Than và lộ trình tiến tới năng lượng sạch của tương lai

Bài viết này của Viện Than thế giới (WCI) vạch ra sự tiến bộ to lớn về công nghệ cần thiết làm cho THAN hướng tới kịch bản không thoát ra khí và những chuyển động theo hướng này cũng đang tiến triển tốt.

THAN đóng vai trò quan trọng trong hệ thống năng lượng thế giới với tỷ trọng cung cấp năng lượng điện hiện nay trên 38% sản lượng điện toàn thế giới. Điện sản xuất từ than đã thúc đẩy nền kinh tế của hai nước đông dân nhất và tăng trưởng nhanh nhất trên thế giới ngày nay là Trung Quốc và Ấn Độ. Cũng như một số nền kinh tế then chốt như Hoa Kỳ và Đức. Trong 30 năm tới tiêu thụ than dự kiến tăng khoảng 1,4% hàng năm. Trong bối cảnh đó ngành công nghiệp than nhận ra rằng ngành phải đối mặt với những thách thức môi trường. Đặc biệt, các nguồn năng lượng than và năng lượng khác có nhiều cacbon phải giảm đáng kể những ảnh hưởng tiềm năng về khí nhà kính nếu chúng cần có vai trò liên tục và bền vững trong hỗn hợp các dạng năng lượng. Chìa khóa để thực hiện mục tiêu trên là nhờ vào việc triển khai áp dụng các công nghệ đã có cũng như phát triển các công nghệ mới tiên tiến về than sạch. Cần phải đưa ra tiến trình công nghệ để chứng minh làm thế nào có thể dựa vào những cải tiến quan trọng đã được thực hiện để đảm bảo rằng than có vai trò trung tâm của tương lai năng lượng bền vững.

1. Tiến trình công nghệ than

Câu trả lời về kỹ thuật đối với những thách thức môi trường là đang diễn ra và rất đa dạng. Hình H.1 thể hiện hành trình đốt than để giảm cacbon. Có 3 yếu tố cơ bản:

- Loại bỏ thoát ra các chất ô nhiễm như các hạt oxit lưu huỳnh và oxit nitơ. Các công nghệ đã có sẵn và được áp dụng ở nhiều nơi trên thế giới;

- Tăng hiệu suất nhiệt để giảm cacbon dioxit thoát ra cũng như các khí khác đã thực hiện và thu được nhiều cái lợi lớn và tiềm năng lớn hơn cần thấy rõ;

- Loại bỏ việc thoát ra cacbon dioxit: sự phát triển các công nghệ không có khí thoát ra (zero emission technologies) đã được bắt đầu và đang nhanh chóng tăng tốc).

Than còn có tiềm năng như là nguồn hydro chủ yếu cho các hệ thống năng lượng hoàn toàn sạch trong tương lai đối với các thiết bị vận tải và thiết bị cố định. Hiện nay còn nhiều bước đi trên con đường công nghệ đã được sẵn sàng chấp nhận ở nhiều nước trên thế giới.

2. Quan tâm hơn đến các giải pháp hiện có

Hiện có nhiều biện pháp để cải thiện các chỉ tiêu môi trường ở các nhà máy điện dùng than. Phương pháp làm sạch bằng phương pháp rửa và làm giầu vẫn có vai trò quan trọng trong việc giảm khí thoát ra từ các nhà máy nhiệt điện than. Biện pháp trên có thể làm giảm hàm lượng độ tro đến 50%, giảm SO ₂(dioxit lưu huỳnh) và nâng cao các hiệu suất nhiệt. Tuyển than là công tác tiêu chuẩn ở rất nhiều nước. Nhưng ở các nước đang phát triển, công việc này có thể được mở rộng rất có lợi vì đó là biện pháp ít tốn kém để cải thiện các chỉ tiêu môi trường trong quá trình sử dụng than. Tại Trung Quốc chỉ có khoảng 11% than nhiệt là được rửa hiện nay. Nếu ở nước này than được rửa nhiều hơn thì có tiềm năng hiệu suất nhiệt được cải thiện ít nhất 2 – 3% và có thể là 4 – 5%.

H1. Công nghệ mới đốt than để giảm cacbon

Có thể giảm thoát ra các hạt bằng các phương pháp sử dụng độ lắng tĩnh điện, buồng lọc bụi, máy lọc các hạt ướt (Wet particulate scrubbers) và các hệ thống lọc khí nóng. Cả hai thiết bị bộlắng tĩnh điện và buồng lọc bụi có thể di chuyển đi hơn 99% lượng hạt thoát ra. Những vấn đề toàn cầu về tác động của mưa axit đã đưa đến sự phát triển và sử dụng rộng khắp các công nghệ để làm giảmvà ở một số trường hợp loại trừ khả năng thoát ra khí oxit lưu huỳnh (SOx). Thí dụ như công nghệ khử lưu huỳnh bằng ống hút khí (FGD – FLUE gas desulphurisation). Công nghệ này sử dụng chất hấp phụthường là vôi hoặc đá vôi để lấy đi dioxit lưu huỳnh từ ống hút khí. Các hệ thống FGD hiện nay đã được lắp đặt ở 27 nước và đã làm giảm nhiều khí thoát ra. Các máy lọc ướt (một công nghệ FGD sử dụngrộng rãi nhất) có thể thực hiện được hiệu suất thu hồi cao đến 99%. Chi phí thiết bị FGD cũng giảm đáng kể. Các công nghệ làm giảm oxit nitơ (NOx) gồm có các buồng đốt NOx thấp, khử chọn lọc có xúctác (SCR – Selective catalytic reduction), khử chọn lọc không xúc tác (SNCR). Các buồng đốt NOx thấp và các phương pháp tối ưu hóa buồng đốt đã được áp dụng để tối ưu hóa sự hình thành NOx trong khíđốt. Các phương pháp SCR và SNCR có thoát ra NOx thấp bằng cách xử lý NOx sau khi đốt trong ống khí. Công nghệ SCR thực hiện được 80 – 90% giảm NOx và đã được sử dụng thương mại ở Nhật Bản từ năm1980 và ở Đức 1986.

3. Phát triển các công nghệ tiên tiến

3.1. Đốt tầng sôi (Fluidised bed combustion = FBC)

Đốt tầng sôi FBC ở nhiều hình thức khác nhau làm giảm lượng khí NOx và SOx đến 90% và hơn. Ở các hệ thống lò FBC than được đốt trong lớp các hạt nung nóng lơ lửng trong dòng khí thổi. Các hệ thống FBC là phổ biến do sự thích nghi của thiên nhiên công nghệ. Hầu như bất cứ vật liệu chất đốt nào cũng có thể đốt được, ở Mỹ các hệ thống FBC ngày càng được sử dụng để đốt các đống chất thải than và mặt khác làm biến đổi môi trường trở thành nguồn có ích cho năng lượng điện.

3.2. Công nghệ nhà máy điện vượt mức tới hạn (Supercritical) và siêu mức tới hạn (Ultrasupercritical)

Các nhà máy thuộc loại này hoạt động ở các nhiệt độ và áp suất cao hơn các nhà máy thông thường. Chúng cho các hiệu suất cao hơn (đến 45%) và do vậy mà khí ra ít hơn. Người ta có thể hy vọng hiệu suất cao hơn (đến 50%) với nhà máy siêu mức tới hạn. Trên toàn thế giới hiện nay có hơn 400 nhà máy điện loại vượt mức tới hạn. Trong đó có một số ở các nước đang phát triển như ở Thượng Hải Trung Quốc có nhà máy điện đốt than Shidongkou. Nhà máy 2 x 600 MW này đã được đưa vào hoạt động năm 1990, được coi như nhà máy tiêu chuẩn cho các nhà máy mới. Hiện nay ở nước này có 09 nhà máy điện vượt mức tới hạn đang hoạt động và 16 cái đang xây dựng, cũng như 08 cái có dự kiến xây thêm. Tất cả các nhà máy loại này có công suất trên 21 GM.

3.3. Hệ thống khí hóa hợp chất, chu trình phối hợp (Integrated gasification combined cycle = IGCC)

Trong hệ thống này than không bị đốt trực tiếp mà tác động với Oxy và hơi nước để tạo ra hỗn hợp khí Syngas gồm có chủ yếu là hydro và monoxit cacbon. Hỗn hợp khí được làm sạch khỏi những chất bẩn và rồi được đốt trong tuabin khí để sinh ra điện và sản xuất ra hơi nước cho chu trình năng lượng hơi nước. Công nghệ IGCC cho hiệu suất cao (gần 50%) và có thể loại ra 95 – 99% lượng khí NOx và SOx thoát ra. Trên thế giới hiện nay có 160 nhà máy điện IGCC. Trong tương lai IGCC được coi là hướng đi cho hệ thống thoát khí ra cực thấp bằng cách thu và giữ lấy cacbon phục vụ một phần cho kinh tế hydro sau này. Tại hệ thống IGCC hỗn hợp khí Syngas được thay đổi để sản xuất dioxit cacbon và hydro, sau đó tách hydro ra và khí này có giá trị như là nhiên liệu sạch để sản xuất điện qua tuabin khí và các ô nhiên liệu (fuel cells). Sau đó cacbondioxit là có sẵn dưới dạng cô đặc để giữ lại.

4. Cùng phối hợp khai thác với các năng lượng mới

Các dạng năng lượng có thể tái tạo (như năng lượng gió, sinh khối (biomass), thủy điện... theo cơ quan năng lượng thế giới đánh giá vào năm 2030 sẽ chỉ chiếm ít hơn 5% tổng sản lượng cung cấp vào thời kỳ đó. Các dạng năng lượng nói trên do bản chất của chúng có xu hướng không liên tục và khó dự kiến trước. Thí dụ năng lượng thủy điện phụ thuộc vào các điều kiện địa lý và mưa. Nhiều dạng sinh khối là theo mùa và khó vận chuyển...

H2. Các giải pháp lưu giữ dioxit cacbon cc các nhà máy điện đốt than

Than có thể được sử dụng để khắc phục những khó khăn nêu trên và qua đó hỗ trợ cho sử dụng năng lượng có thể tái tạo. Than có ở khắp nơi trên thế giới, dễ dàng cho lưu giữ và vận chuyển; độtin cậy của nhiên liệu này có thể bù đắp lại những gì không chắc chắn trong mạng điện do sự gián đoạn của năng lượng mới. Ngoài ra sự phối hợp giữa than và năng lượng mới có thể làm gia tăng đáng kểhiệu quả của công nghệ năng lượng mới. Đây có thể là cách có hiệu quả nhất làm tăng khả năng sử dụng chúng. Các nhà máy điện đốt than thông thường có thể sử dụng khoảng 10% đến 20% sinh khối mà khôngthay đổi điều chỉnh và như vậy có thể giảm lượng khí nhà kính thoát ra. Những năng lượng mới khác cũng có thể được sử dụng phối hợp tương tự cùng với than: thí dụ như hòa lẫn hơi nước từ công nghệnhiệt mặt trời với chu kỳ hơi nước của nhà máy điện đốt than có thể là cách có hiệu quả để chuyển năng lượng mặt trời thành điện với chi phí thấp và hiệu suất cao hơn so với các lựa chọn khác như làquang Voltaic (photovoltaics).

5. Phát triển và thương mại hóa các công nghệ của thế hệ tiếp theo

Về lâu dài các công nghệ thu, giữ cacbon có tiềm năng không những là hướng đi có thể chấp nhận được về kinh tế và môi trường cho một tương lai ít cacbon mà còn cho phép THAN tạo ra cơ sở của nền kinh tế hydro.

- Lưu giữ và sử dụng cacbondioxit. Người ta đang tiến hành nghiên cứu một số giải pháp lưu giữ cacbon dioxit. Thí dụ một số giải pháp được giới thiệu ở hình H.2 dưới đây;

- Lưu giữ địa chất (geological storage): Bằng cách bơm cacbon dioxit vào các phần ngầm dưới mặt đất để có khả năng thường xuyên chứa khối lượng lớn cacbon dioxit trong thời gian dài. Cacbon dioxit được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp dầu (làm tăng sản lượng và tăng thu hồi);

- Chứa cacbon dioxit trong khối đá giữ nước có muối (salineaguifers). Hiện nay ở Biển Bắc đang tiến hành một dự án lớn để bơm vào một triệu tấn cacbon dioxit ở chiều sâu 800 – 1000m dưới đáy biển;

- Phương pháp bão hóa khí cacbonic trong khoáng sản (Mineral Carbonisation) là một quá trình cacbon dioxit tác động với các chất tự nhiên để sinh ra một sản phẩm về hóa tương ứng với khoáng sản cacbonat tự nhiên;

- Khí mêtan trong vỉa tăng lên là cơ hội có tiềm năng chứa cacbon dioxit trong các vỉa than không khai thác được.

Việc thu và giữ cacbon dioxit đưa ra một trong những giải pháp rất hứa hẹn nhằm giảm trên quy mô lớn lượng cacbon dioxit thoát ra do sử dụng năng lượng. Về kinh tế - kỹ thuật, việc này có thể so sánh trên quy mô rộng rãi với các giải pháp khác như là nguồn năng lượng mới.

6. Hydro từ THAN

Than với trữ lượng rộng khắp và lớn nhất trong các nhiên liệu hóa thạch, là ứng cử viên hàng đầu trong cung cấp hydro với số lượng cần thiết và trong thời gian yêu cầu. Nhiều nước đang bắt đầu thực hiện các chương trình hydro. Nhiều nước đang coi than là một giải pháp để sản xuất hydro. Hội đồng châu Âu đưa dự án hydro với 1,3 tỷ euros để sản xuất hydro và điện từ các nguồn năng lượng hóa thạch trong đó có than. Tương tự như vậy, chương trình của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ đã đưa ra thời gian 10 năm để chứng minh hydro qua công nghệ khí hóa than.

7. Kết luận

Đã giảm được đáng kể lượng cacbon dioxit thoát ra từ các nhà máy điện đốt than do nâng cao được hiệu suất. Tuy nhiên con đường đi đến tiêu thụ than bền vững là còn phải đi xa hơn nữa và thực hiện giảm nhiều hơn nữa bằng cách phát triển và áp dụng công nghệ không thoát ra khí. Không thể thực hiện một cách bất ngờ sản xuất điện mà không có khí. Tuy nhiên, cần phải xác định con đường hiện thực dẫn tới việc giảm khí thoát ra một cách cơ bản và bền vững. Bằng chính sách môi trường thuận lợi để dễ dàng thực hiện triển khai các công nghệ than sạch hiện có cũng như phát triển các công nghệ mới thuộc thế hệ tiếp theo, người ta có thể thực hiện tầm nhìn cho một hệ thống sản xuất trong đó lượng khí thoát ra là cực thấp ở thế kỷ 21.