Quá trình loại bỏ carbon khí đá phiến ở Lưu vực Permian (Kỳ cuối)

(PetroTimes) – Mặc dù việc cô lập CO₂ địa chất không dẫn đến chuỗi khí đá phiến được loại bỏ carbon hoàn toàn (tức là phát thải khí nhà kính GHG net-zero) song nó hiệu quả hơn nhiều so với giải pháp phản thực tế (counterfactual), nơi có ít sự lựa chọn cho việc bơm CO₂ xuống dưới lòng đất và sự chuyển hóa ammonia của hydrogen sẵn có.

Quá trình loại bỏ carbon khí đá phiến ở Lưu vực Permian (Kỳ cuối)
Lưu vực Permian

Tóm tắt về giảm thiểu phát thải

Khi xem xét vấn đề tránh phát thải (avoided emissions) là việc giảm phát thải khí nhà kính GHG xảy ra ngoài vòng đời hoặc chuỗi giá trị của sản phẩm song kết quả trực tiếp là việc sử dụng sản phẩm đó, cũng như tác động mở rộng hệ thống trong các Lộ trình 1 đến 3, vòng đời của khí phát thải GHG là 1 MJ của khí tự nhiên nằm trong khoảng từ 28 g CO₂e/MJ đến 32 g CO₂e/MJ song giá trị này thấp hơn khoảng từ 52% đến 56% so với lượng phát thải khí nhà kính GHG trong vòng đời cơ bản liên quan đến khí tự nhiên mà không có bất kỳ sự cô lập hoặc sử dụng CO₂ nào (88 g-CO₂e/MJ). Do vậy, phương cách chính khả dĩ nhất để giảm thiểu những lượng khí thải này là tránh phát thải thông qua cô lập địa chất (18 g-CO₂ e/MJ). Tất cả những mức giảm này tương tự với mức giảm phát thải CO₂ tránh được từ các hệ thống nhiên liệu hóa thạch khi sử dụng công nghệ CCS. Mặc dù mức giảm từ 52% đến 56% lượng phát thải GHG trong vòng đời là rất lớn song các hệ thống này không cung cấp khí tự nhiên đã loại bỏ carbon hoàn toàn. Việc cắt giảm phát thải nói chung là giống nhau ở cả ba lộ trình trên. Do đó, đường hướng tối ưu nhất trong quá trình cô lập CO₂ địa chất liên quan ở Lưu vực Permian có thể sẽ phụ thuộc vào các yếu tố khác nữa.

Việc phân tích các hệ thống năng lượng net-zero cho thấy lĩnh vực giao thông vận tải không nhất thiết phải đạt net-zero ngay cả khi lượng phát thải khí nhà kính GHG toàn cầu net-zero. Tất cả các kịch bản net-zero thường có đặc điểm là lĩnh vực điện trước tiên trở thành trung hòa carbon, sau đó là lĩnh vực giao thông vận tải có độ trễ từ 1 đến 2 thập kỷ, điều này cho thấy sự khó khăn trong việc loại bỏ carbon của nhiên liệu lỏng. Những kết quả này cũng nhận thấy, mặc dù việc cô lập CO₂ địa chất không dẫn đến chuỗi khí đá phiến được loại bỏ carbon hoàn toàn (tức là phát thải khí nhà kính GHG net-zero) song nó hiệu quả hơn nhiều so với giải pháp phản thực tế (counterfactual), nơi có ít sự lựa chọn cho việc bơm CO₂ xuống dưới lòng đất và sự chuyển hóa ammonia của hydrogen sẵn có.

Tiềm năng sử dụng CO₂ và H2 được tạo ra

Tại Lưu vực Permian hiện có những yếu tố hạn chế mức độ sử dụng CO₂ và H2 như đã được khái niệm hóa. Đối với đường hướng EOR, không gian lỗ rỗng có sẵn trong Lưu vực Permian sẽ hạn chế nhu cầu CO₂. Theo phân tích của công ty ARI đã chỉ ra nếu 600.000 MJ dầu/ngày được thu hồi dần dần thông qua bơm CO₂ thì tiềm năng lưu trữ tổng thể sẽ là 2,6 Bt-CO₂ trong khoảng thời gian hơn 35 năm, điều này tương ứng với gần 75 Mt-CO₂/năm cũng như với lưu lượng khí tự nhiên khô là 2 TCF/năm. Tương tự, không gian lỗ rỗng sẵn có cho các bể chứa đá phiến fracking là 1,8 Bt-CO₂ dựa trên 1.800 giếng mới hàng năm ở Lưu vực Permian. Điều cần lưu ý gần đây cho thấy nhu cầu chất lỏng fracking ở Lưu vực Permian đã tăng 800% trong thập kỷ qua, yêu cầu này cao hơn so với các lưu vực khác nơi có độ sâu ngang thấp hơn. Trên cơ sở nhu cầu về CO₂ và lượng phát thải khí nhà kính GHG đã phân tích ở trên, lượng khí tự nhiên khô được tạo ra thông qua cắt giảm lượng khí thải bằng cách sử dụng phương pháp này là 1,4 TCF/năm. Như đã lưu ý trước đó, các tầng ngậm nước mặn trong Lưu vực Permian đều có không gian lỗ rỗng cực kỳ lớn.

Phòng thí nghiệm năng lượng tái tạo quốc gia (national renewable energy laboratory) đã ước tính vào năm 2050, nhu cầu sử dụng hydrogen làm nhiên liệu vận tải ở Hoa Kỳ có thể đạt 22,6 Mt-H2, và theo hệ thống đánh giá, nhu cầu này sẽ tương ứng với 4,1 TCF/năm của NG bởi vì giả định H2 sẽ được chuyển hóa thành ammonia để dễ dàng vận chuyển chất mang năng lượng trên toàn quốc, cho nên, đây có thể được coi là nhu cầu khí đốt tự nhiên danh nghĩa để sản xuất H2 ở cấp quốc gia. Do các giới hạn về không gian lỗ rỗng được mô tả ở trên, nên sự sẵn có của không gian lỗ rỗng trong các bể chứa địa chất sẽ hạn chế lượng khí tự nhiên có thể “hưởng lợi” từ việc sử dụng H2 làm nhiên liệu vận chuyển carbon thấp ở mức xấp xỉ 1,4 TCF/năm với tiềm năng có thể tăng thêm nếu giả định cô lập địa chất mà không có EOR (Lộ trình thứ 3, giảm 56% phát thải khí nhà kính GHG). Ví dụ như các tầng ngậm nước mặn sẵn có không gian lỗ rỗng cao hơn hai bậc EOR trong Lưu vực Permian theo bản đồ lưu trữ carbon của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE). Tuy nhiên, ở Lưu vực Permian, việc lưu trữ CO₂ trong các thành tạo dầu hoàn thiện hơn về mặt kỹ thuật so với việc lưu trữ nó trong các tầng chứa nước mặn. Hơn thế nữa, trong trường hợp không sản xuất được một sản phẩm hữu ích, động lực kinh tế để lưu trữ CO₂ theo cách đó sẽ kém mạnh mẽ hơn so với việc sử dụng nó cho EOR. Tuy nhiên, điều đáng chú ý là các khoản tín dụng thuế 45Q hiện tại của Chính quyền Liên bang đã khuyến khích việc lưu trữ CO₂ trong các tầng ngậm nước mặn ở mức cao hơn (50USD/t-CO₂) so với EOR (35USD/t-CO₂), điều này có thể thu hẹp một số khác biệt về mức doanh thu sẵn có.

Trong khi đó, việc cần giảm thêm từ 28 g-CO₂e/MJ đến 32 g-CO₂e/MJ để trung hòa carbon theo các Lộ trình 1 đến 3, điều này chắc chắn có thể làm giảm được một lượng nhỏ bằng cách cải thiện tiến trình trong quá trình thu hồi CO₂ và quá trình chuyển hóa hydrogen thành ammonia. Ngoài ra, những nỗ lực cũng đang được tiến hành nhằm cắt giảm lượng khí thải methane rò rỉ thoát ra và giảm mức tiêu thụ năng lượng trong quá trình lọc khí. Hiện các lựa chọn bổ sung để giảm phát thải khí nhà kính GHG, bao gồm điện khí hóa các cơ sở lọc dầu và sử dụng công nghệ thu hồi và lưu trữ carbon (CCS) để giảm phát thải từ quá trình xử lý khí tự nhiên. Ngoài các phương pháp tiếp cận dựa trên công nghệ, các chính sách cũng đang được phát triển để giảm lượng khí thải từ chuỗi cung ứng khí đốt tự nhiên. Ví dụ như Thượng viện Hoa Kỳ gần đây đã phê chuẩn một đạo luật với mục tiêu giảm phát thải khí methane là 50% trong thập kỷ tới. Một thách thức khác là việc đánh giá toàn bộ lượng phát thải khí nhà kính GHG trong chuỗi cung ứng của bất kỳ nhiên liệu hoặc sản phẩm nào sử dụng khí đốt tự nhiên là lượng phát thải từ thượng nguồn này sẽ được phân bổ như thế nào cho nhiều sản phẩm, đồng thời còn là khí tự nhiên, bao gồm cả dầu và khí tự nhiên lỏng. Tuy nhiên, hầu hết lượng phát thải theo các đường hướng này là do đốt nhiên liệu và dầu có nguồn gốc NGLs, do đó cần cải tiến công nghệ CCS và cắt giảm phát thải khí methane trong chuỗi cung ứng NG không đủ để đạt được các hệ thống khí tự nhiên được loại bỏ carbon hoàn toàn.

Điều đáng chú ý là tiềm năng EOR ở đây chỉ được ước tính cho Lưu vực Permian song phải chịu một số điều chỉnh. Một mặt, tiềm năng CO₂-EOR bị ảnh hưởng bởi điều kiện thị trường. Từ năm 2019 đến năm 2020, dầu được sản xuất thông qua EOR ở Lưu vực Permian đã giảm từ 204 MB/ngày xuống chỉ còn 185 MB/ngày, với nhu cầu CO₂ tương ứng giảm từ 1.830 MMcf/ngày cũng xuống chỉ còn 1.010 MMcf/ngày, điều này phần lớn là do ảnh hưởng giá dầu giảm. Nhu cầu về dầu bổ sung cũng đang giảm, đặc biệt là khi các nhà máy lọc dầu đang chuyển dần khỏi sản xuất xăng cũng như có khả năng EOR tiềm năng cao hơn dựa trên việc thăm dò các hồ bể chứa đá phiến khi CO₂ lắng xuống. Lưu vực Permian cũng đã ước tính có 16 Bt-CO₂ tiềm năng lưu trữ trong các thành tạo đá phiến có khả năng thu hồi thêm 47.000 MMB dầu. Hiện các dự án mới ở Lưu vực Permian đang tận dụng CO₂ thu hồi được từ không khí xung quanh (thay vì nhiên liệu hóa thạch) cho CO₂-EOR, điều này có thể thúc đẩy hơn nữa nguyên nhân cần phải trung hòa carbon trong lĩnh vực giao thông vận tải.

Điều đáng chú ý là Lưu vực Permian có khả năng duy nhất áp dụng các hệ thống như hai hệ thống mà bài viết phân tích này đã khái niệm hóa. Hiện nhiều phân tích cho thấy rằng việc triển khai EOR trên toàn Hoa Kỳ có thể gia tăng tới 200 Mt đến 260 Mt-CO₂ hàng năm, trong đó phần lớn có thể nằm trong Lưu vực Permian. Ví dụ như dự án Petra Nova (Thomsons, tiểu bang Texas) đã vận chuyển 3,3 Mt-CO₂ trong giai đoạn 2017-2020 trước khi giá dầu giảm do đại dịch COVID-19. Dự án Port Arthur SMR thuộc nhà máy lọc dầu Valero cũng thu hồi hơn một triệu tấn CO₂ mỗi năm cho EOR như một phần của Sáng kiến ​​lưu trữ thu giữ carbon công nghiệp của DOE. Tất cả những dự án như vậy có thể được mở rộng quy mô hơn nữa khi Sáng kiến ​​khí hậu dầu khí (oil and gas climate initiative) chú ý đến việc hình thành về các điều kiện thị trường cho việc triển khai công nghệ CCUS trong khu vực. Ngoài ra, còn có cơ sở hạ tầng vận chuyển NGLs và CO₂ hiện có và các nhà máy xử lý khí, trong đó NG và NGLs được tách riêng.

Một triển vọng hấp dẫn khác cho công nghệ CCS quy mô lớn trong khu vực là mức độ sẵn có của cơ sở hạ tầng vận chuyển CO₂ và hydrogen. Hiện có hơn 2.600 dặm đường ống CO₂ đã tồn tại trong khu vực, nơi tập trung cơ sở hạ tầng như vậy đạt mức cao nhất trên toàn cầu, trong đó bao gồm sáu hệ thống đường ống dẫn trục quy mô lớn với thông lượng hơn 200 MMCf/ngày và một số đường ống quy mô nhỏ hơn hệ thống phân phối, với thông lượng từ 50 MMCf/ngày đến 200 MMCf/ngày. Đối với các phân tích hướng tới tương lai đều nhận thấy công suất thông lượng thêm 20 Mt-CO₂ có thể được phát triển trong thời gian ngắn. Hơn thế nữa, một trạm đầu cuối ammonia (NH3) đã sẵn có ở cảng Galveston phía đông nam Houston (tiểu bang Texas) và cũng có thể được được xây dựng thêm một trạm gần thành phố Houston để xử lý 1,3 Mt-NH3 hàng năm với khoản đầu tư vốn tài chính lên tới 1 tỷ USD.

Cuối cùng, bài viết phân tích này minh họa việc loại bỏ carbon hoàn toàn khỏi các hệ thống khí đá phiến bao gồm quá trình đốt cháy nhiên liệu hóa thạch chủ yếu dựa vào việc cô lập CO₂ dưới bề mặt từ khí tự nhiên SMR là vô cùng khó khăn, đồng thời cũng nêu bật các cơ hội để tạo ra các hệ thống khí đá phiến có phát thải thấp hơn, liên kết với các hệ thống phát thải carbon thấp mới nổi như nền kinh tế hydrogen trong bối cảnh năng lượng tiếp tục phát triển. Ngay cả khi Hoa Kỳ đang xem xét cách giảm dần nhiên liệu hóa thạch, thì điều cần thiết vẫn tiếp tục đánh giá xem các mối liên kết và cầu nối như vậy từ hệ thống khí đá phiến đến hệ thống vận chuyển lượng carbon thấp hơn có thể thực hiện được như thế nào. Hiện các trường hợp điển hình liên quan đến các khái niệm kịch bản đã xem xét bao gồm phát triển công nghệ đổi mới sáng tạo để giảm thiểu rủi ro nhiên liệu sinh học hoặc nhiên liệu điện tử bằng cách cung cấp H2 rẻ tiền hơn để nâng cấp dầu nhiệt phân hoặc công nghệ thu giữ và sử dụng CO₂ và H2./.

Link nguồn:

Https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC9242523/pdf/eg2c00001.pdf

Quá trình loại bỏ carbon khí đá phiến ở Lưu vực Permian (Kỳ I)Quá trình loại bỏ carbon khí đá phiến ở Lưu vực Permian (Kỳ I)
Quá trình loại bỏ carbon khí đá phiến ở Lưu vực Permian (Kỳ II)Quá trình loại bỏ carbon khí đá phiến ở Lưu vực Permian (Kỳ II)

Tuấn Hùng

NCBI