2.2.2.1. Vận chuyển bằng đường ống
CO2 ởdạng khí hoặc dạng lỏng có thể được vận chuyển bằng đường ống tới các địa điểm lưu trữ. Đối với CO2 dạng rắn, không thể vận chuyển bằng các hệ thống đườngống.
Các phương diện vận hành của đường ống được quyết định trong ba yếu tố: vận hành thường nhật, duy trì và bảo dưỡng, an toàn và môi trường. Những vấn đề cần đềcập tới của quá trình vận hành nói chung bao gồm: huấn luyện, kiểm tra, liên kết an toàn, thiết kế và các dấu hiệu đường ống, đào tạo chung, các chương trình phòng tránh sựhư hại, sựliên lạc, đảm bảo thuận lợi và phát hiện rò rỉ.
Việc huấn luyện nhân viên là một phần trung tâm của các quá trình vận hành và phải có đủkhả năng. Nhân viên phải được huấn luyện liên tục và được cập nhật các biện pháp an toàn, bao gồm các biện pháp an toàn mà có thể áp dụng khi làm việc gần các đường ống. Quá trình vận hành bao gồm bảo dưỡng hằng ngày, kế hoạch được ghi trong lịch trình và các cách giải quyết đối với việc kiểm tra, duy trì và sửa chữa tất cả các thiết bị trên đường ống và chính đường ống, cũng như các thiết bị phụ trợ. Các trang bị và thiết bị phụ trợ bao gồm các van, máy nén, máy bơm, bểchứa, các hành lang truyền tải, các thiết kế công khai và các tín hiệu dòng. Các đường ống có khoảng cách xa được cung cấp các dụng cụ đo lường ở các khoảng cách nên dòng có thể được kiểm soát. Các điểm kiểm soát, các trạm máy nén và các van phân đoạn được kết nối tới một trung tâm vận hành. Các máy tính điều khiển nhiều quá trình vận hành và sựcan thiệp bằng tay chỉcần thiết khi xuất hiện những tình trạng bất thường và các vấn đề khẩn cấp. Các hệ thống được lắp ghép dư đểtránh sựtổn thất về năng suất vận hành nếu một bộphận bịlỗi.
Các đường ống cũng được kiểm tra bên ngoài. Đối với các đường ống trên mặt đất, việc kiểm tra được tiến hànhở các khoảng cách chấp nhận được giữa các thiết bị vận hành và thiết bị điều khiển. Sự kiểm tra này có thểphát hiện được nơi không được phép khai thác hay xây dựng trước khi xảy ra thiệt hại. Hiện nay, các đườngống dưới nước được kiểm soát bởi các phương tiện truyền tải được vận hành ởrất xa, các tàu lặn nhỏ được vận hành tự động mà có thể di chuyển một thời gian dài dưới nước và ghi lại các hình ảnh, và trong tương lai, bằng các phương tiện có thểhoạt động độc lập dưới nước mà không cần được kết nối tới một tàu mẹbởi một dây cáp. Một số đường ống có các hệ thống bảo vệ sự thấm một cách độc lập, hệ thống này có thể tìm thấy những điểm rò rỉ hoặc đo lường chất hóa học thoát ra, hoặc bằng cách lấy những sự thay đổi về áp suất hoặc sự thay đổi nhỏvềcân bằng khối lượng. Công nghệnày là khảthi và tiện ích.
2.2.2.2. Vận chuyển bằng tàu biển
Cacbon dioxit được thu giữ liên tục từ các nhà máy trên mặt đất, nhưng sự tuần hoàn của việc vận chuyển bằng tàu thủy lại gián đoạn và vì thế một hệ thống vận chuyển tàu biển sẽphải có [32]: tồn chứa tạm thời trên mặt đất và một nhà máy nạp liệu. Sức chứa, tốc độ vận hành, số lượng tàu thủy và lịch trình vận chuyển sẽ được lên kế hoạch, cân nhắc kỹ lưỡng, cùng với các vấn đề như tỉlệ thu giữ, không gian vận chuyển, và các hạn chế vềmặt xã hội và công nghệ. Tất nhiên, vấn đềnày không phải là đặc trưng đối với vận chuyển CO2; việc vận chuyển CO2 bằng tàu thủy có những điểm tương đồng lớn so với việc vận chuyển khí dầu mỏ hóa lỏng (LPG) bằng tàu thủy. Những gì xảy raở điểm phân phối phụthuộc vào hệthống tồn chứa CO2. Nếu điểm phân phối ở trên bờ, CO2 sẽ được chuyển đi từ các tàu thủy trong các bồn chứa tạm thời. Nếu điểm phân phốiở ngoài khơi – như lựa chọnlưu trữ ởngoài biển– các tàu thủy phải dỡtải tới một phương tiện tồn chứa nổi (tương tự như một phương tiện tồn chứa và sản xuất nổi thông thường được áp dụng cho việc quá trình khai thác dầu mỏ ngoài khơi xa), tới một hệthống phao neo giữhoặc đưa trực tiệp tới hệthống lưu trữ.
Nhìn chung, một hệthống vận chuyển tàu biển thường bao gồm các quá trình sau [32]:
Nạp liệu
Vận chuyển tới điểm lưu trữ
Quay trởlại cảng sau khi dỡtải và đưa tàu vào ụcạn
a. Nạp liệu
CO2 lỏng được nạp vào từcác bểchứa tạm thời tới bểchởhàng với các bơm được thiết kếthích hợp cho điều kiện làm việc ởáp suất cao và nhiệt độthấp. Các bểchở hàng đầu tiên được đổ đầy và được nén với CO2 dạng khí đểtránh sựnhiễm bẩn bởi không khíẩm và sựhình thành băng khô.
b. Vận chuyển tới điểmlưu trữ
Sự truyền nhiệt từ môi trường qua tường của bểchởhàng sẽlàm sôi CO2 và làm tăng áp suất trong bể. Điều này không gây nguy hiểm tới việc tháo khí CO2bay hơi cùng với khí thải ra từ các động cơ của tàu thủy, nhưng nó sẽ làm thoát CO2 vào không khí. Mục tiêu để lượng CO2 phát thải bằng không trong suốt quá trình tồn chứa và thu giữcó thể đạt được bằng cách sửdụng một bộphận làm lạnh đểthu hồi và hóa lỏng khí bay hơi và khí CO2thoát ra.
c. Dỡtải
CO2 lỏng được dỡtảiở điểm đến. Thể tích được sửdụng bởi CO2 lỏng trong các bểchở hàng được thay thếbằng khí CO2khô, chính vì vậy không khíẩm không bịnhiễm bẩn vào các bể. CO2này có thể được tái tuần hoàn hoặc tái hóa lỏng khi bể được đổ đầy lại.
d. Quay trởlại cảng sau khi dỡtảivà đưa tàu vào ụcạn
Tàu chở CO2 sẽ được quay lại cảng để thực hiện các chuyến tiếp theo. Khi tàu chởCO2ởtrong vũng tàu đểsửa chữa hoặc kiểm tra, khí CO2 trong các bể chở hàng sẽ được làm sạch với không khí đểan toàn cho quá trình làm việc. Đối với lần nạp liệu đầu tiên sau khi cập bến, các bể chở hàng sẽ được làm khô toàn bộ, làm sạch và đổ đầy khí CO2.
2.2.3. Đánh giá phương pháp vận chuyển CO2
Hiện nay, với sự phát triển mạnh mẽ của nền công nghiệp, đặc biệt là công nghiệp khai thác và vận chuyển dầu khí, các hệ thống vận chuyển bằng đường ống và tàu thủyđãđược nghiên cứu và sửdụng nhiều trong thực tế. Khi những khó khăn về vấn đề kỹ thuật và công nghệ của các phương pháp được giải quyết thì yếu tố quan trọng nhất, quyết định tới sựlựa chọn công nghệvận chuyển CO2tới khu vực lưu trữlà yếu tốkinh tế.
Hệthống vận chuyển bằng đườngống
Giá thành của hệthống đườngống bao gồm các hạng mục:
Chi phí xây dựng
Chi phí vật liệu/thiết bị
Chi phí lắp đặt
Chi phí vận hành và bảo dưỡng
Kiểm tra, giám sát
Bảo dưỡng
Các chi phí khác (thiết kế, quản lý dự án, chi phí nhân công, giá bảo hiểm, thiết bịliên lạc từ xa,…)
Hệthống vận chuyển bằng tàu thủy (đường hàng hải)
Giá thành của hệ thống vận chuyển hàng hải bao gồm nhiều yếu tố. Những vấn đềchính chiếm phần lớn giá thảnh của hệthống bao gồm:
Các thiết bịnạp và dỡtải (CO2)
Các hệthống tồn chứa tạm thời và hóa lỏng CO2
Chi phí cho vận hành (nhiên liệu, điện, nhân công) và bảo dưỡng Chi phí vận chuyển hàng hải hiện mới chỉ được ước tính vì trên thực tế vẫn chưa có hệ thống vận tải khí CO2quy mô lớn (cỡ hàng triệu tấnCO2/năm) nào hoạt động. Đối với những khoảng cách xa hơn 1.000km và lưu lượng nhỏ hơn vài triệu tấn CO2/năm thì chi phí vận chuyển hàng hải có thể thấp hơn vận chuyển bằng đường ống.
Ngoài yếu tốkinh tế, một yếu tốquan trọng nữa cần được nhắc đến đó làyếu tố môi trường, bởi xã hội hiện đại ngày nay đã quan tâm nhiều hơn tới môi trường và sựphát triển bền vững. Vận chuyển hàng hải phát thải CO2 nhiều hơn so với hệ thống đường ống do sự sử dụng năng lượng và nhiên liệu trên tàu trong quá trình vận chuyển.
Như vậy, căn cứ vào các đánh giá và tính toán về tính kinh tế của mỗi phương pháp vận chuyển đối với từng trường hợp cụ thể của quá trình lưu trữ để đưa ra những quyết định cho sự lựa chọn hệ thống vận chuyển CO2. Bên cạnh đó một nhân tố cũng đáng được quan tâm là tính an toàn đối với môi trường của từng hệ thống vận chuyển.
2.3. Các dạng lưu trữCO2
Lưu trữCO2đềcập tới những phương pháp có thểgiảm được lượng lớn CO2 phát thải ở những nguồn lớn. Thay vì được thải ra ngoài khí quyển, CO2 có thể được thu hồi và lưu trữtrong những “kho chứa” với những lượng lớn. Hình 2.6 [32] đưa ra sơ đồtổng quát vềcác khả năng lưu trữCO2.
Hình 2.6. Các phương pháp lưu trữCO2
Có ba phương pháp lưu trữCO2bao gồm:
Lưu trữCO2trong các thành hệ địa chất (mục 2.3.1)
Lưu trữCO2trong đại dương (mục 2.3.2)
Cacbonat hóa khoáng chất (mục 2.3.3) Cacbonat hóa khoáng chất Khí Biomass Than Khí tựnhiên + thu hồi CO2 Sản xuất điện +thu hồi CO2 Hóa dầu Khí tới nơi tiêu thụ Sản xuất xi măng, thép, lọc dầu… Lưu trữ địa chất Lưu trữ địa chất Lưu trữ đại dương Sử dụng trong công nghiêp Dầu
2.3.1. Lưu trữ địa chất CO2
2.3.1.1. Giới thiệu
Lưu trữ địa chất là gì?
Thu hồi và lưu trữ địa chất CO2cung cấp một phương pháp đểtránh phát thải CO2 vào khí quyển, bằng cách thu hồi CO2 từ các nguồn điểm cố định chính, vận chuyển nó bằng đườngống và bơm vào các thành hệ đất đá sâu thích hợp. Lớp dưới bềmặt là những bểchứa cacbon lớn nhất của trái đất,ở đó, phần lớn cacbon của thế giới được giữ ởtrong than đá, dầu mỏ, khí, đá phiến giàu chất hữu cơ và đá cacbon.
Lưu trữ địa chất CO2là một quá trình tựnhiên trong lớp vỏphía trên của trái đất trong hàng trăm triệu năm. Cacbon dioxit được bắt nguồn từ các hoạt động địa chất, hoạt động của núi lửa và các phản ứng hóa học giữa nham thạch và lưu chất tích lũy trong môi trường lớp dưới bề mặt tự nhiên như các khoáng chất cacbonat, trong dạng dung dịch, dạng khí hoặc dạng siêu tới hạn, như một hỗn hợp khí hoặc CO2nguyên chất.
Lưu trữ địa chất CO2 được coi như một lựa chọn để giảm phát thải khí nhà kính được đề xuất lần đầu tiên và những năm 1970. Một số nghiên cứu đã được thực hiện cho tới trước những năm 1990, ý tưởng này được tăng thêm độ tin cậy dựa vào các nghiên cứu riêng biệt và các nhóm nghiên cứu [38-43]. Tới sau những năm 1990, một số lượng lớn các chương trình nghiên cứu cả công khai và giữ kín được tài trợ đã được thực hiện ở các nước Mỹ, Canada, Nhật Bản, Châu Âu và Úc. Trong suốt thời gian này, thông qua một số ít các chương trình công khai, một lượng lớn các công ty dầu mỏ đã bắt đầu thích thú hơn trong việc xemlưu trữ địa chất như một lựa chọn để giảm sựphát thải CO2, đặc biệt là đối với các mỏkhí với hàm lượng CO2 tự nhiên cao chẳng hạn như Natuna ở Indonesia, In Salah ở Algeria và Gorgon ở Australia.
Trong hàng thập kỉ qua, lưu trữ địa chất CO2đã phát triển từ một khái niệm được quan tâm giới hạn thành một khái niệm nhậnđược quan tâm lớn. Hiện nay nó là một lựa chọn quan trọng có khả năng làm giảm sự phát thải CO2(hình 2.7 [32]). Có nhiều nguyên nhân cho điều này. Đầu tiên, khi các nghiên cứu đã được phát triển và khi sựminh chứng và các dự án thương mại đãđược thực hiện thành công, mức độtin cậy trong công nghệ đãđược tăng lên. Thứ hai, lưu trữ địa chất (kết hợp với thu hồi CO2) có thể giúp giảm sâu sựphát thải CO2 vào khí quyển. Tuy nhiên, nếu khả năng đó được hiện thực hóa, công nghệ cần phải an toàn, có tính bền vững
đối với môi trường và có tương quan tốt giữa giá thành-hiệu quả và có khả năng đượcứng dụng rộng rãi.
Hình 2.7. Nhữngđịa điểm lưu trữ và đềxuất lưu trữCO2
Những dữ liệu đưa ra trong hình 2.7 cho thấy, đã có một số dự án lưu trữ CO2trong các thành hệ địa chất được thực hiện, một sốdự án đềxuất. Có khá nhiều dựán thông qua công nghệthu hồi và lưu trữCO2để tăng hiệu quảthu hồi dầu, khí.
Những khu vực có khả năng lưu trữCO2
Để lưu trữ địa chất CO2, đầu tiên khí phải được nén, thường là tới một trạng thái dòng đậm đặc được biết đến như là “siêu tới hạn”. Phụ thuộc vào tỉlệ mà tăng nhiệt độvới độ sâu (gradient địa nhiệt), tỷtrọng của CO2sẽ tăng lên với độsâu, cho tới khoảng 800 m hoặc cao hơn, CO2 được bơm vào sẽ đượcởtrong trạng thái đậm đặc siêu tới hạn.
Hình 2.8 [32] cho thấy, tỷtrọng của CO2tăng lên mạnh với độsâu từ0-800m và từ độ sâu lớn hơn 1500m thì tỷ trọng của CO2 gần như không đổi. Sự tăng lên của tỷ trọng cũng có nghĩa là khả năng phân tán của CO2 trên một đơn vị thể tích giảm xuống theo chiều tăng của độsâu.
Hình 2.8. Sự thay đổi tỷtrọng của CO2với độsâu
Lưu trữ địa chất CO2 có thể được thực hiện trong những cấu tạo địa chất đa dạng trong các bểtrầm tích.
Hình 2.9 [32] đưa ra những sựlựa chọn cho việc lưu trữ CO2trong các thành hệ địa chất.
Hình 2.9. Những sựlựa chọn để lưu trữCO2trong các dạng địa chấtở sâu dưới lòng đất
Theo đó, có 6 sựlựa chọn bao gồm:
Những lựa chọn lưu trữ địa chất CO2 1.Những bểdầu và khí đã cạn kiệt 2.Sửdụng CO2để tăng hệsốthu hồi dầu 3.Những bểchứa nước mặn sâu
4.Những vỉa than sâu không khai thác được 5.Sử dụng CO2 để tăng hệ số thu hồi metan
trong tầng than
6.Những lựa chọn khác (bể đá banzan, đá phiến chứa dầu)
Khai thác dầu khí CO2được bơm vào
(1). Những bểdầu và khí đã cạn kiệt;
(2). Sửdụng CO2để tăng hệsốthu hồi dầu;
(3). Những bểchứa nước mặn sâu;
(4). Những vỉa than sâu không khai thác được;
(5). Sửdụng CO2để tăng hệsốthu hồi metan trong tầng than;
(6). Những lựa chọn khác (bể đá banzan, đá phiến chứa dầu).
Lưu trữ địa chất lớp dưới bềmặt có thểlàởtrên bờhoặcở ngoài khơi xa, với những nơi ở ngoài khơi xa được kết nối thông qua những đường ống từbờhoặc từ các giàn khaithác ngoài khơi.
Các dòng lưu chất được bơm trên một quy mô rất lớn vào trong các khu vực lưu trữtrong nhiều năm với mục đích đểbỏ đi các chất hóa học không mong muốn, các chất thải hoặc các sản phẩm phụcủa quá trình sản xuất dầu mỏ, cũng có thể là đểtăng các dạng sản phẩm dầu và khí hoặc đểbổsung các dạng đãđược làm nghèo [44]. Việc bơm CO2tới thời điểm này đãđược thực hiệnởmột số quy mô tương đối nhỏ, nhưng nếu nó được sử dụng để giảm đáng kể lượng phát thải từcác nguồn cố định hiện nay thì các tỉlệ bơm sẽphảiởmột quy mô tương tự đối với các hoạt động khác đang hoạt độngởcùng thời điểm.
Tiêu chuẩn chung đểlựa chọn khu vực lưu trữ
Có nhiều vùng trầm tích khác trên thế giới có thể thích hợp cho sự lưu trữ CO2(hình 2.7). Nhìn chung, các khu vực lưu trữ địa chất phải có các yếu tố[32]: (1)