Những công nghệ CCS mới, tiên tiến năm 2024 (Kỳ 1)

Viện CCS toàn cầu đặt trụ sở chính tại Melbourne (Australia) và có văn phòng tại Washington DC, Brussels, Bắc Kinh, London, Tokyo và Abu Dhabi, và là một tổ chức tư vấn quốc tế (think-tank) có sứ mệnh đẩy nhanh việc triển khai công nghệ thu hồi và lưu trữ carbon (CCS), một bộ công nghệ nhằm giải quyết vấn đề tác động của biến đổi khí hậu và đem lại sự trung hòa về khí hậu. Vừa qua, Viện CCS toàn cầu đã công bố Bản tóm tắt những công nghệ CCS “hiện đại” năm 2024 (hằng năm) gồm 3 phần: Thu hồi, vận chuyển và lưu trữ carbon để cung cấp nền tảng cho các chủ sở hữu và nhà sản xuất công nghệ chia sẻ sản phẩm, đồng thời cho phép các nhà phát triển, người đề xuất và các bên quan tâm khám phá các dịch vụ tiên tiến nhất của lĩnh vực này.

Trong phạm vi giới hạn của bài viết, do số lượng các công nghệ CCS mới tiên tiến được nhiều doanh nghiệp nổi tiếng trên thế giới trình làng trong năm 2024 nên trước mắt xin trân trọng giới thiệu với quý độc giả những nội dung chính của Chương I “Thu hồi carbon” (phần đầu) về một loạt các công nghệ CCS mới nổi đã được những doanh nghiệp hàng đầu thế giới phát minh, ứng dụng hay trình diễn hoặc đã vận hành thương mại, để nghiên cứu và tham khảo.

*****

Công ty 8 Rivers (tiểu bang North Carolina, Hoa Kỳ) chuyên phát triển và triển khai các giải pháp quy mô cơ sở hạ tầng bền vững bằng cách phát minh và thương mại hóa những đổi mới quy mô lớn trong cuộc đua tới mục tiêu toàn cầu net-zero vào năm 2050.

Công nghệ 8RH2

Nhằm đáp ứng các mục tiêu về ứng phó với biến đổi khí hậu toàn cầu và hỗ trợ quá trình chuyển đổi sang nền kinh tế net-zero, thế giới hiện rất cần các giải pháp sạch, giá cả phải chăng và có thể mở rộng để sản xuất hydrogen. Công nghệ 8 RH2 là công nghệ sản xuất hydrogen có hàm lượng carbon cực thấp, giúp thu giữ hơn 99,5% lượng CO₂ được tạo ra trong quá trình này một cách hiệu quả về mặt chi phí. Trọng tâm của công nghệ 8 RH2 là tái sinh reformer đối lưu CO₂ (Convective Reformer-CCR) độc quyền của 8 Rivers, khi đã tận dụng chuyên môn hàng thập kỷ của công ty về đốt cháy oxygen gen và truyền nhiệt để đạt được hiệu suất đột phá. Quá trình công nghệ 8 RH2 hoạt động bằng cách kết hợp CCR với buồng đốt oxygen, đốt cháy khí đuôi và nhiên liệu khí tự nhiên với không khí tổng hợp được tạo thành từ oxygen và CO₂ tinh khiết. Điều này tạo ra dòng CO₂ có nhiệt độ cao, độ tinh khiết cao, cung cấp lượng nhiệt cần thiết cho quá trình tái sinh khí methane trong CCR. Bằng cách tận dụng năng lượng trong khí đuôi, hiện 8 RH2 đạt được hiệu suất nhiệt chu trình được cải thiện đồng thời tránh được các chi phí bổ sung liên quan đến hệ thống thu hồi carbon phía sau.

Lợi ích: Công nghệ sản xuất hydrogen của công nghệ 8 RH2 không phát thải trực tiếp và đạt được cường độ carbon cực thấp, thấp hơn từ 15%-20% so với công nghệ tái sinh reforming nhiệt tự động hiện đại bằng CCS (ATR+CCS). Việc thu giữ CO₂ vốn đã được đưa vào thiết kế quá trình, thu giữ trên 99,5%, đồng thời tránh sử dụng các hóa chất độc hại hoặc các quá trình tiêu tốn nhiều năng lượng. Việc kết hợp sức mạnh của các quá trình sản xuất hydrogen đã được chứng minh về mặt thương mại để cung cấp năng lượng sạch và giá cả phải chăng trên quy mô lớn một cách đáng tin cậy. Việc sử dụng quá trình đốt cháy đuôi khí bằng oxygen để cung cấp nhiệt cải cách và tích hợp nhiệt giúp tạo ra một chu trình hiệu quả cao với hiệu suất nhiệt tăng từ 5%-7% so với ATR+CCS tiêu chuẩn. Kết hợp lại, điều này dẫn đến 8 RH2 có chi phí bình đẳng vượt trội so với tất cả công nghệ hydrogen quy mô tiện ích hiện có trên thị trường. Rất dễ dàng tích hợp với công nghệ vòng lặp ammonia (loop technology) để cho phép sản xuất ammonia có hàm lượng carbon cực thấp, có thể được giao dịch dưới dạng hàng hóa hoặc được sử dụng để vận chuyển H2 được dễ dàng hơn.

Các dự án chính: Tháng 1/2024, Công ty 8 Rivers công bố dự án Cormorant Clean Energy, đặt tại Port Arthur (tiểu bang Texas), và là cơ sở sản xuất ammonia có hàm lượng carbon cực thấp đang được phát triển ở Bờ Vịnh (Hoa kỳ). Đây sẽ là nơi đầu tiên triển khai công nghệ 8 RH2. Cormorant Clean Energy sẽ sản xuất 880.000 tấn ammonia carbon cực thấp và thu giữ hơn 1,4 triệu tấn CO₂ mỗi năm (Mtpa). Dự án dự kiến sẽ đem lại khoản đầu tư hơn 1 tỷ USD cho khu vực và sẽ đạt FID vào cuối năm 2025 với việc xây dựng bắt đầu ngay sau đó. Công ty 8 Rivers đang tích cực khám phá các dự án tương lai để triển khai công nghệ 8 RH2 ở Hoa Kỳ và nước ngoài.

Mô tả công nghệ: Tháng 5/2023, Công ty 8 Rivers đã công bố phát triển công nghệ 8 RH2, một quá trình sản xuất hydrogen có hàm lượng carbon cực thấp nhằm giúp thu hồi hiệu quả về mặt chi phí hơn 99,5% lượng CO₂ được tạo ra. Trọng tâm của quá trình này là kinh nghiệm đốt cháy oxygen trong nhiều năm của Công ty 8 Rivers và bộ tái sinh reforming đối lưu CO₂ (CCR) độc quyền mà Công ty 8 Rivers đang cùng phát triển với Công ty Casale SA (Liên bang Thụy Sỹ).

Ngược lại với quá trình tái sinh reforming khí methane bằng hơi nước thông thường, bước đột phá về công nghệ của Công ty 8 Rivers nằm ở sự kết hợp mạnh mẽ giữa phương pháp đốt cháy bằng oxygen với thiết bị tái sinh reforming trao đổi nhiệt độc quyền của bản hãng thông qua công nghệ CCR. Buồng đốt oxygen (Oxygen - Combustor) là lò đốt có áp suất đốt khí thải và nhiên liệu khí tự nhiên bằng không khí tổng hợp được tạo thành từ oxygen tinh khiết và chất pha loãng CO₂. Kết quả là dòng khí thải CO₂ ở nhiệt độ cao không bị ô nhiễm bởi các tạp chất trong không khí, cụ thể là nitơ, làm phức tạp việc thu hồi CO₂ ở giai đoạn cuối. Dòng khí thải CO₂ nóng này cần loại bỏ nước và oxygen, sau đó sẵn sàng cho đường ống ở độ tinh khiết cao.

Trong quá trình 8 RH2, dòng khí thải CO₂ nóng rời khỏi buồng đốt oxygen và chảy qua CCR, cung cấp nhiệt cần thiết cho quá trình tái sinh khí methane trong hơi nước diễn ra. Điều này cho phép 8 RH2 tận dụng năng lượng có trong nhiên liệu khí đuôi nhằm mục đích tốt nhất để tạo ra nhiều sản phẩm hơn, đồng thời giữ cho dòng CO₂ tách biệt và tinh khiết. Tận dụng năng lượng khí thải này, về cơ bản là sản phẩm phụ của quá trình tái sinh reforming khí methane trong hơi nước, theo cách hữu ích, tiết kiệm chi phí và không góp phần tạo ra khí thải là một trong những lợi thế cốt lõi của 8 RH2 so với các công nghệ sản xuất hydrogen truyền thống.

Do đó, làm như vậy sẽ giúp cải thiện hiệu suất nhiệt của chu trình đồng thời tránh được các chi phí bổ sung liên quan đến các hệ thống thu hồi carbon back-end phía sau như dung môi amine. Sau khi CO₂ cung cấp nhiệt cho CCR, nó sẽ tiếp tục thu hồi nhiệt trước khi bộ làm mát tiếp xúc trực tiếp loại bỏ nước và làm mát khí đến nhiệt độ sẵn sàng cho đường ống. Một phần CO₂ sẽ được trích xuất ra để cô lập, phần còn lại được tái chế để hoạt động như chất pha loãng tạo ra không khí tổng hợp cho buồng đốt oxygen (Oxygen-Combustor). Khí cấp rời khỏi CCR dưới dạng khí tổng hợp được tái sinh reforming một phần và đi vào bộ tái sinh reforming thứ cấp oxygen (Oxygen Secondary Reformer-OSR) để hoàn thành các phản ứng. Một loạt các phản ứng thu hồi nhiệt, chuyển đổi khí nước và các hoạt động tinh chế hydrogen được thực hiện, điều này không khác gì các nhà máy hydrogen truyền thống.

Là đầu ra chính của nó, công nghệ 8 RH2 tạo ra dòng hydrogen có độ tinh khiết cao. Khí đuôi (tail gas) sẽ bao gồm các hạt tích điện bị cuốn theo từ trường gắn trong gió mặt trời, trong khi đuôi bụi được cấu tạo từ các hạt bụi, được giải phóng khỏi hạt nhân bằng cách thoát khí và bị áp suất bức xạ đẩy ra thành đuôi cong, còn lại được tách ra để tái chế trở lại buồng đốt oxygen (Oxygen –Combustor). Công nghệ 8 RH2 được thiết kế để dễ dàng tích hợp với công nghệ vòng lặp ammonia và sử dụng hai vòng riêng biệt ở mỗi bên của quá trình: Hydrogen và CO₂, để đạt được mức thu giữ CO₂ lớn hơn 99,5% mà không làm giảm hiệu quả chi phí. Triển khai thương mại đầu tiên của công nghệ 8 RH2 sẽ là dự án Cormorant Clean Energy, nơi sẽ sản xuất 880.000 tấn ammonia carbon cực thấp và thu giữ hơn 1,4 Mtpa CO₂ hàng năm.

Công nghệ CALCITE

Khi thế giới đối mặt với tác động của biến đổi khí hậu, thì việc cắt giảm khí phát thải phải đi kèm với việc loại bỏ carbon trên quy mô lớn. Công nghệ Calcite được phát triển bởi Công ty 8 Rivers sử dụng chu trình calcium để loại bỏ nhanh chóng CO₂ khỏi không khí. Quá trình loại bỏ carbon của công nghệ Calcite hoạt động bằng cách đẩy nhanh quá trình carbon hóa calcium, đưa không khí thông thường đi qua calcium hydrogenxide trong kho để hấp thụ CO₂ thành tinh thể calcium carbonate crystals. Calcium carbonate sau đó được đưa vào lò nung để tái tạo reforming calcium hydrogenxide và thu giữ CO₂ để cô lập vĩnh viễn. Cách tiếp cận chi phí thấp, rủi ro kỹ thuật thấp và khả năng mở rộng siêu cao của công nghệ Calcite khiến nó trở thành một giải pháp đầy hứa hẹn cho nhu cầu loại bỏ carbon toàn cầu.

Công ty 8 Rivers và Viện Công nghệ Massachusetts MIT (Hoa Kỳ) đã phát triển khởi động từ mới là thiết bị điện hạ áp, thực hiện việc đóng cắt thường xuyên các mạch điện động lực cho không khí mới của công nghệ Calcite đã được Phòng thí nghiệm quốc gia nổi tiếng của Hoa Kỳ (US National Laboratory) xác nhận. Hiện công nghệ Calcite đã giành được chiến thắng Cột mốc quan trọng trong cuộc thi XPRIZE CDR, một trong những khoản đầu tư đầu tiên của Quỹ Frontier Climate Fund, cũng như đã giành được nguồn tài trợ của DAC Hub thông qua Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE) để hỗ trợ triển khai thương mại và cũng là công ty chiến thắng CDR Purchase Pilot CDR của DOE, Giai đoạn 1.

Lợi ích: Quá trình Calcite hiện rất đơn giản, tận dụng chu trình calcium tự nhiên và không yêu cầu chất xúc tác hoặc vật liệu phức tạp. Công nghệ Calcite được thiết kế để có khả năng mở rộng cực kỳ cao bằng cách sử dụng thiết bị sẵn có rộng rãi và chuỗi cung ứng hiện có cũng như đá vôi là một nguồn nguyên liệu dồi dào, điều này cho phép mở rộng quy mô và phát triển sang loại sản phẩm tiếp theo nhanh hơn. Đồng thời còn đem lại khả năng loại bỏ carbon bền vững bằng cách cô lập vĩnh viễn CO₂ về mặt địa chất thông qua các giếng loại VI được sử dụng để bơm carbon dioxide (Giếng loại VI được sử dụng để bơm carbon dioxide-CO₂) vào các thành tạo đá sâu nên bể kho chứa dưới lòng đất lâu dài này được gọi là sự cô lập địa chất (geologic sequestration-GS), được điều tiết cao hoặc thông qua khoáng hóa CO₂ dưới dạng đá vôi CaCO3.

Mô tả công nghệ-Quá trình Calcite: Được phát minh vào năm 2019, Calcite là công nghệ thu giữ không khí trực tiếp DAC tiết kiệm chi phí để loại bỏ CO₂ trực tiếp khỏi không khí xung quanh. Quá trình này tạo điều kiện thuận lợi cho việc loại bỏ carbon bằng cách dựa vào sự đơn giản của quá trình calcium tự nhiên.

Một lò đốt oxygen đốt nhiên liệu và oxygen đậm đặc để nung calcium carbonate mới và tái sinh CaCO3 để tạo thành calcium oxide CaO, trong khi CO₂ thải ra được thu giữ để cô lập vĩnh viễn. Việc đốt oxygen thay thế không khí thường được sử dụng để đốt nhiên liệu bằng hỗn hợp oxygen và CO₂ có độ tinh khiết cao. Khí thải từ quá trình đốt oxygen gần như hoàn toàn là CO₂ và nước, điều này cho phép nó được đưa qua bộ phận nén và lọc CO₂ (compression and purification unit-CPU) để cô lập. Một ưu điểm nữa của lò đốt oxygen là việc đốt nhiên liệu có khả năng thu hồi carbon giúp giảm thiểu yêu cầu về điện sạch cho cơ sở.

Calcium oxide khi thoát ra khỏi lò sau đó được hydrate hóa là sự bổ sung thêm phân tử nước vào một hợp chất hữu cơ bất kỳ, từ đó carbonate hóa với không khí xung quanh thông qua các modules tiếp xúc không khí. Bộ tiếp xúc không khí được thiết kế để tạo điều kiện cho quá trình carbonate hóa nhanh khi CO₂ từ không khí xung quanh phản ứng với chất hấp phụ (sorbent). Bước quan trọng cuối cùng của quá trình này là đưa calcium carbonate mới hình thành trở lại lò nung oxygen để tách CO₂ nhằm cô lập vĩnh viễn. Điều này tạo ra một vòng lặp calcium để bắt đầu một chu trình carbonate hóa mới. Hiện công nghệ này được thiết kế để tạo điều kiện cho quá trình carbonate hóa nhanh chóng với hệ số công suất cao và thời gian ngừng hoạt động ít. Với kỹ thuật và phản ứng hóa học đơn giản, quá trình Calcite được thiết lập thành một hệ thống có chi phí thấp, có thể mở rộng và triển khai nhanh chóng.

Cơ sở ứng dụng Calcite: Cơ sở ứng dụng Calcite sẽ bao gồm: Bộ thiết bị tiếp xúc không khí mới của Công ty 8 Rivers, nơi CO₂ xung quanh được truyền qua chất hấp phụ gốc calcium để tạo thành CaCO3; lò đốt oxygen sử dụng nhiệt để phân hủy CaCO3 thành CO₂ để cô lập và CaO được hydrate hóa và tuần hoàn trở lại bộ tiếp xúc không khí; một đơn vị sản xuất oxygen để cung cấp oxygen cho lò đốt oxygen calciner; kho chứa đá vôi và thiết bị chuẩn bị nguyên liệu cho lò đốt oxygen và nguyên liệu đưa ra thị trường; Thiết bị lọc và nén CO₂ để chuẩn bị thu giữ CO₂ cho vận chuyển đường ống.

Tình trạng dự án: Calcite hiện là phần của Trung tâm Đông Nam DAC (Southeast DAC-SEDAC), nơi triển khai các công nghệ DAC ở phía bắc Hạt Mobile (tiểu bang Alabama, Hoa Kỳ). Hạt Mobile là một địa điểm lý tưởng để hỗ trợ các giai đoạn đầu của Trung tâm DAC vì đây là nơi có nhiều cơ sở công nghiệp, những vùng đất sẵn có rộng lớn và địa chất dưới bề mặt thích hợp để hỗ trợ tạo ra nền kinh tế dựa trên CO₂ bền vững. Ngoài ra, còn có rất nhiều cơ hội để tuyển dụng lực lượng lao động lành nghề của khu vực nhằm theo đuổi nhiều trường hợp sử dụng CO₂ khác nhau ngoài việc lưu trữ vĩnh viễn trong các hồ bể chứa dưới bề mặt trái đất (ví dụ như CO₂ để làm nhiên liệu). Do những đặc điểm này, Trung tâm SEDAC sẽ không chỉ cắt giảm lượng khí thải địa phương tại chỗ mà còn dẫn đến sự phát triển hệ sinh thái giảm lượng carbon trong khu vực và vùng Vịnh phía Nam rộng lớn hơn.

Với tư cách là đơn vị nhận tài trợ theo chương trình Trung tâm thu giữ không khí trực tiếp (DAC) của DOE, một nghiên cứu thiết kế kỹ thuật front-end (Front-End Engineering Design-FEED) là một phương pháp thiết kế kỹ thuật được sử dụng để kiểm soát chi phí dự án và lập kế hoạch kỹ lưỡng cho dự án trước khi gửi báo giá thầu cố định, sẽ được thực hiện để hỗ trợ xây dựng và vận hành cơ sở loại bỏ calcite carbon công suất 100.000 tấn mỗi năm như một phần của Trung tâm SEDAC.

Link nguồn:

https://www.globalccsinstitute.com/wp-content/uploads/2024/08/Report-CCS-Technology-Compendium-2024-1.pdf

Tuấn Hùng

Global CCS Institute