Sản xuất bởi: Science Popularization China
Sản xuất bởi: Zhiyao Science
Nhà sản xuất: Trung tâm thông tin mạng máy tính, Viện Hàn lâm khoa học Trung Quốc
Ngày 23 tháng 8 năm 2021, Tuần lễ tuyên truyền tiết kiệm năng lượng quốc gia lần thứ 31 đã chính thức khởi động. Trong Tuần lễ thúc đẩy tiết kiệm năng lượng này, khái niệm "carbon" đã chiếm vị trí trung tâm. Không chỉ "tiết kiệm năng lượng và giảm thiểu carbon, phát triển xanh" được chọn làm chủ đề tuyên truyền mà các khái niệm như "đỉnh carbon", "trung hòa carbon", "giao dịch carbon" và "cố định carbon" cũng được đề cập nhiều lần.
Hiện nay, đất nước tôi đang không ngừng hoàn thiện chính sách xanh, ít carbon và hệ thống thị trường, phấn đấu đạt đỉnh carbon trước năm 2030 và trung hòa carbon trước năm 2060. Để đạt được mục tiêu trung hòa carbon, một mặt, người dân cần thực hành lối sống xanh, ít carbon và giảm phát thải carbon; Mặt khác, cần sử dụng các biện pháp kỹ thuật và kỹ thuật để xử lý đúng cách lượng carbon thải ra.
Ngày 17 tháng 6 năm 2021, Ủy ban Cải cách và Phát triển Quốc gia đã ban hành "Thông báo từ Văn phòng Tổng hợp Ủy ban Cải cách và Phát triển Quốc gia về việc yêu cầu nộp thông tin liên quan về các dự án thu giữ, sử dụng và lưu trữ carbon dioxide (CCUS)", nêu tên công nghệ CCUS là công nghệ chủ chốt trong liên kết "thu hồi carbon". Ngay khi tài liệu này được công bố, nó đã gây chấn động trong giới học thuật và công nghiệp.
Vậy công nghệ CCUS thực chất là gì? Làm thế nào để sử dụng công nghệ CCUS? Nó giúp ích như thế nào trong việc trung hòa carbon?
Cuộc sống của carbon tái chế
CCUS, tên đầy đủ là Carbon Capture, Utilization and Storage, nghĩa là công nghệ thu giữ, sử dụng và lưu trữ carbon. Để hiểu được tầm quan trọng của công nghệ này, trước tiên chúng ta hãy xem carbon tồn tại "cuộc đời" của nó như thế nào.
Cũng giống như nước trên Trái Đất liên tục lưu thông giữa đất liền, đại dương và khí quyển dưới dạng khí, lỏng và rắn, nguyên tố cacbon trên Trái Đất liên tục được trao đổi giữa sinh quyển, thạch quyển, thủy quyển và khí quyển, và lưu thông theo chuyển động của Trái Đất.
Cacbon là một nguyên tố phổ biến nhưng tuyệt vời. Bằng cách liên kết với nhau, chúng có thể hình thành nhiều chất hữu cơ khác nhau và sau đó tiến hóa thành các dạng sống phong phú. Quá trình hoạt động sinh học và sinh sản luôn đi kèm với chu trình trao đổi chất của cacbon.
Vì sự biến đổi nguyên tố hiếm khi xảy ra trên Trái Đất nên cacbon trên Trái Đất về cơ bản được bảo toàn. Bất kỳ quá trình vật lý hoặc hóa học nào liên quan đến carbon đều phải lấy carbon từ một nơi và chuyển nó đến nơi khác sau quá trình đó.
Vào thời cổ đại, khi con người chưa văn minh lần đầu tiên đốt lửa trên gỗ, họ đã thải ra khí carbon dioxide. Vào một thời điểm nào đó sau đó, lượng khí carbon dioxide này được rừng hấp thụ và trở thành một phần của gỗ trong rừng. Cacbon trong những khu rừng này có thể bị đốt cháy và quay trở lại bầu khí quyển, tiếp tục tham gia vào quá trình lưu thông và trở thành "cacbon di động"; hoặc bị chôn vùi dưới lòng đất và dần dần bị cacbon hóa thành nhiên liệu hóa thạch, đi vào thạch quyển và trở thành "cacbon tiềm ẩn". Quá trình này tạo thành một "chu trình cacbon" đơn giản.
Chu trình tuần hoàn và quy mô của carbon trong trái đất (phần màu đỏ là phần phát thải dưới tác động của con người, phần màu vàng là thông lượng chu trình carbon trong tự nhiên và số màu trắng biểu thị lượng carbon được lưu trữ, tính bằng tỷ tấn carbon)
(Nguồn ảnh: Tham khảo 1)
Trong quá trình tiến hóa của trái đất kéo dài hàng chục ngàn năm, hơn 99,9% nguyên tố cacbon đã chuyển thành cacbonat, than đá, dầu mỏ, khí đốt tự nhiên và các chất khác, bị chôn sâu dưới lòng đất hoặc dưới biển và đi vào trạng thái "ngủ đông", không còn tham gia vào chu trình nữa.
Tuy nhiên, với sự phát triển không ngừng của xã hội, nhu cầu sử dụng nhiên liệu hóa thạch của con người ngày càng tăng cao. "Carbon tiềm ẩn" sâu trong thạch quyển đã được khai thác và sử dụng với số lượng lớn, sau đó quay trở lại vòng tuần hoàn khí quyển và trở thành "carbon di động". Từ năm 1965, sự tăng trưởng của GDP toàn cầu luôn phù hợp với xu hướng phát thải carbon dioxide. Có thể thấy rằng việc tiêu thụ năng lượng hóa thạch đã thúc đẩy sự phát triển của xã hội loài người.
Đường cong phát thải carbon dioxide và tăng trưởng GDP (Nguồn ảnh: Tài liệu tham khảo 2)
Tuy nhiên, với việc khai thác nhiên liệu hóa thạch ngày càng tăng, nồng độ khí nhà kính trong khí quyển tiếp tục tăng. Từ năm 1985 đến năm 2020, nồng độ carbon dioxide trong khí quyển tăng từ 345ppm lên 412ppm (Lưu ý: ppm, phần triệu), tăng 20%, với tốc độ tăng trưởng kép hàng năm là 0,51%.
Nồng độ khí nhà kính tăng cao đã góp phần làm nhiệt độ tăng đáng kể. Theo số liệu của Tổ chức Khí tượng Thế giới, nhiệt độ trung bình toàn cầu năm 2020 cao hơn 1,2±0,1°C so với nhiệt độ trung bình năm từ năm 1850 đến năm 1900 và tốc độ dâng mực nước biển trung bình toàn cầu đạt 3,3±0,3mm/năm.
Nhiệt độ tăng cao đã làm tăng quá trình bốc hơi của đại dương và một lượng lớn nước đã tràn vào khí quyển, dẫn đến lượng mưa tăng đột ngột ở một số khu vực trên đất liền trong một thời gian ngắn. Những trận mưa lớn liên tục ở Trịnh Châu là một ví dụ điển hình. Sự gia tăng cường độ hiệu ứng nhà kính đã làm giảm tính ổn định của môi trường, thời tiết khắc nghiệt xuất hiện thường xuyên hơn và các hiện tượng thời tiết "một thế kỷ hoặc một nghìn năm mới xảy ra một lần" ngày càng gia tăng.
Cách mạng công nghiệp toàn cầu Chênh lệch nhiệt độ trung bình, dựa trên nhiệt độ trung bình từ năm 1850 đến năm 1900 (tính bằng °C)
(Nguồn ảnh: Tham khảo 2)
Để ngăn chặn tình hình trở nên tồi tệ hơn, con người phải cùng nhau hành động để giảm mức độ "carbon di động". Hiện nay có hai con đường chính: thứ nhất, giảm phát thải carbon và giảm "carbon di động" từ nguồn; Thứ hai, thu giữ, sử dụng và lưu trữ nhiều "carbon di động" hơn để có thể tiêu thụ và tái chế. Phần sau đề cập đến công nghệ CCUS.
CCUS là gì: Công nghệ thu giữ, sử dụng và lưu trữ Carbon
Toàn bộ quá trình công nghệ thu giữ, sử dụng và lưu trữ carbon (CCUS) có thể được tóm tắt đơn giản trong bốn từ: thu thập, vận chuyển, lưu trữ và sử dụng.
"Thu gom" là quá trình thu giữ carbon dioxide, là quá trình tách carbon dioxide ra khỏi quá trình sản xuất công nghiệp, sử dụng năng lượng hoặc khí quyển để xử lý tiếp theo. Nó chủ yếu được chia thành thu giữ trước khi đốt, thu giữ sau khi đốt, đốt giàu oxy, thu giữ bằng chuỗi hóa học và thu giữ trực tiếp từ khí quyển (DACCS).
"Vận chuyển" là quá trình vận chuyển carbon dioxide đã thu được đến nơi sử dụng hoặc nơi lưu trữ thông qua đường ống, vận chuyển nén, v.v.
“Lưu trữ” là việc lưu trữ carbon dioxide, tức là bơm carbon dioxide đã thu được vào các bể chứa địa chất sâu để cô lập carbon dioxide khỏi khí quyển trong một thời gian dài, từ đó đi vào “trạng thái ngủ đông”. Các phương pháp lưu trữ chính là lưu trữ trên đất liền, lưu trữ dưới đại dương và lưu trữ rắn cacbonat.
“Sử dụng” là việc sử dụng carbon dioxide, là quá trình hiện thực hóa việc sử dụng tài nguyên carbon dioxide thu được thông qua các biện pháp kỹ thuật và kỹ thuật. Đây cũng là bước quan trọng trong việc “biến carbon thành kho báu”.
Ngoài ra, việc sử dụng trực tiếp cây cối và các sinh vật khác để cố định carbon dioxide trong một bước cũng đã được đưa vào khuôn khổ công nghệ CCUS, được liệt kê riêng là quy trình sử dụng sinh khối (BECCS), khác với các công nghệ nhân tạo khác.
Nhìn chung, công nghệ CCUS có thể tách carbon dioxide ra khỏi các quy trình công nghiệp, sử dụng năng lượng hoặc khí quyển và trực tiếp sử dụng hoặc đưa nó vào tầng khí quyển, biến carbon thành "nguồn tài nguyên" hoặc "ngủ yên" để đạt được mục tiêu giảm phát thải vĩnh viễn.
Sơ đồ quy trình kỹ thuật của CCUS (Nguồn ảnh: Tài liệu tham khảo 3)
“Biến Carbon thành Kho báu”: Carbon Dioxide có thể được sử dụng như thế nào?
Nếu toàn bộ lượng khí carbon dioxide thu được thông qua công nghệ CCUS bị chôn lấp dưới lòng đất hoặc dưới biển sâu, điều này có thể gây lãng phí tài nguyên. Chúng ta có thể nghĩ ra cách nào để sử dụng nó không? Chúng ta nên làm gì?
Theo các phương tiện kỹ thuật và công trình khác nhau, bước “sử dụng” có thể được chia thành sử dụng địa chất, sử dụng hóa học và sử dụng sinh học.
Về mặt sử dụng địa chất, các dự án lưu trữ và sử dụng địa chất carbon dioxide của Trung Quốc chủ yếu nhằm mục đích cải thiện việc thu hồi dầu (thu hồi dầu tăng cường carbon dioxide, CO2-EOR) và chủ yếu được thực hiện xung quanh một số lưu vực dầu khí, bao gồm lưu vực Songliao ở Đông Bắc Trung Quốc, lưu vực vịnh Bột Hải ở Bắc Trung Quốc, lưu vực Ordos ở Tây Bắc Trung Quốc và lưu vực Junggar; Đồng thời, còn có công nghệ thay thế carbon dioxide trong khí mê-tan ở tầng than (CO2-ECBM) để cải thiện khả năng thu hồi khí mê-tan ở tầng than.
Thu hồi dầu tăng cường bằng carbon dioxide, CO2-EOR (Nguồn hình ảnh: Tài liệu tham khảo 4)
Về mặt sử dụng hóa chất, các kịch bản ứng dụng rất đa dạng, chẳng hạn như: tiêm vào bia và đồ uống có ga; làm đá khô để vận chuyển thực phẩm đông lạnh, v.v.; chiết xuất carbon dioxide siêu tới hạn; tổng hợp các hóa chất tinh khiết như các phân tử hữu cơ nhỏ hoặc các hóa chất thông thường như urê và cacbonat; tổng hợp cacbon dioxit để sản xuất nhựa; sản xuất xúc tác metanol, olefin và khí tổng hợp; khoáng hóa sử dụng xỉ thép và thạch cao phốt pho, và nhiều công dụng khác.
Xét về mặt sử dụng sinh học, xét về toàn bộ quá trình chu trình cacbon của Trái Đất, cố định và chuyển đổi cacbon dioxit thông qua các phương pháp sinh học là cách sử dụng tự nhiên nhất trên Trái Đất. Carbon dioxide có thể được sử dụng để nuôi trồng thực vật hoặc tảo có chu kỳ sinh trưởng ngắn để sản xuất nhiên liệu sinh học. Hiện nay, tảo siêu nhỏ và các sinh vật khác chủ yếu được sử dụng để cố định carbon dioxide và chuyển hóa thành nhiên liệu sinh học và hóa chất, sau đó có thể chế biến thành phân bón sinh học, phụ gia thực phẩm, v.v.
Đồng thời, do tảo siêu nhỏ có thể sử dụng nước thải sinh hoạt, công nghiệp và nông nghiệp làm nguồn nitơ, phốt pho và các chất dinh dưỡng khác nên có thể kết hợp ba quy trình xử lý nước thải, cố định carbon dioxide và tổng hợp nhiên liệu sinh học, do đó tối đa hóa lợi ích kinh tế và môi trường của quy trình.
Toàn cảnh công nghệ CCUS tại Trung Quốc (Nguồn ảnh: Tài liệu tham khảo 3)
Công nghệ CCUS thúc đẩy cuộc sống ít carbon
Công nghệ CCUS có thể đóng vai trò gì trong hành trình hướng tới "trung hòa carbon" của đất nước tôi? Nói cách khác, chúng ta mong đợi đạt được mục tiêu gì thông qua việc ứng dụng công nghệ CCUS?
Dữ liệu từ Cơ quan Năng lượng Quốc tế cho thấy đến năm 2050, CCUS dự kiến sẽ đóng góp khoảng 14% lượng khí thải carbon dioxide giảm trên toàn thế giới. Khái niệm này là gì? Hãy cùng xem xét một số con số:
Tổng lượng khí thải carbon toàn cầu: 32,28 tỷ tấn vào năm 2020;
Tổng lượng khí thải carbon của Trung Quốc: 9,894 tỷ tấn vào năm 2020.
Giả sử công nghệ CCUS góp phần giảm 14% lượng khí thải, thế giới có thể giảm lượng khí thải 4,5 tỷ tấn mỗi năm, tương đương khoảng một nửa lượng khí thải của Trung Quốc; Trung Quốc có thể giảm lượng khí thải 1,4 tỷ tấn mỗi năm, gần bằng tổng lượng khí thải của toàn bộ ngành thép Trung Quốc.
Nhu cầu tiềm năng giảm phát thải CO2 của CCUS trong các ngành công nghiệp khác nhau từ năm 2025 đến năm 2060 (Nguồn ảnh: Tài liệu tham khảo 3)
Có lẽ một ngày nào đó, chúng ta sẽ sử dụng khí đốt tự nhiên do công nghệ CO2-ECBM cung cấp để đốt bếp gas tự nhiên, sử dụng đá khô do công nghệ CCUS cung cấp để làm lạnh thực phẩm và uống bia lon và cola do công nghệ DACCS sản xuất, thực sự đưa mức carbon thấp vào cuộc sống hàng ngày của chúng ta. Đến lúc đó, bạn sẽ thấy CCUS không còn xa bạn và tôi nữa.
Tài liệu tham khảo:
(1) Wikipedia-ZH, Chu trình cacbon.
(2) Vương Tinh Kiệt. Con đường phát triển của thị trường giao dịch phát thải carbon toàn cầu[N]. Futures Daily, 2021-07-21(003).
(3) Bộ Sinh thái và Môi trường Cộng hòa Nhân dân Trung Hoa, Báo cáo thường niên năm 2021 về Thu giữ, Sử dụng và Lưu trữ Carbon Dioxide (CCUS) của Trung Quốc.
(4) Hội đồng nghiên cứu quốc gia, Ban nghiên cứu Trái đất và sự sống, Ban khoa học và tài nguyên Trái đất, Ủy ban địa chấn và động lực học, Ủy ban kỹ thuật địa chất và địa kỹ thuật, Ủy ban tài nguyên Trái đất, Ủy ban tiềm năng động đất cảm ứng trong công nghệ năng lượng. Tiềm năng động đất cảm ứng trong công nghệ năng lượng [M]. Nhà xuất bản Viện Hàn lâm Quốc gia: 14-09-2013.
