Khử co2 là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học liên quan

Định nghĩa khử CO₂

Khử CO₂ (carbon dioxide removal, CDR) là tập hợp các phương pháp và công nghệ nhằm loại bỏ CO₂ dư thừa từ khí quyển và lưu giữ lâu dài trong bể chứa tự nhiên hoặc nhân tạo. Mục tiêu chính của CDR là giảm nồng độ CO₂ khí quyển để hạn chế hiệu ứng nhà kính, đóng góp quan trọng vào nỗ lực ứng phó biến đổi khí hậu toàn cầu (IPCC AR6 WG3).

Khác với cơ chế thu giữ CO₂ tại nguồn (carbon capture and storage, CCS), chương trình khử CO₂ hướng đến hấp thu trực tiếp CO₂ đã phát tán vào không khí hoặc tăng cường lưu trữ thông qua các chu trình sinh học, khoáng hóa và đại dương. Việc phân biệt rõ giữa CCS và CDR giúp định hướng chiến lược giảm phát thải kết hợp với loại bỏ phát thải dư thừa.

CDR bao gồm nhiều cấp độ lưu giữ: lưu giữ tạm thời trong sinh khối và đất đai, lưu giữ trung hạn qua phong hóa khoáng, đến lưu giữ vĩnh cửu bằng khoáng hóa CO₂ trong đá bazan hoặc aquifer mặn sâu. Việc lựa chọn phương pháp phù hợp phụ thuộc vào khả năng kỹ thuật, chi phí và mức độ rủi ro rò rỉ CO₂.

Tầm quan trọng và bối cảnh

Kịch bản hạn chế ấm lên toàn cầu dưới 1,5 °C so với thời kỳ tiền công nghiệp đòi hỏi loại bỏ hàng tỷ tấn CO₂ mỗi năm từ khí quyển trước giữa thế kỷ XXI. Các báo cáo gần đây nhấn mạnh rằng chỉ giảm phát thải mới (mitigation) không đủ, cần bổ sung CDR để bù đắp phát thải còn lại và đạt mục tiêu “Net-Zero” sau năm 2050 (IEA Net Zero by 2050).

Khử CO₂ đóng vai trò then chốt trong chiến lược quốc gia và công nghiệp:

• Hỗ trợ các quốc gia đạt cam kết giảm phát thải ròng (NDCs) theo Thỏa thuận Paris.
• Cung cấp tín chỉ carbon có giá trị trong thị trường carbon quốc tế.
• Giảm áp lực lên công nghệ tái tạo năng lượng và cải thiện an ninh năng lượng.

Quy mô và tốc độ triển khai CDR phụ thuộc vào chi phí, nguồn lực tài chính và khung chính sách khuyến khích đầu tư nghiên cứu, phát triển và ứng dụng. Điều này đặt ra thách thức lớn cho các quốc gia phát triển và đang phát triển trong việc xây dựng cơ chế ưu đãi và đảm bảo tính minh bạch trong giám sát, báo cáo và xác minh (MRV).

Phân loại phương pháp khử CO₂

Có ba nhóm phương pháp chính trong CDR, mỗi nhóm có ưu – nhược điểm và quy mô ứng dụng khác nhau:

• CDR sinh học: sử dụng quang hợp tự nhiên để hấp thu CO₂, bao gồm trồng rừng, phục hồi than bùn và nông nghiệp tái sinh.
• CDR kỹ thuật: tách trực tiếp CO₂ từ không khí (Direct Air Capture), khoáng hóa CO₂ và công nghệ điện hóa.
• CDR đại dương: tăng kiềm hóa nước biển, kích thích sinh khối phù du để thúc đẩy hấp thu CO₂.

Mỗi nhóm phương pháp có mức độ tiềm năng loại bỏ và thời gian lưu trữ khác nhau. Ví dụ, CDR sinh học lưu giữ CO₂ trung hạn trong sinh khối, trong khi CDR khoáng hóa có thể lưu giữ vĩnh viễn dưới dạng cacbonat bền vững. Việc kết hợp đa dạng phương pháp sẽ tối ưu chi phí và giảm rủi ro rò rỉ.

Thu giữ trực tiếp CO₂ (Direct Air Capture)

Direct Air Capture (DAC) là công nghệ kỹ thuật cao sử dụng vật liệu hấp phụ chuyên dụng hoặc dung dịch hấp thụ để tách CO₂ trực tiếp từ không khí. Sau khi hấp thụ, CO₂ được giải phóng khi tăng nhiệt độ hoặc hạ áp suất, nén và chuyển tới bể chứa địa chất hoặc khoáng hóa thành đá cacbonat (US DOE).

Có hai công nghệ DAC phổ biến:
 

• Hấp phụ hóa học: sử dụng amine-based sorbents hoặc dung dịch kiềm để phản ứng hóa học với CO₂.
• Hấp phụ vật lý: dùng vật liệu xốp (MOFs, zeolites) có diện tích bề mặt lớn, dựa trên hấp phụ Van der Waals.

Chi phí hiện tại của DAC dao động 100–600 USD/tấn CO₂, chủ yếu do tiêu thụ năng lượng cho quá trình tái sinh chất hấp thụ. Nỗ lực nghiên cứu đang tập trung vào phát triển sorbents thế hệ mới, tối ưu quy trình nhiệt động và tích hợp năng lượng tái tạo để giảm chi phí xuống dưới 100 USD/tấn (Nature Energy).

Khử CO₂ sinh học: trồng rừng và phục hồi hệ sinh thái

Trồng rừng và phục hồi rừng ngập mặn, than bùn là phương pháp khử CO₂ sinh học cơ bản, dựa trên quang hợp để chuyển CO₂ khí quyển thành sinh khối và đất. Rừng cây lá rộng nhiệt đới có thể hấp thu trung bình 10–15 tCO₂/ha·năm, trong khi rừng ngập mặn hấp thu 6–8 tCO₂/ha·năm và lưu trữ lâu dài trong thân gỗ và bùn nền (The Nature Conservancy).

Phục hồi than bùn (peatland restoration) ngăn chặn oxi hóa hữu cơ và hạn chế phát thải CO₂, đồng thời tái tạo môi trường kị khí giúp lưu trữ carbon dưới dạng mùn than bùn. Hiệu quả lưu trữ của than bùn có thể đạt 20–30 tCO₂/ha·năm trong dài hạn.

• Ưu điểm: chi phí thấp, tận dụng hệ sinh thái tự nhiên.
• Nhược điểm: có nguy cơ cháy rừng, phụ thuộc vào điều kiện khí hậu.
• Yêu cầu: giám sát liên tục, chính sách bảo vệ rừng và hỗ trợ cộng đồng địa phương.

Biochar và khử CO₂ qua đất

Biochar là sản phẩm than sinh học tạo ra từ pyrolysis sinh khối nông nghiệp hoặc rừng, có thành phần carbon ổn định (>70%) và tuổi thọ lưu giữ carbon lên đến hàng trăm năm. Khi trộn biochar vào đất, không chỉ lưu giữ CO₂ mà còn cải thiện độ phì nhiêu, khả năng giữ nước và cấu trúc đất (Global Biochar Initiative).

Ứng dụng biochar phổ biến ở liều 5–20 t/ha, cho phép tăng năng suất cây trồng 10–20% đồng thời loại trừ 1–5 tCO₂/ha·năm. Biochar có thể sản xuất từ vỏ trấu, vỏ hạt cà phê, tro rơm và vỏ cây non, tận dụng nguồn phụ phẩm nông nghiệp.

Tăng cường phong hóa khoáng (Enhanced Weathering)

Phương pháp tăng cường phong hóa khoáng sử dụng đá silicat như peridotit, basalt nghiền mịn để phản ứng với CO₂ tạo ra cacbonat ổn định: $CO_{2} + CaSiO_{3} \rightarrow CaCO_{3} + SiO_{2}$. Đá basalt rải trên đất nông nghiệp hoặc bờ biển thúc đẩy phản ứng tự nhiên, có thể loại bỏ 0,5–2 tCO₂/ha·năm (BBC Science).

Ưu điểm của phong hóa khoáng là lưu giữ carbon vĩnh viễn dưới dạng khoáng, không phụ thuộc vào chu trình sinh học. Nhược điểm gồm chi phí nghiền đá cao và tác động tiềm ẩn đến pH đất hoặc nước biển, cần nghiên cứu đánh giá tác động toàn diện trước khi quy mô hóa.

Khử CO₂ đại dương

Khử CO₂ đại dương tận dụng đại dương làm bể chứa carbon lớn nhất, thông qua hai phương pháp chính: tăng sinh khối phù du và kiềm hóa nước biển. Bổ sung sắt (Fe) vào đại dương kích thích tảo biển phát triển, hấp thu CO₂ từ khí quyển. Mỗi lần bón sắt có thể loại bỏ 1–5 tCO₂/ha (Nature).

• Phương pháp kiềm hóa: sử dụng khoáng kiềm (basalt, olivine) để tăng độ pH và tăng khả năng hòa tan CO₂.
• Rủi ro: biến đổi hệ sinh thái biển, bùng phát tảo độc và suy giảm oxy đáy biển.
• Yêu cầu: giám sát sinh thái, thí nghiệm quy mô pilot trước khi mở rộng.

Khoáng hóa CO₂ và lưu trữ địa chất

CO₂ sau khi tách hoặc nén được tiêm vào tầng địa chất nước mặn sâu (>800 m) hoặc trong lớp đá bazan để tạo khoáng cacbonat vững bền. Kỹ thuật này có khả năng lưu trữ hàng nghìn năm và đã được thử nghiệm tại dự án CarbFix ở Iceland, nơi >95% CO₂ đã khoáng hóa thành CaCO₃ chỉ sau 2 năm (Nature Geoscience).

Điều kiện địa chất cần khảo sát kỹ: độ thấm, tính trơ hóa học và lớp phủ kín để tránh rò rỉ. Hệ thống giám sát bao gồm giếng quan trắc, phân tích hóa chất nước và địa chấn để đảm bảo an toàn lâu dài.

Thách thức, chi phí và chính sách

Chi phí hiện tại của CDR dao động mạnh: DAC 100–600 USD/tCO₂, phong hóa khoáng 50–200 USD/tCO₂, sinh học 10–50 USD/tCO₂. Để khả thi trên quy mô gigaton, chi phí cần giảm xuống dưới 100 USD/tCO₂ thông qua cải tiến công nghệ và kinh tế quy mô (IEA DAC Report).

• Công nghệ: phát triển vật liệu hấp thụ mới, tối ưu hóa quy trình nhiệt động.
• Chính sách: cơ chế tín chỉ carbon minh bạch, thuế CO₂ và khoản hỗ trợ R&D.
• MRV (Measurement, Reporting, Verification): tiêu chuẩn quốc tế để chứng nhận lượng CO₂ đã loại bỏ.

Thách thức: cạnh tranh với giảm phát thải trực tiếp, cần cân bằng giữa khử CO₂ và chuyển đổi năng lượng tái tạo, đảm bảo chiến lược dài hạn không làm trì hoãn các biện pháp giảm phát thải mới.

Tài liệu tham khảo

• IPCC. (2022). Climate Change 2022: Mitigation of Climate Change. Cambridge University Press.
• International Energy Agency (IEA). (2021). Net Zero by 2050. IEA Publications.
• US Department of Energy. (2020). Carbon Negative Shot. U.S. DOE.
• The Nature Conservancy. (2020). Blue Carbon Initiatives.
• Global Biochar Initiative. (2019). Biochar and Climate Change.
• Renforth, P. et al. (2015). Enhanced Weathering of Olivine for CO₂ Removal. Environmental Science & Technology, 49(2), 827–835.
• Smith, P. et al. (2016). Biogeochemical and ecological feedbacks in CDR. Nature Climate Change, 6, 42–50.