Giảm phát thải CO2 là gì? Giải pháp và lộ trình kỹ thuật

Giảm phát thải CO2 là tập hợp các biện pháp khoa học, công nghệ, kinh tế và quản lý nhằm cắt giảm khối lượng khí carbon dioxide (CO2) thải vào khí quyển từ các hoạt động nhân sinh, hoặc chủ động cô lập và loại bỏ CO2 khỏi chu trình carbon bề mặt của Trái Đất. Quá trình này bao gồm việc chuyển dịch cơ cấu năng lượng sang các nguồn phát thải thấp, nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng trong sản xuất và đời sống, ứng dụng công nghệ thu giữ và lưu trữ carbon, đồng thời duy trì và mở rộng các bể hấp thụ sinh thái tự nhiên. Mục từ này phân tích bản chất nhiệt động học và nguyên lý định lượng phát thải CO2, phân loại các nhánh công nghệ then chốt, cơ chế kinh tế và thị trường carbon, lộ trình thực thi chính sách tại Việt Nam, cùng các rào cản kỹ thuật và giới hạn sinh thái trong nỗ lực phi carbon hóa toàn cầu.

Bản chất khoa học và nguyên lý định lượng phát thải CO2

Khí carbon dioxide là sản phẩm oxy hóa tất yếu của các phản ứng nhiệt hóa giải phóng năng lượng từ nhiên liệu chứa carbon. Trong các quá trình đốt cháy hoàn toàn hydrocarbon, liên kết hóa học giữa carbon và hydro bị bẻ gãy khi có sự hiện diện của khí oxy, tạo ra CO2, nước và năng lượng nhiệt theo phương trình hóa học tổng quát:

\mathrm{C}_n\mathrm{H}_m + \left(n + rac{m}{4} ight)\mathrm{O}_2 ightarrow n\mathrm{CO}_2 + rac{m}{2}\mathrm{H}_2\mathrm{O} + \Delta H

trong đó $n$ và $m$ lần lượt biểu thị số nguyên tử carbon và hydro trong cấu trúc phân tử nhiên liệu, còn $\Delta H$ là biến thiên enthalpy biểu thị nhiệt lượng tỏa ra của phản ứng đốt cháy. Tỷ lệ phát thải CO2 trên mỗi đơn vị nhiệt lượng sinh ra phụ thuộc trực tiếp vào tỷ số giữa nguyên tử carbon và hydro của từng loại nhiên liệu; than đá có hàm lượng carbon cao nhất nên phát thải lượng CO2 lớn nhất trên một đơn vị năng lượng, tiếp theo là dầu mỏ và khí thiên nhiên.

Để lượng hóa các động lực kinh tế - kỹ thuật chi phối tổng phát thải CO2 ở quy mô vĩ mô, các nhà khoa học thường áp dụng phương trình đồng nhất thức Kaya:

F = P imes rac{G}{P} imes rac{E}{G} imes rac{F}{E}

trong đó đại lượng $F$ đại diện cho tổng lượng phát thải CO2 toàn cầu, $P$ là quy mô dân số, đại lượng rac{G}{P} là tổng sản phẩm quốc nội bình quân đầu người biểu thị mức độ phát triển kinh tế, đại lượng rac{E}{G} là cường độ năng lượng của nền kinh tế biểu thị hiệu quả sử dụng năng lượng sơ cấp trên mỗi đơn vị GDP, và đại lượng rac{F}{E} là cường độ carbon của hệ thống năng lượng biểu thị lượng CO2 phát thải trên mỗi đơn vị năng lượng tiêu thụ. Phân tích này chỉ ra rằng để giảm phát thải $F$ khi quy mô dân số và tăng trưởng kinh tế tiếp tục gia tăng, xã hội bắt buộc phải giảm mạnh cường độ năng lượng rac{E}{G} thông qua các giải pháp tiết kiệm năng lượng, đồng thời triệt để giảm cường độ carbon rac{F}{E} bằng việc thay thế nhiên liệu hóa thạch bằng các nguồn năng lượng không phát thải carbon.

Trong công tác kiểm kê khí nhà kính kỹ thuật, lượng phát thải ròng của một cơ sở hoặc quy trình công nghiệp được tính toán dựa trên số liệu hoạt động và hệ số phát thải:

với $E_{\mathrm{CO2}}$ là tổng khối lượng phát thải CO2 ròng thải vào môi trường, $A$ là mức độ hoạt động đại diện cho khối lượng hoặc thể tích nhiên liệu tiêu thụ hay sản lượng sản phẩm tạo thành, đại lượng $\mathrm{EF}$ là hệ số phát thải cơ bản xác định khối lượng CO2 sinh ra trên một đơn vị hoạt động, và $\mathrm{ER}$ là tỷ lệ giảm phát thải thực tế đạt được thông qua các hệ thống xử lý khí thải hoặc công nghệ thu giữ carbon.

Phân loại các giải pháp giảm phát thải CO2

Các giải pháp giảm phát thải CO2 can thiệp vào nhiều giai đoạn khác nhau của chu trình chuyển hóa vật chất và năng lượng. Tùy thuộc vào cơ chế tác động vật lý, hóa học và công nghệ, các giải pháp được phân định thành năm nhóm cơ bản trong bảng sau:

Nhóm giải pháp	Cơ chế tác động vật lý - hóa học	Công nghệ đại diện	Đặc điểm kỹ thuật và phạm vi triển khai
Hiệu quả năng lượng và quản lý tải	Giảm nhu cầu năng lượng sơ cấp trên một đơn vị sản lượng hữu ích	Thu hồi nhiệt thải công nghiệp, động cơ biến tần, cách nhiệt kiến trúc	Áp dụng trên toàn bộ chuỗi cung ứng công nghiệp, xây dựng và dân dụng
Năng lượng phát thải thấp và tái tạo	Thay thế nguồn năng lượng gốc hóa thạch bằng năng lượng không sinh carbon	Năng lượng mặt trời quang điện, tuabin điện gió, thủy điện, năng lượng hạt nhân	Cung cấp điện năng sạch cho lưới điện quốc gia và các trung tâm công nghiệp
Điện hóa và nhiên liệu thay thế	Thay thế đốt cháy nhiên liệu trực tiếp bằng điện năng sạch hoặc hydro	Phương tiện giao thông thuần điện, lò hồ quang điện, hydro xanh	Ứng dụng cho giao thông vận tải và các quá trình nhiệt luyện công nghiệp
Thu giữ, sử dụng và lưu trữ carbon	Tách lọc CO2 từ dòng khí thải và cố định vĩnh viễn trong địa chất sâu	Hấp thụ hóa học bằng amin, màng phân tách khí, bơm ép tầng ngậm nước	Xử lý nguồn phát thải tập trung quy mô lớn trong luyện thép, xi măng và hóa chất
Bể hấp thụ tự nhiên sinh thái	Quang hợp cố định CO2 khí quyển thành sinh khối thực vật và carbon hữu cơ	Bảo vệ rừng đầu nguồn, phục hồi rừng ngập mặn, nông nghiệp bảo tồn đất	Gia tăng trữ lượng carbon sinh quyển và bảo tồn đa dạng sinh học

Các công nghệ cốt lõi trong chuỗi giảm phát thải công nghiệp

Thu giữ, sử dụng và lưu trữ carbon

Công nghệ thu giữ và lưu trữ carbon (Carbon Capture and Storage, CCS) cùng cấu hình thu giữ, sử dụng và lưu trữ carbon (Carbon Capture, Utilization and Storage, CCUS) đóng vai trò then chốt trong việc xử lý các dòng phát thải tập trung không thể thay thế hoàn toàn bằng điện hóa. Theo tổng quan khoa học của Bui và cộng sự (2018), chi phí của công đoạn thu giữ CO2 chiếm tỷ trọng áp đảo, từ 70% đến 80% tổng chi phí của toàn bộ chuỗi giá trị CCS bao gồm cả khâu nén, vận chuyển đường ống và lưu trữ địa chất sâu.

Hiệu quả phân tách và chi phí năng lượng của quá trình thu giữ phụ thuộc chặt chẽ vào phân áp của CO2 trong dòng khí thải. Nghiên cứu của Bui và cộng sự (2018) chỉ rõ rằng nồng độ CO2 trong khí thải công nghiệp biến thiên trên một dải rất rộng, từ mức loãng khoảng 4% ở các tuabin khí chu trình hỗn hợp phát điện, đến mức trung bình trong lò nung xi măng và luyện thép, và đạt tới hơn 90% ở các quy trình sản xuất hóa chất chuyên biệt như tổng hợp amoniac hoặc lên men công nghiệp sản xuất ethanol. Dòng khí thải có nồng độ CO2 càng cao thì công phân tách tối thiểu theo nhiệt động học càng thấp, giúp giảm đáng kể lượng nhiệt năng tiêu thụ để tái sinh dung môi hấp thụ.

Trong cấu hình thu giữ sau đốt phổ biến, dung môi hữu cơ nhóm amin phản ứng chọn lọc với khí CO2 ở nhiệt độ vừa phải trong tháp hấp thụ. Dung dịch amin giàu CO2 sau đó được gia nhiệt trong tháp giải hấp để bẻ gãy liên kết hóa học, giải phóng dòng khí CO2 có độ tinh khiết cao nhằm phục vụ công đoạn nén tới trạng thái siêu tới hạn trước khi vận chuyển tới địa điểm bơm ép vào các thành tạo địa chất sâu như tầng ngậm nước mặn hoặc mỏ dầu khí đã suy kiệt.

Khử carbon trong các ngành phát thải khó giảm

Một thách thức lớn đối với mục tiêu phát thải ròng bằng 0 là các ngành công nghiệp nặng và phương tiện giao thông đường dài khó điện hóa trực tiếp. Trong công bố trên tạp chí Science, Davis và cộng sự (2018) đã chỉ ra rằng các lĩnh vực phát thải khó loại bỏ gồm hàng không, hàng hải, vận tải hàng hóa đường dài bằng xe tải hạng nặng, cùng các quy trình công nghiệp nhiệt độ cao như sản xuất thép và xi măng đã chiếm khoảng 27% tổng phát thải CO2 từ toàn bộ hệ thống năng lượng toàn cầu vào năm 2014.

Đối với ngành luyện kim thép, các lò cao truyền thống sử dụng than cốc vừa làm nhiên liệu cấp nhiệt vừa làm tác nhân khử quặng sắt, dẫn đến lượng phát thải khí nhà kính rất lớn. Giải pháp kỹ thuật triển vọng được Davis và cộng sự (2018) nhấn mạnh là chuyển sang công nghệ hoàn nguyên trực tiếp sử dụng khí hydro sạch kết hợp với lò hồ quang điện, giúp thay thế phản ứng tạo CO2 bằng phản ứng tạo hơi nước tinh khiết. Đối với ngành sản xuất xi măng, phát thải không chỉ đến từ quá trình đốt nhiên liệu nung lò mà hơn một nửa lượng khí sinh ra trực tiếp từ phản ứng phân hủy đá vôi nung clinker:

Do phản ứng phân hủy canxi cacbonat là phản ứng hóa học bắt buộc để tạo ra canxi oxit, việc giảm phát thải trong ngành xi măng đòi hỏi phải kết hợp các chất kết dính thay thế, giảm tỷ lệ clinker trong xi măng thành phẩm và bắt buộc phải tích hợp công nghệ thu giữ carbon để kiểm soát dòng khí sinh ra từ quá trình phân hủy khoáng chất.

Định giá carbon và các công cụ kinh tế

Bên cạnh các giải pháp công nghệ kỹ thuật, các công cụ kinh tế đóng vai trò định hình hành vi đầu tư và thúc đẩy các doanh nghiệp lựa chọn phương án giảm phát thải tối ưu. Trong nghiên cứu tổng quan công bố trên tạp chí Journal of Economic Perspectives, Gillingham và Stock (2018) đã phân tích bản chất của chi phí giảm phát thải biên (Marginal Abatement Cost, MAC) và đường cong chi phí giảm phát thải biên.

Phân tích của Gillingham và Stock (2018) cho thấy các biện pháp nâng cao hiệu quả năng lượng, ví dụ như tối ưu hóa hệ thống chiếu sáng và nâng cấp vỏ bao che công trình xây dựng, thường có chi phí giảm phát thải biên ở mức âm hoặc gần bằng 0 USD cho mỗi tấn CO2 cắt giảm được. Điều này đồng nghĩa với việc lợi ích tiết kiệm chi phí năng lượng trong suốt vòng đời dự án lớn hơn chi phí vốn đầu tư ban đầu. Ngược lại, các công nghệ chuyển đổi sâu như phương tiện chạy điện ở giai đoạn đầu hoặc các công nghệ loại bỏ carbon tiên tiến đòi hỏi chi phí giảm phát thải biên vượt mức 100 USD trên mỗi tấn CO2, cần có sự hỗ trợ của chính sách và cơ chế trợ giá để đạt được quy mô kinh tế.

Hai công cụ định giá carbon chủ đạo trên thế giới bao gồm thuế carbon và hệ thống trao đổi hạn ngạch phát thải (Emissions Trading System, ETS). Thuế carbon ấn định trực tiếp mức giá tài chính trên mỗi đơn vị khối lượng CO2 phát thải, tạo tín hiệu giá ổn định và dự đoán được nhưng không cố định tổng khối lượng phát thải tuyệt đối của toàn nền kinh tế. Ngược lại, hệ thống trao đổi hạn ngạch áp đặt một giới hạn tổng lượng phát thải phát thải tối đa và cho phép các cơ sở sản xuất mua bán hạn ngạch dư thừa, từ đó xác lập giá trị thị trường của hạn ngạch thông qua quan hệ cung cầu.

Khuôn khổ chính sách và lộ trình giảm phát thải tại Việt Nam

Tại Việt Nam, các cơ chế chính sách và hành lang pháp lý về giảm nhẹ phát thải khí nhà kính đã được kiện toàn đồng bộ thông qua các văn bản pháp quy ở cấp độ cao nhất. Luật Bảo vệ môi trường số 72/2020/QH14 được Quốc hội khóa XIV thông qua năm 2020 và chính thức có hiệu lực từ ngày 01 tháng 01 năm 2022 đã dành riêng Điều 91 để quy định toàn diện về giảm nhẹ phát thải khí nhà kính.

Theo quy định tại Điều 91 của Luật số 72/2020/QH14, giảm nhẹ phát thải khí nhà kính được định nghĩa là các hoạt động nhằm giảm lượng phát thải hoặc tăng cường hấp thụ khí nhà kính. Nội dung thực hiện bao gồm tổ chức kiểm kê khí nhà kính định kỳ tại các cơ sở phát thải lớn, phân bổ hạn ngạch phát thải khí nhà kính cho các ngành và doanh nghiệp trọng điểm, đồng thời xây dựng và phát triển thị trường carbon trong nước nhằm kết nối với thị trường carbon khu vực và quốc tế. Các cơ sở phát thải bắt buộc phải thực hiện đo đạc, báo cáo và thẩm định (Measurement, Reporting and Verification, MRV) lượng phát thải theo các quy chuẩn kỹ thuật quốc gia.

Cụ thể hóa cam kết quốc tế của Việt Nam tại Hội nghị COP26, Thủ tướng Chính phủ đã ban hành Quyết định số 896/QĐ-TTg ngày 26 tháng 7 năm 2022 phê duyệt Chiến lược quốc gia về biến đổi khí hậu giai đoạn đến năm 2050. Quyết định số 896/QĐ-TTg xác lập mục tiêu chiến lược là đưa phát thải ròng khí nhà kính của Việt Nam về mức bằng 0 vào năm 2050.

Để đạt được tầm nhìn dài hạn nói trên, Quyết định số 896/QĐ-TTg năm 2022 đã đề ra các mục tiêu giảm phát thải cụ thể cho mốc năm 2030. Cụ thể, đối với mục tiêu có điều kiện khi nhận được sự hỗ trợ tài chính, chuyển giao công nghệ và tăng cường năng lực từ cộng đồng quốc tế, Việt Nam đặt mục tiêu giảm 43,5% tổng lượng phát thải khí nhà kính so với kịch bản phát triển thông thường (BAU), tương đương với việc cắt giảm 403,3 triệu tấn CO2 tương đương. Đối với mục tiêu không điều kiện được thực hiện hoàn toàn bằng nguồn lực trong nước, Việt Nam cam kết đến năm 2030 giảm 15,8% tổng phát thải so với BAU, tương ứng với mức giảm 146,3 triệu tấn CO2 tương đương. Lộ trình này đòi hỏi sự chuyển dịch cơ cấu sâu rộng trong các lĩnh vực năng lượng, nông nghiệp, lâm nghiệp, sử dụng đất, quản lý chất thải và các quy trình công nghiệp.

Ranh giới kỹ thuật, rào cản kinh tế và rủi ro sinh thái

Mặc dù các giải pháp giảm phát thải CO2 mang lại lợi ích môi trường to lớn, quá trình triển khai trong thực tiễn đối mặt với nhiều rào cản kỹ thuật phức tạp, quán tính thể chế và nguy cơ sinh thái nghiêm trọng cần được xem xét thận trọng dưới góc độ khoa học thực chứng.

Quán tính công nghệ và hiện tượng khóa carbon

Khái niệm khóa carbon (carbon lock-in) được nhà nghiên cứu Unruh (2000) đưa ra để giải thích tình trạng các nền kinh tế công nghiệp bị trói buộc vào hệ thống năng lượng sử dụng nhiên liệu hóa thạch thông qua quá trình đồng tiến hóa phụ thuộc vào đường dẫn giữa cơ sở hạ tầng công nghệ và các thể chế xã hội. Theo Unruh (2000), các tài sản hạ tầng năng lượng quy mô lớn như nhà máy nhiệt điện than, hệ thống lọc hóa dầu và mạng lưới phân phối nhiên liệu khí có vòng đời vận hành kỹ thuật và khấu hao kinh tế kéo dài từ 30 đến 50 năm.

Sự tồn tại của các tài sản này tạo ra chi phí chìm rất lớn, khiến các nhà đầu tư và nhà hoạch định chính sách có xu hướng tiếp tục khai thác hạ tầng hiện hữu để thu hồi vốn thay vì sớm đóng cửa để chuyển dịch sang năng lượng tái tạo. Quán tính hạ tầng kết hợp với các rào cản pháp lý, trợ cấp nhiên liệu gián tiếp và mạng lưới cung ứng chuyên biệt tạo nên một phức hợp kỹ thuật - thể chế bền vững chống lại sự đổi mới, làm chậm trễ tiến trình cắt giảm phát thải CO2 trong nhiều thập kỷ.

Giới hạn năng lượng và chi phí của công nghệ thu giữ trực tiếp

Công nghệ thu giữ CO2 trực tiếp từ không khí khí quyển kết hợp lưu trữ carbon (Direct Air Capture with Carbon Storage, DACCS) được xem là giải pháp tiềm năng để loại bỏ khí nhà kính dư thừa. Tuy nhiên, các phân tích mô hình hóa của Realmonte và cộng sự (2019) công bố trên tạp chí Nature Communications đã chỉ ra những giới hạn vật lý và kinh tế vô cùng khắt khe của hướng tiếp cận này. Vì nồng độ CO2 trong không khí xung quanh rất loãng, việc hút và phân tách khí đòi hỏi tiêu tốn năng lượng cực kỳ khổng lồ.

Theo tính toán của Realmonte và cộng sự (2019), việc vận hành hệ thống DACCS trên quy mô toàn cầu nhằm duy trì mục tiêu kiểm soát mức tăng nhiệt độ bề mặt Trái Đất không vượt quá 1,5°C có thể đòi hỏi nguồn cung cấp năng lượng lên tới 300 EJ nhiệt năng và điện năng mỗi năm vào năm 2100. Nhu cầu năng lượng khổng lồ này có nguy cơ cạnh tranh trực tiếp với nguồn điện sạch phục vụ nhu cầu dân sinh và sản xuất công nghiệp. Bên cạnh đó, Realmonte và cộng sự (2019) ghi nhận chi phí thu giữ của công nghệ DACCS dao động từ 250 USD đến 600 USD cho mỗi tấn CO2, tạo nên rào cản tài chính rất lớn. Đồng thời, việc nén và lưu trữ hàng tỷ tấn khí trong lòng đất tiềm ẩn nguy cơ rò rỉ địa chất qua các đứt gãy hoặc giếng khoan dầu khí cũ, đòi hỏi hệ thống quan trắc địa chấn liên tục và nghiêm ngặt.

Rủi ro tín chỉ ảo và hiện tượng tẩy xanh

Một vấn đề gây nhiều tranh luận trong các cơ chế bù trừ carbon (carbon offsetting) tự nguyện là chất lượng môi trường thực tế của các tín chỉ carbon từ rừng. Trong công trình nghiên cứu quy mô lớn đăng trên tạp chí Science, West và cộng sự (2023) đã đánh giá thực nghiệm các dự án bảo tồn rừng theo cơ chế REDD+ tại nhiều quốc gia đang phát triển và kết luận rằng phần lớn các dự án này đã không tạo ra sự suy giảm mất rừng thực chất so với thực tế diễn ra tại hiện trường.

Nghiên cứu của West và cộng sự (2023) phát hiện rằng việc thiết lập các kịch bản đường cơ sở mất rừng giả định đã bị thổi phồng quá mức, dẫn đến việc cấp phát hàng triệu tín chỉ carbon ảo không đi kèm với lượng khí CO2 được bảo tồn thực sự trong sinh khối. Tình trạng thiếu tính bổ sung (additionality) và hiện tượng dịch chuyển phát thải (leakage) khi hoạt động phá rừng chỉ chuyển từ khu vực dự án sang vùng lân cận làm suy giảm nghiêm trọng tính toàn vẹn môi trường của thị trường bù trừ. Hậu quả là nhiều doanh nghiệp đã sử dụng các tín chỉ bù trừ không đạt chuẩn này để tuyên truyền sai lệch về trạng thái trung hòa carbon, tạo ra hiện tượng tẩy xanh (greenwashing) và làm suy yếu nỗ lực giảm phát thải trực tiếp tại nguồn phát sinh.

Xu hướng phát triển công nghệ và các vấn đề khoa học còn mở

Để giải quyết các thách thức kỹ thuật và kinh tế hiện nay, cộng đồng nghiên cứu quốc tế đang tập trung phát triển các giải pháp đột phá thế hệ mới nhằm gia tăng hiệu suất và giảm chi phí giảm phát thải CO2:

• Khoáng hóa carbon cố định vĩnh viễn: Chuyển hóa khí CO2 thành các khoáng chất carbonat bền vững thông qua phản ứng với xỉ thải công nghiệp, tro bay của nhà máy điện hoặc đá bazan ngầm, giúp loại bỏ hoàn toàn nguy cơ rò rỉ khí và tạo ra vật liệu xây dựng phụ trợ có giá trị thương mại.
• Công nghệ điện phân nhiệt độ cao sản xuất hydro sạch: Ứng dụng các tế bào điện phân oxit rắn sử dụng nhiệt thải công nghiệp để nâng cao hiệu suất biến đổi điện năng thành khí hydro, phục vụ nhu cầu thay thế than khử trong luyện kim và sản xuất hóa chất cơ bản.
• Vật liệu hấp phụ khung kim loại - hữu cơ: Phát triển các loại vật liệu hấp phụ tiên tiến có diện tích bề mặt riêng cực lớn và tính chọn lọc cao, cho phép thu giữ CO2 với năng lượng hoàn nguyên nhiệt thấp hơn đáng kể so với dung môi amin lỏng truyền thống.
• Tích hợp năng lượng tái tạo vào hệ thống phân tách khí: Nghiên cứu các quy trình thu giữ carbon vận hành linh hoạt theo nguồn điện gió và quang điện dao động, giúp tối ưu hóa chi phí vận hành và giảm phụ tải năng lượng ký sinh trên hệ thống điện quốc gia.

Tiến trình giảm phát thải CO2 toàn cầu đòi hỏi sự kết hợp chặt chẽ giữa tiến bộ khoa học vật liệu, đổi mới công nghệ năng lượng, hoàn thiện thị trường tài chính carbon và các cam kết chính trị minh bạch. Việc nhận diện đúng các giới hạn nhiệt động học, chi phí biên và rủi ro sinh thái là tiền đề khoa học để thiết kế các chiến lược phi carbon hóa bền vững và hiệu quả trong dài hạn.