Công nghệ thu giữ khí thải CO2 ứng dụng cho các giàn khoan dầu khí ngoài khơi mới

Công nghệ thu giữ khí thải CO₂ đã được ứng dụng trong khoảng một thế kỷ qua trong các nhà máy xử lý khí tự nhiên để tách khí metan có giá trị thương mại cao. Vào những năm 1970, lượng khí thải CO₂ khi đó được sử dụng để phục vụ việc thu hồi dầu bằng công nghệ tiên tiến. Giờ đây, công nghệ thu hồi và lưu trữ carbon (CCS) đang được triển khai, góp phần làm giảm lượng khí thải CO₂ phát sinh ở thượng nguồn và hứa hẹn sẽ có thêm nhiều ứng dụng nữa được ra đời.

Công nghệ xử lý khí thải CO₂ hiện đang được ứng dụng ở trong đất liền song không có giải pháp hoàn chỉnh nào có thể thích hợp với tất cả các địa điểm khoan thăm dò và khai thác dầu khí, quy mô cơ sở hóa lọc dầu và hỗ trợ cơ sở hạ tầng. Tuy vậy, kết quả ứng dụng công nghệ đạt được rất đáng khích lệ trong các khái niệm thu giữ khí thải CO₂ sau đốt cháy khí đồng hành, chẳng hạn như hệ thống HyCaps của CO2Tech (Úc) và các quy trình hóa học phục vụ quá trình khoáng hóa tiếp theo sau, chẳng hạn như quy trình do Carbfix (Iceland) phát triển. Các lò phản ứng dùng công nghệ thu nạp khí thải CO₂ trước khi đốt cháy để tạo ra năng lượng cũng đang được phát triển một cách tích cực.

Liên quan đến vấn đề này, ông Mhairidh Evans – người đứng đầu nhóm tư vấn – nghiên cứu công nghệ thu hồi, sử dụng và lưu trữ khí thải CO₂ (Carbon capture, utilization and storage-CCUS) thuộc Wood Mackenzie (Vương quốc Anh) cho rằng việc sản xuất dầu khí sẽ trở thành là một trong những lĩnh vực áp dụng CCS sớm nhất khi chiếm khoảng 15% số lượng các dự án thu giữ carbon đang được vận hành và công bố. Tuy nhiên, việc thực hiện các dự án trên nhằm mục tiêu loại bỏ khí thải CO₂ ra khỏi lượng khí được sản xuất thay vì loại bỏ khí thải CO₂ phát sinh từ trong quá trình hoạt động sản xuất khí của giàn khoan ngoài khơi. Đối với những lượng khí thải trên, ông Evans bày tỏ mong đợi các nhà sản xuất khí đốt tự nhiên cũng sẽ ưu tiên ứng dụng các giải pháp khác như các biện pháp điều hành sản xuất hiệu quả hoặc các nguồn nhiên liệu thay thế khác trước khi xem xét thực hiện CCS.

Trong khi một số công nghệ thu hồi carbon đã được hoàn thiện và nắm bắt khá rõ trong thực tế thì việc ứng dụng công nghệ trên các giàn khoan thăm dò khai thác dầu khí hoặc tàu chuyên dụng ngoài khơi vẫn còn tương đối ít ỏi. Về điểm này, ông Evans còn cho biết thêm, những trở ngại cần phải vượt qua bao gồm không gian trên boong tàu hoặc giàn khoan, yêu cầu sử dụng năng lượng ở mức cao và lượng khí thải CO₂ tương đối thấp đến từ các nguồn khác nhau, nghĩa là tính kinh tế theo quy mô thu hồi carbon khó có thể đạt được kết quả như mong muốn. Chính vì vậy mà các nhà phát minh công nghệ hiện đang tăng cường nỗ lực nghiên cứu và phát triển (R&D) để mô-đun hóa việc thu giữ carbon trong các thiết bị lưu trữ nhỏ và linh hoạt hơn. Việc áp dụng công nghệ trên quy mô lớn hơn có vẻ vẫn còn là một điều quá xa vời song lợi ích về mặt kinh tế có thể đạt được một cách thuận lợi hơn ở một số lĩnh vực so với các lựa chọn khác như điện khí hóa và sử dụng nhiên liệu điện tử.

Vừa qua, Công ty Aker Carbon Capture là nhà cung cấp giải pháp thu hồi khí thải CO₂ hàng đầu thế giới có trụ sở ở Na-uy đã nhận được chứng nhận của Tổ chức Chứng nhận DNV (Det Norske Veritas) của Na-uy là một tổ chức quốc tế hàng đầu trong lĩnh vực chứng nhận, kiểm định và đánh giá về hàng hải, năng lượng… do phát minh hệ thống Just Catch Offshore System (10 /2022) và đang tiến hành nghiên cứu dự án thiết lập các mô-đun được thiết kế riêng cho các kho/bể nổi chứa, xử lý và xuất dầu thô (Floating Production, Storage and Offloading-FSO/FPSO), trong đó bao gồm việc sản xuất và chế biến hydrocarbon. Ngoài ra, công ty còn coi CCS là một công cụ quan trọng giúp loại bỏ cacbon sản sinh trong quá trình sản xuất của ngành dầu khí và cắt giảm lượng khí thải CO₂ phát sinh từ các tua-bin khí. Theo Công ty Aker Carbon Capture, các tua-bin khí được sử dụng để phát điện trên giàn khoan dầu khí ngoài khơi có thể là nguồn năng lượng hiệu quả tại chỗ, đáp ứng nhu cầu về điện và nhiệt cho cả chủ sở hữu giàn khoan và quy trình thu hồi carbon. Hiệu suất năng lượng có thể đạt vượt quá 80% khi tận dụng được toàn bộ nhiệt thải từ khí thải của tuabin. Bằng cách triển khai áp dụng CCS thay vì phải cấp điện từ trong đất liền ra cho các giàn khoan ngoài khơi thì tổn thất truyền tải điện trên lưới điện trong đất liền sẽ không lớn và khi đó, điện trên đất liền có thể được sử dụng cung cấp cho những khu vực khác nhau.

Ông Laurent Thomas, Giám đốc cấp phép công nghệ về quy trình sản xuất khí tại Công ty Shell Catalysts&Technologies (Vương quốc Anh) tỏ ý rất lạc quan về tiềm năng của CCS như một giải pháp loại bỏ cacbon tại các giàn khoan dầu khí ngoài khơi khi nhận thấy rõ những quan tâm về các giàn khoan và FPSO, mặc dù tại thời điểm này chủ yếu là đang ở giai đoạn nghiên cứu tiền khả thi, xem xét những thách thức cụ thể của các ứng dụng như vậy, chẳng hạn như giới hạn về không gian và độ cao của giàn khoan, chuyển động của tàu chuyên dụng, quản lý các hóa chất và sản phẩm chất thải v.v. Tính mô-đun và tiêu chuẩn hóa sẽ là chìa khóa của sự hiệu quả. Việc sử dụng một cách hạn chế một số loại tua-bin khí trên các giàn khoan và tàu chuyên dụng sẽ góp phần xây dựng các dự án trở nên tương tự nhau, đồng thời mở ra cơ hội cho việc tiêu chuẩn hóa hiệu quả dự án.

Ông Thomas còn tiết lộ thêm, CANSOLV là hệ thống thu hồi khí thải CO₂ thuộc sản phẩm của Công ty Shell Catalysts&Technologies hợp tác với Technip Energies là một công ty kỹ thuật và công nghệ của Pháp về công nghiệp năng lượng và hóa chất, nhằm tìm ra các giải pháp chung được điều chỉnh một cách phù hợp với các bộ phát ở mọi cấp độ quy mô. Hệ thống CANSOLV có nhu cầu nhiệt tái sinh rất thấp nhờ khả năng tích hợp dung môi và năng lượng bên trong tiên tiến. Việc phát triển hơn nữa việc tối ưu hóa các công thức dung môi vẫn đang được tiến hành thực hiện. Hiện công ty cũng đang xem xét mở rộng phạm vi thiết kế và vận hành hệ thống trên để cắt giảm cường độ năng lượng tổng thể của việc thu giữ khí thải CO₂, ví như là tăng áp suất bộ máy tái sinh để cung cấp khí thải CO₂ ở áp suất cao hơn trong quá trình nén và vận chuyển, do đó sẽ làm giảm năng lượng nén.

Công tác hậu cần ở hạ nguồn cũng là một trọng tâm của sự đổi mới sáng tạo cả ngoài khơi và trên đất liền. Các dự án CCS trên đất liền đang tiếp tục mở rộng quy mô các giải pháp trung tâm cô lập, trong đó hệ thống vận chuyển khí thải CO₂, đưa khí thải CO₂ thu hồi được từ nhiều ngành công nghiệp khác nhau đến một hoặc nhiều địa điểm khác nhau, thường là ở ngoài khơi xa. Khái niệm trung tâm cô lập này cũng đang được xem xét áp dụng cho các giàn khoan ngoài khơi liền kề nhau. Khí thải CO₂ khi thu hồi được từ nhiều nguồn khác nhau thường chứa đựng hàm lượng và nhiều loại tạp chất khác nhau tùy thuộc vào nguồn gốc, công nghệ thu hồi được áp dụng và phương thức vận chuyển, với các tác dụng đầy tiềm năng. Ví dụ, tạp chất đến từ ​​các nguồn trước khi đốt khí đồng hành và các nguồn sau đốt có thể phản ứng và tạo ra các chất phản ứng không mong đợi. Một ví dụ điển hình là quá trình oxy hóa H2S bằng NO2 trong pha khí thải CO₂ đậm đặc và hình thành axít mạnh. Từ quan điểm này, các công nghệ dựa trên amin, và đặc biệt là hệ thống CANSOLV của hãng Shell, được đặt vào vị trí tốt hơn vì chúng tạo ra khí thải CO₂ rất tinh khiết.

Trong khi đó, ông Joseph Rousseau, Giám đốc về công nghệ ngoài khơi của American Bureau of Shipping-ABS có trụ sở ở Houston (tiểu bang Texas, Hoa Kỳ), thì nhấn mạnh, ABS coi việc xử lý và lưu trữ khí thải CO₂ thu hồi được là một thách thức rất đáng kể đối với các nhà sản xuất dầu khí ngoài khơi là phải làm gì với lượng khí thải CO₂ thu hồi được vì không có cảng đến nào để chuyển tải hay bốc dỡ hàng phù hợp, song một số lượng khí thải CO₂ có thể được đưa vào sản xuất hoặc các giếng khoan phụ. Mặt khác, cần phải xây dựng cơ sở hạ tầng để chuyển lượng khí thải CO₂ qua đường ống dẫn khí, nếu có thể, hoặc tới các tàu hỗ trợ ngoài khơi hoặc tàu chở khí thải CO₂ hóa lỏng, để vận chuyển đến các cơ sở tiếp nhận thích hợp tại cảng đến hoặc trung tâm phân phối ngoài khơi khác. Ông Rousseau còn cho biết thêm, một khả năng khác có thể là sử dụng khí thải CO₂ để sản xuất nhiên liệu điện tử tức nhiên liệu tổng hợp. Việc sử dụng khí thải CO₂ thu hồi được để tổng hợp metanol đã trở thành một chủ đề thảo luận sôi nổi. Các giàn khoan dầu khí ngoài khơi đã xử lý các quy trình hóa học và lưu trữ nhiều chất khác nhau, do đó, việc biến các giàn khoan này thành một cơ sở xử lý không phải là một bước tiến lớn khi phải gánh chịu những hạn chế thông lệ về không gian, trọng lượng, năng lượng và hơn thế nữa. Điều tốt hơn cả đối với các giàn khoan dầu khí sẽ được coi là một nhà máy kết hợp xử lý nước để tạo ra hydrogen sẽ được sử dụng cho các loại nhiên liệu điện tử khác như amoniac.

Theo Viện CCS toàn cầu đã chỉ ra trong báo cáo công bố năm 2023 về các trường hợp đầu tư cho CCS: Chiều hướng chính sách và các trường hợp điển hình, thì nhu cầu toàn cầu ngày càng gia tăng đối với các phương tiện chuyên chở năng lượng carbon thấp như hydro, amoniac và metanol làm chất thay thế cho LNG và than đá cung cấp cho các nhà máy điện và kho chứa nhiên liệu trong vận tải biển có tiềm năng tạo ra một thị trường đáng kể cho các sản phẩm này.