Thu giữ carbon: Nó đang hoạt động ở đâu?
Để thế giới đạt tới con số 0 ròng, ngành công nghiệp - nơi phát thải lớn nhất - sẽ phải nhanh chóng mở rộng việc sử dụng công nghệ thu giữ và lưu trữ carbon. Tiến độ cho đến nay vẫn còn từng phần, nhưng mọi thứ đang bắt đầu tăng lên.
Công nghiệp - từ các công ty dầu khí đến các nhà sản xuất thép và sản xuất xi măng - là nguồn phát thải carbon lớn nhất thế giới. Theo Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IEA), sau khi phân bổ lượng phát thải điện và nhiệt cho các ngành cuối cùng, ngành công nghiệp chiếm khoảng 40% lượng khí thải toàn cầu. Nếu thế giới có bất kỳ cơ hội nào đạt được mức phát thải ròng bằng không vào năm 2050, ngành sẽ phải tìm cách thu giữ và ngăn chặn lượng khí thải đó.
Trạm phát điện của Drax ở Yorkshire, Vương quốc Anh, được trang bị các bể chứa sinh khối và khả năng thu giữ carbon. (Ảnh của Clare Louise Jackson qua Shutterstock)
Cuộc đua đang diễn ra. Vào ngày 19 tháng 4, gã khổng lồ dầu khí ExxonMobil ước tính thị trường thu giữ carbon và lưu trữ dưới lòng đất sẽ trị giá 4 triệu đô la vào năm 2050. Exxon và các ông lớn trong ngành khác đã và đang đầu tư rất nhiều vào thu giữ, sử dụng và lưu trữ carbon (CCUS) - với nhiều kết quả khác nhau - vì các tổ chức quốc tế như Ủy ban Liên chính phủ về Biến đổi Khí hậu (IPCC) đã xác định công nghệ này là chìa khóa để giảm thiểu tác động của hiện tượng nóng lên toàn cầu.
Thông tin liên quan đến phát thải carbon Phạm vi 1, 2 và 3 của các công ty cho phép đưa ra quyết định đầu tư tốt hơn. Tuy nhiên, quá thường xuyên, những chi tiết như vậy hoặc không có sẵn, ước tính hoặc không đầy đủ. abrdn’s Eva Cairns thảo luận về việc lấp đầy khoảng trống về dữ liệu và tạo ra cái nhìn rõ ràng hơn về chuỗi giá trị của doanh nghiệp.
Nhiều doanh nghiệp nói một trò chơi hay khi nói đến phạm vi khử cacbon và phát thải, nhưng uy tín là chìa khóa. Đối với các nhà đầu tư và các nhà quản lý tài sản, việc tuyên bố của một công ty về việc giảm phát thải theo mệnh giá là chưa đủ; họ phải tìm hiểu dữ liệu và kiểm tra các hành động được thực hiện. Họ cũng phải bắt đầu buổi nói chuyện và điều chỉnh kỳ vọng của họ về các mục tiêu đầu tư tiềm năng với hành vi của chính họ.
Eva Cairns, người đứng đầu chiến lược khí hậu và hiểu biết sâu sắc về bền vững của abrdn cho biết: “Biến đổi khí hậu là một ưu tiên chiến lược đối với chúng tôi và theo dõi phát thải khí nhà kính đóng một vai trò quan trọng. abrdn đã trở thành một bên ký kết của Lực lượng Đặc nhiệm về Tiết lộ Tài chính Liên quan đến Khí hậu (TCFD) vào năm 2017 và xuất bản báo cáo TCFD thứ ba vào năm 2022 - bao gồm cả lượng khí thải của chính abrdn.
Trong báo cáo mới nhất của mình hồi đầu tháng 4, IPCC nhấn mạnh rằng các kịch bản thực tế duy nhất để duy trì nhiệt độ trong khoảng 1,5 ° C liên quan đến việc loại bỏ hoàn toàn than và sử dụng các công nghệ để loại bỏ CO2.
CCUS: Chìa khóa cho số không ròng?
CCUS liên quan đến việc thu giữ CO2 từ quá trình đốt cháy nhiên liệu hoặc công nghiệp, và vận chuyển nó bằng tàu hoặc đường ống để lưu trữ dưới lòng đất trong các thành tạo địa chất hoặc sử dụng như một nguồn tài nguyên để tạo ra sản phẩm.
“[CCUS] này có thể trong ngành công nghiệp - xi măng, thép, chế biến khí tự nhiên, [sản xuất] hydro, v.v. - nhưng cũng có thể trong sản xuất điện, chẳng hạn như các nhà máy điện than và khí đốt,” David Lluis Madrid, một nhà phân tích vật liệu bền vững tại nghiên cứu giải thích công ty BloombergNEF (BNEF). “Nó không nhất thiết phải được đốt sau,” ông nói thêm. "Ví dụ, trong sản xuất phân bón, carbon dioxide được thải ra như một sản phẩm phụ."
Dự án CCUS đã được mở rộng nhanh chóng. Hiện có 29 dự án thương mại và thí điểm đang hoạt động, 20 trong số đó đã được đưa vào hoạt động trong hai năm qua, theo Viện CCS Toàn cầu, một tổ chức tư vấn trong ngành có trụ sở tại Melbourne. Chỉ trong chín tháng đầu năm 2021, công suất toàn cầu của các dự án CCUS theo kế hoạch đã tăng 50% lên 111 triệu tấn, sẽ tăng gấp ba lần công suất hoạt động hiện tại của thế giới.
Một trong những chất xúc tác quan trọng đằng sau sự tăng trưởng này là việc công bố báo cáo mang tính bước ngoặt của IPCC vào năm 2018, trong đó nhấn mạnh sự cần thiết phải đạt mức phát thải khí nhà kính toàn cầu bằng không vào năm 2050 để có cơ hội hạn chế sự nóng lên toàn cầu ở mức 1,5 ° C. Ba trong bốn con đường dẫn đến số không ròng của IPCC có CCUS ở trung tâm của họ.
CCUS sẽ rất quan trọng đối với các lĩnh vực không thể tránh được hoàn toàn khí thải, chẳng hạn như trong ngành công nghiệp nặng. IEA ước tính rằng để đạt mức 0 ròng, công suất CCUS sẽ cần tăng gấp 40 lần vào năm 2030, yêu cầu tăng 50% công suất hàng năm.
Đó là một câu hỏi lớn. Hiện tại, lượng khí thải carbon thu được chỉ chiếm ít hơn 0,12% lượng khí thải CO2 liên quan đến năng lượng. Mặc dù công nghệ này đã tồn tại trong nhiều thập kỷ, nhưng nó vẫn phải vật lộn để mở rộng quy mô do chi phí vốn vẫn ở mức cao. Cải thiện các biện pháp khuyến khích kinh tế và chính sách, đồng thời xây dựng các nguồn thu mới - chẳng hạn như tìm kiếm các cách sử dụng mới cho lượng carbon thu giữ hoặc phát triển thị trường bù đắp carbon - sẽ là điều cần thiết để làm cho CCUS có giá cả phải chăng.
Thu giữ khí thải công nghiệp
Công nghệ CCUS đã có từ nhiều năm trước. Ở châu Âu, ban đầu nó được coi là một cách để các nhà máy phát điện sử dụng nhiên liệu hóa thạch tiếp tục sản xuất điện bằng than
gas, nhưng chi phí năng lượng tái tạo giảm mạnh đã khiến các dự án như vậy phải dừng lại. Tham vọng của châu Âu trở thành lục địa trung hòa với khí hậu đầu tiên trên thế giới đã làm hồi sinh mối quan tâm đến công nghệ, nhưng lần này là về công nghiệp, thay vì sản xuất điện.
Trong những năm gần đây, trên toàn cầu, CCUS đã được áp dụng thường xuyên nhất trong các ngành công nghiệp chế biến khí đốt, phân bón và ethanol - mặc dù tỷ lệ thu giữ carbon khá nhất quán trên tất cả các lĩnh vực ở mức khoảng 90–95%, theo BNEF’s Madrid. Điều này là do những ngành công nghiệp này có chi phí khai thác thấp nhất: chúng thường tạo ra một dòng CO2 tinh khiết được loại bỏ như một phần của quá trình sản xuất. Guloren Turan, tổng giám đốc vận động chính sách tại Viện CCS Toàn cầu cho biết: “Ví dụ, trong chế biến khí, CO2 được loại bỏ để đáp ứng các thông số kỹ thuật của đường ống.
Tuy nhiên, CCUS đang bắt đầu được áp dụng cho nhiều ngành công nghiệp nơi chi phí thu hồi có thể cao hơn - thường là do nồng độ CO2 trong khí thải thấp hơn - chẳng hạn như sản xuất xi măng và thép, cũng như sản xuất điện. Naoko Ellis, giáo sư kỹ thuật hóa học và sinh học tại Đại học British Columbia ở Canada, cho biết: “Trong lĩnh vực sản xuất điện, các nhà máy khí đốt tự nhiên dễ dàng hơn [áp dụng CCUS cho] vì khí thải sạch hơn so với than đá”. "Các nhà máy than có nhiều tạp chất hơn."
HeidelbergCement được thiết lập để mở cơ sở CCUS quy mô đầy đủ đầu tiên trên thế giới tại một nhà máy xi măng ở Na Uy và người khổng lồ xi măng LafargeHolcim đang làm việc trên CCUS với Schlumberger New Energy. Song song đó, một số nhà sản xuất thép lớn nhất thế giới, bao gồm ArcelorMittal, ThyssenKrupp, Nippon Steel và Posco, đang chuyển sang sử dụng hydro và CCUS để hiện thực hóa tham vọng bằng không của họ.
Trên thực tế, nền kinh tế hydro sạch đã trở thành một trong những động lực chính của CCUS. Hydro không phát thải và các nhiên liệu dẫn xuất của nó có thể được sử dụng để khử cacbon trong phương tiện giao thông khó nhiễm điện như tàu thủy và máy bay, các ngành công nghiệp phát thải nặng như thép, nhôm và xi măng, và thậm chí cả hệ thống sưởi ấm trong nhà. Sau này là ứng dụng gây tranh cãi nhiều nhất của hydro.
Hầu hết hydro ngày nay có màu 'xám', có nghĩa là nó được tạo ra từ khí tự nhiên thông qua một quá trình rẻ tiền nhưng gây ô nhiễm cao được gọi là cải cách metan hơi (SMR) - cứ mỗi tấn hydro được tạo ra, mười tấn (t) CO2 được thải vào khí quyển.
Tuy nhiên, quá trình này có thể được khử cacbon bằng cách sử dụng CCUS để thu nhận CO2 tạo thành, tạo ra chất được gọi là hydro 'xanh lam'. Theo thời gian, hydro 'xanh', sử dụng điện tái tạo để tách khí khỏi nước, dự kiến sẽ chiếm ưu thế; tuy nhiên, hydro xanh đòi hỏi phải xây dựng các máy điện phân tốn kém và tiêu thụ một lượng lớn năng lượng xanh quý giá. Nhiều người đã tranh luận về vai trò chuyển tiếp của hydro xanh, mặc dù giá khí đốt tăng cao cộng với chiến tranh Ukraine đột nhiên khiến điều đó trở thành một đề xuất kém hấp dẫn hơn.
Hiện tại, những người chơi lớn nhất trong không gian CCUS là các công ty lớn về dầu khí và xuất khẩu LNG. Nhiều hứa hẹn đã được đặt lên vai LNG trung tính carbon, mặc dù thông tin xác thực xanh của nó vẫn là một chủ đề tranh luận sôi nổi.
Công suất CCUS hiện có của thế giới tập trung nhiều vào các nhà máy xử lý khí tự nhiên. Trong hầu hết các trường hợp, CO2 thu được được sử dụng để tăng cường thu hồi dầu (EOR), hoạt động ép nhiều dầu hơn từ một giếng đã cho kết quả thấp. Theo GlobalData, công ty mẹ của Energy Monitor, 74% các cơ sở CCUS đang hoạt động vẫn được khuyến khích bởi giá trị kinh tế bổ sung được tạo ra từ EOR - một hoạt động mà tính bền vững môi trường đã được đặt ra.
Sự thống trị của Hoa Kỳ và EOR
Về mặt khu vực, Hoa Kỳ thống trị bối cảnh CCUS. Bắc Mỹ chiếm khoảng 50% các dự án CCUS đang hoạt động, hầu hết là ở Mỹ. Điều này một phần là do quy mô thị trường khí đốt tự nhiên cho phép xử lý quy mô lớn giúp tách CO2 tiết kiệm và một phần là do quốc gia này đã có các chính sách hỗ trợ nhiều nhất cho việc triển khai CCUS, bao gồm tín dụng thuế 45Q phân bổ $ 50 cho mỗi tấn cho mỗi tấn CO2 được lưu trữ dưới lòng đất.
Tuy nhiên, ngày càng có nhiều sự quan tâm đến các khu vực khác trên thế giới, đặc biệt là ở lục địa Châu Âu, Vương quốc Anh và Nhật Bản. Các nhà xuất khẩu khí đốt ở Trung Đông cũng đang để mắt đến thị trường hydro xanh và các nhà máy phát điện chạy bằng than lớn, đặc biệt là Ấn Độ và Trung Quốc, đang bắt đầu đầu tư vào cơ sở hạ tầng CCUS.
Biển Bắc đã trở thành tâm điểm của hydro màu xanh lam, dẫn đầu là Vương quốc Anh và Na Uy. Vương quốc Anh muốn trở thành quốc gia dẫn đầu thế giới về CCUS, loại bỏ 10 triệu tấn CO2 vào năm 2030 và đặt mục tiêu sản xuất 5GW hydro xanh lam và xanh lục trong cùng một khung thời gian. Quỹ cơ sở hạ tầng CCUS trị giá 1 tỷ bảng Anh (1,26 tỷ USD) của quốc gia này đang tìm cách phát triển hai "trung tâm và cụm" vào năm 2025 và hai "trung tâm và cụm" khác vào năm 2030, sẽ liên kết một số nhà phát với một đường ống và địa điểm lưu trữ được chia sẻ để xây dựng quy mô kinh tế.
Cụ thể, H2H Saltend tại Humberside trên bờ biển phía đông bắc - để dễ dàng tiếp cận với bếp lớn
các địa điểm thịnh nộ dưới Biển Bắc - sẽ tạo ra hydro màu xanh lam, và Net Zero Teesside sẽ là một nhà máy điện khí tích hợp và dự án thu giữ carbon. HyNet đang phát triển một dự án tương tự ở phía tây bắc.
Dự án thu giữ carbon Longship của Na Uy và kế hoạch vận chuyển và lưu trữ Northern Lights ban đầu sẽ thu giữ 400.000 tấn carbon trước khi tăng lên 1,5 triệu tấn mỗi năm vào năm 2024. Cuối cùng, dự án này nhằm mục đích mở rộng công suất lên năm triệu tấn một năm và thu gom carbon từ tất cả các khách hàng trên toàn châu Âu.
Công nghệ phát triển
Cho đến nay, công nghệ đã được triển khai nhiều nhất để thu giữ cacbon là hấp thụ chất lỏng với dung môi gốc amin, nhưng các công nghệ mới đang thử nghiệm các dung môi mới, hoặc các dạng thu giữ khác như chất hấp phụ rắn hoặc màng. BNEF’s Madrid cho biết: “Hiện tại, không có người chiến thắng rõ ràng. "Các giải pháp mới vẫn cần được triển khai trên quy mô lớn và mỗi giải pháp đều có ưu và nhược điểm: một số yêu cầu ít năng lượng hơn, một số khác ít lượng chất hấp thụ hơn - và do đó, các cơ sở nhỏ hơn - vì cùng một lượng chất hấp thụ sẽ có thể thu được nhiều CO2 hơn."
Tuy nhiên, có một số trái cây thấp. Khi CCUS được áp dụng để sản xuất hydro xám thông qua SMR, nó có thể thu được 85–90% lượng khí thải, nhưng một công nghệ sản xuất thay thế, tự động cải tạo nhiệt, cho phép thu giữ 96–97% và có khả năng sẽ được sử dụng trong các nhà máy mới, Ellis tại Đại học British Columbia.
Công ty công nghệ CCUS Svante cũng đang phát triển công nghệ thu giữ carbon bằng cách sử dụng chất hấp thụ rắn có cấu trúc để liên kết CO2. Chất hấp thụ rắn được đặt trong một cột quay để thu CO2 loãng từ khí thải và giải phóng CO2 đậm đặc khi nó tiếp xúc với hơi nước. Công ty Canada hiện đang mở rộng quy mô hoạt động và xử lý khí thải công nghiệp khó giảm thiểu, chẳng hạn như trong ngành công nghiệp xi măng và thép.
Mặt khác, Saipem của Ý đang phát triển công nghệ thu giữ carbon mà nó gọi là “lá phổi công nghiệp”, sử dụng một loại enzyme tự nhiên để thu nhận CO2 từ khí thải và biến nó thành CO2 tinh khiết để sử dụng làm nguyên liệu hóa học cho vật liệu xây dựng và nhiên liệu. . Lưu ý rằng mặc dù việc thu giữ và sử dụng carbon có thể làm giảm, tái chế hoặc thậm chí loại bỏ khí thải khỏi khí quyển, nhưng vai trò của nó trong hành động khí hậu phụ thuộc vào nguồn gốc và điểm đến của carbon.
Rào cản chi phí cao
Ngoài tranh luận về tác động thực của nó đối với biến đổi khí hậu, ngành CCUS còn phải đối mặt với những thách thức khác. Theo John Kent, giám đốc chuyển đổi năng lượng của Kent, một công ty kỹ thuật chuyên về CCUS có trụ sở tại Dubai, ông John Kent, giám đốc chuyển đổi năng lượng của Kent, một công ty kỹ thuật chuyên về CCUS có trụ sở tại Dubai.
Mỗi dự án là duy nhất về thiết kế và quy mô và có các loại thiết bị được lắp đặt khác nhau có thể hỗ trợ hoặc không hỗ trợ giám sát khí thải. Điều này có thể làm phức tạp việc cài đặt hoặc sửa đổi các công nghệ thu thập, do đó dẫn đến chi phí leo thang. Bên cạnh đó, các cơ sở này cần được cung cấp thêm nguồn điện để vận hành các đơn vị thu giữ CO2, điều này có thể tạo ra những thách thức bổ sung trong chuỗi giá trị.
Trên hết, mức độ thâm nhập thấp phổ biến của các công nghệ CCUS trên toàn thế giới hạn chế tính kinh tế của dự án, khiến việc trang bị thêm “hiện tại ít khả thi hơn”, Kent nói. Bất chấp những thách thức này, một số nhà máy nhiệt điện than đã được trang bị thêm trong mười năm qua để cho phép thu giữ CO2 quy mô lớn bằng cách sử dụng các dung môi gốc amin. Tuy nhiên, những công nghệ này đã được chứng minh là cực kỳ tiêu tốn năng lượng. Do đó, có một rào cản về chi phí cao trong việc sử dụng chúng để cắt giảm lượng khí thải của các nhà máy nhiệt điện than. Việc triển khai CCUS tại các nhà máy điện chạy bằng khí cũng gặp phải vấn đề chi phí tương tự, mặc dù công nghệ này đã được chứng minh về mặt thương mại và các công thức amin mới đang được phát triển.
Kent giải thích: “Việc áp dụng thu giữ cacbon đối với các dòng khí có nồng độ CO2 loãng, chẳng hạn như từ quá trình phát điện, tốn kém hơn do các quy luật nhiệt động lực học.
Vào năm 2020, nhà máy CCUS lớn nhất thế giới, cơ sở Petra Nova ở Texas, ngừng hoạt động sau khi không thể hoạt động về mặt thương mại. Mặc dù công nghệ của nhà máy hoạt động tương đối tốt, nhưng EOR, nơi sử dụng carbon thu giữ của Petra Nova, đã trở thành nạn nhân của việc giá dầu giảm mạnh do Covid-19 gây ra. Bởi vì EOR tiêu tốn nhiều năng lượng hơn so với khai thác dầu thông thường, nó cần giá dầu cao để duy trì khả năng thương mại.
Tương tự, Chevron đã có một khởi đầu đầy khó khăn với dự án Gorgon CCUS hàng đầu của mình tại Úc. Theo các điều khoản phê duyệt của dự án, chuyên gia dầu khí được yêu cầu phải cô lập ít nhất 80% lượng khí thải CO2 thải ra từ các hồ chứa cung cấp cho nhà máy Gorgon LNG trong khoảng thời gian 5 năm. Trong khi dự án được thiết kế với công suất phun bốn triệu tấn mỗi năm, Chevron thừa nhận vào tháng 7 năm 2021 rằng dự án chỉ mới bơm năm triệu tấn CO2 kể từ khi quá hạn dài bắt đầu vào tháng 8 năm 2019.
Một nhu cầu khẩn cấp để mở rộng
Trong tương lai, sẽ cần thêm các chính sách và khuyến khích kinh tế để phát triển CCUS lên quy mô nơi nó đóng góp vào tham vọng không có mạng lưới của thế giới. Cũng như đầu tư vào công nghệ thu gom, cần đầu tư thêm để phát triển cơ sở hạ tầng liên quan đến vận tải và lưu trữ. Bản sửa đổi gần đây của Quy định về Mạng lưới xuyên Châu Âu của Liên minh Châu Âu về việc lưu trữ CO2 cũng như các phương thức vận chuyển CO2 ngoài đường ống - chẳng hạn như vận tải biển, đường sắt hoặc xe tải - sẽ giúp giải quyết vấn đề đó. Các ngành công nghiệp cần có các khuôn khổ gắn các khuyến khích kinh tế với các mục tiêu và quy định về khí hậu.
“Công nghệ CCUS đã được chứng minh và thiết lập. Thách thức thực sự là kinh tế, ”Kent nói. “Thu giữ carbon nói chung là một chi phí thuần túy đối với các nhà khai thác công nghiệp, và trong trường hợp không có giá carbon mạnh mẽ, dài hạn, thì chi phí đó là rất cao.” Đối với Kent, yếu tố lớn nhất có thể thúc đẩy việc áp dụng thu giữ carbon trên diện rộng là thuế carbon toàn cầu. "Điều đó sẽ cung cấp sự chắc chắn đầu tư cần thiết để công nghệ đã được chứng minh này có tác động quan trọng cần thiết." Vào đầu năm 2022, giá carbon ở EU đã dao động quanh mốc 100 đô la / tấn mà mô hình từ công ty tư vấn Wood Mackenzie đề xuất các dự án CCS trong lĩnh vực điện năng yêu cầu.
29 cơ sở CCUS thương mại hiện đang hoạt động có tổng công suất thu gom và bơm 40 triệu tấn mỗi năm - gần tương đương với việc đưa tám triệu xe ô tô ra khỏi đường. Hiện có thêm 141 dự án CCUS đang được phát triển, nhưng để đạt mức thuần vào năm 2050, IEA dự báo công suất hiện tại sẽ cần được tăng lên ít nhất 100 lần trong vòng 30 năm tới. Ellis kết luận: “Chúng ta cần CCUS như một trong những công cụ chính để giảm phát thải. “Với việc áp dụng thuế carbon hoặc các công cụ chính sách khác, mức tăng trưởng của CCUS được dự đoán là sẽ cao. Tuy nhiên, chúng tôi cần phải đưa ra quyết định với sự khẩn trương và khung thời gian cần thiết ”.
