Hệ thống làm sạch carbon trong tương lai có thể trông như thế nào?

Màng lọc thu gom carbon là một dạng thu gom carbon kiểu mô-đun mà có thể được triển khai ở các quy mô khác nhau với chi phí cạnh tranh. Những cải tiến hiện đang được thực hiện để đưa công nghệ này trở nên có tính khả thi về thương mại trên quy mô rộng hơn. Bài viết này sẽ xem xét, đánh giá tiềm năng của công nghệ này, trình bày cách thức công nghệ này hoạt động ra sao và tại sao công nghệ này có thể sẽ phù hợp.

Thu gom carbon là gì?

Có ba loại hình thu gom carbon chính như sau:

1. Thu gom trước quá trình đốt - Điều này loại bỏ carbon khỏi nhiên liệu, chuyển hóa nó thành hydro, mà sau đó được sử dụng thay thế.

2. Thu gom carbon trong quá trình đốt - Việc đốt nhiên liệu trong oxy nguyên chất hoặc sử dụng oxít kim loại tạo ra khí thải gần với CO₂ tinh khiết và nước, làm cho các thành phần khí thải dễ dàng tách ra được.

3. Loại bỏ sau khi đốt - Loại bỏ CO₂ ra khỏi nguồn khí hỗn hợp, ngăn không cho nó thoát ra ngoài khí quyển.

Trong ba loại hình thu gom carbon này, loại hình thu gom sau khi đốt đã nhận được nhiều sự quan tâm của công chúng. Điều này chủ yếu là do loại hình này có khả năng trang bị thêm vào các quy trình công nghệ  hiện tại, giảm bớt mức độ thay thế cần thiết để đáp ứng các mục tiêu khí hậu. Hiện, loại hình này đã bắt đầu được áp dụng vào một số ngành ở cấp độ thương mại.

Thu gom carbon sau khi đốt

Ngay khi carbon được loại bỏ tại bất kỳ vị trí nào trong hệ thống, nó sẽ được nén lại và vận chuyển cho sử dụng trong các quy trình khác, hoặc cho quá trình che-lát hóa. Việc bán carbon thu gom được cho sử dụng trong các quy trình khác như trong nhà kính, đồ uống có ga hoặc cho các ngành công nghiệp khác mang lại một khoản hoàn lại phí tổn thu gom. Che-lát hóa loại bỏ carbon ra khỏi hệ thống lâu dài hơn so với sử dụng nó, thường đưa CO₂ vào trong các kết cấu địa chất chịu áp suất để ngăn ngừa các tác động biến đổi khí hậu của nó.

Có hai khu vực chính trong đó thu gom carbon sau khi đốt đã được triển khai - loại bỏ tại nguồn phát thải và thu gom trực tiếp trong không khí. Loại bỏ tại nguồn phát thải loại bỏ khí cacbonic ra khỏi khí thải trong đó có hàm lượng khí cacbonic cao nhất và do đó không cần nhiều sự cố gắng, trái lại thu gom trực tiếp trong không khí loại bỏ khí cacbonic bằng cách lọc những lượng khí lớn, mà có thể lắp đặt ở bất kỳ nơi nào thấy thuận tiện.

Cả hai giải pháp đều sử dụng các công nghệ giống nhau và có những ưu điểm và  nhược điểm riêng. Loại bỏ phát thải tại nguồn yêu cầu tiêu tốn năng lượng ít hơn trên mỗi tấn CO₂, nhưng lại yêu cầu không gian để bố trí các thiết bị xử lý tại chỗ. Thu gom trực tiếp trong không khí thì trái ngược lại, với lượng khí cacbonic loại bỏ được rất lớn và tập trung, nhưng chi phí lại cao.

Các giải pháp công nghệ thu gom carbon

Có một số công nghệ quan trọng cho thu gom carbon:

• Hấp thụ - Một hóa chất, thường là dung dịch amin, phản ứng với CO₂ để tách nó ra khỏi hỗn hợp khí. Dung dịch này cần có năng lượng đầu vào, thường ở dạng nhiệt độ và áp suất, để giải phóng khí ra khỏi dung dịch cho tái sử dụng.

• Màng lọc - Khí thải đi qua màng lọc trong đó CO₂ được lọc có lựa chọn ra khỏi dòng khí.

• Kỹ thuật làm lạnh cryo - Nhiệt độ đông đặc của CO₂ được sử dụng để lọc có lựa chọn nó ra khỏi dòng khí.

Trong số các công nghệ này, màng lọc có rất nhiều hứa hẹn do tính chất mô-đun của các màng lọc và khả năng mở rộng dễ dàng của chúng. Ngoài ra, năng lượng yêu cầu để loại bỏ carbon ra khỏi dòng khí thải là tương đối thấp so với các phương pháp thông thường khác.

Chi phí vốn cho các mô-đun này là tương đối thấp, có khả năng sẽ giảm đi khi khối lượng sản xuất tăng lên. Việc lắp đặt công nghệ này cũng không yêu cầu trình độ kỹ năng cao và các màng lọc thường không yêu cầu thiết kế hệ thống phức tạp như các phương pháp thu gom carbon khác thường yêu cầu.

Công nghệ này hoạt động ra sao?

Công nghệ màng về nguyên tắc là tương đối đơn giản. Màng được tạo thành bởi các vật liệu mà cho phép có lựa chọn CO₂ đi qua hoặc ngăn ngừa CO₂ không cho đi qua. Có nhiều phương pháp khác nhau thực hiện được điều này, chẳng hạn như màng lọc cho phép các khí đi qua dưới một kích thước nhất định hoặc thông qua khuếch tán, trong đó khí mục tiêu có thể được ưu tiên di chuyển qua lớp màng. Các đặc tính quan trọng của màng lọc là khả năng chọn lọc (màng lọc lọc CO₂ ra khỏi các khí khác hiệu quả ra sao) và khả năng thẩm thấu (lượng khí mà màng lọc có thể lọc trên mỗi đơn vị thời gian).
Để khí thải đi qua được thiết bị lọc, áp suất cần được cung cấp tới đầu vào màng lọc nơi mà phần lớn năng lượng cần thiết cho quá trình này được sử dụng. Các màng lọc hiện tại được kiểm tra ở bên ngoài phòng thí nghiệm đều ghi nhận mức phạt năng lượng từ 20 - 30%. Điều này có thể so sánh với mức phạt năng lượng của các phương pháp hấp thụ dựa vào amin. Khi cải tiến công nghệ này, áp suất yêu cầu giảm xuống và lượng khí mà mỗi màng lọc có thể lọc tăng lên, giảm bớt chi phí vốn và chi phí vận hành thấp hơn so với chi phí của các công nghệ thu gom carbon khác. 

Công nghệ màng lọc và xi măng

Các màng lọc thu gom carbon cho quá trình sản xuất xi măng đã được thử nghiệm ở bên ngoài các điều kiện phòng thí nghiệm một cách rộng rãi nhất tại nhà máy Xi măng Brevik của Norcem ở Na Uy. Các màng lọc đã được thử nghiệm cùng với các công nghệ thu gom carbon khác nhằm cố gắng tìm ra công nghệ phù hợp nhất cho ứng dụng.

Sau nhiều tháng thử nghiệm tại hiện trường, công nghệ màng lọc đã cho thấy là khả thi cho ứng dụng, với khả năng chịu đựng tốt các điều kiện khắc nghiệt. Nghiên cứu khả thi về tính hiệu quả kinh tế sau thử nghiệm đã ước tính chi phí thu gom carbon sẽ vào khoảng 50 USD/tấn. Dự án đã được phê duyệt là một trong những công nghệ được liệt kê trong danh sách lựa chọn sẽ được thử nghiệm thêm 9 tháng nữa. Nghiên cứu đã kết luận rằng, mặc dù các màng lọc cho thấy đầy hứa hẹn, chúng vẫn cần phải ở mức sẵn sàng công nghệ cao hơn (TRL) trước khi triển khai đầy đủ.
Một dự án gần đây hơn mà hiện đang thực hiện là dự án hợp tác giữa Cemex và Membrane and Technology Research. Nghiên cứu khả thi thực hiện trong 18 tháng này sẽ làm rõ liệu những tiến bộ trong công nghệ màng lọc từ dự án Norcem có đủ để đầu tư vào một hệ thống thu gom carbon quy mô toàn nhà máy hay không.

Tương lai sử dụng công nghệ màng lọc

So với các công nghệ thu gom carbon khác, màng lọc phù hợp hơn cho triển khai ở các quy mô khác nhau. Trong quá trình thử nghiệm và triển khai lần đầu ở các ngành công nghiệp khác ngoài xi măng, màng lọc đã được bố trí thành các mô-đun mà có thể kết hợp lại để mở rộng công suất. Đặc điểm này khiến cho chúng rất hấp dẫn đối với các nhà máy mà việc sản xuất CO₂ sẽ không khả thi về mặt thương mại để lắp đặt bộ hấp thụ amin, hoặc ở nơi mà quá trình có nhiều điểm xả thải tất cả đều sẽ cần những thiết bị riêng. Điều đó cũng có nghĩa rằng, khi nhu cầu tăng lên, các mô-đun có thể được sản xuất đại trà và có thể áp dụng cho nhiều ứng dụng khác nhau, với điều kiện là phải hiểu rõ thành phần của khí thải để có thể áp dụng công nghệ lọc chuẩn xác cho hỗn hợp.

Những thách thức gặp phải khi sử dụng công nghệ màng lọc

Công nghệ màng lọc vẫn đang trong quá trình phát triển và chưa đạt đến giai đoạn thương mại khi nó được sử dụng rộng rãi.
Một trong những nhược điểm chính của các màng lọc này chính là vật liệu chế tạo ra chúng. Do sự phụ thuộc vào polyme, khí thải cho các loại màng lọc này phải thấp hơn 100°C, có khả năng làm hạn chế các ứng dụng hoặc làm gia tăng nhu cầu năng lượng qua việc bổ sung thêm tính năng làm mát tích cực.

Mặc dù đã có các phương pháp tồn tại để lưu trữ CO₂ thu gom được lâu dài trong các khoáng chất và các kết cấu địa chất, vẫn cần phải thực hiện các nghiên cứu và phát triển thêm đối với cả hai phương pháp để đạt được mục tiêu này trên quy mô lớn hơn và để hiểu rõ hơn những hình thức tiềm năng nào sẽ phù hợp với mức rò rỉ tối thiểu.

Những thay đổi đáng kể về hạ tầng cơ sở sẽ cần phải được thực hiện trước khi chuyển đổi trên quy mô lớn sang các công nghệ thu gom carbon dưới mọi hình thức, như các phương pháp mới để vận chuyển carbon tới các cơ sở phù hợp từ điểm thu gom.

Kết luận

Mặc dù đang ở giai đoạn tương đối sơ khai, các màng lọc đã cho thấy những đặc tính thú vị có thể hỗ trợ công nghệ thu gom carbon trở nên phổ biến hơn với nhiều kích cỡ và ứng dụng đa dạng hơn. Cho dù chúng không phải là công nghệ xanh hoàn toàn - chẳng hạn như các công nghệ như hydro có khả năng trở thành - chúng có thể là bước đệm giữa một tương lai xanh hoàn toàn và nền kinh tế dựa vào nhiên liệu hóa thạch hiện tại.

Tài liệu tham khảo

1. MDPI, Recent Progress in the Engineering of Polymeric-Membranes for CO₂ Capture from Flue Gas, 20 November 2020, https://www.mdpi.com/2077-0375/10/11/365/pdf

2. Benson, Kelemen, Pilorgé, Psarras and Wilcox, An Overview of the Status and Challenges of CO₂ Storage in Minerals and Geological Formations, 15 November 2019, https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fclim.2019.00009/full