Nghiên cứu phát triển quy trình hướng tới nền kinh tế trung hòa carbon

Carbon neutral còn gọi là trung hòa carbon

1-Phát triển công nghệ sản xuất và ứng dụng phụ gia nhiên liệu đa năng tiên tiến nhằm sử dụng hiệu quả năng lượng và giảm phát thải ô nhiễm

Cùng với sự phát triển của nền kinh tế, nhu cầu sử dụng năng lượng ngày càng tăng. Đứng trước thách thức về nguồn năng lượng hóa thạch đang ngày càng cạn kiệt, giá nhiên liệu lên xuống bấp bênh, kèm theo vấn đề ô nhiễm môi trường từ các hoạt động sử dụng năng lượng, giải pháp sử dụng các nhiên liệu có phẩm cấp thấp và/hoặc nhiên liệu thứ cấp (hay còn gọi là nhiên liệu thay thế) ngày càng được quan tâm. Nhìn chung, việc sử dụng nhiên liệu thay thế tùy thuộc vào tình hình kinh tế, định hướng chiến lược và thói quen truyền thống của mỗi quốc gia. Cụ thể, có thể áp dụng các quá trình chế biến khác nhau để sản xuất nhiên liệu thay thế ở dạng rắn, lỏng hay khí, từ phế thải (săm, lốp xe đã qua sử dụng, sinh khối và chất thải hữu cơ, dầu nhớt thải …). Bên cạnh đó, do trữ lượng than trên thế giới lớn hơn nhiều lần so với trữ lượng các nhiên liệu hóa thạch khác (dầu mỏ và khí đốt), xu hướng tiếp tục phát triển nhiệt điện than, cũng như các quá trình công nghiệp có sử dụng than, đối với nguồn than có chất lượng kém và ngày càng suy giảm chất lượng, đã dẫn đến sự gia tăng của việc sử dụng nhiên liệu không theo thiết kế và hậu quả là làm suy giảm các đặc tính kinh tế, kỹ thuật và môi trường của các nhà máy nhiệt điện than và các quá trình công nghiệp sử dụng than. Trong mối liên hệ này, việc đốt cháy nhiên liệu rắn hiệu quả hơn nhờ sử dụng các phương pháp hiện có, bao gồm cả việc sử dụng phụ gia nhiên liệu, là một giải pháp thú vị trong công nghiệp lò đốt. Vấn đề đặt ra là làm thế nào để sử dụng được nhiên liệu thay thế một cách hiệu quả, đồng thời vẫn đảm bảo kiểm soát được khả năng phát sinh các khí thải trong quá trình sử dụng nhiên liệu phẩm cấp thấp và/hoặc nhiên liệu thay thế.

Xuất phát từ cách tiếp cận khoa học nêu trên, bộ phụ gia nhiên liệu đa năng tiên tiến nhằm sử dụng hiệu quả năng lượng và giảm phát thải ô nhiễm, gồm FNT6VN và ECOAL (Nhãn hiệu đã được đăng ký bảo hộ độc quyền) đã được phát triển, sản xuất và thương mại hóa dựa trên kết quả của quá trình nghiên cứu khoa học sâu rộng về chất xúc tác để đốt cháy nhiên liệu rắn và lỏng (Công nghệ đã được đăng ký độc quyền sở hữu trí tuệ).

FNT6VN và ECOAL đã được áp dụng tại Nhà máy xi măng Tân Thắng (Tập đoàn TH), công suất 2 triệu tấn/năm, từ năm 2021, tạo ra hiệu quả vượt trội trong việc tiết kiệm chi phí năng lượng trong quá trình sản xuất clinker, giảm phát thải khí ô nhiễm, giảm bám dính và tắc nghẽn trong lò nung clinker và calciner, tăng tuổi thọ của gạch chịu lửa trong lò nung clinker, dẫn đến giảm chi phí bảo trì, bảo dưỡng. Hiện tại, việc sử dụng bộ phụ gia FNT6VN và ECOAL tại nhà máy góp phần giảm 90-170 tỷ đồng/năm tổng chi phí năng lượng trong sản xuất clinker. Đặc biệt, nhờ sử dụng ECOAL, Nhà máy xi măng Tân Thắng đã thành công trong việc sử dụng than cám 6a, thay thế hoàn toàn loại than thiết kế là than cám 4a. Đây là thành tựu công nghệ có ý nghĩa đặc biệt, vì hiện nay chưa có nhà máy xi măng nào trên thế giới thành công trong việc thay thế hoàn toàn loại than thiết kế bằng loại than có phẩm cấp thấp hơn nhiều, trong khi vẫn đảm bảo vận hành ổn định và đảm bảo năng suất, chất lượng clinker.

2-Phát triển quá trình nhiệt phân và carbon hóa thủy nhiệt sinh khối thu biochar và hydrochar

Trong số các quá trình chuyển hóa sinh khối thành chất mang năng lượng và/hoặc các sản phẩm có giá trị, hướng tới mục tiêu trung hòa carbon, quá trình cacbon hóa thủy nhiệt (Hydrothermal carbonization - HTC) là một trong những phương pháp tốt nhất vì quy trình này thân thiện với môi trường, dễ vận hành và đạt hiệu quả về mặt kinh tế. Quá trình HTC có thể tạo ra cả sản phẩm rắn và lỏng, tương ứng là than thủy nhiệt (hydrochar) và chất hữu cơ hòa tan trong nước. Sản phẩm rắn có các đặc điểm giống như một dạng than để đốt, với hàm lượng carbon cao và có khả năng kháng phân hủy so với sinh khối. Các lợi ích khác của quá trình HTC là tăng hiệu quả sử dụng carbon, giảm phát thải chất ô nhiễm và tăng giá trị của sinh khối. Đặc biệt, do có nguồn gốc từ nguyên liệu sinh khối, hydrochar là nhiên liệu trung hòa carbon. Quá trình HTC được thực hiện trong môi trường nước, ở nhiệt độ từ 150 đến 350°C, thấp hơn nhiều so với quá trình nhiệt phân (thường từ 300°C – 650°C) và ở áp suất cao, trong vài giờ. Trên thế giới, nhiều loại sinh khối khác nhau đã được nghiên cứu làm nguyên liệu cho HTC, bao gồm vỏ cọ dầu, bùn thải, rơm lúa mì, bã cam, vỏ cây bạch đàn, vỏ hạt cải dầu, rong biển, và tảo.

Gần đây, nhóm nghiên cứu của chúng tôi đã thành công trong nghiên cứu và phát triển quy trình “một nồi” đơn giản, thân thiện môi trường, sử dụng chất xúc tác rắn để chế biến vỏ hạt điều thành than thủy nhiệt rắn, phù hợp với các ứng dụng làm nguyên liệu có giá trị trong công nghiệp và cung cấp năng lượng sạch. Quy trình gồm hai công đoạn chính, diễn ra chỉ trong một thiết bị phản ứng duy nhất và sử dụng một loại chất xúc tác rắn, trong đó tác nhân chiết dầu vỏ hạt điều khỏi vỏ hạt điều, là nước khử khoáng, được hồi lưu để sử dụng cho quá trình carbon hóa thủy nhiệt bã vỏ hạt điều, trong khi dịch lỏng thu được từ quá trình carbon hóa thủy nhiệt bã vỏ hạt điều được hồi lưu cho quá trình chiết dầu. Quy trình đạt hiệu quả cao không chỉ nhờ chất xúc tác rắn mà còn nhờ tận dụng được sự có mặt của các axit hữu cơ sẵn có trong bã vỏ hạt điều và trong dịch lỏng hồi lưu, đóng vai trò là chất tự xúc tác. Quy trình này không chỉ giải quyết được vấn đề ô nhiễm môi trường từ phế thải của quá trình chế biến hạt điều mà còn mang lại giá trị gia tăng cho phế thải vỏ hạt điều.

Bên cạnh đó, nhóm nghiên cứu đã phát triển thành công quá trình nhiệt phân sinh khối cải tiến để sản xuất biochar chất lượng cao, với diện tích bề mặt riêng đạt tới 200 m²/g, cao gấp hàng trăm lần so với quá trình truyền thống, từ đó tạo ra được chế phẩm cố định carbon trong đất, góp phần quan trọng trong chiến lược trung hòa carbon.

Sự kết hợp của hydrochar, biochar và một số thành phần khác đã cho phép nhóm tác giả tạo ra chế phẩm đất hữu cơ đa dụng GaiaPro (Nhãn hiệu đã được đăng ký bảo hộ độc quyền), không chỉ đóng vai trò là chế phẩm cố định carbon trong đất mà còn có tính năng nâng cao hiệu quả nông nghiệp bền vững, tiết kiệm nước tưới và duy trì dinh dưỡng lâu dài, mang đến hương vị thực sự của rau, chè, dược liệu/thảo mộc và trái cây, màu sắc và mùi thơm thực sự của hoa. Hiện chế phẩm đang là đối tượng của quá trình sản xuất thử nghiệm để thương mại hóa.

3-Phát triển quá trình sản xuất năng lượng sinh học và sản phẩm sinh học từ phế thải và sinh khối thế hệ III (vi tảo)

Nhiều loại nguyên liệu, trong đó có vi tảo, để sản xuất năng lượng sinh học thế hệ III đang được nghiên cứu như là những lựa chọn thay thế khả thi cho các nguồn năng lượng truyền thống, trung và dài hạn.

Vi tảo có khả năng sản xuất dầu béo quanh năm. Năng suất dầu béo của vi tảo lớn hơn so với cây trồng thông thường. Hàm lượng lipid (dầu béo) của vi tảo nằm trong khoảng 20–50%, lớn hơn so với các nguồn sinh khối cạnh tranh khác. Nhiên liệu sinh học sản xuất từ dầu vi tảo có khả năng phân hủy sinh học cao, thân thiện với môi trường. Vi tảo có thể phát triển với tốc độ cao, gấp 50 lần so với cỏ switchgrass - loại cây trồng trên cạn phát triển nhanh nhất. Vi tảo có hiệu suất chuyển hóa photon cao hơn mọi loại cây trồng - đạt giá trị khoảng 3 - 8% so với 0,5% đối với thực vật trên cạn. Vi tảo là một nguồn cung cấp nhiên liệu thay thế không cạnh tranh với lương thực, thực phẩm và nó có thể được nuôi trồng trong nước thải, như một nguồn chất dinh dưỡng. Không chỉ vậy, các quá trình nuôi trồng vi tảo công nghiệp là các quá trình tích hợp để thu giữ CO₂, góp phần giải quyết vấn đề nóng lên toàn cầu và tạo ra các sản phẩm phụ có giá trị, như lipid, carbohydrate, protein và các nguyên liệu khác nhau, có thể được chuyển hóa thành nhiên liệu sinh học và các vật liệu hữu ích khác. Vi tảo có khả năng trở thành một nguồn nguyên liệu thiết yếu để sản xuất acid amin, vitamin và tạo ra các sản phẩm phụ có giá trị. Sản xuất vi tảo được biết đến là ngành kinh doanh có lợi hơn trong quá trình công nghệ sinh học. Đó là quá trình ít chất thải và an toàn với môi trường.

Sản xuất nhiên liệu sinh học từ vi tảo có thể cố định CO₂.

Nhóm nghiên cứu của chúng tôi đã xây dựng chiến lược nghiên cứu sản xuất năng lượng sạch với giá cạnh tranh từ sinh khối vi tảo chứa dầu bằng năng lượng mặt trời và CO₂, theo hướng công nghệ khép kín không phế thải (Hình 1).

Theo đó, đề tài lựa chọn nghiên cứu phát triển công nghệ nuôi trồng vi tảo theo phương thức tạp dưỡng.

Ánh sáng dùng để cung cấp cho hệ thống thiết bị phản ứng quang sinh là ánh sáng đèn LED, trực tiếp chiếu ánh sáng liên tục, gần giống như ánh sáng mặt trời, trong suốt thời gian sinh trưởng của vi tảo. Điều này giúp sản xuất vi tảo được suốt 24h trong ngày, nếu cần thiết. Các tấm pin mặt trời được sử dụng để cung cấp năng lượng cho đèn LED.

Sinh khối vi tảo sẽ được thu hoạch bằng phương pháp keo tụ, sử dụng các tác nhân keo tụ có nguồn gốc từ tự nhiên, an toàn, thân thiện với môi trường, hứa hẹn mang lại hiệu quả kinh tế - kỹ thuật và môi trường.

Dầu vi tảo được chiết tách bằng công nghệ chiết lạnh trực tiếp sinh khối tươi - phương pháp tiến tiến nhất hiện nay. Công nghệ này không sử dụng nhiệt, dung môi, hóa chất, enzyme ngoại sinh, không cần cung cấp năng lượng để sấy khô sinh khối, không làm ảnh hưởng đến chất lượng của các hoạt chất có giá trị trong tảo. Chính vì vậy, ngoài dầu béo, có thể tận thu các sinh khối còn lại trong bã vi tảo sau tách dầu béo, như nguồn nguyên liệu quí để sản xuất ra các chế phẩm có giá trị về mặt kinh tế.

Nguyên lý quá trình sản xuất năng lượng sinh học thế hệ III và các chế phẩm sinh học từ vi tảo, nuôi trồng tạp dưỡng, sử dụng CO2 và ánh sáng mặt trời

Các kết quả nghiên cứu KHCN và đổi mới sáng tạo của hướng nghiên cứu này sẽ được giới thiệu trong thời gian sắp tới.