Trang chủ
Giới thiệu về Fuji Electric
Những câu chuyện
Không bỏ qua khí thải nồng độ thấp! Đột phá công nghệ tách và thu hồi CO₂ trên hành trình trung hòa carbon

Không bỏ qua khí thải nồng độ thấp! Đột phá công nghệ tách và thu hồi CO₂ trên hành trình trung hòa carbon

Nhật Bản đã đặt mục tiêu giảm phát thải khí nhà kính và đạt được mức trung hòa carbon vào năm 2050, nhưng việc đạt được mục tiêu này sẽ không dễ dàng. Để đạt được mục tiêu này, chúng ta cần phải giảm phát thải CO2 từ khí thải có nồng độ CO2 thấp, vốn trước đây đã bị bỏ qua. Những nỗ lực đang được tiến hành để thu hồi CO2 từ khí thải phát ra từ vô số nhà máy và tàu nhỏ.
Chúng tôi đã trò chuyện với ba thành viên của nhóm phát triển công nghệ thu hồi CO2 của Fuji Electric, những người nỗ lực đóng góp vào một xã hội không phát thải carbon thông qua các công nghệ tiên tiến.

“Nhiều ít” để thúc đẩy tính trung hòa carbon

Một hệ thống tách và thu hồi CO2 từ khí thải phát ra từ các nhà máy điện và nhà máy hiện đang được phát triển. CO2 thu hồi được có thể được lưu trữ trong lòng đất hoặc dưới biển. Ngoài ra, nó thậm chí có thể được tái sử dụng như một nguồn tài nguyên để đạt được quá trình tái chế carbon. Tuy nhiên, vấn đề về nồng độ thấp khiến điều này khó đạt được.

Ông Fukumura, trưởng nhóm phát triển, giải thích lý do.

Mr. Fukumura, Thermal and Mechanical Systems Research Department, Corporate R&D

Ông Fukumura, Phòng nghiên cứu hệ thống nhiệt và cơ khí, R&D của công ty

“Khí thải từ các nhà máy và tàu thuyền bao gồm 75% nitơ, 20% oxy và chỉ 5% CO2. Rất khó để thu thập hiệu quả 5% này."

Các nỗ lực thu hồi CO2 quy mô lớn đã được thực hiện tại các nhà máy điện nhiệt và trong ngành công nghiệp xi măng, nơi thải ra CO2 có nồng độ cao. Mặt khác, các biện pháp thu hồi CO2 có nồng độ thấp thải ra từ các nhà máy và tàu thuyền đã tụt hậu. Mặc dù mỗi nguồn chỉ thải ra một lượng nhỏ, nhưng khi kết hợp lại, chúng chiếm hơn 10% tổng lượng khí thải CO2. Như người ta vẫn nói, "Nhiều thì ít". Để đạt được mức trung hòa carbon, việc thu hồi CO2 có nồng độ thấp là điều cần thiết.

Hơn nữa, Tổ chức Hàng hải Quốc tế (IMO) đã đặt ra các mục tiêu giảm phát thải khí nhà kính vào năm 2030, bao gồm giảm 20–30% so với mức năm 2008 đối với tàu và giảm 46% so với mức năm 2013 đối với nhà máy. Một số ít công ty đã tham gia vào lĩnh vực thu hồi CO2 nồng độ thấp và trong khi nó đặt ra những thách thức, những nhu cầu mới đang nhanh chóng xuất hiện.

Năm 2021, Fuji Electric trở thành một trong những công ty đầu tiên bắt đầu phát triển hệ thống thu hồi CO2 từ khí thải do các nhà máy và tàu thải ra. Về những khó khăn mà họ phải đối mặt, trưởng nhóm ông Fukumura kể lại, “Các công nghệ cốt lõi phải được phát triển không chỉ bằng cách kết hợp các công nghệ hiện có mà còn bằng cách đưa ra một thiết kế tổng thể hiệu quả cho các hệ thống và quy trình."

Công nghệ thu hồi CO2 từ khí thải

Có bốn phương pháp để tách và thu hồi CO2 từ khí thải: phương pháp hấp thụ hóa học (phương pháp amin), phương pháp hấp thụ vật lý, phương pháp hấp thụ rắn và phương pháp tách màng. Fuji Electric đang phát triển công nghệ sử dụng phương pháp tách màng, dự kiến sẽ cho phép vận hành với chi phí thấp. Công nghệ này thu hồi CO2 bằng cách dẫn khí thải qua một bộ lọc đặc biệt (màng) mà chỉ CO2 mới có thể xuyên qua, tách khí này khỏi các thành phần khác. Quá trình này không liên quan đến các phản ứng hóa học hoặc thay đổi pha (chuyển đổi giữa trạng thái khí, lỏng và rắn). Vì lý do này, công nghệ này đòi hỏi ít năng lượng hơn và có thể giảm kích thước của thiết bị tách.

Công nghệ điều khiển để vận hành hệ thống với công suất thấp

Các phương pháp tách màng hiện tại sử dụng quạt công suất lớn để bơm khí thải vào màng. Mặt khác, phương pháp tách màng của Fuji Electric có quy trình giảm áp hai giai đoạn trong đó bơm chân không và quạt tuần hoàn được điều khiển đồng bộ. Vì bơm chân không chỉ trích xuất các thành phần khí đi qua màng nên quy trình này tiêu thụ ít điện năng hơn so với các hệ thống thông thường tạo áp suất cho toàn bộ khí thải.

Công suất của tàu bị hạn chế. Vì hệ thống tách và thu hồi này có thể hoạt động với công suất thấp nên CO2 có thể được thu hồi trong khi vẫn để lại đủ công suất cho hoạt động của tàu.

Tuy nhiên, việc không duy trì được sự cân bằng giữa lưu lượng khí và áp suất sẽ ngăn cản hoạt động ổn định và trong trường hợp xấu nhất có thể dẫn đến hỏng hóc thiết bị. Do đó, công nghệ điều khiển chính xác là điều cần thiết.

Bà Tagishi, một nhà phát triển công nghệ điều khiển, cho biết: “Việc kết nối và điều khiển nhiều thiết bị điện rất khó, nhưng Fuji Electric có thể tận dụng chuyên môn của mình trong lĩnh vực này”.

Ms. Tagishi, Thermal and Mechanical Systems Research Department, Corporate R&D

Bà Tagishi, Phòng nghiên cứu hệ thống nhiệt và cơ khí, R&D của công ty

"Hệ thống tách và thu hồi CO2 sử dụng công nghệ pin nhiên liệu axit photphoric của chúng tôi. Các thiết kế do các đồng nghiệp cấp cao của tôi phác thảo cực kỳ phức tạp và tôi luôn ngạc nhiên về cách họ xoay xở để lắp tất cả các đường ống đó vào một nhà máy nhỏ như vậy. Khi chúng tôi phát triển công nghệ này, chúng tôi đã kết hợp các công nghệ thiết kế quy trình và đóng gói mà Fuji Electric đã phát triển trong nhiều năm qua", bà Tagishi giải thích.

Giải quyết tai nạn thông qua thử nghiệm liên tục

Mr. Haruyama, Thermal and Mechanical Systems Research Department, Corporate R&D

Ông Haruyama, Phòng nghiên cứu hệ thống nhiệt và cơ khí, R&D của công ty

Màng tách được sử dụng trong thiết bị đã được thử nghiệm với sự trợ giúp của nhà sản xuất màng. Được giao nhiệm vụ xây dựng hệ thống, ông Haruyama đã kể cho chúng tôi nghe về những khó khăn gặp phải trong giai đoạn nghiên cứu. “Ban đầu, có nhiều trường hợp hiệu suất màng mong đợi không khớp với dữ liệu thử nghiệm”, ông giải thích.

Sau khoảng một tháng thử nghiệm liên tục, họ phát hiện ra rằng nhiệt độ màng thay đổi từ 2 đến 3°C sẽ ảnh hưởng đến lưu lượng CO2 qua màng. “Đó là một tai nạn bất ngờ, nhưng chúng tôi hài lòng với kết quả vì chúng tôi có thể thu được dữ liệu hữu ích để phát triển”, bà Tagishi và ông Haruyama nhớ lại.

Nếu màng được đưa ra thị trường như một sản phẩm trong tương lai, rất có thể nó sẽ góp phần tiết kiệm chi phí. Hai người tiếp tục nghiên cứu mỗi ngày để theo đuổi một màng thậm chí còn tốt hơn.

Ý tưởng từ các thí nghiệm trong lĩnh vực hàng hải

Ưu điểm của Fuji Electric là kết hợp hệ thống tách và thu hồi CO2 với hệ thống xử lý trước. Bằng cách loại bỏ nhiệt và bụi khỏi khí thải trước khi đưa vào hệ thống thu hồi CO2, có thể ngăn ngừa được tình trạng hỏng hóc và xuống cấp của thiết bị.

Trước đây, Fuji Electric đã đưa ra thị trường thiết bị loại bỏ SOx (oxit lưu huỳnh) thải ra trong quá trình đốt dầu nặng trên tàu thuyền, thiết bị này đã được sử dụng thành công trong ngành vận tải biển và các nhà máy.

“Nhờ công nghệ hiện có của chúng tôi mà ý tưởng kết hợp thu hồi CO2 với xử lý trước đã ra đời. Tôi tin rằng chúng tôi có thể giải quyết hiệu quả những thách thức mà xã hội phải đối mặt bằng cách tận dụng các công nghệ của riêng mình và liên kết chúng lại với nhau”, ông Fukumura nói.

Nguyên mẫu đã hoàn thành! Hướng tới mục tiêu ra mắt sớm

Nguyên mẫu của hệ thống tách và thu hồi CO2 đã được hoàn thành vào cuối tháng 12 năm 2023 và khí mô phỏng có chứa khí thải cùng một số thành phần nhất định đã được đưa vào hệ thống để kiểm tra xem hệ thống có thể thu hồi CO2 hay không.

Trong lúc cả ba người lo lắng theo dõi, tự hỏi liệu nguyên mẫu có hoạt động bình thường không, hệ thống bắt đầu hoạt động mà không có vấn đề gì.

Ông Haruyama cho biết, do không có kinh nghiệm trước đó về màng tách hoặc thiết kế nhà máy, ông đã vô thức thốt lên: “Không đời nào điều này lại hiệu quả đến vậy”. Được giao nhiệm vụ ước tính lượng CO2 cần tách, bà Tagishi đã tìm kiếm sự kết hợp tối ưu giữa thiết bị và phương pháp kiểm soát cần thiết để đạt được mục tiêu này. Bà nhớ lại: “Với kết quả này, chúng tôi cảm thấy nhẹ nhõm khi biết rằng mình có thể bước vào năm mới với sự an tâm”.

Tuy nhiên, một cuộc thử nghiệm lớn khác dự kiến sẽ diễn ra vào cuối năm tài chính 2024.

“Tiếp theo, chúng tôi sẽ kết nối hệ thống tách và thu hồi CO2 với hệ thống xử lý sơ bộ. Chúng tôi sẽ vận hành toàn bộ hệ thống thu hồi CO2 trong khi cung cấp khí thải thực tế, do đó chúng tôi có thể gặp phải rất nhiều vấn đề. Tôi rất mong chờ xem liệu nó có hiệu quả không”, Fukumura nói.

Haruyama (left) ,Ms. Tagishi (center) ,Fukumura (right)

Chúng tôi đã yêu cầu ba thành viên trong nhóm viết một tin nhắn cho học sinh.
"Tôi thích những điều mới mẻ, vì vậy tôi là kiểu người thích tìm hiểu về những chủ đề mà tôi không biết nhiều", ông Haruyama (bên trái) nói. "Tôi nghĩ bạn có thể làm được hầu hết mọi thứ miễn là bạn hứng thú với nó".
Cô Tagishi (ở giữa) kể lại, "Ngay cả khi bạn nghĩ mình không giỏi ở một việc gì đó, chỉ cần bạn tiếp tục cố gắng, kinh nghiệm sẽ trở thành sức mạnh của bạn. Chắc chắn một ngày nào đó nó sẽ có ích!"
“Fuji Electric là một công ty cho phép bạn làm những gì bạn muốn làm, vì vậy bạn có thể duy trì động lực rất lớn khi làm việc”, ông Fukumura (bên phải) cho biết. “Chúng tôi được cung cấp một môi trường giáo dục bổ ích cho phép chúng tôi cải thiện bản thân, cũng như các cơ hội học hỏi thông qua giao tiếp với các chuyên gia từ chính công ty của chúng tôi và các công ty khác. Đó là một nơi làm việc tràn đầy đam mê và học hỏi”.

Mặc dù sẽ phải đối mặt với nhiều khó khăn trên chặng đường này, ông Fukumura vẫn tin tưởng rằng “sức mạnh tập thể của cả nhóm sẽ vượt qua được”. Cả ba tiếp tục đương đầu với những thử thách với mục tiêu đưa công nghệ này ra thị trường càng sớm càng tốt.