Texas là tiểu bang phát thải khí nhà kính nhiều nhất tại Hoa Kỳ: Tiểu bang giàu dầu mỏ này thải ra lượng carbon dioxide gấp đôi so với tiểu bang đứng thứ hai là California và bằng cả nước Đức.
Nhưng không khí ở Texas có thể sớm được cải thiện đôi chút. Tháng 4 năm ngoái, công ty 1PointFive có trụ sở tại Texas đã khởi công xây dựng một cơ sở thu khí trực tiếp có tên là Stratos, với mục tiêu đến năm 2025 sẽ hấp thụ 500.000 tấn CO2 trong khí quyển mỗi năm. Con số này cao hơn 125 lần so với nhà máy thu khí trực tiếp lớn thứ hai.
Khái niệm thu giữ không khí trực tiếp đã xuất hiện trong nhiều thập kỷ. Trước tình trạng nhiệt độ toàn cầu và mức CO2 tăng vọt, ý tưởng này rất đơn giản: loại bỏ một số CO2 đó khỏi không khí và chôn chúng xuống đất hoặc biến chúng thành một sản phẩm có thể bán được. Sau nhiều năm thử nghiệm và thí nghiệm trong phòng thí nghiệm, những nỗ lực này bắt đầu đạt được sức hút thương mại từ vài năm trước. Hiện nay, thu giữ không khí trực tiếp đang tăng tốc nghiêm túc, với khoảng 20 nhà máy đang hoạt động trên khắp Châu Âu, Canada và Hoa Kỳ, nơi Bộ Năng lượng đang tài trợ cho bốn trung tâm thu giữ không khí trực tiếp theo khu vực. Trên toàn cầu, hơn 100 nhà máy đang ở một số giai đoạn phát triển.
Mặc dù khái niệm này rất đơn giản, nhưng vẫn còn rất nhiều rào cản. Xây dựng và vận hành một nhà máy thu khí đắt hơn khoảng 50 lần so với việc trồng cây trên mỗi tấn CO2 được hấp thụ. Các nhà nghiên cứu đang nỗ lực đưa ra các vật liệu và hệ thống mới để giảm giá thành, được khuyến khích bởi tiền thưởng của chính phủ và các khoản giảm thuế và tín dụng carbon ngày càng tăng.
Việc lấy CO2 trực tiếp từ không khí rất tốn kém, nhưng có thể thực hiện ở hầu hết mọi nơi, với kết quả dễ định lượng.
Những động lực đó rất quan trọng vì vấn đề lớn thứ hai: quy mô. Các nhà máy đang hoạt động hiện nay cùng nhau chỉ thu được 10.000 tấn CO2 mỗi năm. Dự án lớn nhất trong số này — một dự án có tên Orca, do Climeworks điều hành tại Iceland — hấp thụ 4.000 tấn mỗi năm. Nhưng lộ trình hướng đến mục tiêu phát thải ròng bằng 0 vào năm 2050 của Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IEA) kêu gọi thu 80 triệu tấn CO2 từ không khí mỗi năm vào năm 2030 và hơn một tỷ tấn vào năm 2050. Điều đó sẽ liên quan đến một nỗ lực to lớn, đòi hỏi phải xây dựng hàng chục nhà máy quy mô megaton mỗi năm. Stratos sẽ chỉ là nhà máy đầu tiên.
“Về mặt công nghệ thì khả thi”, nhà phân tích Katie Lebling của Viện Tài nguyên Thế giới, người đã nghiên cứu chủ đề này trong một bài báo làm việc năm 2022, cho biết. Nhưng bà nói thêm, “tất cả các chính sách đã sẵn sàng chưa? Có nguồn tài chính chưa? Mọi người có ủng hộ không?”
Cuộc đấu tranh để đạt được mức phát thải ròng bằng 0 vào năm 2050 là có thật. Trong khi thế giới tăng cường lắp đặt năng lượng gió và mặt trời để thay thế việc đốt nhiên liệu hóa thạch, Ủy ban liên chính phủ về biến đổi khí hậu (IPCC) kết luận rằng việc loại bỏ carbon dioxide, mặc dù không phải là giải pháp thay thế cho việc giảm phát thải sâu, “là một phần của tất cả các kịch bản mô hình hóa nhằm hạn chế sự nóng lên toàn cầu ở mức 2 độ C hoặc thấp hơn vào năm 2100”.
Bản vẽ nhà máy thu khí trực tiếp Stratos hiện đang được 1PointFive xây dựng tại Texas.
1PointFive
Có rất nhiều cách để loại bỏ carbon khỏi không khí, mỗi cách đều có ưu và nhược điểm. Trồng và bảo vệ rừng và các hệ sinh thái khác — được gọi là các giải pháp dựa trên thiên nhiên — tương đối rẻ, có thể thực hiện trên quy mô lớn và có rất nhiều lợi ích phụ, bao gồm cung cấp môi trường sống cho các loài có nguy cơ tuyệt chủng, bảo vệ lũ lụt hoặc tăng nguồn cung cấp thực phẩm cho con người. Báo cáo đặc biệt năm 2018 của IPCC về sự nóng lên toàn cầu ở mức 1,5°C đã tính toán rằng có thể giảm tới 11 tỷ tấn CO2 theo cách này mỗi năm vào năm 2050, một phần lớn trong số khoảng 35 tỷ tấn khí thải hiện nay. Nhưng lượng carbon được thiên nhiên lưu trữ có thể khó ước tính và không chắc chắn: Ví dụ, một đám cháy rừng có thể xóa sổ một khu rừng.
Theo IEA, việc thu giữ CO2 trực tiếp từ ống khói của các nhà máy điện và các hoạt động công nghiệp khác, như nhà máy bê tông, là những lĩnh vực khó giảm thiểu, nên được sử dụng để hấp thụ gần 4 tỷ tấn CO2 mỗi năm vào năm 2050. Nhưng các phương pháp này không tác động đến CO2 cũ, vốn loãng hơn trong khí quyển. Việc thu giữ CO2 trực tiếp từ không khí rất tốn kém, nhưng có thể thực hiện ở hầu hết mọi nơi, với kết quả dễ định lượng. Mục tiêu của IEA là khoảng 1 tỷ tấn vào năm 2050 là một phần nhỏ hơn nhưng vẫn đáng kể.
Khi CO2 được thu giữ, các công ty cần quyết định nên làm gì với nó: chôn hoặc sử dụng nó để sản xuất sản phẩm.
Ngày nay, có hai chiến lược chính để thu không khí, mỗi chiến lược đều liên quan đến các quạt lớn hút không khí vào khu vực xử lý. Chiến lược đầu tiên hấp thụ CO2 vào một bộ lọc rắn; sau đó, sự kết hợp giữa áp suất thấp và nhiệt độ vừa phải (khoảng 90 độ C) sẽ kéo CO2 cô đặc trở lại. Quá trình này có nhu cầu năng lượng tương đối cao, nhưng nhà máy lớn nhất hiện đang sử dụng nó — Orca của Climework — sử dụng năng lượng địa nhiệt. Các đơn vị thu — Orca giống như máy điều hòa không khí công nghiệp có kích thước bằng một container vận chuyển — thường là mô-đun, do đó, một cơ sở thu có thể chỉ chứa một số ít các đơn vị này hoặc nhiều đơn vị, và về cơ bản có thể được đặt ở bất kỳ nơi nào có thể tiếp cận được với năng lượng tái tạo.
Chiến lược thứ hai hấp thụ CO2 thành chất lỏng, chuyển CO2 thành viên đá vôi và sử dụng nhiệt độ rất cao (khoảng 600 độ C) — thường được cung cấp bởi lò đốt nhiên liệu hóa thạch — để loại bỏ CO2 và thu hồi thuốc thử. CO2 thoát ra từ lò đốt cũng có thể được thu giữ. Hệ thống này cần rất nhiều nước. Nhưng quy trình hóa học rất phù hợp với các hoạt động rất lớn. Kỹ thuật này, do công ty Carbon Engineering có trụ sở tại British Columbia phát triển, đang cung cấp năng lượng cho Stratos.
Có nhiều lựa chọn khác. Công ty Heirloom có trụ sở tại California, đã mở nhà máy thu khí thương mại đầu tiên tại Hoa Kỳ vào tháng 11 năm ngoái, với công suất 1.000 tấn một năm, sử dụng một biến thể của công nghệ đá vôi. Công ty chỉ cần phơi các khay canxi oxit dạng bột ra không khí để hấp thụ CO2 và biến nó thành đá vôi. Giống như kỹ thuật đá vôi khác, quy trình Heirloom cũng giải phóng CO2 từ đá vôi bằng nhiệt độ cao, nhưng cơ sở này sử dụng năng lượng tái tạo để thực hiện việc đó.
Con đường hướng tới mục tiêu phát thải ròng bằng 0 vào năm 2050 của Cơ quan Năng lượng Quốc tế đòi hỏi phải tăng cường đáng kể việc thu giữ không khí trực tiếp.
Yale Environment 360
Tất cả những điều này đều tốn kém. Các doanh nghiệp hiện có thể mua tín chỉ carbon trực tuyến từ Climeworks với mức giá giật mình là 1.500 đô la cho mỗi tấn. Mức giá này cực kỳ đắt đỏ; các tín chỉ carbon tự nguyện khác — chẳng hạn như từ các chương trình trồng cây hoặc giúp ngành công nghiệp hiệu quả hơn và ít gây ô nhiễm hơn — có thể được mua với giá hàng chục đô la cho mỗi tấn. Nhưng những tín chỉ này vẫn hấp dẫn vì chúng dễ dàng định lượng, xác minh và bền vững trong thời gian dài. Microsoft đã công bố vào năm 2022 rằng họ đã mua 10.000 tấn tín chỉ từ Climeworks trong một thỏa thuận kéo dài 10 năm, mặc dù họ không tiết lộ giá. 1PointFive có các thỏa thuận để bán tín chỉ cho Amazon, Airbus và các công ty khác sau khi nó đi vào hoạt động.
Tất nhiên, giá bán thương mại của tín chỉ carbon không giống với chi phí thu giữ của công ty. Con số đó chắc chắn thấp hơn, nhưng con số này khó có thể xác định chính xác; Climeworks sẽ không tiết lộ thông tin cụ thể nhưng cho biết giá ước tính là 1.000 đô la cho mỗi tấn. Mathilde Fajardy, một nhà phân tích của IEA, cho biết IEA ước tính chi phí vận hành thu giữ không khí trực tiếp sẽ đạt từ 230 đến 630 đô la cho mỗi tấn CO2 khi mở rộng quy mô, phần lớn phụ thuộc vào chi phí năng lượng. Những người khác thì kém lạc quan hơn. Theo Howard Herzog, thuộc Sáng kiến Năng lượng của MIT, ước tính hợp lý về chi phí thu giữ không khí trực tiếp vào năm 2030 là từ 600 đến 1.000 đô la cho mỗi tấn CO2. Ông cho biết “Hầu hết các ước tính hiện có đều không thực tế”.
Khoảng ba phần tư lượng C02 thu được trên toàn cầu hiện đang được sử dụng để tăng cường thu hồi dầu, đây là điều gây tranh cãi.
Để giải quyết cả chi phí và sử dụng năng lượng, chương trình Carbon Damaging Shot của DOE, được triển khai vào năm 2021, đặt mục tiêu đầy tham vọng là giảm chi phí thu giữ không khí trực tiếp xuống dưới 100 đô la một tấn bằng cách tài trợ cho đổi mới công nghệ. Mức giá đó sẽ khiến việc thu giữ không khí có lãi so với, ví dụ, khoản tín dụng thuế của Hoa Kỳ, tính đến năm 2022, cung cấp 180 đô la một tấn cho CO2 được lưu trữ trên quy mô lớn.
Tháng 12 năm ngoái, DOE đã trao giải thưởng trị giá hơn 1 triệu đô la cho các công nghệ thu giữ không khí trực tiếp đầy hứa hẹn. Có bảy công ty lọt vào vòng bán kết. Ví dụ, Elysia Labs, tại Phoenix, đang phát triển một chất hấp thụ dựa trên sợi nano cần ít giảm áp suất hơn và do đó cần ít năng lượng hơn để kéo CO2 từ không khí. Và Nūxsen, tại Thành phố New York, đang phát triển một tế bào điện hóa mà họ cho biết có thể thu giữ và giải phóng CO2 mà không cần thay đổi nhiệt độ hoặc áp suất tốn nhiều năng lượng; công ty có kế hoạch sử dụng các lò phản ứng hạt nhân mô-đun nhỏ để cung cấp năng lượng cho hệ thống của mình.
Trong khi đó, một số nhà nghiên cứu đang sử dụng trí tuệ nhân tạo để đẩy nhanh quá trình đổi mới. Meta — công ty đứng sau Fb và Instagram — đang hợp tác với Georgia Tech trong dự án OpenDAC để giúp tìm ra các loại polyme xốp tốt hơn để hấp thụ và giải phóng CO2 hiệu quả. Liệu bất kỳ điều nào trong số này có hữu ích ở quy mô công nghiệp hay không vẫn còn phải chờ xem.
Nhà máy thí điểm thu khí trực tiếp Carbon Engineering tại Squamish, Canada.
James MacDonald / Bloomberg qua Getty Pictures
Tuy nhiên, một khi CO2 đã được thu giữ, các công ty cần phải quyết định sẽ làm gì với nó. Lựa chọn tiêu cực nhất về carbon là chôn sâu dưới lòng đất. Đây là những gì Climeworks thực hiện ở Iceland, chẳng hạn, và có kế hoạch thực hiện với cơ sở nâng cấp của mình, được gọi là Mammoth, dự kiến ra mắt trong năm nay. Có rất nhiều kho chứa địa chất phù hợp để chôn CO2. Nhưng hiện tại, chiến lược này chỉ là thiểu số: IEA báo cáo rằng tính đến năm 2022, trong số 18 nhà máy đang hoạt động trên toàn cầu, chỉ có hai nhà máy — cả hai đều do Climeworks điều hành tại Iceland — chôn CO2 của họ.
Lựa chọn khác là sử dụng CO2 thu được để tạo ra sản phẩm — ví dụ như phân bón — hoặc sử dụng nó để cacbon hóa đồ uống hoặc làm thành phần trong các hóa chất công nghiệp khác. Đây là những gì mà phần lớn các nhà máy thu giữ không khí trực tiếp đang làm hiện nay. Ví dụ, Heirloom hợp tác với một công ty đối tác để sử dụng CO2 thu được để sản xuất bê tông. Thị trường tiềm năng lớn nhất trong tương lai có thể là nhiên liệu tổng hợp cho máy bay, trong đó CO2 thu được kết hợp với hydro xanh (tạo ra bằng cách phân tách nước bằng điện tái tạo) để tạo ra hydrocarbon tổng hợp. Dự án nhiên liệu điện tử Norsk ở Na Uy, nhà máy nhiên liệu điện tử Haru Oni ở Chile, dự án AtmosFUEL ở Anh và Carbon Engineering ở Canada là một trong số các công ty theo đuổi mục đích sử dụng cuối cùng này. Trên con đường hướng tới mục tiêu phát thải ròng bằng 0 của IEA, khoảng 35 phần trăm CO2 thu được từ không khí sẽ được sử dụng cho nhiên liệu tổng hợp vào năm 2050, trong khi phần còn lại sẽ được chôn lấp.
Một nhà phê bình cho rằng năng lượng cần thiết để tạo ra điện sẽ tốt hơn nếu dùng để thay thế điện từ nhiên liệu hóa thạch.
Tuy nhiên, hiện tại, khoảng ba phần tư tổng lượng CO2 thu được trên toàn cầu (chủ yếu đến từ các ống khói công nghiệp) hiện đang được sử dụng để tăng cường thu hồi dầu, Fajardy cho biết. CO2 được bơm vào các giếng dầu để chôn vùi nó và giúp đẩy ra nhiều dầu hơn. Điều này gây tranh cãi vì nhiều người lưu ý rằng nó không làm giảm động lực sử dụng nhiên liệu hóa thạch. Herzog cho biết: “Việc tăng cường thu hồi dầu đã là bước đệm cho các dự án thu giữ và lưu trữ carbon ban đầu để hỗ trợ nền kinh tế”. “Nếu mục tiêu chính của bạn là phát thải âm, thì đó không phải là lựa chọn phù hợp”. Nhưng những người ủng hộ chỉ ra rằng nó vẫn đang chôn vùi CO2: Họ tuyên bố rằng nếu thực hiện cẩn thận, thì ngay cả sau khi đốt dầu thu hồi được, quá trình này vẫn có thể đưa ra phương trình ròng bằng không hoặc thậm chí là phương trình ròng âm đối với carbon, mặc dù điều đó khó có thể định lượng được.
Điều gì sẽ xảy ra với CO2 của Stratos vẫn chưa được quyết định. Địa điểm của nhà máy ở Texas và thực tế là các công ty xây dựng nhà máy, 1PointFive và Carbon Engineering, đều thuộc sở hữu của Occidental Petroleum, đã khiến một số người suy đoán rằng dự án này sẽ được sử dụng để tăng cường thu hồi dầu. Kel Coulson, giám đốc chính sách của Carbon Engineering, cho biết Stratos có một số lựa chọn cho CO2 của mình, bao gồm chôn nó trong các hồ chứa nước muối hoặc sản xuất các sản phẩm carbon thấp, mà họ gọi là “dầu không phát thải ròng”. Coulson cho biết: “Việc sử dụng CO2 thu được từ Stratos cuối cùng sẽ phụ thuộc vào sở thích của khách hàng”.
Nhà máy thu và lưu trữ không khí trực tiếp Orca, do Climeworks vận hành, tại Hellisheidi, Iceland.
Arnaldur Halldorsson / Bloomberg qua Getty Pictures
Những rào cản về kinh tế và môi trường khiến một số người kết luận rằng việc thu giữ không khí không phải là một ý tưởng hay chút nào. Mark Jacobson, giám đốc chương trình Khí quyển/Năng lượng tại Đại học Stanford, từ lâu đã là người phản đối: Ông cho biết, năng lượng cần thiết để cung cấp năng lượng cho việc thu giữ sẽ được sử dụng tốt hơn nhiều để thay thế điện từ nhiên liệu hóa thạch trong nhiều thập kỷ tới. Jacobson cho biết: “Không bao giờ có trường hợp nào mà việc thu giữ không khí trực tiếp hoặc thu giữ carbon lại hữu ích”.
Bất chấp những lời chỉ trích như vậy, ngành công nghiệp này vẫn đang tiến lên. Tháng 8 năm ngoái, DOE đã chọn hai dự án quy mô megaton để tài trợ: một dự án khác của 1PointFive tại Quận Kleberg, Texas và một nỗ lực ở Louisiana có tên là Dự án Cypress, dự án này đã tuyên bố sẽ không tham gia vào quá trình thu hồi dầu tăng cường. Hai trung tâm khác sẽ theo sau từ DOE. Và một số nỗ lực quy mô megaton khác đang được lên kế hoạch ở những nơi khác, bao gồm nỗ lực Kỹ thuật Carbon tại Các Tiểu vương quốc Ả Rập Thống nhất và Dự án Bison tại Wyoming, dự án này đang hướng đến mục tiêu thu được 5 megaton một năm đầy tham vọng vào năm 2030.
Nếu tất cả hơn 100 dự án trên bản vẽ được tiến hành theo đúng kế hoạch, chúng sẽ thu được khoảng 70 megaton CO2 vào năm 2030, theo IEA. Con số này rất gần với mục tiêu 80 megaton của họ. Nhưng đó cũng là một chữ “nếu” rất lớn.