Diễn đàn Khoa học Cơng nghệ Hóa học xúc tác trước hội thách thức chuyển đổi lượng GS.TSKH Hồ Sĩ Thoảng, GS.TSKH Lưu Cẩm Lộc Hội Khoa học, Công nghệ Xúc tác Hấp phụ Việt Nam Xúc tác hấp phụ lĩnh vực khoa học cơng nghệ (KH&CN) có tính tảng cho q trình chuyển hóa hóa học lý - hóa, tạo sản phẩm đóng vai trị thiết yếu cho nhu cầu xã hội, có sản phẩm tạo lượng trình nhằm bảo vệ mơi trường (làm mơi trường, tạo sản phẩm thân thiện môi trường…) Trách nhiệm đặt giới KH&CN xúc tác - hấp phụ cần phải tập trung trí tuệ sức lực vào hướng nghiên cứu nhằm đáp ứng yêu cầu giảm thiểu tác động biến đổi khí hậu gia tăng hàm lượng CO2 khí gây góp phần làm mơi trường Bài toán lượng Hiện thách thức lượng giới thiếu, trữ lượng xác minh (nghĩa trữ lượng khai thác được) dầu, khí than tăng hàng năm, khơng tính sản lượng khai thác Năm 2020, sản lượng dầu khai thác 4,2 tỷ tấn/244 tỷ trữ lượng, cịn khí thiên nhiên 3.853 tỷ m3/188.000 tỷ m3 trữ lượng (sản lượng than khai thác hàng năm xấp xỉ 1% trữ lượng) Trong đó, phát thải CO2 tồn cầu có nguồn gốc từ than, dầu khí vượt 34 tỷ tấn/năm1 Phát thải CO2 tăng tốc, vượt xa dự báo trước Chính vậy, u cầu chuyển đổi dần dạng lượng sở nhiên liệu hóa thạch sang dạng lượng khơng gây phát thải CO2 nhiên liệu sinh học (NLSH) có phát thải Số liệu thống kê Tập đoàn Dầu khí BP (Vương quốc Anh năm 2022) 22 CO2 bù lại trình tái tạo (quang hợp) thách thức cấp bách giới nghiên cứu KH&CN giới doanh nghiệp Những năm gần đây, đóng góp dạng lượng tái tạo cân lượng toàn cầu tăng trưởng đáng kể Từ năm 2010 đến 2020, công suất lượng tái tạo (chủ yếu điện gió, điện mặt trời NLSH) tăng lần, từ khoảng 750 lên 3.150 terawatt/giờ, nhiên, chiếm tỷ lệ khiêm tốn tổng cân lượng tồn cầu Trong tổng cơng suất lượng tái tạo, NLSH (chủ yếu xăng sinh học diesel sinh học) đạt khoảng 420 terawatt/giờ (chưa đến 100 triệu tương đương sản phẩm dầu) Trong đóng góp lượng mặt trời lượng gió tăng nhanh, tốc độ tăng sản lượng NLSH chậm nhiều có xu chững lại Điều lý giải phần lớn Số 10 năm 2022 NLSH sản xuất thuộc hệ thứ nhất, bao gồm bioethanol biodiesel sản phẩm sản xuất chủ yếu từ ngun liệu ăn (mía, sắn, ngơ…; dầu thực vật, mỡ động vật…) Nguồn cung nguyên liệu bị giới hạn nhu cầu lương thực - thực phẩm (tranh chấp sản phẩm tranh chấp đất đai canh tác) Việc sản xuất NLSH từ sinh khối thuộc hệ dạng lượng tái tạo khác toán lớn nhà khoa học doanh nghiệp Giá thành sản phẩm lượng tái tạo giảm dần cạnh tranh so với giá sản phẩm dầu khí ngun nhân làm chậm q trình phát triển dạng lượng Ngoài ra, giá dầu khí lên xuống bất thường với biên độ có lớn nguyên nhân không tính đến Mặc dù vậy, với tượng biến đổi khí hậu hữu, nhân loại khơng thể tiếp tục Diễn đàn Khoa học Công nghệ chần chừ việc chuyển đổi lượng dù phải trả giá khơng rẻ Nhưng hội có lẽ đến quốc gia công nghiệp phát triển tập đoàn lượng lớn nhận định giá thành lượng tái tạo phần lớn trở nên cạnh tranh, giá dầu khí khơng thấp (ví dụ, giá dầu 40-50 USD/thùng); đồng thời giá thành dạng lượng tái tạo tiếp tục giảm Đóng góp cho q trình chuyển đổi lượng Việt Nam Như trình bày trên, NLSH lĩnh vực nghiên cứu, sản xuất sử dụng nhiều nước giới khoảng 20 năm qua So với nhiên liệu hóa thạch, NLSH phát thải CO2 không phát thải hợp chất chứa lưu huỳnh hay nitơ, điều quan trọng phát thải CO2 sau lại q trình quang hợp thực vật hấp thụ để tạo sinh khối Nhược điểm NLSH nhiệt trị thấp (do có chứa oxy), riêng xăng pha bioethanol nhược điểm độ hút ẩm cao xăng thông thường Ở Việt Nam, Nhà nước có chủ trương phát triển NLSH, nhiên trở ngại khó khăn khác nhau, kết hạn chế Các nhà máy sản xuất bioethanol từ nguyên liệu sắn (NLSH hệ thứ nhất) gặp khó khăn vài sở sản xuất với sản lượng không đáng kể Rất tiếc, phải coi thất bại, nhiên cho học đáng giá Theo quan điểm chúng tôi, việc sản xuất bioethanol hệ thứ tiếp tục không khả thi, giới phần lớn công ty chuyển sang sản xuất bioethanol hệ thứ hai (từ phế thải nông nghiệp) Nhiều công ty xây dựng nhà máy sản xuất bioethanol (phần lớn từ phế thải ngô) với quy mơ khác nhau, có nhà máy đạt cơng suất hàng chục ngàn tấn/năm Trở ngại lớn việc sản xuất bioethanol từ phế thải nông nghiệp (bằng phương pháp thủy phân + lên men) phân tán nguyên liệu làm tăng giá thành đầu vào Việc sản xuất biodiesel nhiều công ty lượng giới triển khai thơng qua q trình trans-ester hóa loại dầu thực vật, sản phẩm sử dụng rộng rãi Để nhận nhiên liệu không chứa oxy (cho động công suất cao động máy bay), quy trình Ecofining áp dụng trình xúc tác hydrodeoxy hóa (nếu để sản xuất xăng cần kết hợp với q trình đồng phân hóa) phát kiến để chuyển hóa trực tiếp dầu thực vật đến sản phẩm cuối Ở Việt Nam, nhóm nghiên cứu Trường Đại học Bách khoa Hà Nội (GS.TS Đinh Thị Ngọ), Viện Hóa học Cơng nghiệp Việt Nam (GS.TS Vũ Thị Thu Hà) thực trình trans-ester hệ xúc tác dị thể đa dạng (các chất xúc tác biến tính sở zeolite tổng hợp, TiO2, Al2O3, hydrotalcite MgO, MOx…) hệ có tính acid tính base, lưỡng tính Trên sở khảo sát có hệ thống q trình trans-ester hóa loại acid béo triglyceride (dầu thực vật ăn không ăn được, mỡ động vật, dầu/mỡ phế thải), tác giả tìm Số 10 năm 2022 23 Diễn đàn Khoa học Cơng nghệ hệ xúc tác có suất cao Một số chất xúc tác phát kiến có hoạt tính cao so với xúc tác truyền thống, cho phép thực phản ứng nhiệt độ thấp với hiệu suất chuyển hóa cao, hứa hẹn có tính khả thi triển khai quy mô công nghiệp Những kết nghiên cứu xúc tác công nghệ tác giả nêu cần tổ chức triển khai quy mô lớn Đây khâu khó nhất, cần liên kết hợp tác chặt chẽ nhà khoa học với doanh nghiệp, hỗ trợ Nhà nước thơng qua sách tổ chức, tài Về mặt kỹ thuật, trở ngại việc thương mại hóa q trình sản xuất biodiesel sinh học nguồn nguyên liệu Các loại dầu mỡ ăn chưa sẵn sàng cho sản xuất nhiên liệu, loại dầu thực vật khác chưa có nguồn nguyên liệu tập trung đáng kể, dù nước ta có nhiều loại có dầu (chủ trương phát triển Jatropha thời rầm rộ không thấy tiến triển) Một phương pháp sản xuất NLSH hệ thứ hai khác chuyển hóa dạng sinh khối thơng qua q trình nhiệt - xúc tác Ở Viện Dầu khí Việt Nam (TS Phan Minh Quốc Bình đồng nghiệp) triển khai chương trình nghiên cứu nhiệt phân nhanh hệ xúc tác rắn khác số phế thải nơng nghiệp (rơm rạ, trấu, bã mía, lõi ngơ) nguồn nguyên liệu phong 24 phú nước ta để nhận dầu sinh học (bio-oil) Về nguyên lý, tất dạng sinh khối chuyển hóa thành dầu sinh học trình nhiệt xúc tác, nhiên, hiệu kinh tế khác tùy thuộc vào độ khó chuyển hóa nguyên liệu Các kết đạt chứng tỏ, phế thải nơng nghiệp kể chuyển hóa thành dầu sinh học với hiệu suất khác không lớn (đều từ 50% trở lên); dầu sinh học nhận đáp ứng tiêu chuẩn nhiên liệu đốt lò cải tiến Hoa Kỳ ASTM D7544-12 Q trình đạt quy mơ pilot kg/giờ; sản phẩm dầu sinh học thử nghiệm làm nhiên liệu cho máy móc nơng nghiệp số hợp tác xã, giá thành sản phẩm có tính cạnh tranh Dầu sinh học nhóm nghiên cứu tiến hành loại bỏ oxy phản ứng hydrodeoxy hóa hệ xúc tác oxide NiMo CoMo tìm hệ xúc tác tốt Tuy nhiên, khó khăn chung q trình sản xuất NLSH hệ thứ hai từ sinh khối (chủ yếu phế thải nông - lâm nghiệp) nguồn nguyên liệu phân tán Ý tưởng trồng rừng lấy nguyên liệu nhiều quốc gia giới đề xuất tỏ hấp dẫn, nguồn nguyên liệu phế thải nông - lâm nghiệp dồi để bảo đảm lâu dài cho nhu cầu NLSH tương lai Ý tưởng coi methanol chất mang lượng GS G Olah (Giải Nobel Hóa học năm Số 10 năm 2022 1994) đưa từ năm 90 kỷ XX đến năm 2006 ông trình bày đầy đủ ý tưởng “Nền kinh tế Methanol - Methanol Economy” với việc lấy CO2 - sản phẩm đốt cháy nhiên liệu quay trở lại làm nguyên liệu ban đầu để sản xuất nhiên liệu Methanol nhận dễ dàng chuyển hóa thành loại nhiên liệu (hydrocarbon, dimethyl ether…) hóa phẩm thơng dụng thơng qua phản ứng kinh điển cơng nghiệp hóa chất Hiện nay, nguồn CO2 từ nhà máy điện nhà máy xi măng dồi dào, nhiên, việc lấy CO2 từ khí hoàn toàn khả thi Thời gian qua, hướng nghiên cứu triển khai mạnh giới; nhiều hệ xúc tác dị thể đồng thể (phức) có hoạt tính cao tìm thấy Ở Việt Nam, Viện Dầu khí Việt Nam (TS Lê Phúc Nguyên), Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội (GS.TS Đinh Thị Ngọ), Viện Cơng nghệ Hóa học (GS.TSKH Lưu Cẩm Lộc) tiến hành nghiên cứu phản ứng lĩnh vực: chất xúc tác quy trình cơng nghệ đạt kết khích lệ Một số chất xúc tác đa thành phần hiệu cao (tương đương có hoạt tính cao chất xúc tác cơng bố) cho phép thực phản ứng áp suất vừa phải tìm thấy Phương pháp sử dụng bình phản ứng màng để nâng cao độ chuyển hóa phát kiến đăng ký sáng chế quốc tế Tuy nhiên, lĩnh Diễn đàn Khoa học Công nghệ vực chất xúc tác công nghệ cho q trình hydro hóa CO2 đạt tiến đáng kể, thách thức lớn nguồn hydro Bản thân hydro nhiên liệu Ý tưởng “Nền kinh tế hydro - Hydrogen Economy” GS L Jones đưa từ năm 1970 Tuy nhiên, thách thức không nhỏ (lưu trữ, vận chuyển) sử dụng hydro làm nhiên liệu, đến năm gần đây, xu chuyển đổi lượng, hydro lại “phục hưng” Với tiến kỹ thuật công nghệ, thách thức việc sử dụng hydro vượt qua Hydro nhiên liệu lý tưởng, đốt cháy cho nước Hydro nguyên liệu cho loại pin nhiên liệu cung cấp điện cho đối tượng có quy mơ khác Nhóm nghiên cứu Viện Hóa học Cơng nghiệp Việt Nam (GS.TS Vũ Thị Thu Hà) đạt kết đáng khích lệ nghiên cứu sử dụng vật liệu nano sở xúc tác Pt/graphene biến tính pin nhiên liệu thơng qua q trình oxy hóa trực tiếp alcohol (ví dụ methanol) nhiệt độ thấp, thân thiện môi trường với mức độ phát thải không Như vậy, hydro vừa chất mang lượng, vừa nguyên liệu để sản xuất lượng từ CO2 Có thể nói, cơng chuyển đổi lượng, ngồi việc phát triển lượng mặt trời, lượng gió dạng lượng tái tạo khác với quy mô nhỏ địa nhiệt, thủy triều…, hydro đóng vai trị quan trọng Thế giới kỳ vọng giá thành lượng mặt trời lượng gió giảm dần để đáp ứng việc sản xuất hydro phương pháp điện phân với giá thành hydro chấp nhận Điều trở nên khả thi, nhiên dạng lượng có thách thức định Đối với nhà hóa học Việt Nam nói chung người nghiên cứu xúc tác nói riêng, hydro lĩnh vực nghiên cứu quan trọng khoa học có tính thời thiết Trước mắt cần nghiên cứu sản xuất “hydro lam”, tức hydro từ nguyên liệu hóa thạch q trình xúc tác phát thải CO2 Hydro từ hóa phẩm khác methanol (từ khí tổng hợp), ammoniac… công ty lượng giới quan tâm Sản xuất hydro từ sinh khối thơng qua q trình khí hóa lối thực nghiệm xác minh có tính khả thi so với từ khí thiên nhiên Nước nguồn cung cấp hydro vơ hạn, phương pháp sử dụng nước (hoặc những) nguyên liệu ban đầu để sản xuất hydro thơng qua q trình xúc tác quang, điện hóa… tỏ có triển vọng Hiện nay, chất xúc tác quang sở TiO2 chất bán dẫn khác phịng thí nghiệm nhiều sở khoa học sử dụng để làm môi trường; nghiên cứu sản xuất hydro thông qua quang xúc tác phân ly nước phát triển, kết chưa nhiều Có thể nói, nghiên cứu khoa học Việt Nam hướng tới mục tiêu chuyển đổi lượng triển khai, chưa bao quát hết lĩnh vực, đạt thành tựu ấn tượng, chí có lĩnh vực ngang tầm khu vực giới Mặc dù vậy, việc thương mại hóa kết nghiên cứu hạn chế, giới hạn quy mơ pilot sản xuất nhỏ lẻ để “ni” phịng thí nghiệm chế tự chủ tài Ngồi hạn chế khách quan, khâu yếu cố hữu liên kết hợp tác khoa học sản xuất với việc thiếu chủ trương sách cụ thể quan quản lý Quỹ phát triển KH&CN nhiều doanh nghiệp không sử dụng hết, để thai nghén dự án pilot cho cơng trình nghiên cứu chuyện khó khăn, đặc biệt doanh nghiệp nhà nước Hy vọng rằng, Nghị số 55 Bộ trị năm 20202 triển khai đồng liệt để cách mạng chuyển đổi lượng, có nội dung liên quan đến dạng lượng sản xuất sở trình xúc tác nhận quan tâm đầu tư thỏa đáng ? Nghị số 55-NQ/TW ngày 11/02/2020 Bộ Chính trị định hướng Chiến lược phát triển lượng quốc gia Việt Nam đến năm 2030, tầm nhìn đến năm 2045 Số 10 năm 2022 25 ... ta để nhận dầu sinh học (bio-oil) Về nguyên lý, tất dạng sinh khối chuyển hóa thành dầu sinh học trình nhiệt xúc tác, nhiên, hiệu kinh tế khác tùy thuộc vào độ khó chuyển hóa nguyên liệu Các... Như vậy, hydro vừa chất mang lượng, vừa nguyên liệu để sản xuất lượng từ CO2 Có thể nói, cơng chuyển đổi lượng, ngồi việc phát triển lượng mặt trời, lượng gió dạng lượng tái tạo khác với quy mô... nâng cao độ chuyển hóa phát kiến đăng ký sáng chế quốc tế Tuy nhiên, lĩnh Diễn đàn Khoa học Công nghệ vực chất xúc tác công nghệ cho q trình hydro hóa CO2 đạt tiến đáng kể, thách thức lớn nguồn