Giới thiệu về hệ thống thu gom carbon

Thu gom, sử dụng và tồn trữ carbon (CCUS) được nhiều chính phủ quốc gia xem như là một yếu tố quan trọng để đạt được phát thải thuần bằng 0 vào năm 2050. CCUS do đó đã tăng tầm quan trọng đối với các nguồn phát thải CO₂ chính.

CCUS không phải là cái mà có thể áp dụng được cho tất cả các nguồn phát thải CO₂ theo cách thức tương tự. Đúng hơn, nó là một loạt các yếu tố phụ thuộc lẫn nhau diễn ra theo một trật tự xác định. Các trường hợp cụ thể của mỗi dự án cụ thể sẽ xác định cách thức xử lý từng yếu tố. Toàn bộ các hoạt động này được gọi là Hệ thống Thu gom Carbon (CCC). Hình 1 trình bày CCC cho một dự án tồn trữ CO₂ và Hình 2 trình bày CCC cho sử dụng CO₂, đặc biệt là sản xuất metanol để sử dụng làm nhiên liệu tàu thủy.

1. Thu gom

Tiến trình đầu tiên trong CCC là thu gom CO₂. Giải pháp tiếp cận phổ biến nhất là hấp thụ sau đốt. Ở đây, khí thải, chứa CO₂, được phun qua một dung dịch chứa dung môi hấp thụ. Dung môi phản ứng với CO₂ trong tháp hấp thụ, cho phép khí thải đã được làm sạch thải vào khí quyển. Dung môi giàu CO₂ sau đó được bơm tới tháp khử hấp thụ trong đó CO₂ được tách riêng ra. CO₂ sau đó được thu lại cho các bước thực hiện tiếp theo trong CCC và dung môi loãng được bơm trở lại tháp hấp thụ để tái sử dụng. Quá trình này đã hoàn chỉnh và đã được sử dụng ở hơn 1.000 cơ sở trong một số ngành công nghiệp. 
 

Hình 1: CCC cho tồn trữ CO₂.

Thiết bị được yêu cầu là khá lớn, với các tháp hấp thụ và khử hấp thụ thường cao hơn 50m. Các giao diện và kết nối với nhà máy hiện tại cần phải được cân nhắc kỹ càng. Không gian vừa đủ là điều kiện tiên quyết.

Hiện có sẵn rất nhiều loại dung môi hấp thụ khác nhau. Căn cứ vào chi phí của một dự án thu gom carbon, các chủ đầu tư của các nhà máy có nguồn phát thải hướng tới tìm kiếm các dung môi với mức sẵn sàng về công nghệ cao (TRL), thường là 7 - 9, để giảm thiểu rủi ro. Hai loại dung môi phổ biến là: các amin, các hợp chất gốc nitơ được chiết xuất từ amoniac, và kali cacbonat nóng.

Cả hai loại này có TRL là 9 và đã được sử dụng để loại bỏ axit ra khỏi khí tự nhiên trong hơn 50 năm qua tại hàng trăm cơ sở lắp đặt trên thế giới. Mỗi loại dung môi hấp thụ có thể đạt mức hấp thụ ≥ 90%. Tỷ lệ phần trăm cao hơn có thể đạt được khi sử dụng thêm các tháp hấp thụ và khử hấp thụ nhưng chi phí cho việc này sẽ làm tăng đáng kể chi phí công đoạn hấp thụ của một dự án.
 

Hình 2: CCC cho sử dụng CO₂ để sản xuất e-metanol.

Lựa chọn dung môi để sử dụng sẽ phụ thuộc vào đặc tính kỹ thuật của nhà máy có nguồn phát thải. Các nhà máy tạo ra lượng nhiệt dư thừa đáng kể trong các quá trình của họ sẽ thường tìm kiếm các dung môi yêu cầu nhiệt, như các amin hoặc kali cacbonat nóng. Các quá trình tạo ra sự làm mát đáng kể có thể cân nhắc tới amoniac đã được làm lạnh. Trong cả hai trường hợp, việc sử dụng loại mà do quá trình của nhà máy tạo ra có thể giúp giảm thiểu chi phí vận hành bộ hấp thụ carbon.

Các quá trình hấp thụ khác đã được sử dụng tại các nhà máy xi măng, bao gồm hấp thụ dao động áp suất, trong đó khí được hấp thụ trong bình chịu áp suất khi áp suất cao và sau đó được giải phóng ra khi áp suất giảm xuống, kết hợp với hấp thụ làm lạnh cryo, trong đó dòng khí được làm lạnh đến điểm mà CO₂ đông đặc lại. Quá trình này có thể được sử dụng khi nồng độ CO₂ cao hơn 15%. Dự án lớn được EU tài trợ vốn CalCC sử dụng công nghệ này ở Pháp.

Một công nghệ tiềm năng khác đang được chứng minh là quá trình hấp thụ rắn của công ty cung cấp công nghệ Canada Svante. Công nghệ của công ty, một hệ thống chất hấp thụ có kết cấu nhiều lớp được cấp bằng sáng chế, thiết kế chu trình công nghệ độc quyền và một công-tắc-tơ kiểu quay cơ khí để hấp thụ, giải phóng và tái sinh CO₂ trong một tổ hợp đơn, đang được sử trong dự án CO2MENT, một dự án trình diễn CCUS hiện đang trong giai đoạn thứ hai tại nhà máy xi măng Richmond của Lafarge ở Canada.

2. Nén

Ngay khi CO₂ được hấp thụ, bước tiếp theo trong CCC hoặc là quá trình nén để vận chuyển trong đường ống hoặc là quá trình hóa lỏng để vận chuyển trên tầu hỏa hoặc tầu biển. Cả hai quá trình đều giảm bớt dung tích CO₂ tạo điều kiện thuận lợi cho vận chuyển.
 

Hình 3: Quá trình hấp thụ sau đốt.
 

Hình 4: Các địa điểm tồn trữ CO₂ ở Châu Âu.

3. Vận chuyển

Bước cân nhắc tiếp theo là điều gì sẽ xảy ra với CO₂ - nó có được sử dụng hay chuyển tới kho chứa tồn trữ lâu dài? Trong cả  hai trường hợp, đều sẽ cần đến vận chuyển. Trừ khi nguồn phát thải được nối với một đường ống để đưa CO₂ đi, sẽ cần đến bể chứa trung gian để chứa CO₂ lỏng trước khi nó được thu gom lại cho vận chuyển. Kích thước của bể chứa trung gian sẽ tùy thuộc vào lượng CO₂ tạo ra và thời gian giữa các lần thu gom.
 

Hình 5: Tổ hợp trình diễn CCUS của Captimiser.

Dặm đường vận chuyển đầu tiên có lẽ là quan trọng nhất. Việc thu gom CO₂ từ cơ sở phát thải có thể bằng đường bộ hoặc đường sắt, hoặc thậm chí bằng thuyền hoặc xà lan nếu như cơ sở ở gần đường nước.

Tồn trữ lâu dài sẽ liên quan đến các khoảng cách vận chuyển xa hơn, vì toàn bộ các cơ sở tồn trữ lâu dài sẽ mở cửa từ năm 2024 - 2026 đều nằm ở ngoài khơi (Xem Hình 4). Đối với các cơ sở này, CO₂ sẽ được đưa tới vị trí phun vào kho tồn trữ bằng tầu biển. Kho tồn trữ trung gian sẽ cần được bổ sung thêm cho mỗi lần thay đổi chế độ vận chuyển trên đường đi. Việc chuyển tải cũng sẽ làm tăng thêm chi phí. Trong các trường hợp mà CO₂ sẽ được sử dụng, như để sản xuất metanol, thì việc vận chuyển vẫn là một vấn đề cần cân nhắc, xem xét.

Các bước tiếp theo

Captimise là một công ty cung cấp các dịch vụ tư vấn cho các doanh nghiệp mong muốn thực hiện các dự án CCUS, sử dụng kinh nghiệm có được từ năm 2007 qua 12 dự án công nghiệp. Công ty cung cấp phân tích toàn bộ các bước thực hiện của CCC, bắt đầu với việc phân tích khí thải của nhà máy có nguồn phát thải và cân bằng nhiệt/khối lượng. Captimise đã thực hiện 25 nghiên cứu khả thi toàn diện, đầy đủ về CCC trên toàn Châu Âu kể từ năm 2018, bao gồm phân tích các phương án vận chuyển và tồn trữ để xác định giải pháp tiếp cận với chi phí thấp nhất cho dự án nói chung.

Một cách để các nguồn phát thải xác nhận phân tích hấp thụ carbon tại cơ sở của họ là thuê hoặc mua tổ hợp trình diễn Captimiser, mà có thể hấp thụ tới 1 tấn CO₂/ngày. Tổ hợp dựa vào container phục vụ một số chức năng có giá trị, bao gồm cung cấp phân tích hấp thụ, tối ưu hóa dung môi và xác nhận độ tinh khiết của dòng khí CO₂.

Chi phí

Chi phí cho dự án CCUS có thể được chia ra chi phí vốn cho thiết bị và chi phí vận hành cho năng lượng tiêu hao và vận chuyển. Một dự án quy mô lớn điển hình tại bờ biển hoặc một nhóm dự án sẽ có chi phí xấp xỉ 100 - 150 Euro/tấn, bao gồm cả kho tồn trữ lâu dài, tùy thuộc vào loại dung tích khí thải của nhà máy và nồng độ CO₂ trong khí thải.

Các số liệu nêu trên được dựa trên cơ sở nguồn phát thải thực hiện các nghiên cứu tiền khả thi và sàng lọc công nghệ phù hợp bao gồm việc so sánh các công nghệ thay thế so với phần phân tích của nhà máy. Điều này rất quan trọng để giảm bớt chi phí của một dự án CCUS.

Martin Jones, Captimise
Nguyễn Thị Kim Lan dịch từ Global Cement Magazine số tháng 11/2022