Vấn đề năng lượng toàn cầu: nhiên liệu nào tiếp sau dầu mỏ?

Tuy nhiên dầu mỏ là một loại năng lượng không tái tạo, trữ lượng của nó hữu hạn, đến một lúc nào đó rồi cũng chấm dứt. Qua hơn một trăm năm thăm dò, các mỏ dầu lớn hầu như đã phát hiện gần hết. Việc khai thác các mỏ đang hoạt động ngày càng khó khăn vì trữ lượng đi vào vào cạt kiệt. Trong lúc đó, nhu cầu nhiên liệu gốc dầu ngày một gia tăng. Với tính toán rất dè dặt nhất cũng cho thấy nhu cầu năng lượng thế giới trong thế kỷ 21 sẽ tăng với tốc độ 2% năm và như vậy đến năm 1020 loài người sẽ tiêu thụ 230 triệu thùng dầu/ngày, đến năm 2020 con số đó sẽ là 280 triệu thùng dầu/ngày. Trong lúc đó thì trữ lượng phát hiện mới lại thấp hơn rất nhiều lần so với sản lượng khai thác hàng năm. Vì vậy các nhà khoa học đã lên tiếng cảnh báo thời kỳ dầu mỏ sẽ chấm dứt trong thế kỷ này, thậm chí có thể sớm hơn, vào khoảng 2050. Nếu dầu mỏ chấm dứt thì loài người sẽ dùng năng lượng gì thay thế? Hàng tỉ động cơ đốt trong sẽ phải dùng nhiên liệu gi cho chúng hoạt động? Đó thực sự là một vấn đề rất hệ trọng đối với sự tồn tại và phát triển của loài người.

Từ viễn cảnh đó, các nước phát triển và một số các tập đoàn dầu khí lớn, siêu quốc gia đã bắt đầu đầu tư nghiên cứu nguồn năng lượng mới. Các nghiên cứu này không phải chỉ giới hạn trong tính chất khoa học hàm lâm mà phải gắn liền với thực tại phát triển công nghệ, ràng buộc bởi các điều kiện kinh tế mà tất cả các quốc gia có thể chấp nhận được.

Ngoài dầu mỏ, Trái đất còn chứa các nguồn năng lượng nào?

Từ lâu loài người đã biết đến năng lượng hạt nhân, địa nhiệt, nước, sóng, gió, thuỷ triều, năng lượng mặt trời... nhưng khả năng sử dụng với một tỷ lệ lớn trong cán cân năng lượng toàn cầu còn gặp rất nhiều khó khăn vì công nghệ phức tạp và giá thành quá cao. Vì vậy, song song với việc tiếp tục nghiên cứu tìm mọi khả năng khai thác, sử dụng các nguồn năng lượng này, người ta bắt buộc phải nghĩ đến sử dụng các nguồn chứa cacbon truyền thống, ít nhất là để thay thế dầu mỏ trong thời hạn gần, tạo một giai đoạn chuyển tiếp từ thời kỳ dầu mỏ sang một thời kỳ khác không còn dính dáng đến cacbon.

Theo con đường này người ta đã nêu lên các nguồn tài nguyên cacbon hữu cơ thay thế dầu mỏ sau đây:

- Khí thiên nhiên truyền thống và khí than.

- Các loại than đá.

- Đá phiến sét, đá cát ngậm dầu.

- Hydrat.

- Chất thải sinh khối.

- Sinh khối có mục đích năng lượng.

Ta thử xem xét các loại nêu trên.

Khí thiên nhiên truyền thống: Trong khái niệm này ta hiểu là các loại hydrocacbon chứa từ C1 đến C5 trong công thức hoá học của chúng, tồn tại dưới dạng sinh khí, tập trung thành mỏ độc lập hoặc đi cùng với các mỏ dầu. Tính đến năm 2002 tổng trữ lượng khí đốt toàn cầu đã được xác minh là 145 nghìn tỷ mét khối nhưng phân phối không đồng đều trên các châu lục và đại dương, phần lớn lại ở xa các trung tâm tiêu thụ nên việc khai thác vận chuyển khá tốn kém, dẫn đến giá thành cao, chưa trở thành một hàng hoá mang tính thị trường toàn cầu.

Khí than: Hiểu là khí methane (CH4) chứa trong than đá. Chúng là loại hydrocacbua đơn giản nhất, sinh thành trong quá trình hoá than của động - thực vật bị chôn vùi trong môi trường oxy hoá và tích tụ dưới dạng hấp phụ trong mang tinh thể than cũng như các vi kẽ nứt rất phong phú trong các lớp thân. Chúng khác với khí thiên nhiên truyền thống ở chỗ nguồn sinh, chứa, chắn là một, cơ chế để giữ khí than trong than là lực hấp phụ liên quan đến áp suất của nước ngầm trong than). Với thể tích một khối đá chứa bằng nhau thì lượng khí chứa trong than lớn gấp 7 lần. Hiện nay khí than được khai thác công nghiệp ở Mỹ, Trung Quốc và ở nhiều nước giàu than đá khác. Riêng ở Mỹ trữ lượng khí than năm 2000 chiếm 8,8% tổng trữ lượng khí đốt cả nước và sản lượng khai thác đạt 9,2% tổng nhu cầu khí khô, tức là 272 tỷ mét khối, gấp 130 lần sản lượng khí đốt nước ta năm 2002. Khai thác, sử dụng khí than không ảnh hưởng gì đến công việc khai thác than đá, không làm giảm giá trị của than đá mà còn giúp loại bỏ nguy cơ cháy nổ rất nguy hiểm trong phương pháp khai thác hầm lò, giảm thiểu ô nhiễm không khí do lượng methane khổng lồ thải vào khí quyển trong quá trình khai thác.

Than đá: Vẫn là nhiên liệu nổi bật trong ngành điện lực vì giá thành thấp nhưng nhược điểm lớn nhất là mức độ gây ô nhiễm môi trường rất lớn (thải khí CO CO ₂, H ₂S và chất thải rắn, tro bụi...). Hiện nay người ta đang nghiên cứu các phương pháp sử dụng than phù hợp với nhu cầu bảo vệ môi trường để có thể sử dụng nguồn tài nguyên khổng lồ này trong tương lai. Một trong những hướng đầy triển vọng đó là khí hoá than tức là chuyển hoá than đá từ thể rắn qua thể khí bằng con đường nhân tạo.

Đá phiến sét và đá cát ngậm dầu: Rất dồi dào ở Mỹ, Canada và một số nước ở Nam Mỹ. Chúng được đánh giá là nguồn nguyên liệu để chế biến thành nhiên liệu lòng với trữ lượng toàn cầu ước đạt 12000 tỷ thùng dầu tương đương. Tuy nhiên những vấn đề môi trường liên quan đến khai thác, chế biến rất lớn, điều đó dẫn tới giá thành quá cao, hiện nay chưa cạnh tranh được với các nhiên liệu khác.

Hydrat: Là loại khí methane bị đóng băng tự nhiên ở những tầng đất đóng băng vĩnh cửu hoặc ở tầng trầm tích nông ở các biểu sâu và đáy đại dương. Khối lượng hydrat khí lớn gấp nhiều lần so với trữ lượng khí đốt đã biết. Các nước Mỹ, Nhật, Canada, Anh, Pháp, Đức đang đầu tư nghiên cứu phương pháp khai thác, thu hồi khí methane từ nguồn này nhưng cho đến nay chưa thu được kết quả có thể ứng dụng ở mức độ công nghiệp. Tuy nhiên các nhà khoa học cho biết đây là nguồn khí đốt đầy triển vọng, có khả năng đảm bảo nguồn năng lượng thay thế cho dầu khí truyền thống trong tương lai xa.

Chất rác thải sinh khối: Có thể được chuyển thành nhiên liệu lỏng dựa vào công nghiệp hiện nay nhưng khối lượng hạn chế, chỉ có giá trị kinh tế trong phạm vi hẹp. Tuy nhiên đây cũng là nguồn đáng lưu ý vì nó kết hợp giải quyết yêu cầu xử lý rác thải ở các thành phố, các địa bàn đông dân cư và các chất thải công – nông nghiệp.

Sinh khối có mục đích năng lượng: Là nguồn nhiên liệu lỏng chế biến từ các sản phẩm nông – lâm nghiệp được trồng theo mục đích sản xuất năng lượng. Đây cũng là một hướng đang được nghiên cứu triển khai nhưng phải cạnh tranh với các nguồn tài nguyên đất, nước tưới, thực phẩm, cây có sợi, cây công nghiệp mang lại nhiều lợi nhuận, do đó khối lượng cũng bị hạn chế.

Chuyển đổi cacbon hữu cơ sang nhiên liệu lỏng

Như đã thấy ở phần trên, yêu cầu của tất cả các loại động cơ dùng trong thế kỷ này chủ yếu vẫn là nhiên liệu dạng lỏng, cho nên vấn đề chuyển hoá nhiên liệu rắn hay dưới dạng khí trở về dạng lỏng là hết sức quan trọng.

Nói chung quy trình chuyển đổi cacbon sang nhiên liệu lỏng gồm những giai đoạn sau đây:

- Đổi mới quy trình lọc dầu truyền thống.

- Khí hoá và reforming.

- Nhiệt phân.

- Hydro hoá.

- Lên men.

Với quy trình lọc dầu truyền thống, một thùng dầu thô không thể cho một lượng xăng dầu bằng với thể tích ban đầu. Nguyên nhân dẫn đến tình trạng này không phải vì công nghệ mà là vì kinh tế. Thực vậy, khi giá dầu thô rẻ, các nhà máy lọc dầu không dùng các phương pháp chế biến sâu để tận thu xăng dầu từ cặn vì điều này không mang lại hiệu quả cao về chi phí. Khi giá dầu thô tăng mạnh thì các quy trình chế biến sâu được khuyến khích. Số lượng cacbon hữu cơ dư thừa dưới dạng cặn trong các quy trình chế biến truyền thống có thể sử dụng đơn giản bằng cách đốt trong các nhà máy phát điện nhưng điều đó không kinh tế bằng áp dụng các quy trình khí hoá để thu khí tổng hợp để từ đó chuyển hoá thành nhiên liệu lỏng. Mục đích của quy trình khí hoá và refroming là chuyển hydrocacbon hữu cơ thành khí tổng hợp CO và Hydro. Sau đó khí này được cho phản ứng để sản xuất các loại xăng dầu và nguyên liệu hoá dầu. Dưới góc độ nhiệt hoá học, khí hoá là một quá trình thu nhiệt mạnh, đây là một đặc điểm chính trong thiết kế quy trình khí hoá. Năng lượng cần thiết cho phản ứng khí hoá phải được cung cấp liên tục bằng cách tăng thêm oxy vào hỗn hợp phản ứng thông qua oxy hoá khí thiên nhiên hoặc đốt khí thiên nhiên cùng hỗn hợp hơi nước trong lò. Ammonia, methanol, axit axetic v.v... được sản xuất nhờ những tiến bộ sử dụng hơi nước để sản xuất khí tổng hợp và từ đó chế biến thành các nhiên liệu lỏng, đặc biệt là methanol. Theo lý thuyết methanol là một loại nhiên liệu động cơ đốt trong rất tốt nhưng hiện nay vì nhiều lý do, điều đó chưa được thực hiện. Ngoài methanol, khí tổng hợp có thể chế biến thành ete dimethyl, tức là loại dầu diesel rất tốt không chứa methanol.

Như vậy từ dầu cặn có thể sản xuất khí tổng hợp và khí thiên nhiên (gồm cả khí than) có thể chế biến thành khí lỏng đồng thời cũng có thể chế biến thành khí tổng hợp với nhiều lợi ích nói trên. Cũng cần nhấn mạnh rằng gỗ và các loại nguyên liệu hữu cơ khác cũng có thể được khí hoá để thu khí tổng hợp. Những dự báo dài hạn về giá dầu tăng cao theo quá trình cạn kiệt nguồn dầu thô là động lực quan trọng thúc đẩy tiến trình xây dựng các nhà máy sản xuất nhiên liệu lỏng sử dụng công nghệ khí hoá.

Nhiệt phân, nếu đánh giá bề ngoài thì đây là một quy trình rất đơn giản. Ta biết rằng đốt nóng bất kỳ một loại nguyên liệu nào chứa cacbon trong môi trường thiếu oxy nó sẽ chuyển thành ba sản phẩm: dầu lỏng, khí và than. Sản xuất than cốc luyện kim và than củi là những ví dụ của quy trình nhiệt phân.

Quy trình nhiệt phân có thể ứng dụng rộng rãi trong tương lai đối với các loại than đá để từ đó sản xuất nhiên liệu lỏng.

Hydro hoá là một quy trình tốn kém, đòi hỏi hydro ở áp suất cao và chất xúc tác đặc biệt. Đây là một quy trình sẽ được áp dụng để sản xuất các sản phẩm dầu khi cần thiết, đặc biệt để loại bỏ những thành phần có hại như lưu huỳnh và aromatic. Hydro hoá cũng được xem là quá trình hoá lỏng than trực tiếp. Hiện nay quy trình này không được coi là phương pháp hấp dẫn vì giá thành quá cao.

Quy trình lên men được áp dụng để sản xuất ethanol, một loại nhiên liệu tốt dùng cho động cơ đốt trong. Nguyên liệu sử dụng là tinh bột, các loại rau quả chứa đường, xenluylo chứa trong gỗ hoặc rác thải. Gần đây khi giá dầu tăng cao, các nước như Mỹ, Brazin, Thái Lan đã áp dụng nhiều biện pháp khuyến khích sản xuất ethanol để pha vào xăng, vừa để thay thế một phần xăng dầu nhập khẩu, vừa để phát triển nông nghiệp, tạo công ăn việc làm cho nông dân và chế biến sản xuất nông nghiệp.

Một hướng đi khác nữa là sản xuất diesel sinh hoá từ dầu rau quả và mỡ động vật thông qua ete hoá với methanol. Diesel sinh hoá cũng là một loại nhiên liệu rất tốt. Ưu thế của nó nằm trong khả năng sản xuất tái tạo giống như các nhiên liệu lỏng chế biến từ các nguồn sinh khối.

Hiện nay trên thế giới nói nhiều về nền kinh tế hydrogen tiếp theo sau thời kỳ dầu mỏ vì hydro dùng trong tế bào nhiên liệu là một dạng năng lượng giàu tiềm năng. Nguồn hydro kinh tế nhất trong điều kiện hiện nay là reforming khí thiên nhiên, khí than, khí hydrat. Ý tưởng dùng hydro làm nhiên liệu thật là hấp dẫn nhưn những khó khăn về an toàn trong tàng trữ, vận chuyển, phân phối, sử dụng là những lực cản vô cùng lớn mà khoa học kỹ thuật sẽ phải vượt qua.

Trong tầm nhìn dài hạn thì sau thời kỳ dầu mỏ và các loại khí đốt sẽ là thời đại của năng lượng nguyên tử, nước, gió, nhiệt mặt trời, địa nhiệt, sóng, thuỷ triều và nhiên liệu sinh khối. Sử dụng chúng trong sản xuất điện ở các nhà máy điện là điều dễ thực hiện mặc dù giá thành cao nhưng sử dụng trong giao thông vật tải thì còn vô vàn trở ngại. Nhiên liệu tái tạo tất yếu sẽ chiếm lĩnh thị trường trong các thế kỷ sau hoặc nhanh nhất là vào cuối thế kỷ này. Còn trong nhu cầu ngắn hạn và trung hạn thì loài người vẫn còn phải dựa trên nguồn năng lượng dầu, khí đốt các loại, than đá. Tìm kiếm, thăm dò các nguồn này, kể cả uranium, nguồn địa nhiệt, nguồn sóng thuỷ triều - hải lưu v.v... vẫn tiếp tục còn là nhiệm vụ nặng nề của những người làm công tác địa vật lý trong tương lai. Cho nên bên cạnh các mục tiêu khoa học khác, mục tiêu đáp ứng nhu cầu năng lượng toàn cầu cũng như từng quốc gia đòi hỏi phải đào tạo, bồi dưỡng đội ngũ cán bộ địa vật lý ngang tầm với nhiệm vụ mà cả xã hội trông chờ vào họ.

Nguồn: Bản tin “Địa cầu”, số 3, 12/2002, tr 8