Chiến lược thu hồi khí các bon sẽ mở ra kỷ nguyên xe không có khí thải

Các nhà nghiên cứu khoa học tại Viện nghiên cứu công nghệ Georgia đã phát triển một dự án thu hồi, lưu trữ và cuối cùng là tái chế khí cácbon từ xe cộ nhằm ngăn cản chất này được thải vào không khí. Các nhà nghiên cứu của Viện nghiên cứu công nghệ George mường tượng đến một chiếc xe không có khí thải và một hệ thống phương tiện vận tải hoàn toàn không sử dụng đến nhiên liệu lỗi thời.

Công nghệ để thu hồi khí thải CO₂ từ các nguồn có quy mô lớn như là nhà máy điện gần đây đã đạt được một vài tiến bộ đầy ấn tượng, nhưng khoảng 2/3 khí CO₂ trên toàn cầu được thải ra từ các nguồn gây ô nhiễm nhỏ hơn như xe hơi, phương tiện vận chuyển và các ứng dụng sản sinh ra điện (ví dụ máy phát điện chạy bằng dầu điêzen).

Mục tiêu của nhóm nghiên cứu của Viện công nghệ George là tạo ra một hệ thống phương tiện bền vững sử dụng nhiên liệu lỏng và thu hồi khí thải cácbon ngay trong phương tiện vận chuyển để sau đó xử lý chúng tại trạm tiếp nhiên liệu. Khí cácbon sau đó sẽ được vận chuyển về một nhà máy xử lý nơi nó có thể được chuyển hóa thành nhiên liệu lỏng. Hiện tại, các chuyên gia nghiên cứu tại Viện công nghệ George đang phát triển một thiết bị xử lý nhiên liệu để tách khí cácbon và lưu trữ chúng vào xe dưới dạng chất lỏng.

Andrei Fedorov, phó giáo sư của trường Kỹ sư cơ khí Woodruff thuộc Viện công nghệ Georgia và là trưởng nhóm nghiên cứu của dự án nói: “Hiện tại, chúng ta đang có một nền kinh tế phát triển không bền vững dựa vào cácbon với một vài hạn chế nghiêm khắc bao gồm việc hạn chế cung cấp nhiên liệu lỗi thời, chi phí cao và thải ra khí CO₂ gây ô nhiễm. Chúng tôi muốn tạo ra một chiến lược năng lượng bền vững cho xe hơi nhằm giải quyết được từng giới hạn một, thậm chí sử dụng các nguồn năng lượng có thể phục hồi lại được và sử dụng nó theo một cách có ý thức về bảo vệ môi trường.”

Có rất ít nghiên cứu về khả năng thu hồi khí cácbon từ xe hơi được thực hiện, nhưng nhóm nghiên cứu của Viện công nghệ Georgia đã vạch ra một dự án khả thi trong việc xử lý nhiên liệu hóa thạch hay nhiên liệu tổng hợp có chứa cácbon. Dự án cho phép thu hồi và tái chế khí cácbon ngay khi chúng được thải ra. Về lâu dài, dự án này sẽ dẫn đến sự phát triển của một hệ thống vận chuyển bền vững không có khí thải cácbon.

Dự án trong tương lai gần của Viện công nghệ Georgia liên quan đến việc thu hồi khí thải cácbon từ xe cộ sử dụng nhiên liệu truyền thống đó là thiên liệu lỗi thời gốc hyđrôcácbon. Các xe này được gắn một hệ thống xử lý nhiên liệu được thiết kế để tách khí hyđrô trong nhiên liệu ra khỏi khí cácbon. Sau đó, khí hyđrô được sử dụng để chạy xe, trong khi đó khí cácbon được lưu trữ trên xe dưới dạng hóa lỏng cho đến khi chúng được đổ vào trạm tiếp nhiên liệu. Sau đó, chúng sẽ được vận chuyển đến nơi xử lý tập trung ở một nơi hẻo lánh và tồn tại lâu dài chẳng hạn như nơi kiến tạo địa chất nằm dưới biển hoặc dưới dạng cácbon rắn. Hiện tại, các nhà khoa học đang khảo sát điạ điểm.

Trong dự án lâu dài, khí CO₂ sẽ được tái chế để tạo thành một hệ thống khép kín, liên quan đến tổng hợp nhiên liệu lỏng có năng lượng cao mà thích hợp cho lĩnh vực phương tiện vận chuyển.

Quy trình hoạt động của hệ thống thu hồi và tái chế khí CO2. (Ảnh: Viện nghiên cứu công nghệ Georgia)

Viện công nghệ Georgia quyết định chọn loại xe sử dụng nhiên liệu hyđrô cho kế hoạch thu hổi khí thải cácbon bởi vì hyđrô nguyên chất sẽ không tạo ra khí thải cácbon khi chúng được sử dụng như là một loại nhiên liệu để vận hành xe. Hệ thống xử lý nhiên liệu sẽ sản xuất ra hyđro trên xe từ nhiên liệu hyđrôcácbon mà không cần sự có mặt của không khí trong quá trình xử lý này. Kết quả tạo ra một sản phẩm phụ giàu cácbon có thể được thu hồi với bất lợi cực nhỏ. Các động cơ đốt trong truyền thống kể cả xe hơi chạy bằng xăng hiện tại có một quá trình đốt cháy kết hợp giữa nhiên liệu và không khí, do đó tạo ra khí thải CO₂ rất loãng và việc thu hồi nó là rất khó khăn.

David Damm, nghiên cứu sinh tiến sĩ của trường đại học Kỹ sư cơ khí thuộc Viện công nghệ Georgia, tác giả chính của bài nghiên cứu viết trên báo và là cộng tác viên của phó giáo sư Fedorov nói: “Chúng tôi phải phát triển một hệ không làm loãng nhiên liệu bằng không khí bởi vì một khi khí CO₂ bị loãng thì việc thu hồi nó trên xe cộ hay các hệ thống nhỏ hơn khác là không thực tế.

Nhóm nghiên cứu của Viện công nghệ Georgia đã so sánh hệ thống này với các hệ thống khác mà hiện tại đang được xem xét và tập trung vào yếu tố vận chuyển và kinh tế trong việc ứng dụng nó trên quy mô toàn cầu. Một cách cụ thể, các loại xe cộ chạy bằng điện có thể là một phần của một giải pháp lâu dài để giải quyết vấn đề khí thải cácbon, nhưng nhóm nghiên cứu của Viện công nghệ Georgia lo ngại về sự hạn chế của công nghệ pin kể cả thời gian sử dụng và thời gian sạc.

Khi hyđrô hứa hẹn một giải pháp khả thi khác đối với vấn đề khí thải cácbon nhưng nó cũng đem lại một rào cản khác đó là cơ sở hạ tầng. Trong khi các thiết bị chứa hyđrô lỏng có thể được vận chuyển và tích trữ bằng hệ thống cơ sở hạ tầng hiện có, thì việc phân phối khí hyđrô đòi hỏi phải xây dựng mới hệ thống đường ống, bồn chứa và các trạm tiếp nhiên liệu.

Viện công nghệ Georgia đã tạo ra một hệ thống xử lý nhiên liệu có tên gọi là hệ thống xử lý CHAMP (viết tắt của CO₂/H₂ Active Membrane Piston). Hệ thống này có khả năng tạo ra hyđrô một cách rất hiệu quả và khả năng tách và hóa lỏng khí CO2 từ nhiên liệu lỏng hyđrôcácbon hoặc nhiên liệu tổng hợp được sử dụng trong các động cơ đốt trong hoặc tế bào nhiên liệu. Sau khi khí CO₂ được tách khỏi hyđrô, nó sẽ được tích trữ dưới dạng lỏng trên xe. Ở thể lỏng, cácbon ổn định và đặc hơn điều này làm việc lưu trữ và vận chuyển được dễ dàng hơn.

Trên tờ báo của Viện công nghê Georgia cũng đăng tải chi tiết các dự án lâu dài kế tiếp để tạo ra một hệ thống thật sự bền vững bao gồm việc đưa khí cácbon được cất giữ trong quá khứ vào một quy trình tái chế khí cácbon được thu hồi thành nhiên liệu. Một khi khí cácbon được thu hồi trực tiếp trên xe, CO₂ dạng lỏng sẽ được đổ ngược trở lại các trạm tiếp nhiên liệu và được truyền dẫn tới nhà máy xử lý, nơi nó sẽ được tái chế thành nhiên liệu tổng hợp dạng lỏng để hoàn tất quy trình tái chế.

Fedorov nói: hiện tại nhóm nghiên cứu của Viện công nghệ Georgia đang tìm kiếm giải pháp cho hệ thống và thiết bị để sản xuất khí hyđrô và cùng một lúc thu hồi khí thải cácbon. Thách thức lớn nhất còn lại đối với một hệ thống vận chuyển hoàn toàn không có khí thải cácbon đó là việc phát triển một phương pháp tạo ra nhiên liệu lỏng tổng hợp từ CO₂ và nước bằng cách sử dụng nguồn năng lượng có thể tái tạo được. Ông cho biết thêm nhóm đang nghiên cứu một vài ý tưởng trong lĩnh vực này.

Bài nghiên cứu được đăng trên tạp chí Chuyển hóa và kiểm soát năng lượng. Cuộc nghiên cứu này được tài trợ bởi cơ quan hàng không và vũ trụ Mỹ (NASA), chương trình NDSEG của bộ quốc phòng Mỹ và chương trình CEO (Phát triển Nguồn năng lượng mới) của Viện công nghệ Georgia.