Cách giảm phát thải khí nhà kính từ sản xuất amoniac

Amoniac là một trong những hóa chất được sản xuất rộng rãi nhất trên thế giới, chủ yếu được sử dụng làm phân bón, nhưng cũng được dùng để sản xuất một số loại nhựa, hàng dệt may và các ứng dụng khác. Việc sản xuất amoniac, thông qua các quy trình đòi hỏi nhiệt độ và áp suất cao, chiếm tới 20% tổng lượng khí nhà kính từ toàn bộ ngành công nghiệp hóa chất, vì vậy, các nỗ lực đang được tiến hành trên toàn thế giới để tìm cách giảm lượng khí thải này.

Hiện nay, các nhà nghiên cứu tại MIT đã tìm ra một phương pháp thông minh kết hợp hai phương pháp khác nhau để sản xuất một hợp chất giúp giảm thiểu chất thải, khi kết hợp với một số cải tiến đơn giản khác, có thể giảm tới 63% lượng khí thải nhà kính từ sản xuất, so với phương pháp "phát thải thấp" đang được sử dụng hiện nay.

Phương pháp tiếp cận mới này được mô tả trên tạp chí Energy & Fuels, trong một bài báo của Giám đốc Sáng kiến Năng lượng MIT (MITEI) William H. Green, nghiên cứu sinh Sayandeep Biswas, Giám đốc Nghiên cứu MITEI Randall Field, và hai đồng nghiệp.

"Amoniac là loại hóa chất thải ra nhiều carbon dioxide nhất", Green, Giáo sư Kỹ thuật Hóa học tại Hoyt C. Hottel, cho biết.

"Đây là một hóa chất rất quan trọng", ông nói, bởi vì việc sử dụng nó làm phân bón là rất quan trọng để nuôi sống dân số thế giới.

Cho đến cuối thế kỷ 19, nguồn phân đạm được sử dụng rộng rãi nhất là các mỏ phân dơi hoặc phân chim, chủ yếu từ Chile, nhưng nguồn này bắt đầu cạn kiệt, và có những dự đoán rằng thế giới sẽ sớm thiếu lương thực để duy trì dân số. Nhưng sau đó, một quy trình hóa học mới, được gọi là quy trình Haber-Bosch theo tên những người phát minh ra nó, đã cho phép tạo ra amoniac từ nitơ từ không khí và hydro, chủ yếu có nguồn gốc từ metan. Nhưng cả việc đốt nhiên liệu hóa thạch để cung cấp nhiệt lượng cần thiết lẫn việc sử dụng khí mê-tan để tạo ra hydro đều dẫn đến lượng khí thải khổng lồ làm nóng khí hậu từ quá trình này.

Để giải quyết vấn đề này, hai biến thể mới hơn của sản xuất amoniac đã được phát triển: amoniac xanh, trong đó khí nhà kính được thu giữ ngay tại nhà máy và sau đó được cô lập sâu dưới lòng đất, và amoniac xanh, được sản xuất theo một con đường hóa học khác, sử dụng điện thay vì nhiên liệu hóa thạch để thủy phân nước tạo ra hydro.

Amoniac xanh đã bắt đầu được sử dụng, với một vài nhà máy hiện đang hoạt động ở Louisiana, Green cho biết, và amoniac chủ yếu được vận chuyển đến Nhật Bản, "vì vậy, đây đã là một dạng thương mại." Các khu vực khác trên thế giới đang bắt đầu sử dụng amoniac xanh, đặc biệt là ở những nơi có nhiều thủy điện, năng lượng mặt trời hoặc gió để cung cấp điện giá rẻ, bao gồm một nhà máy khổng lồ hiện đang được xây dựng ở Ả Rập Xê Út.

Nhưng ở hầu hết các nơi, cả amoniac xanh lam và xanh lục vẫn đắt hơn so với phiên bản nhiên liệu hóa thạch truyền thống, vì vậy nhiều nhóm nghiên cứu trên khắp thế giới đã và đang tìm cách cắt giảm chi phí này càng nhiều càng tốt để khoản chênh lệch đủ nhỏ để bù đắp thông qua trợ cấp thuế hoặc các ưu đãi khác.

Vấn đề này ngày càng trầm trọng, bởi vì khi dân số tăng lên và của cải tăng lên, nhu cầu phân đạm sẽ ngày càng tăng. Đồng thời, amoniac là một nhiên liệu thay thế đầy hứa hẹn để cung cấp năng lượng cho các phương tiện giao thông khó khử cacbon như tàu chở hàng và xe tải hạng nặng, điều này có thể dẫn đến nhu cầu về hóa chất này thậm chí còn lớn hơn.

Green cho biết "nó chắc chắn hiệu quả" như một nhiên liệu giao thông, bằng cách cung cấp năng lượng cho các pin nhiên liệu đã được chứng minh là có thể sử dụng cho mọi thứ, từ máy bay không người lái đến xà lan, tàu kéo và xe tải.

Ông nói: "Mọi người nghĩ rằng thị trường tiềm năng nhất cho loại nhiên liệu này sẽ là vận tải biển, bởi vì nhược điểm của amoniac là độc hại và có mùi, khiến việc xử lý và vận chuyển trở nên hơi nguy hiểm."

Vì vậy, ứng dụng tốt nhất của nó có thể là ở những nơi được sử dụng với khối lượng lớn và ở những địa điểm tương đối xa xôi, chẳng hạn như vùng biển khơi. Trên thực tế, Tổ chức Hàng hải Quốc tế (IMO) sẽ sớm bỏ phiếu về các quy định mới có thể thúc đẩy mạnh mẽ việc sử dụng amoniac thay thế trong vận tải biển.

Chìa khóa của hệ thống mới được đề xuất là kết hợp hai phương pháp hiện có trong một cơ sở, với một nhà máy amoniac xanh lam bên cạnh một nhà máy amoniac xanh lục. Quá trình tạo ra hydro cho nhà máy amoniac xanh lục để lại rất nhiều oxy dư thừa và thải ra không khí. Mặt khác, amoniac xanh lam sử dụng một quy trình gọi là cải cách nhiệt tự động, đòi hỏi nguồn oxy tinh khiết, vì vậy nếu có một nhà máy amoniac xanh lục bên cạnh, nó có thể sử dụng lượng oxy dư thừa đó.

"Việc đặt chúng cạnh nhau hóa ra lại mang lại giá trị kinh tế đáng kể", Green nói.

Sự kết hợp này có thể giúp các cơ sở "amoniac xanh lam-xanh lục" lai tạo trở thành cầu nối quan trọng hướng tới một tương lai mà amoniac xanh lục, phiên bản sạch nhất, cuối cùng có thể chiếm ưu thế. Nhưng tương lai đó có thể còn xa, Gree

n nói, vì vậy việc kết hợp các nhà máy có thể là một bước tiến quan trọng trên con đường này.

"Có thể sẽ rất lâu nữa [amoniac xanh] mới thực sự hấp dẫn về mặt kinh tế", ông nói. "Hiện tại, điều đó vẫn chưa thể xảy ra, ngoại trừ trong những trường hợp rất đặc biệt."

Nhưng các nhà máy kết hợp "có thể là một ý tưởng thực sự hấp dẫn, và có thể là một cách tốt để khởi động ngành công nghiệp này", bởi vì cho đến nay chỉ có các nhà máy trình diễn quy trình xanh quy mô nhỏ, độc lập đang được xây dựng.

"Nếu amoniac xanh hoặc xanh lam trở thành phương pháp sản xuất amoniac mới, bạn cần tìm cách làm cho nó có giá cả phải chăng ở nhiều quốc gia, với bất kỳ nguồn tài nguyên nào họ có." Ông nói rằng sự kết hợp mới được đề xuất này "trông giống như một ý tưởng thực sự tốt có thể giúp thúc đẩy mọi thứ. Cuối cùng, sẽ phải có rất nhiều nhà máy amoniac xanh ở nhiều nơi", và việc bắt đầu với các nhà máy kết hợp, vốn có thể có giá cả phải chăng hơn hiện nay, có thể giúp hiện thực hóa điều đó. Nhóm nghiên cứu đã nộp đơn xin cấp bằng sáng chế cho quy trình này.

Mặc dù nhóm nghiên cứu đã thực hiện một nghiên cứu chi tiết về cả công nghệ lẫn kinh tế, cho thấy hệ thống này rất hứa hẹn, Green chỉ ra rằng: "Chưa ai từng xây dựng một hệ thống như vậy. Chúng tôi đã phân tích, nó trông có vẻ tốt, nhưng chắc chắn khi mọi người xây dựng hệ thống đầu tiên, họ sẽ thấy những chi tiết nhỏ nhặt cần được chú ý", chẳng hạn như chi tiết về cách khởi động hoặc tắt quy trình.

"Tôi cho rằng vẫn còn rất nhiều việc phải làm để biến nó thành một ngành công nghiệp thực sự."

Nhưng kết quả của nghiên cứu này, cho thấy chi phí phải chăng hơn nhiều so với việc trồng cây xanh lam hoặc xanh lá cây riêng lẻ, "chắc chắn khuyến khích khả năng mọi người thực hiện các khoản đầu tư lớn cần thiết để thực sự biến ngành công nghiệp này thành hiện thực."

Việc tích hợp hai phương pháp được đề xuất này "cải thiện hiệu quả, giảm phát thải khí nhà kính và giảm tổng chi phí", Kevin van Geem, giáo sư tại Trung tâm Hóa học Bền vững tại Đại học Ghent, người không tham gia vào nghiên cứu này, cho biết.

"Phân tích này rất nghiêm ngặt, với các mô hình quy trình đã được kiểm chứng, các giả định minh bạch và so sánh với các chuẩn mực tài liệu. Bằng cách kết hợp phân tích kinh tế kỹ thuật với tính toán phát thải, nghiên cứu này cung cấp một cái nhìn đáng tin cậy và cân bằng về các đánh đổi."

Ông nói thêm: "Xét đến quy mô sản xuất amoniac toàn cầu, việc giảm thiểu như vậy có thể có tác động rất lớn đến việc khử cacbon cho một trong những ngành công nghiệp hóa chất phát thải nhiều nhất."

Nhóm nghiên cứu cũng bao gồm Angiras Menon, nghiên cứu sinh sau tiến sĩ tại MIT và Guiyan Zang, trưởng nhóm nghiên cứu tại MITEI.

Thông tin thêm: Sayandeep Biswas và cộng sự, Phân tích Chi phí và Phát thải Toàn diện về Sản xuất Amoniac Xanh lam, Xanh lục và Xanh lam-Xanh lục Kết hợp, Năng lượng & Nhiên liệu (2025). DOI: 10.1021/acs.energyfuels.5c03111

Thông tin tạp chí: Năng lượng & Nhiên liệu

Được cung cấp bởi Viện Công nghệ Massachusetts

Tại Việt Nam

TẠI NHẬT BẢN

Đang online: 407 Tổng: 11482258