Thu giữ co2 là gì? Các bài nghiên cứu khoa học liên quan

Giới thiệu về thu giữ CO₂

Thu giữ CO₂ (Carbon Capture) là quá trình tách carbon dioxide từ các dòng khí thải sinh ra trong các hoạt động công nghiệp hoặc năng lượng, sau đó vận chuyển và lưu trữ hoặc tái sử dụng nhằm ngăn CO₂ không thoát ra khí quyển. Đây là một trong những giải pháp công nghệ được xem là trụ cột trong nỗ lực giảm phát thải khí nhà kính toàn cầu.

CO₂ là khí nhà kính chủ yếu gây biến đổi khí hậu, chiếm khoảng 75% lượng phát thải nhà kính toàn cầu theo báo cáo của IPCC. Việc thu giữ và cô lập CO₂ không những làm giảm tác động môi trường mà còn góp phần kéo dài thời gian chuyển đổi sang các nguồn năng lượng bền vững.

Thu giữ CO₂ thường đi kèm với các thuật ngữ như:

• CCS (Carbon Capture and Storage): Thu giữ và lưu trữ CO₂ vĩnh viễn dưới lòng đất.
• CCUS (Carbon Capture, Utilization and Storage): Thu giữ, tái sử dụng và/hoặc lưu trữ CO₂ cho mục đích công nghiệp.

Các công nghệ này đang được đầu tư mạnh mẽ bởi các chính phủ và doanh nghiệp lớn như một phần thiết yếu của chiến lược phát thải ròng bằng 0 đến năm 2050.

Lý do cần thu giữ CO₂

Con người thải ra khoảng 36 tỷ tấn CO₂ mỗi năm, chủ yếu từ các hoạt động như sản xuất điện từ nhiên liệu hóa thạch, sản xuất xi măng, luyện kim và nông nghiệp. Hệ sinh thái tự nhiên chỉ có thể hấp thụ được khoảng một nửa lượng phát thải này, dẫn đến sự tích lũy ngày càng cao nồng độ CO₂ trong khí quyển.

Theo số liệu từ NOAA, nồng độ CO₂ trong khí quyển đã vượt 420 ppm – mức cao nhất trong hơn 4 triệu năm qua. Điều này gây ra hiệu ứng nhà kính tăng cường, dẫn tới hiện tượng ấm lên toàn cầu, mực nước biển dâng, và thời tiết cực đoan gia tăng.

Thu giữ CO₂ là cần thiết trong các ngành:

• Ngành xi măng (chiếm ~7% CO₂ toàn cầu)
• Ngành thép (khoảng 8% CO₂ toàn cầu)
• Nhiệt điện than và khí thiên nhiên

Các ngành này khó khử carbon bằng các biện pháp thay thế như điện khí hóa hoặc tái tạo do tính chất công nghệ hoặc yêu cầu đầu tư lớn.

Các phương pháp thu giữ CO₂

Có ba phương pháp chính được sử dụng trong thu giữ CO₂, tùy theo giai đoạn trong chu trình đốt nhiên liệu:

1. Thu giữ sau đốt (Post-combustion): CO₂ được thu từ khí thải sau khi nhiên liệu đã cháy. Đây là phương pháp phổ biến nhất vì có thể tích hợp vào nhà máy hiện có. CO₂ được hấp thụ bằng dung môi hóa học như monoethanolamine (MEA) và sau đó tách ra bằng nhiệt.

2. Thu giữ trước đốt (Pre-combustion): Nhiên liệu hóa thạch được xử lý thành khí tổng hợp (syngas: CO + H₂), sau đó CO được chuyển thành CO₂ bằng phản ứng chuyển hóa nước-gas, rồi tách CO₂ trước khi đốt. Phù hợp với các hệ thống khí hóa và sản xuất hydrogen.

3. Đốt trong môi trường oxy (Oxy-combustion): Nhiên liệu được đốt trong khí giàu oxy thay vì không khí, tạo khí thải chủ yếu gồm CO₂ và H₂O, giúp dễ dàng cô lập CO₂ bằng cách ngưng tụ hơi nước. Tuy nhiên, chi phí tách oxy cao là rào cản kỹ thuật chính.

Công nghệ hấp phụ và hấp thụ

Để tách CO₂ khỏi hỗn hợp khí, các phương pháp vật lý và hóa học được sử dụng với hai nhóm kỹ thuật chính: hấp phụ và hấp thụ.

Hấp phụ (Adsorption): CO₂ bị giữ lại trên bề mặt vật liệu rắn có diện tích bề mặt lớn như than hoạt tính, zeolit, hoặc MOFs (metal-organic frameworks). Hấp phụ có thể là vật lý (van der Waals) hoặc hóa học (liên kết bền hơn). Hệ thống có thể tái sinh bằng thay đổi áp suất hoặc nhiệt độ.

Hấp thụ (Absorption): CO₂ được hòa tan trong dung môi lỏng, điển hình là dung dịch amine (MEA, DEA). Dung môi sau khi hấp thụ CO₂ sẽ được gia nhiệt để giải phóng CO₂ và tái sử dụng dung môi.

Một phản ứng tiêu biểu trong quá trình hấp thụ amine: $\text{CO}_2 + 2\text{RNH}_2 \rightleftharpoons \text{RNH}_3^+ + \text{RNHCOO}^-$

Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả hấp thụ/adsorption bao gồm:

• Nhiệt độ và áp suất
• Nồng độ CO₂ trong dòng khí
• Khả năng tái sinh của vật liệu
• Độc tính và chi phí của dung môi

Công nghệ đang được cải tiến liên tục nhờ nghiên cứu vật liệu nano và AI mô phỏng điều kiện tối ưu.

Lưu trữ CO₂

Sau khi được tách ra khỏi dòng khí thải, CO₂ cần được vận chuyển đến nơi lưu trữ lâu dài nhằm tránh phát tán trở lại khí quyển. Phương án phổ biến nhất hiện nay là lưu trữ địa chất – tiêm CO₂ sâu vào các tầng đất đá dưới lòng đất có khả năng chứa và giữ khí ổn định trong hàng thế kỷ.

Các địa điểm lưu trữ địa chất bao gồm:

• Tầng chứa nước mặn sâu (saline aquifers)
• Vỉa dầu khí cạn kiệt
• Hệ thống basalt có khả năng kết tinh CO₂ thành khoáng

Mỗi phương án yêu cầu nghiên cứu địa chất kỹ lưỡng để đảm bảo độ kín, khả năng giữ CO₂ và tính ổn định theo thời gian. Ví dụ, tầng chứa nước mặn thường nằm ở độ sâu >800m nơi CO₂ có thể được giữ dưới dạng siêu tới hạn (supercritical), giúp tối ưu hóa thể tích lưu trữ.

Theo một nghiên cứu đăng trên Science, tiêm CO₂ vào basalt như tại dự án CarbFix (Iceland) có thể khoáng hóa đến 95% lượng CO₂ trong vòng 2 năm, giúp cố định khí ở dạng rắn an toàn.

Chi phí và kỹ thuật lưu trữ được minh họa qua bảng sau:

Tái sử dụng CO₂ (CCU)

Một xu hướng ngày càng được chú ý là sử dụng CO₂ làm nguyên liệu đầu vào cho các quá trình công nghiệp, thay vì chỉ lưu trữ. Tái sử dụng CO₂ không chỉ giúp giảm phát thải mà còn mở ra các thị trường mới cho “carbon tái chế”.

Các hướng tái sử dụng CO₂ tiêu biểu:

• Sản xuất nhiên liệu tổng hợp như methanol, diesel tổng hợp (e-fuels)
• Sản xuất vật liệu xây dựng như bê tông carbon thấp
• Thực phẩm và đồ uống (nước có gas, ướp lạnh)
• Chất trung gian hóa học (urea, polycarbonate)

Phản ứng tiêu biểu chuyển CO₂ thành methanol: $\text{CO}_2 + 3\text{H}_2 \rightarrow \text{CH}_3\text{OH} + \text{H}_2\text{O}$Quá trình này đòi hỏi hydrogen “xanh” (từ điện phân nước sử dụng năng lượng tái tạo) để đạt được mục tiêu giảm phát thải thực chất.

Một trong những mô hình nổi bật là Power-to-X, trong đó CO₂ được kết hợp với điện tái tạo để sản xuất các sản phẩm hóa học và nhiên liệu trung hòa carbon. Đây là mảnh ghép quan trọng trong mô hình kinh tế tuần hoàn carbon (Circular Carbon Economy).

Ứng dụng trong công nghiệp

Nhiều doanh nghiệp lớn đã bắt đầu triển khai công nghệ thu giữ và lưu trữ CO₂ trong hoạt động sản xuất nhằm đáp ứng yêu cầu khắt khe về phát thải từ các thị trường như EU và Bắc Mỹ. Các ngành được ưu tiên ứng dụng CCUS bao gồm năng lượng, xi măng, hoá chất và thép.

Ví dụ thực tế:

• Heidelberg Materials: Nhà sản xuất xi măng đầu tiên xây dựng nhà máy thu giữ CO₂ thương mại ở châu Âu (Brevik CCS, Na Uy).
• Equinor: Vận hành dự án Northern Lights lưu trữ CO₂ dưới biển Bắc, liên kết với các nhà máy ở EU.
• ArcelorMittal: Áp dụng công nghệ CCU để chuyển CO₂ thành ethanol sinh học tại các nhà máy luyện thép.

Theo IEA, đến năm 2030 cần ít nhất 1,6 tỷ tấn CO₂ được thu giữ mỗi năm để giữ nhiệt độ toàn cầu không vượt quá 1.5°C.

Thách thức và hạn chế

Dù tiềm năng lớn, thu giữ CO₂ vẫn đang đối mặt với nhiều rào cản trong việc triển khai đại trà. Một số thách thức bao gồm:

• Chi phí cao: Tổng chi phí CCUS hiện dao động từ 40 – 120 USD/tấn CO₂, tuỳ loại công nghệ và điều kiện thực tế.
• Nhu cầu năng lượng lớn: Các quá trình tách và nén CO₂ tiêu tốn nhiều năng lượng, làm giảm hiệu suất hệ thống.
• Thiếu hạ tầng: Vận chuyển CO₂ qua đường ống hoặc tàu biển yêu cầu đầu tư hạ tầng kết nối xuyên biên giới.
• Pháp lý và xã hội: Nhiều quốc gia chưa có khung pháp lý rõ ràng về quyền lưu trữ CO₂ dưới lòng đất. Ngoài ra, tâm lý “không muốn có CO₂ gần nơi sinh sống” cũng cản trở các dự án CCS địa phương.

Chính sách hỗ trợ từ chính phủ, tín chỉ carbon, trợ cấp đầu tư và tiêu chuẩn môi trường sẽ đóng vai trò thiết yếu trong việc khuyến khích doanh nghiệp áp dụng CCUS.

Tiềm năng tương lai

Tiềm năng của công nghệ thu giữ CO₂ rất lớn nếu được triển khai trên quy mô công nghiệp kèm các chính sách hỗ trợ phù hợp. Theo IEA, CCUS có thể giúp giảm khoảng 15% lượng phát thải toàn cầu cần thiết để đạt phát thải ròng bằng 0 vào năm 2050.

Những hướng phát triển chính trong tương lai:

• Vật liệu mới có khả năng hấp phụ CO₂ chọn lọc và hiệu quả cao
• Ứng dụng trí tuệ nhân tạo trong tối ưu hóa quy trình
• Liên kết CCUS với sản xuất hydrogen xanh (H₂ + CO₂ → nhiên liệu tổng hợp)
• Mở rộng quy mô các cụm công nghiệp CCUS tại khu vực có trữ lượng địa chất lớn

Các quốc gia như Mỹ, Na Uy, Trung Quốc, và UAE đang dẫn đầu trong nghiên cứu và đầu tư vào CCUS. Hợp tác quốc tế, tiêu chuẩn hóa và chia sẻ rủi ro tài chính sẽ là chìa khóa để công nghệ này phát huy tối đa hiệu quả toàn cầu.

Kết luận

Thu giữ CO₂ không phải là giải pháp duy nhất cho biến đổi khí hậu, nhưng là một phần không thể thiếu trong bộ công cụ giảm phát thải toàn cầu. Đặc biệt với những ngành khó thay đổi như xi măng, thép, hóa chất – nơi không có giải pháp thay thế đơn giản – CCUS là lựa chọn thực tế nhất.

Đầu tư đúng mức, chính sách rõ ràng và hợp tác công-tư sẽ quyết định thành công của công nghệ này. Nếu được phát triển đúng hướng, CCUS không chỉ giảm thiểu rủi ro môi trường mà còn góp phần xây dựng nền kinh tế carbon âm – nơi CO₂ không còn là chất thải mà trở thành tài nguyên giá trị.