Đơn vị: triệu tấn CO2 tương đương
Năm Lĩnh vực 2020 2030 Năng lƣợng 381,1 648,5 Nông nghiệp 100,8 109,3 LULUCF -42,5 -45,3 Chất thải 26,6 48,0 Tổng 466,0 760,5
Nguồn: Bộ TNMT, Báo cáo cập nhật 2 năm/ lần lần thứ nhất của Việt Nam cho UNFCCC, 2014
Hình 1.6. Tổng phát thải khí nhà kính năm 2010 và ước tính cho năm 2020 và năm 2030 141 381 648 226 466 761 -100 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 2010 2020 2030 T riệu t ấn CO 2 t ương đươn g
Trong tương lai, ngành năng lượng vẫn tiếp tục là ngành có khối lượng phát thải cao nhất. Trong đó, thì phát thải KNK từ sử dụng than ngày càng tăng, bởi vì nguồn phát điện chủ yếu về mặt sản lượng dự kiến trong giai đoạn 2010- 2030, nếu xét về tổng sản lượng điện. Than được dự tính để sản xuất hơn một
nửa tổng điện năng vào năm 2030, và quả thực một số nhà máy điện đốt than quy mô lớn đang được xây dựng và quy hoạch với công suất lắp đặt đạt hơn một nửa (so với tỷ lệ công suất lắp đặt của năm 2010 lúc đó than chỉ chiếm 18,5% tổng cơng suất lắp đặt). Nhiệt điện chạy bằng khí đốt hiện là nguồn điện chính, nhưng dự kiến đóng góp dưới 15% sản lượng điện vào năm 2030, mặc dù nguồn năng lượng này sẽ sản xuất điện nhiều hơn, gấp đôi lượng điện sản xuất năm 2010. Thủy điện cũng sẽ tăng gần gấp ba lần ở mức tuyệt đối trong giai đoạn 2010-2020 nhưng sẽ ngừng tăng và tỷ trọng thủy điện trong sản lượng điện sẽ ở mức dưới 10% vào năm 2030. Trong khi đó Năng lƣợng tái tạo (khơng tính
thủy điện) sẽ đóng góp khoảng 6% vào năm 2030 và điện nhập khẩu là 4%. Mặt khác, ở Việt Nam vẫn còn trợ giá đối với điện, cũng như chưa tính đến thuế các- bon, cho nên việc tính tốn phát thải KNK đối với ngành năng lượng có những kết quả khác nhau, như:
Hình 1.7. Tổng mức phát thải theo các kịch bản giá nhiên liệu hóa thạch khác nhau 2012-2030
Như vậy, sự tăng nhanh về phát thải KNK của Việt Nam, đặc biệt là trong lĩnh vực năng lượng (than cho nhiệt điện) đã góp phần khơng nhỏ đến việc làm trầm trọng hơn thời tiết cực đoan của Việt Nam.
Trong đó, phải kể đến dự án khai thác than ĐBSH để phục vụ cho việc sản xuất điện, với tài nguyên ước tính khoảng hơn 200 tỷ tấn than, với công nghệ khai thác dự kiến bằng khí hóa than ngầm (UCG) cho thấy sẽ là nguồn phát thải KNK khổng lồ trong giai đoạn 2020-2030 [4]. Do đó, vấn đề là cần nghiên cứu giải pháp để giảm thiểu phát thải KNK từ nguồn này là một địi hỏi cấp bách mang tính thực tiễn hiện nay, đồng thời cũng một thách thức lớn về khoa học cũng như kinh nghiệm thực tiễn về vấn đề này cịn q ít ở Việt Nam.
1.2. Tổng quan về cơng nghệ khí hóa than ngầm, cơng nghệ thu hồi và lƣu giữ các-bon
1.2.1. Cơng nghệ khí hóa than ngầm
1.2.1.1. Khái niệm
UCG là một loại hình khí hóa than tại chỗ, trong các vỉa than nằm sâu dưới bề mặt đất [4].
Các giai đoạn chính của q trình khí hố than bao gồm: khoan những mũi khoan từ trên mặt đất đến vỉa than; tại vỉa than, những lỗ khoan được kết nối qua các kênh (lỗ khoan ngang); thổi dịng khơng khí hoặc khí ơxy vào một trong những lỗ khoan và nhận lại khí đốt ở các lỗ cịn lại, q trình khí hố than được thực hiện trong các kênh nối. Sự tạo thành khí đốt tại các kênh xảy ra do phản ứng hố học giữa ơxy và các-bon trong q trình nhiệt phân than [4].
UCG vừa được xem là một quá trình khai thác (như khai thác than) vừa được xem là một q trình chuyển đổi (khí hóa) nhằm tạo ra một loại khí tổng hợp. Loại khí này được xử lý để sản xuất ra nhiên liệu cho nhà máy điện, dầu điêzen, nhiên liệu phản lực, khí hydro, phân bón, hóa chất …[4].
Hình 1.8. Mơ hình UCG-CSS
Nguồn: Linc Energy, 2014
Thể tích, thành phần và nhiệt lượng của khí thu nhận được phụ thuộc vào thành phần của luồng khí lưu thổi vào lỗ khoan (khơng khí, khí ơxy, hơi nước), phẩm cấp than và thành phần của chúng, điều kiện địa chất và địa chất thuỷ văn, điều kiện thế nằm của vỉa, bề dày vỉa và cấu trúc vỉa, đồng thời phụ thuộc cả ở vấn đề nước ngầm tại khu vức khí hố than [4].
Kinh nghiệm của một số nước trong lĩnh vực UCG
Phát minh ra công nghệ UCG được cho là của ông Carl Wilhelm Siemens (Đức), người đầu tiên trình bày ý tưởng về vấn đề này tại một hội nghị quốc tế ở London vào năm 1868. Mặc dù công nghệ UCG đã được triển khai tại Nga vào những năm đầu của thập kỷ 60, thế kỷ 20, nhưng do nguồn tài nguyên khí đốt tại đây rất lớn nên công nghệ này không được quan tâm phát triển. Tới nay, những thử nghiệm về công nghệ này đã được tiến hành tại nhiều nước trên thế giới [24].
Theo Hiệp hội UCG thế giới, hiện có trên 70 dự án UCG đang nghiên cứu tiềm năng, lập kế hoạch và thực hiện tại 31 quốc gia trên thế giới trong đó có Việt Nam [24].
Hình 1.9. Bản đồ phân bố dự án UCG tại các quốc gia
Nguồn: Hiệp hội UCG thế giới
Những thử nghiệm độc đáo của ngài Willam Ramsey về khí hóa than ngầm tại vùng than Dutham Coal Field đã tiến hành đầu tiên năm 1912 và kế hoạch khai thác thương mại mới chỉ dừng lại ở một số ứng dụng cụ thể sau đó. Liên Xơ cũ đã khai thác khí hóa than ngầm rộng lớn tại mỏ để cung cấp khí cho các nhà máy nhiệt điện, nhà máy amoniac và một số nhà máy sử dụng khí đốt khác. Chương trình khí hóa than ngầm ở Mỹ đã triển khai trước những năm 1990, nhưng sau đó đã triển khai chậm lại do khí thiên nhiên quá rẻ.
Đến năm 2005, châu Âu, Australia đã trở lại quan tâm đến khí hóa than ngầm tại phía Bắc Tây Ban Nha và Queenland, nhiều nghiên cứu khả thi hỗ trợ đã được thực hiện, các nhà cầm quyền đã chấp nhận lợi ích từ khí hóa than ngầm như một cơng nghệ than sạch trước nguy cơ nóng lên tồn cầu.
Ấn Độ, Trung Quốc và mới đây, Nam Phi đang đứng vào hàng ngũ ngày một đông đảo các nước nhận thức tiềm năng to lớn của khí hóa than ngầm trong phương án an ninh năng lượng quốc gia. Nhiều cơng trình nghiên cứu triển khai
về khí hóa than ngầm đã được nhiều nước đang phát triển áp dụng để phát điện theo các công nghệ IGCC và thu giữ - niêm cất cacbon (CCS), chi phí rất thấp.
Hình 1.10. Tình hình thực hiện các dự án UCG trên thế giới
Nguồn: The Global Status of CCS, 2014
Hội nghị khí hóa than ngầm năm 2008 tại London (nước Anh) đã thông báo về kết quả nghiên cứu khả thi (Feasibility Studies) về khí hóa than ngầm tại các mỏ than Gujurat Region của Ấn Độ, Firth of Forth ở Scotland, Majubga coal field ở Nam Phi… trong đó, ở một số mỏ đã đạt đến giai đoạn khoan thăm dị và khai thác khí đốt. Cơng trình đạt kết quả cao nhất, giá chào trên thị trường chứng khoán của Australia năm 2006 là 22 triệu đôla Úc của Tập đoàn năng lượng Australia nhằm mở rộng mỏ khí hóa than ngầm cung cấp khí cho các nhà máy nhiệt điệt chu trình hỗn hợp và các nhà máy khí hóa lỏng.
Một số lượng lớn các tập đồn dầu khí trên thế giới đang theo dõi sự triển khai các mỏ than với khí hóa than ngầm, trong số đó có thể biết đến các tập đoàn như: Statoij, Tullow oil và cả ngân hàng ABN AMRO Bank… Những tập đoàn trên đã trở thành các thành viên đầu tiên hoặc sáng lập của Hiệp hội khí hóa than ngầm, hội viên của Hiệp hội này đã tăng lên tới con số 32 tổ chức, với các công
ty lớn như E.ON - công ty đứng đầu trong hội đồng quản trị của Hiệp hội, Hiệp hội đã trở thành trung tâm của các hội viên ưu tú nhất trong ngành khí hóa than ngầm, thúc đẩy việc triển khai mạnh mẽ cơng nghệ khí hóa than ngầm như một cơng nghệ than sạch, đảm bảo các tiêu chuẩn nghiêm ngặt nhất về bảo vệ môi trường, sinh thái.
Công nghệ UCG hiện đang được nhiều nước trên thế giới quan tâm phát triển và áp dụng khai thác các khoáng sàng than trong các điều kiện tương tự bể than ĐBSH không thể khai thác bằng các công nghệ truyền thống như lộ thiên
và hầm lò. Việc phát triển và đưa vào áp dụng trong thực tế công nghệ UCG sẽ
cho phép nâng tổng trữ lượng than đã được chứng minh (trữ lượng khả khai) của thế giới hiện nay từ 909 tỷ tấn lên tới 6.000 tỷ tấn. Như vậy, các công nghệ truyền thống như lộ thiên và hầm lò chỉ cho phép chúng ta khai thác được khoảng 15% trữ lượng than trong tương lai [4].
Hình 1.11. Phạm vị áp dụng cơng nghệ UCG theo độ sâu của vỉa than trên thế giới
Nguồn: Burton et al., 2007
Về mặt kỹ thuật, theo các báo cáo của các chuyên gia EC, độ sâu tối ưu để áp dụng UCG là từ 600-1.200m. Nếu áp dụng UCG: trữ lượng than của Mỹ có thể tăng lên từ 3-4 lần; 66% trong số 467 tỷ tấn trữ lượng than của Ấn Độ có thể
được đưa vào cân đối; 45% trữ lượng than của Úc, tương đương với 44 tỷ tấn sẽ được đưa vào cân đối [4].
Sản phẩm của cơng nghệ UCG là “khí tổng hợp” có giá trị sử dụng cao hơn rất nhiều so với sản phẩm của các công nghệ khai thác lộ thiên, hầm lò truyền thống chỉ là “than nguyên khai”. Khí tổng hợp thu được từ UCG cho phép áp dụng các công nghệ phát điện hiện đại và tiên tiến nhất (kết hợp các chu trình khí hóa than và phát điện bằng các tuabin hơi và khí) như: ICFBC, HYCOL, IGCC, EAGLE, IGFC, A-IGCC/A-IGFC, Hyper coal v.v. với hiệu suất nhiệt cao hơn rất nhiều (gần gấp 2 lần so với cơng nghệ lị tầng sơi (CFB) và lò than phun (PC) hiện nay).
Những ưu việt về an tồn cung cấp khí đốt (bằng khí hóa than ngầm) được thừa nhận ở nhiều nước trên thế giới, nhưng những khác biệt chủ yếu là ở trong biến hốn năng lượng của q trình phát điện. Cả 2 cơng nghệ tuabin khí chu trình hỗn hợp (GTCC) và khí hóa than trong chu trình tuabin khí chu trình hỗn hợp đều có khả năng đạt hiệu suất cao (60% trở lên, trong khi các nhà máy nhiệt điện đốt than theo công nghệ truyền thống hiện đại nhất với các tổ máy công suất lớn 600MW trở lên chỉ có thể đặt được hiệu suất cao nhất 38%) nhưng cơng nghệ IGCC có điều kiện thu giữ và niêm cất cacbondioxide từ khí hóa than bởi khí cacbondioxide có nồng độ cao trong q trình khí hóa than ngầm. Tóm lại, UCG là một công nghệ năng lượng sạch tiềm năng, được nhiều quốc gia đánh giá cao hơn so với điện nguyên tử, là một “kho chứa cacbon khổng lồ” của thế giới, là định hướng chủ yếu của nhiều nước trong vấn đề an ninh năng lượng [4].
1.2.1.2. Q trình khí hố than ngầm
UCG thuộc lĩnh vực khai thác khống sản thơng qua các lỗ khoan bằng các phương pháp dựa trên cơ sở của các q trình lý-hóa-địa (chênh lệch áp suất, ơ xy hóa, hịa tan, nung chảy, kết tủa, enzim...) [4].
Bản chất của UCG là biến than dưới lịng đất thành khí tổng hợp và sau đó khai thác khí tổng hợp như khí thiên nhiên.
Cơ sở của quá trình biến than dưới lịng đất thành khí tổng hợp là phản ứng ơ xy hóa của nguyên tố các-bon (C).
Để ơxy hóa các-bon (đốt cháy than) dưới lịng đất ta phải đưa vào vỉa than ơ xy và nhiệt độ (thường là khơng khí có chứa ơ xy hoặc được làm giầu về ô xy và hơi nước nóng). Để q trình ơ xy hóa các-bon tạo ra được khí tổng hợp (syngas) có thành phần cháy được như khí thiên nhiên (CO, H2, CH4) cần điều chỉnh lượng O2 trong thành phần khí, nhiệt độ và áp suất của khí và hơi nước nóng đưa vào vỉa than.
Q trình khí hố than xảy ra các phản ứng sau:
- Phản ứng cháy (toả nhiệt) của than, hidro, ơxit cácbon và khí mê-tan: C + O2 = CO2 + 394 kJ/mol (1)
2C + O2 = 2CO + 221 kJ/mol (2) H2 + ½ O2 = H2O + 242 kJ/mol (3) CO + ½ O2 = CO2 + 286 kJ/mol (4) CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O + 801 kJ/mol (5) - Phản ứng thu nhiệt của cácbonic và hơi nước:
CO2 + C = 2CO – 173 kJ/mol (6) H2O + C = CO + H2 – 130 kJ/mol (7) 2H2O + C = CO2 + 2H2 – 80,3 kJ/mol (8) - Các phản ứng trao đổi:
CO + H2O = CO2 + H2 + 41,8 kJ/mol (9) CO + 3H2 = CH4 + H2O + 205 kJ/mol (10) C + 2H2 = CH4 + 75,3 kJ/mol (11) Qua các phương trình hóa học trên ta thấy:
- Có bảy phản ứng tạo ra các thành phần cháy được của khí tổng hợp (CO, H2, CH4) gồm các phản ứng (2), và từ (6) đến (11);
- Nhiệt lượng cần thiết cho khí hố chủ yếu giải phóng từ các phản ứng (1), (3), (4), (5), (9) và (10);
- Nhiệt lượng cung cấp điều kiện cho các phản ứng và cho quá trình phân rã than từ các phản ứng (6) đến (8).
Hình 1.12. Sơ đồ các khu vực phản ứng khi UCG
Nguồn: Dự án thử nghiệm khí hố than ngầm dưới lịng đất UCG, Cơng ty Năng lượng Sơng Hồng, Tập đồn Cơng nghiệp Than - Khoáng sản Việt Nam
Khác với khí hố trong các thiết bị trên mặt đất, khí hố dưới lịng đất mang những đặc điểm sau:
Khơng có sự dịch chuyển của chất đốt; sự cháy của than xảy ra theo sự chuyển đổi vung cháy (tứ dưới lên), cùng với nó là sự chuyển đổi của các khu vực khí hố (khu vực phản ứng trùng lặp, khu vực chưng khô, khu vực di chuyển của khí). Trong q trình cháy của vỉa than, dưới tác dụng của áp lực đất đá bao quanh, tại khu vực đất đá vách sẽ xảy ra dịch chuyển, sạt lở, tạo khoảng trống về phía gương lị. Vì vậy, kích cỡ và cấu trúc của kênh phản ứng ln ln được đảm bảo.
Khơng có các vách ngăn khí, vì thế trong q trình cháy có sự tham gia khơng chỉ của hơi nước được giải phóng từ than, mà cịn hơi nước từ đất đá bao quanh và cả nước ngầm.
Kênh phản ứng tiếp xúc trực tiếp với vỉa than, nhờ đó tạo điều kiện cho quá trình nhiệt phân rã than xảy ra.
Khoảng cách giữa các lỗ khoan trong thực tế dài hơn nhiều lần khoảng cách cho phép của khu vực phản ứng.
Thành phần và nhiệt lượng của khí thu hồi phụ thuộc vào thành phần của luồng khí lưu thổi vào kênh phản ứng và chất lượng than, đồng thời phụ thuộc vào điều kiện địa chất và thế nằm của vỉa than [4].
1.2.2. Công nghệ Thu hồi và lƣu trữ các-bon
1.2.2.1. Khái niệm
Thuật ngữ “thu hồi và lưu trữ các-bon” (CCS) dùng để chỉ nhóm các cơng nghệ giúp giảm lượng khí thải CO2 từ các nguồn phát sinh chủ yếu, qua đó làm giảm tác động tới q trình biến đổi khí hậu. Thay vì thải vào bầu khí quyển để lượng CO2 tích tụ mỗi ngày, cơng nghệ CCS thực hiện thu hồi và sau đó lưu trữ
khí này trong các “kho chứa”. Lĩnh vực then chốt nghiên cứu trong tương lai là cơng tác nghiên cứu khí hóa than ngầm với việc thu giữ và niêm cất khí CO2 tại chỗ [21].
Với q trình đốt cháy khí hy-đrơ-các-bon, UCG sản sinh ra lượng CO2. Nhưng, tương ứng với các khu vực có khả năng triển khai công nghệ này là những địa điểm có có thể cơ lập được một lượng vơ cùng lớn khí CO2 trong quá trình hình thành địa chất dưới lòng đất. UCG cũng tăng khả năng lưu trữ các lượng khí CO2 trong các chính các vỉa than. Lượng khí thốt ra cùng lúc đó có thể được hút ra khỏi lịng đất và những phụ phẩm sẽ được tách ra. Khí CO2 sau
đó có thể được đưa lại xuống các lỗ trống lịng đất gần đó [21].
1.2.2.2. Q trình thu hồi, lưu trữ các-bon