Bộ Môi trường Nhật Bản đặt mục tiêu đưa quang hợp nhân tạo vào sử dụng thực tế vào năm 2030
2025/09/09
Hình 1: Sơ đồ ứng dụng của quang hợp nhân tạo
-
Nguồn đầu vào:
-
Năng lượng mặt trời
-
Nước
-
CO₂
-
-
Quy trình chính:
-
Dùng quang hợp nhân tạo để tách nước và CO₂, tạo ra hydro (H₂) và các hợp chất hữu cơ.
-
-
Ứng dụng chính:
-
Năng lượng – giao thông: Xăng tổng hợp, nhiên liệu cho xe, máy bay, điện từ hydro.
-
Nguyên liệu công nghiệp: Nhựa sinh học, vật liệu hóa học, dung môi.
-
Sản phẩm tiêu dùng: Chất tẩy rửa, mỹ phẩm.
-
Thực phẩm & nông nghiệp: Phân bón, thức ăn chăn nuôi, ứng dụng trong nông sản.
-
Y tế & nghiên cứu: Dược phẩm, sinh học phân tử.
-
Ngày 5/9, Bộ Môi trường Nhật Bản đã công bố “Lộ trình triển khai quang hợp nhân tạo trên phạm vi xã hội”. Với mục tiêu sớm đưa quang hợp nhân tạo vào ứng dụng thực tế, lộ trình này xác định một cách có hệ thống con đường áp dụng ở quy mô công nghiệp dựa trên ba góc độ: hiệu suất và quy mô công nghệ, hiệu quả kinh tế, và hệ thống – cơ sở hạ tầng.
Lộ trình cũng phân tích các công nghệ nền tảng quan trọng như điện phân và quang xúc tác, sắp xếp chi tiết theo từng yếu tố kỹ thuật.
Quang hợp nhân tạo là gì?
Đây là công nghệ sản xuất nhiên liệu và hóa chất từ ánh sáng mặt trời, nước và CO₂. Các ví dụ tiêu biểu gồm:
-
Quang xúc tác
-
Điện cực quang
Điện phân nước cũng được xếp vào quang hợp nhân tạo, nhưng vì đã thương mại hóa nên không phải trọng tâm chính của lộ trình.
Các sản phẩm tạo ra:
-
Hydro (H₂)
-
Hợp chất C1: CO (cacbon monoxit), axit fomic (CH₂O₂), metanol (CH₃OH)
-
Hợp chất C2+: etylen (C₂H₄), etanol (C₂H₆O)
Hình 2: Lộ trình triển khai xã hội của công nghệ quang hợp nhân tạo (Roadmap)
Giai đoạn ~2030
-
Thúc đẩy phát triển công nghệ quang hợp nhân tạo
-
Thương mại hóa công nghệ điện phân CO₂
-
Cải thiện hiệu suất chuyển đổi năng lượng điện phân và quang xúc tác.
-
Giảm chi phí sản xuất hydro và CO.
-
Bắt đầu thử nghiệm công nghiệp và chính sách hỗ trợ.
Giai đoạn 2030–2040
-
Ứng dụng xã hội của công nghệ quang xúc tác, quang điện hóa, vi sinh vật
-
Kết hợp công nghệ hiện có để sản xuất sản phẩm.
-
Tăng cường hiệu suất, hạ giá thành, triển khai hệ thống tổng hợp sinh học.
-
Chuẩn bị cơ sở hạ tầng và tiêu chuẩn quốc tế.
Giai đoạn 2040 trở đi
-
Thương mại hóa quy mô lớn:
-
Sản xuất hàng loạt hydro, nhiên liệu và hóa chất từ CO₂.
-
Tạo ra sản phẩm có giá trị gia tăng cao từ nguyên liệu cơ bản.
-
Xây dựng mô hình kinh tế tuần hoàn khử carbon.
-
Tóm lại, Nhật Bản đang hoạch định chiến lược dài hạn để phát triển quang hợp nhân tạo như một giải pháp cốt lõi trong quá trình khử carbon, vừa tạo nhiên liệu, vừa tạo nguyên liệu công nghiệp, thực phẩm và dược phẩm.
Lộ trình tổng thể
-
Đến 2030: Thúc đẩy phát triển công nghệ quang hợp nhân tạo, đặc biệt thương mại hóa công nghệ điện phân CO₂.
-
2030–2040: Phát triển và triển khai xã hội công nghệ quang hợp nhân tạo, thương mại hóa quang xúc tác, điện cực quang, công nghệ đồng điện phân (điện phân đồng thời CO₂ và nước để tạo khí tổng hợp).
-
Từ 2040 trở đi: Sản xuất hàng loạt nguyên liệu cơ bản dựa trên công nghệ quang hợp nhân tạo và mở rộng sang sản xuất các chất có giá trị gia tăng cao.
Các mục tiêu kỹ thuật cụ thể
Hệ thống điện phân
-
2030: Hiệu suất chuyển đổi năng lượng ≥ 50% khi điện phân CO₂.
-
2035: Sản xuất sản phẩm cuối cùng đạt hiệu suất ≥ 60% khi kết hợp điện phân CO₂ và điện phân nước.
-
2040:
-
Phát triển công nghệ đồng điện phân.
-
Sản xuất metan bằng đồng điện phân với hiệu suất ≥ 80%.
-
-
2045: Sản xuất trực tiếp hợp chất C1/C2 từ điện phân CO₂.
-
2050: Sản xuất trực tiếp sản phẩm cuối cùng từ C1/C2.
Hệ thống quang xúc tác & quang điện cực
-
2035:
-
Hiệu suất chuyển đổi năng lượng mặt trời ≥ 10% (quang xúc tác).
-
Hiệu suất ≥ 25% (quang điện cực).
-
-
2040: Sản xuất sản phẩm cuối cùng từ hydro và CO có nguồn gốc quang xúc tác/quang điện cực.
-
2045: Sản xuất trực tiếp C1/C2 bằng quang xúc tác/quang điện cực.
-
2050: Sản xuất trực tiếp sản phẩm cuối cùng từ C1/C2.
Như vậy, Bộ Môi trường Nhật Bản định hướng một lộ trình kéo dài 25 năm, bắt đầu từ việc hoàn thiện công nghệ điện phân CO₂ vào năm 2030, tiến tới sản xuất thương mại quy mô lớn các sản phẩm năng lượng và hóa chất xanh vào năm 2050.
