nhau, trở thành chất rắn.
5. Trở lại đại dương: Sau khi chảy qua hệ thống, CO2 trong nước biển sẽ bị loại bỏ. Khoảng trống này sẽ có thể tiếp tục lưu giữ thêm nhiều CO2 nữa, hạn chế carbon trong bầu khí quyển.
Những sản phẩm không Carbon
Một số sản phẩm thương mại sử dụng CO2 sau khi thu giữ để tạo nên quy trình sản xuất không cacbon. Ví dụ điển hình là Air Eau de Parfum, một công ty sản xuất nước hoa tạo ra ethanol từ CO2 bị thu giữ, Ethanol là một trong những thành phần chính của các loại nước hoa. Thay vì lên men các loại ngũ cốc như bắp - phương pháp thải ra một lượng lớn CO2 - việc sản xuất etanol độc đáo này không có cacbon.
Một ví dụ khác là bột protein, một số nhà sản xuất đang nghiên cứu các vi sinh vật với mục đích làm giảm tác động xấu đến môi trường từ các ngành công nghiệp thực phẩm. Quá trình này liên quan đến việc các vi sinh vật hấp thụ CO2 bị thu giữ và biến nó thành protein, 1kg protein được sản xuất theo cách này có thể loại bỏ được 0,2 kg CO2 khỏi bầu khí quyển, còn sản xuất protein từ thịt bò sẽ thải ra thêm 100 kg CO2.
Trong gần 2 thập kỷ, công ty dầu khí quốc gia của Algeria đã tách CO2 từ khí tự nhiên mà họ khai thác ở độ sâu của sa mạc Sahara. Để trích khí theo cách này, CO2 không nguyên chất cần phải được tách ra thay vì thải sản phẩm phụ này vào bầu khí quyển thì mỏ dầu tạp chất cần phải được tách ra. Thay vì giải phóng sản phẩm phụ này vào khí quyển, mỏ khí In Salah đã nén khí CO2 đó và bơm nó trở lại lòng đất, bên dưới lớp sa thạch.
Tại các mỏ khí đốt ở Tây Úc, một dự án có thể tiếp tục trong 40 năm đã được khởi động. Kế hoạch là bơm tới 4 triệu tấn CO2 mỗi năm xuống bên dưới Đảo Barrow. Đảo Barrow có diện tích 78 dặm vuông ngoài khơi Bờ biển Pilbara của Úc. CO2 đã được bơm xuống độ sâu 1,2 dặm bên dưới hòn đảo này kể từ năm 2019. Khu vực được bơm vào được gọi là Hệ tầng Dupuy, được tạo thành từ sa thạch và đá bột kết (siltstone) có độ dày từ 200 đến 500 mét.
Nhà máy thu giữ và lưu trữ carbon này là nhà máy lớn nhất đang hoạt động, với khả năng lưu trữ hơn 7 triệu tấn CO2 mỗi năm và được vận chuyển bằng đường ống đến nhiều mỏ dầu khác nhau, dự án này đi vào hoạt động từ năm 1986.
Theo Tạp chí How It Works số 165
Breakthrough: NET Power’s Allam Cycle Test Facility Delivers First Power to ERCOT Grid