Năng lượng Nhật Bản [Kỳ 67]: Hiện trạng triển khai mô hình kinh tế carbon tuần hoàn

Tóm tắt:

Kinh tế carbon tuần hoàn là một mô hình dựa trên cách tiếp cận tổng thể nhằm giảm phát thải khí CO2 thông qua việc triển khai bình đẳng các công nghệ hiện có. Cụ thể như các công nghệ liên quan tới tiết kiệm năng lượng, năng lượng tái tạo, năng lượng hạt nhân, khử carbon trong lĩnh vực công nghiệp, điện lực và các công nghệ khác, miễn là chúng đóng góp vào việc giảm phát thải carbon.

Tầm quan trọng của kinh tế carbon tuần hoàn đã và đang nhận được sự ủng hộ của nhiều nước trên thế giới. Tại hội nghị thượng đỉnh G20 được tổ chức tại Ả-rập-xê-út vào cuối năm 2020, các nhà lãnh đạo đã khẳng định ủng hộ xây dựng “mô hình kinh tế carbon tuần hoàn” và coi đây là giải pháp hiệu quả để giải quyết vấn đề biến đổi khí hậu.

Nhật Bản là quốc gia rất tích cực triển khai các hoạt động của mô hình kinh tế carbon tuần hoàn nhằm hiện thực hóa mục tiêu trung hòa carbon vào năm 2050 như đã cam kết. Bài báo này sẽ giới thiệu mô hình kinh tế carbon tuần hoàn và hiện trạng triển khai mô hình này tại Nhật Bản.

1. Giới thiệu mô hình kinh tế carbon tuần hoàn:

Kinh tế carbon tuần hoàn (Circular Carbon Economy), hay CCE là một mô hình dựa trên cách tiếp cận tổng thể đối với các hoạt động nhằm giảm phát thải CO₂ thông qua việc triển khai bình đẳng các công nghệ hiện có. Cụ thể như các công nghệ liên quan tới tiết kiệm năng lượng, năng lượng tái tạo, năng lượng hạt nhân, khử carbon trong lĩnh vực công nghiệp và điện lực và các công nghệ khác miễn là chúng đóng góp vào việc giảm phát thải carbon (Phùng Quốc Huy, 2023).

Mô hình CCE được xây dựng dựa trên các nguyên tắc của kinh tế tuần hoàn và được áp dụng để quản lý carbon. CCE bao gồm 4 hoạt động: Giảm thiểu (Reduce), tái sử dụng (Reuse), tái chế (Recycle) và loại bỏ (Remove) (xem hình 1).

1.1. Giảm thiểu (Reduce):

Tại hoạt động này, phát thải CO₂ được giảm đến mức tối thiểu ngay tại các nguồn phát thải thông qua các giải pháp công nghệ và thay đổi hành vi. Sử dụng năng lượng tiết kiệm, hiệu quả dẫn đến giảm phát thải carbon trước khi nó được thải ra khí quyển, hoặc được thu giữ để sử dụng.

Ngoài ra, sử dụng năng lượng hạt nhân, hydrogen và năng lượng tái tạo thay vì sử dụng năng lượng hóa thạch sẽ góp phần giảm đáng kể lượng carbon phát thải vào khí quyển.

Cuối cùng, giải pháp chuyển đổi từ nhiên liệu phát thải carbon nhiều sang nhiên liệu phát thải carbon ít hơn. Ví dụ như chuyển từ sử dụng than sang sử dụng khí tự nhiên trong sản xuất điện có thể giảm gần một nửa lượng phát thải carbon trên cùng một đơn vị sản lượng điện. Tuy nhiên, giải pháp này chỉ có ý nghĩa trong giai đoạn chuyển dịch năng lượng, vì nó vẫn phát thải carbon (cho dù ít hơn).

1.2. Tái sử dụng (Reuse):

Đây là hoạt động sử dụng CO₂ thu được cho nhiều mục đích khác nhau mà không thay đổi tính chất hóa học. Ví dụ như khí CO₂ có thể được sử dụng để tăng cường thu hồi dầu trong các mỏ dầu đang khai thác nhằm tránh lãng phí tài nguyên.

Ngoài ra, khí CO₂ còn được sử dụng nhiều trong công nghiệp, nông nghiệp và dân dụng (như cải thiện năng suất cho cây trồng trong nhà kính, giữ lạnh trong bảo quản thực phẩm, sản xuất gas cho ngành bia, nước giải khát và sản xuất dung dịch chữa cháy).

1.3. Tái chế (Recycle):

Khí CO₂ có thể được chuyển đổi thành nhiên liệu tổng hợp, hóa chất trung gian, hoặc vật liệu xây dựng. Qua báo cáo của Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IEA) cho thấy: Cường độ sử dụng năng lượng và chi phí cho việc sản xuất nhiên liệu hydrocarbon tổng hợp, cũng như hóa chất trung gian từ CO₂ còn khá cao. Hiện nay, chi phí sản xuất nhiên liệu hydrocarbon tổng hợp dao động từ 200 USD/thùng đến 600 USD/thùng.

IEA cũng chỉ ra rằng: Sử dụng CO₂ để sản xuất vật liệu xây dựng có cường độ năng lượng thấp hơn sản xuất nhiên liệu tổng hợp trong thời điểm hiện nay (IEA, 2020).

Khí CO₂ cũng có thể được chuyển đổi thành nhiên liệu sinh học để sử dụng trong các động cơ đốt trong, hay làm nhiên liệu đầu vào cho sản xuất các sản phẩm hóa dầu.

1.4. Loại bỏ (Remove):

Loại bỏ CO₂ khỏi nguồn phát thải, hoặc khí quyển được thực hiện bằng công nghệ thu giữ và lưu trữ carbon (Carbon Capture and Storage), hay công nghệ CCS. Khí CO₂ được thu giữ từ các nguồn phát thải sử dụng nhiên liệu hóa thạch như các nhà máy nhiệt điện than, nhiệt điện khí, hay từ các quá trình sản xuất công nghiệp (xi măng, hóa chất, phân bón, lọc hóa dầu, chế biến khí).

Ngoài ra, CO₂ cũng có thể được thu giữ trực tiếp từ khí quyển bằng công nghệ thu giữ CO₂ trực tiếp từ khí quyển (Direct Air Capture), hay DAC. Sau khi thu giữ, CO₂ được bơm xuống các tầng chứa địa chất tiềm năng và lưu giữ lâu dài tại đó.

Viện nghiên cứu CCS toàn cầu ước tính có khoảng 260 triệu tấn CO₂ đã được lưu giữ dưới lòng đất trong các tầng chứa nước muối, các vỉa dầu và khí đã khai thác cho đến thời điểm hiện nay (Global CCS Institute, 2020).

2. Các chính sách liên quan đến CCE tại Nhật Bản:

Nhật Bản đã ban hành lộ trình triển khai các công nghệ tái chế carbon vào tháng 6 năm 2019, đề cập tới những mục tiêu cụ thể, thách thức công nghệ và khung thời gian thực hiện. Lộ trình này sau đó được sửa đổi, bổ sung vào tháng 7/2021 cho phù hợp với “Chiến lược tăng trưởng xanh tiến tới trung hòa carbon vào năm 2050” được ban hành vào tháng 6/2021 (Bộ Kinh tế, Công nghiệp Nhật Bản - METI).

Với khái niệm về công nghệ tái chế carbon, Nhật Bản xem CO₂ như là nguồn tài nguyên carbon và thúc đẩy việc thu giữ, tái chế khí này. CO₂ sẽ được tái chế thành bê tông thông qua quá trình khoáng hóa, thành hóa chất thông qua quang hợp nhân tạo và thành nhiên liệu thông qua quá trình metan hóa để giảm lượng khí thải CO₂ vào khí quyển. Công nghệ tái chế carbon thúc đẩy nghiên cứu và sử dụng CO₂, thúc đẩy sự hợp tác giữa các ngành công nghiệp, khối nghiên cứu và các chính phủ trên khắp thế giới, đồng thời kích thích sự sáng tạo, đổi mới để tạo ra các đột phá về công nghệ. Tái chế carbon là một trong những công nghệ then chốt cho xã hội, cùng với tiết kiệm năng lượng, năng lượng tái tạo và CCS.

Chiến lược tăng trưởng xanh tiến tới trung hòa carbon vào năm 2050 của Nhật Bản bao gồm 14 lĩnh vực tiềm năng cần phát triển mạnh để hiện thực hóa mục tiêu trung hòa carbon. Trong đó, 5 lĩnh vực liên quan trực tiếp đến CCE, đó là: Năng lượng tái tạo, hydrogen/amoniac, năng lượng nhiệt thế hệ mới, năng lượng hạt nhân và tái chế carbon.

Ngoài ra, chiến lược cũng đưa ra các công cụ chính sách để hiện thực hóa mục tiêu trung hòa carbon (như cấp ngân sách, miễn giảm thuế, huy động tài chính, hợp tác quốc tế). Ví dụ như Chính phủ Nhật Bản dành 2.000 tỷ Yên (15 tỷ đô la Mỹ) tiền ngân sách thông qua Quỹ đổi mới xanh để hỗ trợ các dự án công nghệ phát có thải thấp, hoặc không phát thải carbon trong vòng 10 năm (METI, 2020).

3. Công tác triển khai mô hình CCE tại Nhật Bản:

3.1. Hoạt động giảm thiểu:

Tại Nhật Bản, tăng cường sử dụng năng lượng tái tạo, sử dụng hiệu quả năng lượng, năng lượng hạt nhân và hydrogen/amoniac là những giải pháp chính trong hoạt động giảm thiểu. Nhật Bản thiết lập mục tiêu tăng tỷ trọng điện từ năng lượng tái tạo đến 36% - 38% tổng sản lượng điện vào năm 2030 so với mức 12,8% của năm 2020.

Tập đoàn Điện lực JERA và Tập đoàn Công nghệ IHI đã tiến hành dự án trình diễn nhằm thiết lập công nghệ đồng đốt amoniac với than tại Nhà máy Nhiệt điện Hekinan kể từ năm tài khóa 2021 theo chương trình tài trợ của Tổ chức Phát triển Công nghệ, Công nghiệp và Năng lượng mới (NEDO). Thử nghiệm đồng đốt amoniac 20% theo giá trị nhiệt năng đã được bắt đầu kể từ năm tài khóa 2023 tại tổ máy có công suất 1.000 MW sử dụng công nghệ trên siêu tới hạn.

Theo JERA: Thử nghiệm trình diễn đồng đốt amoniac trên 50% sẽ được tiến hành vào năm tài khóa 2028 tại Nhà máy Nhiệt điện Hekinan và các nhà máy nhiệt điện than khác ở Nhật Bản.

Đối với các nhà máy điện đốt than đang hoạt động, cần phải cải tiến nồi hơi, bể chứa amoniac và thiết bị hóa hơi để thích ứng với hoạt động đồng đốt amoniac (xem hình 2). Thách thức lớn nhất của công nghệ đồng đốt amoniac là kiểm soát lượng khí thải NOx. Do đó, JERA sẽ sử dụng vòi đốt cải tiến để phun amoniac vào giữa dòng than phun và dòng không khí. Nếu thực hiện đồng đốt 20% amoniac ở nhà máy này thì sẽ cần 600.000 tấn amoniac hàng năm. Do đó, việc trình diễn đồng đốt và thiết lập chuỗi cung ứng nhiên liệu amoniac đang được nghiên cứu đồng thời.

Theo mục tiêu “JERA Zero CO2 vào năm 2050”: JERA sẽ nỗ lực giảm lượng phát thải CO₂ từ các hoạt động kinh doanh của Tập đoàn ở cả trong và ngoài nước về “0” vào năm 2050, thúc đẩy việc sử dụng nhiên liệu xanh hơn và theo đuổi công nghệ không phát thải CO₂ trong quá trình sản xuất điện. JERA tiếp tục đóng góp vào quá trình khử cacbon của ngành năng lượng thông qua những nỗ lực chủ động phát triển công nghệ khử cacbon trong khi vẫn đảm bảo tính hợp lý về mặt kinh tế.

3.2. Hoạt động tái sử dụng:

Tại Nhật Bản, khí CO₂ chủ yếu được sử dụng để giữ lạnh trong bảo quản thực phẩm, gas cho nước giải khát, sản xuất dung dịch chữa cháy và chăm sóc sức khỏe.

Ngoài ra, Nhật Bản cũng đang tiến hành thử nghiệm khả năng sử dụng CO₂ với mục đích tăng cường thu hồi dầu (xem hình 3). INPEX và JOGMEC đã hợp tác triển khai thử nghiệm công nghệ này tại mỏ dầu Minami-aga, thuộc tỉnh Niigata từ năm 2021 (JOGMEC, 2021).

3.3. Hoạt động tái chế:

Sản xuất nhiên liệu sinh học từ CO₂ phục vụ ngành hàng không đang được đẩy mạnh nghiên cứu tại Nhật Bản. Ngoài ra, sử dụng carbon để sản xuất vật liệu xây dựng, nhiên liệu tổng hợp đang được triển khai tại quốc gia này. Hiện nay, một số sản phẩm vật liệu xây dựng được tái chế từ carbon đã được thương mại hóa.

Nhật Bản đang xây dựng Trung tâm nghiên cứu và phát triển tái chế carbon tại đảo Osaki-Kamijima, tại Thành phố Hiroshima. Trung tâm được thành lập dựa trên sáng kiến “Carbon Recycling 3C” do METI công bố vào năm 2019. Trung tâm này hỗ trợ các công ty, các trường đại học triển khai các công nghệ tiềm năng nhằm khử carbon trong ngành sản xuất điện, cũng như công nghiệp nặng và giúp Chính phủ hiện thực hóa mục tiêu trung hòa carbon. Đây là trung tâm thúc đẩy các hoạt động nghiên cứu, phát triển (R&D) giúp đẩy nhanh quá trình đổi mới và ứng dụng thực tế của các công nghệ tái chế carbon (xem hình 4).

Carbon phục vụ cho công tác nghiên cứu và thử nghiệm thu được từ Nhà máy Nhiệt điện Osaki Coolgen sử dụng công nghệ chu trình hỗn hợp khí hóa tích hợp (IGCC). Khí carbon được nghiên cứu, tái chế thành nhiên liệu dùng cho máy bay, các sản phẩm hóa chất và bê tông.

3.4. Hoạt động loại bỏ:

Trong hoạt động này, công nghệ CCS đã được nghiên cứu và triển khai tại Nhật Bản. Dự án trình diễn công nghệ CCS Tomakomai do Công ty Japan CCS Co., Ltd. (JCCS) thực hiện. Dự án CCS Tomakomai đã được Bộ Kinh tế, Thương mại và Công nghiệp Nhật Bản (METI) ủy quyền cho JCCS và NEDO thực hiện.

Vị trí dự án và sơ đồ hệ thống CCS được thể hiện trong hình 5. Nguồn CO₂ cho dự án trình diễn là khí thải thoát ra từ hệ thống làm giàu khí hydro bằng phương pháp hấp phụ áp suất chuyển đổi (Pressure Swing Adsorption - PSA), thuộc bộ phận sản xuất hydro của nhà máy lọc dầu nằm gần cảng Tomakomai. Khí thải sau đó được chuyển đến thiết bị thu giữ CO₂ ở gần đó thông qua đường ống. Khí CO₂ được tách thông qua quá trình hấp thụ bằng dung môi amine có độ tinh khiết lên tới 99%, với sản lượng 0,1 triệu tấn CO₂/năm trong thời gian trình diễn thử nghiệm.

Sau đó, khí CO₂ tinh khiết này được chuyển đến các giếng khoan gần đó. Tại khu vực đặt thiết bị bơm, khí CO₂ được nén và bơm xuống 2 tầng chứa khác nhau nằm dưới đáy biển thông qua các lỗ khoan định hướng đã được khoan trước đó.

Dự án được triển khai từ năm 2012 và đã có khoảng 300.000 tấn CO₂ được bơm xuống các tầng chứa dưới lòng đất (từ 4/2016 đến 11/2019). Dự án trình diễn này được đánh giá là rất thành công, mở đường cho việc đưa công nghệ này triển khai thương mại quy mô lớn vào năm 2030.

Năm 2023, Bộ Kinh tế, Công nghiệp Nhật Bản (METI) đã công bố 7 dự án CCS được chọn để phát triển với quy mô lớn từ năm 2030. Theo đó, tổng lượng CO₂ được thu giữ và lưu trữ là 13 triệu tấn/năm vào năm 2030 (gồm cả các địa điểm lưu trữ trong và ngoài nước).

METI cũng có kế hoạch thu giữ và lưu trữ từ 120 - 240 triệu tấn CO₂/năm vào năm 2050 (bao gồm cả lưu trữ trong nước và ở nước ngoài).

4. Kết luận:

Nhật Bản đã và đang triển khai mạnh mẽ mô hình kinh tế carbon tuần hoàn với mục tiêu trung hòa carbon vào năm 2050. Sau đây là một số kết luận:

Thứ nhất: Nhật Bản đã triển khai đồng bộ, tổng thể các công nghệ tiềm năng trong tất cả 4 hoạt động của mô hình CCE gồm: Giảm thiểu, tái sử dụng, tái chế và loại bỏ.

Thứ hai: Các chính sách liên quan đến mô hình CCE của Nhật Bản được xây dựng và ban hành kịp thời, tạo điều kiện thuận lợi cho các bên liên quan trong việc triển khai các dự án.

Thứ ba: Hỗ trợ tài chính của Chính phủ cho những chương trình nghiên cứu, những dự án thử nghiệm, trình diễn là công cụ quan trọng giúp Nhật Bản có những bước tiến lớn trong việc triển khai mô hình CCE trong khu vực.

Trong những năm tới, Nhật Bản sẽ tiếp tục nghiên cứu và triển khai thương mại, quy mô lớn các công nghệ hiện có nhằm giảm giá thành. Đây là mục tiêu rất quan trọng giúp Chính phủ có thể hiện thực hóa mục tiêu trung hòa carbon vào năm 2050. Vì vậy, mô hình kinh tế carbon tuần hoàn đang áp dụng tại Nhật Bản sẽ là mô hình tham khảo tốt cho các quốc gia khác để hiện thực hóa các mục tiêu phát thải ròng về “0”, hay trung hòa carbon vào giữa thế kỷ này./.

TS. PHÙNG QUỐC HUY - TRUNG TÂM NGHIÊN CỨU NĂNG LƯỢNG CHÂU Á - THÁI BÌNH DƯƠNG (APERC)

Tài liệu tham khảo:

- IEA (2020). G20 Circular Carbon Economy Guide Report, Reuse: Carbon Reuse.

- Japan CCS, /upload/21001/20240307/147e119aa273d6f5f269cb22426eac91202306_ENG.pdf

- JOGMEC, 2021. https://www.jogmec.go.jp/english/carbonneutral/carbonneutral_15_00011.html

- JERA, 2022. JERA and IHI Move Up the Start of Large-Volume Co-firing of Fuel Ammonia in the Demonstration Project at Hekinan Thermal Power Station. https://www.jera.co.jp/en/news/information/20220531_917

- METI, 2020. Green Growth Strategy Through Achieving Carbon Neutrality in 2050. https://www.meti.go.jp/english/policy/energy_environment/global_warming/ggs2050/index.html

- METI, 2023. Full-scale Commencement of Japanese CCS Projects. https://www.meti.go.jp/english/press/2023/0613_001.html

- METI. https://www.enecho.meti.go.jp/en/category/

- Osaki-Kamijima. https://osakikamijima-carbon-recycling.nedo.go.jp/en/

- Phùng Quốc Huy, 2023. Giới thiệu mô hình kinh tế carbon tuần hoàn tại một số nước tham gia APEC: Một số hàm ý cho Việt Nam. Tuyển tập báo cáo Hội nghị Khoa học kỹ thuật mỏ toàn quốc lần thứ XXVIII. Nhà xuất bản Công Thương, trang 100-111.