CCS là gì? Chi tiết Công nghệ thu hồi và lưu giữ carbon

Vậy CCS là gì và công nghệ này hoạt động như thế nào? Cùng Intech Energy tìm hiểu qua bài viết dưới đây.

Công nghệ thu hồi và lưu giữ carbon - CCS là gì? 

Công nghệ thu hồi và lưu giữ carbon (Carbon Capture and Storage - CCS) là một giải pháp kỹ thuật nhằm thu giữ khí carbon dioxide (CO₂) phát sinh từ các nguồn thải lớn như nhà máy điện, nhà máy công nghiệp, sau đó vận chuyển và lưu giữ lâu dài khí CO₂ này tại những địa điểm an toàn (thường là dưới lòng đất), ngăn không cho nó phát tán vào khí quyển.

Mục tiêu của CCS là giảm lượng khí nhà kính, góp phần ứng phó với biến đổi khí hậu, đồng thời cho phép tiếp tục sử dụng nhiên liệu hóa thạch trong giai đoạn chuyển tiếp sang các nguồn năng lượng sạch hơn.

Nguyên lý hoạt động của công nghệ CCS

1. Thu giữ CO2

Thu giữ CO₂ (Carbon Capture) là bước đầu tiên và quan trọng nhất trong quá trình CCS. CO₂ được thu giữ ngay tại nguồn phát thải lớn như nhà máy nhiệt điện đốt than, nhà máy xi măng, nhà máy thép hoặc các cơ sở công nghiệp nặng. Có nhiều công nghệ thu giữ khác nhau như: hấp thụ hóa học bằng dung môi (thường dùng amine), hấp phụ vật lý, sử dụng màng lọc hoặc đốt cháy nhiên liệu trong môi trường oxy tinh khiết (oxy-combustion). 

Một trong những phương pháp hiệu quả nhất để tách CO₂ khỏi dòng khí thải là sử dụng dung môi hấp thụ trong một quy trình gọi là “chu trình giải hấp". Trong quy trình này, CO₂ được liên kết với dung môi tại bộ phận hấp thụ, sau đó dung môi được dẫn đến một thiết bị tách nơi CO₂ được tách ra khỏi dung môi nhờ gia nhiệt. Quá trình này đòi hỏi cung cấp nhiệt độ từ 130 đến 140°C, thường dưới dạng hơi nước. Mỗi tấn CO₂ thu hồi cần khoảng 2,5 đến 4 MJ năng lượng nhiệt. Với các nhà máy điện sử dụng khí tự nhiên hoặc than, việc tích hợp công nghệ thu hồi CO₂ có thể làm giảm hiệu suất phát điện từ 8 đến 10 điểm phần trăm, tương đương mức giảm sản lượng điện khoảng 20 đến 30%. Sau khi được thu hồi, CO₂ tinh khiết được nén ở áp suất 150–200 bar và vận chuyển dưới dạng lỏng thông qua hệ thống đường ống hoặc tàu đến các địa điểm lưu trữ thích hợp.

Mục tiêu của bước này là tách riêng CO₂ khỏi các khí khác trong dòng thải, tạo thành CO₂ tinh khiết có thể nén và vận chuyển đi lưu giữ.

2. Vận chuyển CO2

Thứ hai, vận chuyển CO₂ (Carbon Transport) là giai đoạn đưa CO₂ đã được thu giữ đến các địa điểm lưu trữ an toàn. CO₂ sau khi thu được sẽ được nén lại thành dạng siêu tới hạn (supercritical state) – vừa có tính chất của chất khí và chất lỏng – giúp việc vận chuyển hiệu quả hơn. Phương thức vận chuyển phổ biến nhất là qua hệ thống đường ống, tương tự như mạng lưới dẫn khí hoặc dầu. Trong một số trường hợp, CO₂ cũng có thể được vận chuyển bằng tàu hoặc xe bồn nếu khoảng cách không quá xa hoặc hạ tầng đường ống chưa sẵn sàng.

3. Lưu trữ CO2

Lưu trữ CO₂ (Carbon Storage) là bước giữ lại CO₂ trong thời gian dài, nhằm ngăn không cho khí này quay trở lại khí quyển. CO₂ thường được bơm sâu vào lòng đất tại các địa điểm có cấu trúc địa chất phù hợp như các tầng đá xốp dưới lòng đất, các bể chứa dầu hoặc khí tự nhiên đã cạn, hoặc các tầng đá muối. Những nơi này có khả năng "giam giữ" CO₂ hàng trăm đến hàng nghìn năm nhờ lớp đá phủ kín bên trên. Ngoài ra, một số công nghệ mới còn hướng tới việc khoáng hóa CO₂ – biến CO₂ thành dạng khoáng rắn thông qua phản ứng hóa học với đá bazan hoặc silicat, giúp lưu trữ lâu dài và ổn định hơn.

Vai trò quan trọng của CCS

1. Giảm phát thải CO₂, ứng phó với biến đổi khí hậu

Một trong những lợi ích quan trọng nhất của CCS là giúp giảm lượng CO₂ thải vào khí quyển. Hiện nay, phần lớn lượng khí CO₂ phát thải đến từ các ngành công nghiệp nặng như sản xuất điện, xi măng, thép và hóa chất. Nếu không có biện pháp kiểm soát, lượng khí thải này sẽ tiếp tục làm tăng hiệu ứng nhà kính, gây ra hiện tượng nóng lên toàn cầu. Công nghệ CCS giúp thu giữ CO₂ ngay tại nguồn, sau đó lưu trữ an toàn dưới lòng đất, ngăn không cho khí này thoát ra ngoài. Nhờ đó, CCS góp phần thực hiện các cam kết giảm phát thải của nhiều quốc gia, đặc biệt trong bối cảnh thế giới đang hướng tới mục tiêu trung hòa carbon vào năm 2050.

2. Hỗ trợ ngành công nghiệp chuyển đổi sang nền kinh tế xanh

Nhiều ngành công nghiệp nặng vẫn phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch, và việc chuyển đổi ngay lập tức sang năng lượng tái tạo là rất khó khăn. CCS đóng vai trò như một giải pháp trung gian, giúp các ngành này tiếp tục hoạt động mà vẫn giảm được lượng phát thải. Ví dụ, trong lĩnh vực sản xuất điện từ than hoặc khí tự nhiên, CCS có thể giúp giảm tới 90% lượng CO₂ phát sinh. Điều này tạo điều kiện cho quá trình chuyển đổi sang các nguồn năng lượng sạch diễn ra suôn sẻ hơn mà không gây xáo trộn lớn về kinh tế và xã hội.

CCS còn mở ra cơ hội phát triển các công nghệ phát thải âm, điển hình là công nghệ BECCS (Bioenergy with Carbon Capture and Storage) – thu hồi CO₂ từ quá trình sản xuất năng lượng sinh học. Với BECCS, CO₂ được hấp thụ từ thực vật trong quá trình sinh trưởng sẽ được thu giữ và lưu trữ vĩnh viễn, giúp tạo ra lượng phát thải âm, đóng góp tích cực vào việc cân bằng carbon toàn cầu. Đây được xem là một trong những giải pháp quan trọng để đạt mục tiêu giảm thiểu nhiệt độ toàn cầu xuống dưới mức 2°C so với thời tiền công nghiệp.

3. Thúc đẩy phát triển công nghệ và kinh tế tuần hoàn carbon

CCS không chỉ đơn thuần là thu giữ và lưu trữ CO₂ mà còn có thể kết hợp với các công nghệ khác để tận dụng CO₂ một cách hiệu quả. Một trong những hướng đi tiềm năng là công nghệ thu hồi và sử dụng carbon (CCUS – Carbon Capture, Utilization, and Storage), trong đó CO₂ được tái sử dụng để sản xuất nhiên liệu tổng hợp, vật liệu xây dựng hoặc ứng dụng trong công nghiệp hóa chất. Ngoài ra, CCS có thể kết hợp với công nghệ sinh khối (BECCS – Bioenergy with CCS) để tạo ra mức phát thải âm, tức là không chỉ giảm mà còn loại bỏ CO₂ khỏi khí quyển, góp phần khôi phục cân bằng carbon trong tự nhiên.

4. Hỗ trợ các quốc gia đạt mục tiêu phát triển bền vững

Việc triển khai công nghệ CCS không chỉ giúp giảm phát thải mà còn tạo ra nhiều cơ hội phát triển kinh tế và việc làm trong các lĩnh vực công nghệ cao. Nhiều quốc gia, đặc biệt là các nước phát triển, đang đầu tư mạnh vào CCS để đáp ứng các cam kết quốc tế về khí hậu như Thỏa thuận Paris. Đối với các nước đang phát triển như Việt Nam, CCS có thể đóng vai trò quan trọng trong chiến lược giảm phát thải, đặc biệt trong lĩnh vực dầu khí, nhiệt điện và công nghiệp nặng.

Thực trạng và tính cấp thiết của thu hồi và lưu giữ carbon

Sự gia tăng nhanh chóng của quá trình công nghiệp hóa và nhu cầu sử dụng năng lượng ngày càng lớn đã khiến việc khai thác tài nguyên thiên nhiên, đặc biệt là các loại nhiên liệu hóa thạch như than đá, dầu mỏ và khí đốt, trở nên phổ biến hơn bao giờ hết, đặc biệt trong ngành sản xuất điện. Phần lớn các hệ thống phát điện hiện nay, bao gồm nhà máy nhiệt điện, động cơ diesel công nghiệp, cũng như các phương tiện giao thông như ô tô, tàu hỏa, tàu thủy và máy bay, đều dựa vào các nguồn năng lượng hóa thạch. Điều này kéo theo sự gia tăng đáng kể lượng khí thải vào môi trường, trong đó khí carbon dioxide (CO₂) là một trong những tác nhân chính gây biến đổi khí hậu.

Một nghiên cứu được đăng trên Tạp chí SN Applied Sciences tại Thụy Sĩ đã đưa ra dự đoán rằng vào năm 2030, sản lượng năng lượng sơ cấp sản xuất từ than đá có thể đạt mức 3.976 triệu tấn dầu quy đổi (TOE), kèm theo đó là lượng phát thải CO₂ lên tới 38.749 triệu tấn mỗi năm. Hiện tại, khoảng 82% tổng nhu cầu năng lượng toàn cầu vẫn đang được đáp ứng bằng nhiên liệu hóa thạch thông qua nhiều quy trình khác nhau, góp phần làm gia tăng mức độ phát thải CO₂ ra môi trường tự nhiên.

Để giải quyết bài toán phát thải khí nhà kính, công nghệ thu giữ và lưu trữ carbon (CCS) đã được phát triển. CO₂ có thể được thu gom ngay trong quá trình tiền xử lý nhiên liệu hoặc sau khi quá trình đốt kết thúc, sau đó được vận chuyển đến các vị trí lưu giữ lâu dài dưới lòng đất hoặc các cấu trúc địa chất phù hợp. Nhiều phương pháp kỹ thuật hiện đang được áp dụng để tách và thu giữ CO₂, bao gồm: hấp thụ bằng dung môi lỏng, tách pha khí, hấp phụ trên vật liệu rắn, hoặc thông qua các hệ thống kết hợp như màng lọc hấp phụ. Bên cạnh đó, các yếu tố liên quan như khung pháp lý, phân tích chi phí-hiệu quả và chính sách hỗ trợ cũng đang được nghiên cứu để hỗ trợ việc triển khai CCS trên quy mô lớn.

Theo báo cáo Triển vọng Chuyển đổi Năng lượng (ETO) của DNV, để đạt công suất thu giữ carbon ở mức 800 triệu tấn mỗi năm vào năm 2050, thế giới cần xây dựng một nhà máy CCS công suất 1 triệu tấn mỗi hai tuần kể từ nay. Dự báo này cũng nhấn mạnh rằng các mục tiêu khí hậu được đặt ra trong Thỏa thuận Paris và Hội nghị COP26 sẽ khó có thể đạt được nếu CCS không được đẩy mạnh triển khai. Vì vậy, việc giảm chi phí công nghệ và đẩy nhanh tốc độ phát triển năng lực thu giữ carbon – tương tự như những gì từng đạt được với năng lượng mặt trời – là điều cần thiết. Một trong những giải pháp then chốt là tăng tốc quy mô lắp đặt để tạo ra hiệu ứng học tập công nghệ, từ đó giúp hạ giá thành và mở rộng quy mô ứng dụng CCS một cách hiệu quả.

Công nghệ thu hồi và lưu giữ carbon (CCS) đóng vai trò quan trọng trong nỗ lực giảm thiểu tác động của biến đổi khí hậu, đặc biệt trong giai đoạn chuyển tiếp sang nền kinh tế carbon thấp. Tuy vẫn còn nhiều thách thức về chi phí và hạ tầng, CCS đang dần chứng minh tính khả thi thông qua các dự án thực tế và lộ trình phát triển toàn cầu. Trong tương lai, CCS có thể trở thành một phần không thể thiếu trong chiến lược trung hòa carbon của thế giới.