Thách thức phát triển công nghệ thu giữ carbon

Cộng đồng khoa học đang nghiên cứu phát triển thế hệ tiếp theo của công nghệ thu giữ carbon, với chất hấp thụ rắn và màng cho thấy nhiều hứa hẹn. Những vật liệu này đòi hỏi ít năng lượng hơn và đã được sử dụng tại một số địa điểm có lượng khí thải CO2 tập trung. Vấn đề ngay lập tức thúc đẩy một số công ty bắt đầu phát triển các phương pháp khác, bao gồm việc sử dụng phương pháp đông lạnh và các khuôn khổ hữu cơ kim loại để hấp thụ khí.

Phương pháp phát hiện liên kết mới rẻ và hiệu quả hơn

Nhóm nhà nghiên cứu Đại học Colorado Boulder phát triển một công cụ mới có thể dẫn đến các công nghệ hiệu quả hơn và rẻ hơn để thu giữ những khí giữ nhiệt từ khí quyển và chuyển đổi chúng thành chất có lợi - như nhiên liệu hoặc vật liệu xây dựng.

Công nghệ thu giữ carbon như vậy có thể cần thiết trên quy mô lớn nhằm hạn chế mức cảnh báo toàn cầu trong thế kỷ này ở mức 1,5 độ C so với nhiệt độ thời kỳ tiền công nghiệp và chống lại mọi tác động thảm khốc của biến đổi khí hậu toàn cầu. Phương pháp này dự đoán độ bền liên kết giữa CO2 và phân tử giữ nó, được gọi là chất kết dính. Chẩn đoán điện hóa này có thể dễ dàng áp dụng cho bất kỳ phân tử nào có xu hướng liên kết hóa học với carbondioxide, cho phép nhà nghiên cứu xác định ứng cử viên phân tử phù hợp để thu CO2 từ không khí hàng ngày.

Oana Luca, đồng tác giả nghiên cứu mới, cho biết: “Chén Thánh, nếu bạn muốn, sẽ cố gắng sử dụng chất kết dính có thể thu CO2 từ không khí (xung quanh chúng ta), không chỉ các nguồn tập trung. Việc xác định độ bền của chất kết dính cho phép chúng tôi tìm ra liệu chất kết dính sẽ mạnh hay yếu, và xác định ứng viên cho nghiên cứu trong tương lai để thu giữ carbon trực tiếp từ các nguồn loãng”. Mục tiêu của công nghệ thu giữ và lưu trữ carbon là loại bỏ carbon dioxide khỏi khí quyển và lưu trữ nó một cách an toàn trong hàng trăm hoặc hàng nghìn năm.

Nhưng trong khi đã được sử dụng ở Mỹ từ thập niên 1970, công nghệ hiện thu giữ và lưu trữ chỉ 0,1% lượng khí thải carbon toàn cầu hàng năm. Để giúp đáp ứng những mục tiêu phát thải carbon theo quy định quốc tế, việc thu giữ và lưu giữ carbon sẽ phải tăng nhanh về quy mô vào năm 2050. Nhiều cơ sở công nghiệp hiện tại trên khắp thế giới dựa vào việc thu nhận carbon dioxide từ một nguồn tập trung, chẳng hạn như khí thải từ các nhà máy điện.

Mặc dù các phương pháp này có thể liên kết nhiều carbon dioxide một cách nhanh chóng và hiệu quả bằng cách sử dụng một lượng lớn chất kết dính hóa học nhất định, nhưng chúng cũng đặc biệt tiêu tốn nhiều năng lượng. Phương pháp này cũng khá tốn kém ở quy mô lớn để thu carbon dioxide và biến nó thành một thứ khác hữu ích, chẳng hạn như cacbonat, một thành phần trong xi măng; hoặc formaldehyde hoặc metanol, có thể được sử dụng làm nhiên liệu - theo Luca, chuyên gia Viện Năng lượng Tái tạo và Bền vững (RASEI). Thay vào đó, sử dụng các phương pháp điện hóa, chẳng hạn như phương pháp chi tiết trong nghiên cứu mới do Colorado Boulder dẫn đầu, sẽ giải phóng những cơ sở thu giữ carbon khỏi bị ràng buộc với các nguồn tập trung, cho phép chúng tồn tại ở hầu hết mọi nơi.

Theo Haley Petersen, đồng tác giả, việc có thể dễ dàng ước tính độ bền các liên kết hóa học cũng cho phép nhà nghiên cứu sàng lọc xem chất kết dính nào phù hợp nhất - và đưa ra giải pháp thay thế rẻ hơn cho những phương pháp truyền thống - để thu giữ và chuyển đổi carbon thành vật liệu hoặc nhiên liệu. Khoa học hóa học dựa trên một số dữ kiện cơ bản: Một là phân tử được cấu tạo từ nguyên tử, và hai là chúng được quay quanh bởi các electron. Khi nguyên tử liên kết với nguyên tử khác, chúng tạo thành phân tử. Và khi nguyên tử chia sẻ electron với nguyên tử khác, chúng hình thành cái được gọi là liên kết cộng hóa trị.

Sử dụng điện, nhóm nhà nghiên cứu có thể kích hoạt các liên kết này bằng cách sử dụng một điện cực để cung cấp một điện tử cho một phân tử. Khi họ làm điều đó với một phân tử imidazolium, giống như họ đã làm trong nghiên cứu này, một nguyên tử hydro sẽ bị loại bỏ, tạo ra một khoảng trống trong nguyên tử carbon cho một phân tử khác muốn liên kết với nó - chẳng hạn như carbon dioxide. Tuy nhiên, CO2 là loại phân tử thường không thích tạo liên kết mới. Luca nói: “Nó thường không hoạt động, và để phản ứng với nó, bạn cũng phải bẻ cong nó. Vì vậy, chúng tôi đang ở trong một không gian hóa học chưa thực sự được thăm dò trước đây, để thu giữ CO2”.

Phương pháp mà nhóm nhà nghiên cứu kiểm tra xem toàn bộ họ cacbene (một loại phân tử cụ thể, chứa nguyên tử cacbon trung tính), mà chúng có thể tạo ra điện hóa, liên kết CO2 tốt như thế nào. Luca kết luận: “Chỉ cần nhìn vào những phân tử rất đơn giản - những phân tử mà chúng ta có thể tạo ra, có thể sửa đổi - chúng ta có thể có được bản đồ năng lượng thu nhận carbon điện hóa. Đó là một bước nhảy vọt nhỏ hiện nay, nhưng có thể là một bước nhảy vọt lớn”. 

Tăng tốc độ tìm kiếm vật liệu thu giữ carbon

NIST - Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia Mỹ (thường được biết đến với tên gọi Viện Đo lường Quốc gia), là Phòng thí nghiệm tiêu chuẩn đo lường và là cơ quan phi quản lý của Bộ Thương mại Mỹ. Trong nỗ lực giảm thiểu rủi ro do biến đổi khí hậu, nhóm nhà khoa học của NIST đã bắt đầu khám phá vật liệu mới có thể hút CO2 đang làm ấm hành tinh ra khỏi bầu khí quyển, một kỹ thuật được gọi là “chụp không khí trực tiếp”.

Vật liệu chụp không khí trực tiếp đã tồn tại, nhưng chúng tốn quá nhiều tiền hoặc tiêu tốn quá nhiều năng lượng để được triển khai trên quy mô toàn cầu. Nhóm nhà khoa học NIST sử dụng mô phỏng máy tính để sàng lọc nhanh chóng các vật liệu giả định chưa bao giờ được tổng hợp nhưng có thể có đặc tính vật lý phù hợp để làm cho công nghệ này có thể mở rộng.

Kỹ sư hóa học Vincent Shen của NIST cho biết: “Cách truyền thống để sàng lọc vật liệu là tổng hợp chúng, sau đó kiểm tra trong phòng thí nghiệm. Mô phỏng máy tính tăng tốc quá trình khám phá một cách đáng kể”. Shen và đồng nghiệp của ông cũng đang phát triển các phương pháp tính toán mới sẽ đẩy nhanh việc tìm kiếm hơn nữa.

Shen phát biểu: “Mục tiêu của chúng tôi là phát triển các phương pháp mô hình hóa hiệu quả hơn nhằm trích xuất càng nhiều thông tin từ mô phỏng càng tốt. Bằng cách chia sẻ những phương pháp đó, chúng tôi hy vọng sẽ đẩy nhanh quá trình khám phá tính toán cho tất cả các nhà nghiên cứu làm việc trong lĩnh vực này”. Việc thu nhận không khí trực tiếp là rất quan trọng vì loài người đã làm thay đổi sâu sắc bầu khí quyển của Trái đất - một phần ba tổng lượng CO2 trong không khí là kết quả của hoạt động của con người.

“Thu giữ carbon là một cách để đảo ngược một số lượng khí thải đó và giúp nền kinh tế trở nên trung hòa carbon nhanh chóng hơn” - nhà hóa học Pamela Chu của NIST, người đứng đầu sáng kiến thu giữ carbon được đưa ra gần đây, nhận định.

Nhóm nhà khoa học NIST sử dụng mô phỏng máy tính để tính toán ái lực của vật liệu chụp tiềm năng đối với CO2 so với các khí khác trong khí quyển. Điều đó cho phép họ dự đoán vật liệu chụp sẽ hoạt động tốt như thế nào. Các mô phỏng cũng tạo ra những hình ảnh cho thấy cách thức hoạt động của quá trình thu giữ carbon trên quy mô phân tử. Loại vật liệu kết tinh xốp cho thấy hứa hẹn đặc biệt để thu giữ CO2.

Những vật liệu này được tạo thành từ các nguyên tử sắp xếp theo mô hình 3 chiều lặp lại để lại khoảng trống giữa chúng. Các electron phân bố không đồng đều trong cấu trúc tinh thể, tạo ra điện trường hấp dẫn ở một số nơi và đẩy ở những nơi khác. Các đường bao của trường đó phụ thuộc vào các loại nguyên tử trong tinh thể và sự sắp xếp hình học của chúng. Nếu tất cả các lực tác dụng vừa phải, phân tử CO2 sẽ bị lực hút tĩnh điện hút vào khoảng trống của tinh thể.

Vật liệu tinh thể xốp có thể được tổng hợp với nhiều loại nguyên tử khác nhau, và các nguyên tử có thể được cấu hình thành nhiều dạng hình học khác nhau. Các hoán vị hầu như là vô tận. Mô phỏng máy tính cho phép nhà khoa học khám phá vũ trụ bao la của những khả năng.

Kỹ sư hóa học Daniel Siderius của NIST cho biết: “Chúng tôi có thể tưởng tượng những vật liệu chưa từng tồn tại và dự đoán chúng sẽ hoạt động như thế nào”. Những mô phỏng trên máy tính kết hợp các quy tắc vật lý và phương pháp thống kê để dự đoán các phân tử CO2 sẽ chuyển động theo hướng nào khi chúng tiếp xúc với vật liệu bắt giữ - liệu chúng có bị hút vào khoảng trống, khuếch tán ra không khí xung quanh hay chỉ văng ra xung quanh ngẫu nhiên ở trạng thái cân bằng.

Hầu hết các phương pháp mô phỏng dự đoán hành vi của một hệ thống ở nhiệt độ, áp suất và mật độ xác định. Nhưng các phương pháp mô hình hóa từ NIST cho phép nhóm nhà nghiên cứu ngoại suy dữ liệu đó theo các điều kiện khác nhau. Siderius giải thích: “Giả sử bạn đã ước tính hành vi ở một nhiệt độ, nhưng bạn muốn biết điều gì sẽ xảy ra ở một nhiệt độ khác. Thông thường, bạn sẽ phải chạy một mô phỏng mới. Với hệ thống công cụ của chúng tôi, bạn có thể ngoại suy các nhiệt độ khác nhau mà không cần phải chạy một mô phỏng mới. Điều đó có thể tiết kiệm rất nhiều thời gian tính toán”.

Hiện tại, quy trình hiệu quả nhất để thu giữ carbon quy mô công nghiệp hoạt động bằng cách tạo bọt khí qua dung dịch hóa học. Nhưng việc thu giữ CO2 mới chỉ là một nửa của quá trình. Sau đó CO2 phải được loại bỏ khỏi dung dịch để nó có thể được lưu trữ và do đó dung dịch có thể được sử dụng lại. Điều này đòi hỏi phải đun nóng dung dịch đến nhiệt độ cao, tốn nhiều năng lượng.

Nhóm nhà nghiên cứu NIST hy vọng sẽ tìm ra một loại vật liệu có thể chiết xuất CO2 từ khí quyển ở nhiệt độ và áp suất bình thường nhưng giải phóng nó theo những thay đổi tương đối nhỏ về nhiệt hoặc áp suất. Quy trình lý tưởng sẽ có chi phí thấp - cả về tài chính và năng lượng - và không tạo ra các sản phẩm cuối cùng độc hại.