Năng lượng sinh học kết hợp thu nạp và lưu trữ carbon (BECCS) liệu có biến net-zero thành đống đổ nát?
BECCS một lần nữa bị bao trùm trong một cuộc tranh luận gay gắt về tính bền vững của nó. Đã đến lúc loại bỏ công nghệ hay nó vẫn có thể đóng một vai trò trong quá trình chuyển đổi năng lượng?
Năng lượng sinh học với khả năng thu hồi và lưu trữ carbon, hay BECCS, nghe có vẻ giống như một giải pháp không ròng hoàn hảo: trồng một số dạng nguyên liệu thực vật, đốt nguyên liệu đó để lấy năng lượng, thu giữ CO2 thải ra trong quá trình đốt cháy và lưu trữ dưới lòng đất. Sau đó, bạn có thể trồng thêm nguyên liệu thực vật trong cùng một khu vực, loại cây này sẽ hút carbon từ khí quyển, nghĩa là cuối cùng, bạn đã tạo ra năng lượng với mức thất thoát carbon ròng.
Tuy nhiên, bất chấp những kỳ vọng không tưởng của mình, BECCS lại một lần nữa trở thành tâm điểm của một vụ bê bối liên quan đến các hoạt động không bền vững trong việc tìm nguồn nguyên liệu sinh khối. Vào tháng 10 năm 2022, một cuộc điều tra của BBC Panorama đã cáo buộc rằng nhà sản xuất điện Drax có trụ sở tại Vương quốc Anh đã mua giấy phép khai thác gỗ để chặt hạ hai khu vực rừng quan trọng về môi trường ở British Columbia – bao gồm cả những khu vực rộng lớn đã được xác định là rừng già, quý hiếm.
Trước hàng loạt tranh cãi kiểu này đặt ra câu hỏi về thông tin xác thực bền vững của BECCS, liệu cuối cùng đã đến lúc từ bỏ giấc mơ trêu ngươi về công nghệ năng lượng được cho là đã khử cacbon này?
Nhà máy điện của Drax ở North Yorkshire, Anh. (Ảnh của Phil Silverman qua Shutterstock)
Các vấn đề về tính bền vững và chi phí
Được hình thành lần đầu tiên vào những năm 1990, BECCS là công nghệ loại bỏ carbon duy nhất trên thế giới đồng thời có thể cung cấp năng lượng. Các nhà máy BECCS có thể thu được mọi thứ từ quá trình phát thải từ nhiên liệu sinh học và sản xuất hydro sinh học đến khí thải do quá trình đốt cháy từ nhiệt và phát điện nhiên liệu sinh khối, chuyển hóa chất thải hữu cơ thành năng lượng và các ứng dụng công nghiệp đốt bằng sinh khối (xi măng, bột giấy và giấy) hoặc từ việc sử dụng than sinh học như một chất khử (thép). Thay vì được lưu trữ, lượng carbon thu được có thể được sử dụng thay thế để tạo ra các sản phẩm khác nhau.
Ngày nay, chỉ có khoảng hai triệu tấn (Mt) CO2 được thu giữ mỗi năm từ các nguồn sinh học, với khoảng 1Mt CO2 được lưu trữ trong kho lưu trữ chuyên dụng. Hơn 90% được thu giữ trong các cơ sở sản xuất cồn sinh học, một trong những ứng dụng BECCS có chi phí thấp nhất do nồng độ CO2 cao trong dòng khí quy trình. Từ tháng 1 năm 2021 đến tháng 6 năm 2022, các công ty đã công bố kế hoạch xây dựng hơn 50 cơ sở mới liên quan đến BECCS, sẽ bổ sung thêm khoảng 20 triệu tấn CO2 vào công suất thu hồi mỗi năm. Dựa trên các dự đoán hiện tại, việc loại bỏ carbon thông qua BECCS có thể đạt khoảng 40 triệu tấn CO2 mỗi năm vào năm 2030 – mặc dù con số đó vẫn thấp hơn nhiều so với mức 250 triệu tấn mỗi năm vào năm 2030 theo yêu cầu theo kịch bản Không phát thải ròng của Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IEA) vào năm 2050.
Bất chấp sự chứng thực của IEA, công nghệ này vẫn có những nhược điểm. Vào năm 2019, nhóm chiến dịch Sandbag đã cảnh báo rằng các kế hoạch BECCS của Châu Âu sẽ tăng tốc thay vì giải quyết khủng hoảng khí hậu bằng cách phá hủy rừng nhanh hơn khả năng chúng có thể mọc lại, do số lượng cây bị chặt “đáng kinh ngạc” cần thiết để cung cấp nhiên liệu cho các nhà máy BECCS. Nhóm cảnh báo rằng lượng viên nén sinh khối cần thiết để đốt cháy các nhà máy BECCS của Châu Âu sẽ tương đương với một nửa kích thước của Rừng Đen của Đức mỗi năm. Tương tự, Daily Telegraph đã báo cáo vào đầu năm nay rằng các mục tiêu BECCS của chính phủ Vương quốc Anh sẽ yêu cầu đốt cháy một lượng tương đương với Công viên Quốc gia New Forest cứ sau 5 tháng.
Pieter de Pous, lãnh đạo Chương trình chuyển đổi nhiên liệu hóa thạch tại tổ chức tư vấn môi trường E3G cho biết: “Cuối cùng, bạn sẽ bắt đầu ăn vào lượng carbon dự trữ. “Ở cấp độ rất cơ bản, có một vấn đề về chi phí cơ hội trong việc huy động sinh khối cho mục đích năng lượng vì lưu trữ carbon trong hệ sinh thái tự nhiên thực ra là một cách khác để loại bỏ carbon ra khỏi khí quyển.”
Sau đó là các vấn đề về chuỗi cung ứng. Vào năm 2019, một cuộc điều tra kéo dài một thập kỷ của giới truyền thông, cơ quan giám sát độc lập và tổ chức phi chính phủ đã tiết lộ rằng nhu cầu toàn cầu về viên nén gỗ để đốt thành năng lượng sinh khối – chủ yếu ở Vương quốc Anh và Châu Âu – đang tàn phá các khu rừng ở đông nam Hoa Kỳ. Cuộc điều tra đã vạch trần các hoạt động khai thác gỗ gây hại được Enviva – nhà sản xuất viên nén gỗ lớn nhất thế giới – sử dụng để cung cấp viên nén gỗ cho ngành năng lượng sinh học, bao gồm cả việc chặt phá rừng ngập nước mang tính biểu tượng. Điều này liên quan đến việc chặt hạ số lượng lớn cây gỗ cứng bản địa tại các điểm nóng về đa dạng sinh học. Enviva sau đó sẽ vận chuyển các viên nén từ những khu rừng bị tàn phá này đến các cơ sở tiện ích ở nước ngoài như Nhà máy điện Drax của Vương quốc Anh.
Tiến sĩ Alexandre Köberle, một nhà nghiên cứu cấp cao tại Viện Grantham tại Đại học Hoàng gia Luân Đôn, cho biết: “Khả năng truy xuất nguồn gốc là một vấn đề lớn. “Làm thế nào bạn có thể biết vật liệu này đến từ đâu? Nó đang được sản xuất ở Mỹ, bị một công ty đốt cháy ở Anh và sau đó bị một công ty khác đánh chìm xuống Biển Bắc – và khi bạn mở rộng quy mô ngành, điều đó sẽ càng trở thành một vấn đề nghiêm trọng hơn.”
Ngoài ra còn có những thách thức về chi phí thực tế vẫn chưa được giải quyết. Công nghệ thu hồi và lưu trữ carbon (CCS) vẫn còn ở giai đoạn sơ khai và tiếp tục đắt đỏ và không
triển khai, với công suất hạn chế trực tuyến có thể sẽ được tập trung vào các ngành công nghiệp khó giảm giá như xi măng và thép. de Pous nói: “Chúng tôi không mong đợi bất kỳ ai thực hiện CCS một cách nghiêm túc trong ngành điện. Về khía cạnh năng lượng sinh học, có một vấn đề cơ bản – không giống như gió, mặt trời và pin – chi phí sẽ thực sự tăng lên khi ngành mở rộng quy mô “vì nguyên liệu là yếu tố chi phí chính của bạn: nguồn cung hạn chế, nhu cầu nhiều hơn,” de Pous nói . “Vì vậy, để làm cho nó hoạt động, bạn sẽ cần duy trì các khoản trợ cấp rất hào phóng vô thời hạn.”
Trên thực tế, chỉ vài ngày sau khi chính phủ Vương quốc Anh cam kết tăng cường bảo vệ rừng tại COP27, một báo cáo mới do Hội đồng bảo vệ tài nguyên thiên nhiên (NRDC) của tổ chức phi chính phủ Hoa Kỳ ủy quyền đã tiết lộ rằng họ đã chi gần 2 tỷ bảng Anh để trợ cấp cho việc khai thác gỗ rừng để lấy năng lượng sinh học vào năm 2021 – phần lớn sẽ đến Drax. Đây là mức cao nhất trong số 11 quốc gia châu Âu được phân tích và tăng 70% so với năm 2015. Trong tương lai, các khoản trợ cấp cho chỉ một dự án BECCS của Vương quốc Anh được dự báo sẽ đạt 3,8 tỷ bảng Anh (4,59 tỷ USD).
BECCS: nó hoạt động ở đâu?
Tuy nhiên, Báo cáo đánh giá lần thứ sáu của IPCC của Liên hợp quốc đã kết luận rằng BECCS có vai trò trong quá trình chuyển đổi về 0 và nhiều công ty đang đầu tư vào công nghệ này. Dự án BECCS đang hoạt động lớn nhất cho đến nay là nhà máy cồn sinh học CCS của Công nghiệp Illinois, đã thu được 1 triệu tấn CO2 mỗi năm để lưu trữ vĩnh viễn trong một hệ tầng địa chất sâu kể từ năm 2018. Dự án cồn sinh học Red Trail Energy gần đây cũng đã đi vào hoạt động ở Bắc Dakota. Các cơ sở sản xuất cồn sinh học quy mô nhỏ khác đang thu giữ CO2 ở Châu Âu và Hoa Kỳ, nhưng những cơ sở này hoặc bán CO2 cho các nhà kính để tăng năng suất hoặc sử dụng nó để tăng cường thu hồi dầu.
Một nhà máy điện đốt sinh khối quy mô lớn ở Nhật Bản đã được trang bị thêm hệ thống thu hồi carbon vào năm 2020, mặc dù vẫn chưa xác định được địa điểm lưu trữ CO2. Cùng năm đó, nhà máy điện của Drax ở Vương quốc Anh, nhà máy đốt bằng sinh khối lớn nhất thế giới, đã bắt đầu thí điểm thu giữ tới 1tCO2 mỗi ngày tại một trong bốn tổ máy sinh khối 660MW của mình – tuy nhiên, CO2 sẽ được giải phóng sau khi thu được.
Theo IEA, trên toàn cầu, khoảng 40 cơ sở sản xuất ethanol sinh học đang có kế hoạch thu hồi CO2 trước năm 2030, với tổng công suất thu giữ hơn 15 triệu tấn. Ngoài ra còn có các kế hoạch thu giữ khoảng 15 triệu tấn CO2 sinh học từ các nhà máy nhiệt điện và nhiệt điện, với khoảng 2/3 từ các nhà máy điện sinh học chuyên dụng và 1/3 từ các nhà máy chuyển hóa chất thải thành năng lượng.
Trong công nghiệp, các nhà máy xi măng đang có kế hoạch tích hợp nguyên liệu sinh khối vào quy trình sản xuất clinker và trang bị thêm việc thu hồi, sử dụng và lưu trữ carbon (CCUS). Tuy nhiên, lưu ý rằng một số nhà máy xi măng có kế hoạch sử dụng BECCS để trung hòa carbon hơn là loại bỏ, chẳng hạn như nhà máy Brevik Norcem ở Na Uy, nhà máy Cementa Slite ở Thụy Điển và dự án K6 Lumbres ở Pháp. Ngoài ra còn có một số dự án nhắm mục tiêu trang bị thêm CCUS tại các nhà máy giấy và bột giấy ở Na Uy và Indonesia, đồng thời có kế hoạch cho hai cơ sở sản xuất hydro chạy một phần hoặc toàn bộ bằng sinh khối.
Tuy nhiên, “Tôi không biết bất kỳ nơi nào trên thế giới mà BECCS hiện đang được thực hiện một cách bền vững,” Köberle nói. De Pous đồng tình.
Để đạt được mục tiêu đó, IEA thừa nhận rằng ngành cần phải phát triển trong các lĩnh vực chính: công nghệ thu giữ cần phải trở nên hiệu quả hơn và ít tiêu tốn năng lượng hơn, với nhiều hy vọng được đặt vào sự phát triển của công nghệ thu giữ hấp thụ chất rắn và khí hóa sinh khối. Các cơ sở sinh khối cũng nên được tập trung trong các cụm công nghiệp để tận dụng lợi thế kinh tế theo quy mô và tổng hợp. Cuối cùng, chuỗi giá trị BECCS – cung cấp sinh khối, tiền xử lý nguyên liệu, nhà máy năng lượng sinh học và lưu trữ CO2 – hiếm khi được đặt cùng một vị trí, điều đó có nghĩa là cần có thêm cơ sở hạ tầng và lập bản đồ để kết nối chúng theo cách bền vững và có thể truy xuất nguồn gốc.
Tuy nhiên, de Pous tin rằng niềm tin của IEA vào công nghệ được xây dựng trên cơ sở sai lầm. “Các nhà lập mô hình hệ thống năng lượng đã hiểu sai vấn đề về chi phí cơ hội và việc sử dụng đất cạnh tranh. Họ nói về nhiều vùng đất bạc màu chuẩn bị được khai thác mà không hiểu tại sao đất bạc màu. Không có vùng đất nguyên sinh nào còn sót lại mà chưa thực hiện chức năng.”
Một mũi tên trong rung
Vẫn còn là một câu hỏi mở rằng liệu BECCS có nên giữ vị trí của mình trong kho vũ khí ròng bằng 0 của các quốc gia hay không, hay liệu thời gian và nguồn lực sẽ được sử dụng tốt hơn ở nơi khác hay không. Cũng như IEA, IPCC của Liên Hợp Quốc và ban cố vấn độc lập của Vương quốc Anh, Ủy ban Biến đổi Khí hậu, đều đã ban phước cho công nghệ này.
Báo cáo của Liên minh về phát thải âm năm 2021, được thực hiện bởi nhiều bên liên quan trong ngành, cho thấy rằng cần có ít nhất một gigatonne (Gt) mỗi năm phát thải âm từ BECCS trên toàn cầu vào năm 2025 và 4Gt hàng năm vào năm 2030, để giữ cho sự nóng lên toàn cầu trong phạm vi Mục tiêu của Thỏa thuận Paris về sự nóng lên 1,5°C. Điều đó có thể được huy động một cách bền vững từ phụ phẩm nông nghiệp, phụ phẩm gỗ và cây năng lượng được trồng trên đất thoái hóa, báo cáo nêu rõ.
Tương tự, một báo cáo gần đây của Phòng thí nghiệm năng lượng tái tạo quốc gia chỉ ra rằng đến năm 2035, Hoa Kỳ sẽ cần loại bỏ 100 triệu tấn carbon khỏi BECCS để bù đắp lượng khí thải carbon dương còn lại trong ngành điện. Việc triển khai phải bắt đầu vào năm 2026 và phạm vi công suất lắp đặt phải là 7–14GW vào năm 2035.
Tại Vương quốc Anh, một nghiên cứu do Drax thực hiện bởi công ty tư vấn năng lượng Baringa đã phát hiện ra rằng dự án BECCS của Drax sẽ tiết kiệm cho quốc gia 26 tỷ bảng Anh để đạt được mục tiêu không có ròng vào năm 2050. Baringa đạt được con số đó bằng cách tính toán chi phí cơ hội của việc phải bắt đầu một dự án khác cũng như giá trị của việc tạo điều kiện khử cacbon sớm hơn trong lộ trình của đất nước. “BECCS rất quan trọng đối với an ninh năng lượng cũng như các nỗ lực toàn cầu nhằm khẩn trương giải quyết khủng hoảng khí hậu vì không có công nghệ nào khác có thể cung cấp năng lượng tái tạo, đáng tin cậy, bất kể thời tiết, đồng thời loại bỏ vĩnh viễn carbon dioxide khỏi khí quyển,” một phát ngôn viên của Drax nói với Energy Monitor.
Tuy nhiên, những người khác ít bị thuyết phục hơn. Một phân tích được thực hiện bởi Tim Searchinger, một học giả nghiên cứu cấp cao tại Trường Quan hệ Công chúng và Quốc tế Princeton và là thành viên cấp cao tại Viện Tài nguyên Thế giới, cho thấy rằng để sản xuất 20% nhu cầu năng lượng của con người từ năng lượng sinh học vào năm 2050 sẽ cần một lượng sinh khối tương đương cho tất cả các loại thực vật được thu hoạch hàng năm trên toàn thế giới: tất cả các loại cây trồng, tàn dư cây trồng, gỗ và cỏ mà gia súc ăn. Searchinger viết: “Thế giới không còn chỗ trống. “Mỗi khi chúng ta dành đất cho năng lượng sinh học, chúng ta hy sinh cơ hội sử dụng đất đó cho một số nhu cầu khác của con người, từ thực phẩm đến lưu trữ carbon. Sự đánh đổi là một điều tồi tệ vì năng lượng sinh học là cách sử dụng đất không hiệu quả.”
Hơn nữa, một phân tích NRDC năm 2021 đã tiết lộ rằng một phần lớn lượng khí thải CO2 trong vòng đời phát sinh từ năng lượng sinh học thực sự xảy ra bên ngoài cơ sở – cách xa nhà máy điện sinh khối – và do đó không thể hấp thụ được bằng cách bổ sung CCS tại ống khói. Lượng khí thải này – tương đương với khoảng 60% lượng khí thải ống khói tại nhà máy – đến từ việc khai thác gỗ cây, chuyển chúng thành viên nén gỗ tại các cơ sở sản xuất và vận chuyển chúng đi khắp thế giới. Phân tích chỉ ra rằng việc sử dụng BECCS tại một nhà máy điện như của Drax, trong khi dựa vào chuỗi cung ứng sinh khối thống trị nguồn cung cấp nhiên liệu của công ty hiện nay, chịu trách nhiệm thải ra khoảng 80% lượng carbon so với một nhà máy than trên mỗi megawatt giờ, ngay cả sau khi tính toán tái sinh rừng tiếp theo và thu hồi carbon tại chỗ tại nhà máy điện.
Elly Pepper, phó giám đốc của NRDC cho biết: “Hiện không có quốc gia nào trên thế giới sử dụng BECCS từ quá trình đốt cháy sinh khối ở quy mô lớn. Vì nó chưa được chứng minh ở quy mô lớn nên không quốc gia nào có thể hoặc nên dựa vào nó. Rất ít quốc gia đã thu được carbon từ quá trình đốt cháy chất thải hỗn hợp – sẽ được phân loại là BECCS một phần – ngoại trừ ở quy mô rất nhỏ, thực sự mang tính thử nghiệm,” cô nói thêm.
de Pous nói: “Tôi nghĩ rằng cả năng lượng sinh học và CCS đều là trò chơi của các nhà khai thác để giữ cho các nhà máy than hoạt động lâu hơn một chút. "Cả hai đều không phải là giải pháp có thể mở rộng."
Như với hầu hết các cuộc tranh luận xung quanh các giải pháp khí hậu tiềm năng hiện nay, các cuộc tranh luận xung quanh BECCS có thể nhanh chóng biến thành cuộc ăn miếng trả miếng trong bài báo nghiên cứu giữa những người ủng hộ và những người phản đối – với tính xác thực của những phát hiện thường khó xác định. Tuy nhiên, đối với giá trị của nó, một trong những phân tích có uy tín nhất về vấn đề này cho thấy giá trị của cả hai phe. Phân tích năm 2019 từ Viện Grantham của Imperial kết luận rằng BECCS có thể là một công cụ hữu ích trong quá trình chuyển đổi ròng thành 0 nhưng chỉ nên được triển khai ở quy mô tương đối nhỏ và chỉ ở những khu vực mà nó đã được chứng minh là có lợi – chủ yếu cho nhiên liệu sinh học hơn là sản xuất điện .
“Đó không phải là một viên đạn bạc; đó là một mũi tên trong ống tên của bạn,” Köberle, đồng tác giả của báo cáo cho biết. “CCS không mở rộng quy mô đủ nhanh để hỗ trợ các kịch bản cô lập 10–15Gt mỗi năm này, do đó, công suất hạn chế mà bạn có nên được tiết kiệm cho chất lỏng sinh học thay vì điện sinh học.”
Ông chỉ ra rằng điện có nhiều lựa chọn thay thế rẻ tiền, không có carbon như năng lượng gió và mặt trời; trong khi nhiên liệu sinh học có rất ít, đặc biệt là cho hàng không và vận tải hàng hóa. Cuối cùng, nhiên liệu sinh học “thích ứng” thế hệ thứ hai có thể được tổng hợp bằng cách phá vỡ các phân tử trong sinh khối và lắp ráp lại chúng để bắt chước nhiên liệu được sử dụng trong động cơ.
Köberle cho biết thêm: “Có thể có khoảng 100 nhà máy điện BECCS trên toàn cầu không phải là vấn đề – để cung cấp một số năng lượng phụ tải cơ bản – nhưng nguyên liệu đầu vào phải là phụ phẩm nông nghiệp hoặc lâm nghiệp có nguồn gốc bền vững. được thực hiện là cực kỳ quan trọng – và ví dụ về Enviva/Drax cho thấy chính xác cách không làm điều đó.”
