Nhà máy phát điện không thải khí nhà kiến

NHÀ MÁY PHÁT ĐIỆN KHÔNG THẢI KHÍ CO₂

Trần-Đăng Hồng

Hiện tượng hâm nóng toàn cầu là một vấn đề nan giải. Chung qui nhiệt độ toàn cầu gia tăng là do khí nhà kiến gia tăng thải hồi vào khí quyển kể từ khi có cuộc cách mạng kỹ nghệ bắt đầu từ 1760. Khí carbon dioxide (CO₂) là khí quan trọng nhất trong nhóm khí nhà kiến. Đốt nhiên liệu cổ sinh, nhất là đốt than trong nhà máy nhiệt điện, là nguồn thải hồi CO₂ quan trọng nhất.

Vào năm 2008, lượng CO₂ trong khí quyển là 385 ppm, cao hơn 105 ppm so với thời tiền kỹ nghệ, và hiện nay gia tăng khoảng 2 ppm / năm. Một số nhà khoa học cho rằng gia tăng khí này là do con người đốt nhiên liệu cổ sinh, kỹ nghệ xi măng và do phá hủy rừng, và là nguồn gốc của gia tăng nhiệt độ toàn cầu hiện nay.

Hình 1. Nhà máy phát điện thải khói chứa khí nhà kiến vào khí quyển

Trước cuộc cách mạng kỹ nghệ (1760), toàn thế giới có khoảng 3-4 ngàn tỉ tấn carbon nằm dưới lòng đất. Trong vòng 250 năm qua loài người đã khai thác tổng cộng khoảng 500 tỉ tấn để đốt cho nhà máy điện và công nghiệp. Từ nay đến 2050, con người sẽ đốt thêm 500 tỉ tấn carbon, và trong tương lại ngắn hơn nữa đốt thêm 500 tỉ tấn carbon thì lúc đó nhiệt độ toàn cầu gia tăng vượt quá ngưởng 2°C.

Cơ quan năng lượng quốc tế (International Energy Agency, IEA) tính rằng trong lãnh vực năng lượng từ nay đến năm 2050 làm sao tránh thải vào không khí 884 tỉ tấn CO₂ thì có khả năng tránh việc toàn cầu gia tăng thêm 2°C. Hiện nay, đốt nhiên liệu cổ sinh như than đá, dầu hỏa và khí đốt trong công nghiệp thải vào không khí khoảng 6,3 tỉ tấn CO₂/năm, và khoảng 1,6 tỉ CO₂/năm do nông nghiệp (Hình 2), và theo tính toán của các nhà khoa học thì tổng số CO₂ của mọi nguồn thải vào không khí trong khoảng thời gian từ nay đến 2050 sẽ khoảng 2860 tỉ tấn CO₂.

Hình 2. Chu trình carbon toàn cầu. Mũi tên hướng lên biểu diễn lượng carbon sa thải vào khí quyễn (Tỉ tấn), mũi tên hướng xuống biểu diễn carbon được hấp thụ (Theo IPCC AR4).

Như vậy, muốn nhiệt độ toàn cầu không gia tăng thêm 2°C con người phải tìm cách ngăn cản 2/3 lượng khí CO₂ này thải vào khí quyển. Các quốc gia đã đồng ý cam kết là tới năm 2070 không có quốc gia nào được phép thải CO₂ của các nhà máy nhiệt điện hay công nghiệp vào khí quyển. Để thực hiện mục tiêu này, biện pháp kỷ thuật không sa thải khí nhà kiến “negative emission technology” (NET) được áp dụng, nghĩa là phải có biện pháp bắt giữ khí CO₂ và tồn trữ, chôn nơi an toàn để không thoát vào khí quyển. Đó là biện pháp CCS (Carbon Capture and Storage).

Đề án bắt giữ khí CO₂ (capture): có nhiều đề án, sau đây là 3 đề án khả thi:

- Bắt giữ CO₂ bằng trồng rừng qua hiện tượng quang tổng hợp (photosynthesis) biến CO₂ của không khí thành sinh khối (biomass). Một cây rừng cao trên 10m có thể lấy từ 300 đến 400 kg CO₂/năm từ không khí và carbon tích trữ trong lá, thân và rễ. Toàn thể thực vật trên đất liền toàn cầu hấp thụ từ không khí khoảng 61 tỉ tấn CO₂/năm do quang tổn hợp (sau khi trừ phần hô hấp), nhưng đồng thời mặt đất cũng thải vào không khí hết 60 tỉ tấn/năm, nên việc làm giảm khí CO₂ do rừng không đáng kể (Hình 2), trong lúc rừng càng ngày càng bị tàn phá.

- Bắt giữ khí CO₂ của khí quyển bằng phản ứng hóa học: Trong lò phản ứng, NaOH và CaO phản ứng với CO₂ của không khí biến thành sodium carbonate (Na₂CO₃) và calcium carbonate CaCO₃. Các chất carbonate này được đưa vào lò nung, ở lò này CaO và NAOH được tái tạo và thải khí CO₂. Khí CO₂ được bắt giữ và tồn trữ, còn các chất Na₂CO₃ và CaCO₃ được đưa lại lò phản ứng tiếp tục chu kỳ sản xuất khí CO₂. Các silicate của sét cũng có thể xử dụng để bắt giữ CO₂. Như vậy, để làm giảm khí CO₂ của không khí, con người phải xây dựng nhiều nhà máy khổng lồ, và dỉ nhiên cũng cần phải có năng lượng để chạy máy, và trong tình trạng khoa học kỹ thuật hiện nay chưa cho phép.

- Bắt giữ CO₂ của đại dương qua biện pháp bón phân. Trung bình mỗi năm phiêu sinh thực vật và tảo sống ở đại dương hấp thụ thật sự được 48,5 tỉ tấn CO₂ lấy từ khí quyển (sau khi trừ phần hô hấp) và tổng số thu nhập với các nguồn khác khoảng 92 tỉ tấn/năm, đồng thời đại dương cũng thải vào khí quyển một lượng tương đương (Hình 2). Nhiều nghiên cứu cho biết bón chất sắt vào nước biển để tảo phát triển mạnh làm gia tăng việc bắt giữ carbon. Tuy nhiên. chưa rõ là việc bón sắt vào nước biển có ảnh hưởng tiêu cực lên môi trường biển hay không.

Làm sao tồn trữ khí CO₂.

Cách giải quyết tương đối rẻ tiền và trong tầm tay khoa học kỷ thuật hiện tại là bắt giữ khí thải từ các nhà máy nhiệt điện và nhà máy công nghiệp đốt nhiên liệu cổ sinh, rồi đem chôn ở một nơi an toàn để khí nhà kiến không thoát trở lại khí quyển.

Sau khi khói (trong đó đa số là khí CO₂, hơi nước, nhiều khí khác và nhiều tro bụi chất bẩn) vừa thoát ra ống khói (flue) của nhà máy đốt nhiên liệu cổ sinh là được bắt giữ và chuyển qua một loạt sàng để loại bụi tro, rồi khí qua một loạt phản ứng để loại sulphur dioxide (flue-gas desulfurization), loại khí nitrogen, loại thủy ngân (mercury). Bây giờ, khí CO₂ trở nên tinh khiết, đậm đặc được hóa lỏng và được chuyên chở trong ống dẫn bằng kim loại (pipeline) thẳng đến nơi tồn trữ vĩnh viễn. Nơi tồn trữ có thể là trong lòng đất của mỏ dầu, mỏ khí đốt củ đã hết khai khác, mỏ than, hay giếng nước mặn trong lòng đất (saline aquifer). Hoa Kỳ hàng năm đã bơm vào giếng dầu cạn kiệt khoảng từ 30 đến 50 triệu tấn CO₂ để vừa chôn số lượng khí này, vừa tạo áp xuất đẩy dầu lửa còn lại trong mỏ tuôn ra để khai thác.

Hình 3. Khí CO₂ vừa thải khỏi nhà máy phát điện được bắt giữ, tinh chế và hóa lỏng được chuyên chở trong ống dẩn đến chỗ chôn khí trong lòng đất.

Nhà máy điện sinh học không thải khí CO₂ ra khí quyển

Anh quốc là nước đầu tiên trên thế giới thiết kế và đang xây dựng nhà máy nhiệt điện sinh học với kỹ thuật NET không sa thải khí CO₂ vào không khí, bắt giữ và chôn khí này dưới lòng đại dương (CCS).

Gọi là nhà máy nhiệt điện sinh học vì nhiên liệu đốt không phải là than đá mà là sản phẩm của gỗ rừng.

Hình 4. Nhà máy đang xây dựng tại Drax ở tỉnh Yorkshire Anh quốc. Hình trên là vòm tồn trữ nhiên liệu sinh học “hardwood pellets”.

Đây là một nhà máy phát điện rất lớn, cung cấp 10% năng lượng cho nước Anh, có 12 cột khói làm nguội để bắt giữ toàn bộ khí nhà kiến sa thải 23 triệu tấn CO₂ /năm. Nhà máy được phát họa theo một quy trình từ sản xuất nguyên liệu gỗ biến chế thành viên ở Hoa Kỳ, chuyên chở đến Anh, chạy nhà máy điện, bắt giữ khí thải và chôn trong lòng đất, đồng thời rừng được trồng lại ở Hoa Kỳ (Hình 5).

Hình 5. Quy trình từ sản xuất gỗ rừng biến chế thành viên ở Hoa Kỳ, chuyên chở đến Anh, chạy nhà máy điện, bắt giữ khí thải và chôn trong lòng đất, đồng thời rừng được trồng lại ở Hoa Kỳ

Cung cấp vật liệu sinh khối. 5% sinh khối là lấy từ rơm và gỗ ở nước Anh, 80% là sản phẩm gỗ thông của vùng Mississippi thuộc American Deep South của Hoa Kỳ, và 15% còn lại là các vùng khác cung cấp như mạt cưa từ Canada và Brazil. Nước Anh đã lập 2 cơ xưởng để cưa, xay gỗ và biến chế sinh khối rừng thành “viên bột gỗ” (hardwood pellets) tại Louisiana và Mississippi. Các container chở viên bột gỗ đến cảng Baton Rouge ở Louisiana để chuyên chở đến Anh, khoảng 7 triệu tấn/năm cho giai đoạn đầu. Đồng thời, rừng thông chặt lấy gỗ đến đâu được gây rừng thông trở lại, rừng hấp thụ khí CO₂ từ không khí để làm giảm khí thải nhà kiến trong khí quyển.

Hình 4. Bột gỗ ép thành viên “hardwood pellets”

Để chôn số khí thải từ nhà máy, chính phủ Anh chi 500 triệu Bảng Anh để thiết lập bộ phận bắt nhốt 2 triệu tấn CO₂/năm gồm nhà máy tinh luyện khí thải hóa lỏng, hệ thống ống dẩn dài 165 km đến biển NorthSea, và chôn khí ở tầng saline aquifer trong lòng đất đáy biển. Ống dẩn khá lớn đủ để vận chuyển khối lượng lớn hơn trong tương lai.

Với biện pháp sản xuất bột gổ cây rừng ép thành viên cung cấp cho nhà máy Drak của Anh, trồng rừng có lợi hơn, nên các nhà lâm nghiệp đầu tư trồng thêm 400,000 ha rừng thông trên đất bỏ hoang trước kia vốn là đồn điền bông vải.

Reading, 8/2015