Chạy đua sản xuất xăng dầu, khí đốt từ… không khí và nước

Nguồn xăng dầu trong tương lai sẽ vô tận?

Trong khi việc đốt cháy nhiên liệu hiện nay thải ra carbon vào khí quyển, lượng carbon này đã được lưu trữ dưới lòng đất hàng triệu năm, thì các loại “nhiên liệu điện tử” này sẽ thân thiện hơn với môi trường, bổ sung và loại bỏ khí thải carbon khỏi không khí với lượng gần như bằng nhau.

Công ty Trung Quốc vừa tuyên bố có thể sản xuất nhiên liệu từ không khí và nước. Công ty khởi nghiệp này có kế hoạch xây dựng các cơ sở “quy mô lớn” để chuyển đổi carbon dioxide thành nhiên liệu tổng hợp, mặc dù một số người đặt câu hỏi về tính khả thi thương mại của đơn vị.

Một công ty khởi nghiệp có trụ sở tại Thượng Hải, Trung Quốc vừa tuyên bố đã làm chủ được kỹ thuật sản xuất dầu mỏ tổng hợp với chi phí thấp từ không khí và nước, khi Trung Quốc tăng cường nỗ lực phát triển các giải pháp thay thế cho nhiên liệu hóa thạch truyền thống trong bối cảnh chiến tranh Mỹ-Israel với Iran. Carbonology thông báo họ đã tạo ra một quy trình chuyển đổi carbon dioxide được chiết xuất từ không khí và nước thành nhiên liệu nhân tạo bằng cách sử dụng năng lượng mặt trời và năng lượng gió, theo báo cáo của hãng truyền thông Trung Quốc Cailianshe hôm 18/3.

Công ty - được đồng sáng lập bởi một cựu phó chủ tịch của Tesla vào năm 2024 - cho biết, họ đã đạt được mức giảm chi phí đủ để bán xăng tổng hợp, dầu diesel, nhiên liệu máy bay và naphtha với giá cả cạnh tranh trên thị trường, theo báo cáo. Carbonology là một phần trong nhóm các công ty Trung Quốc đang phát triển, chuyên nghiên cứu các công nghệ thu giữ khí carbon dioxide trực tiếp từ không khí, một ngành công nghiệp đang tiến bộ nhưng vẫn bị một số chuyên gia nhìn nhận một cách thận trọng. Trong thập kỷ qua, các phương pháp thu giữ trực tiếp từ không khí (DAC) đã tiến triển từ giai đoạn thử nghiệm sang ứng dụng thực tiễn. Tuy nhiên, phần lớn khí nhà kính thu được cho đến nay vẫn được lưu trữ dưới lòng đất thay vì được chuyển đổi thành nhiên liệu có thể sử dụng được.

Theo SCMP, sự phát triển này là một phần trong nỗ lực rộng lớn hơn của Trung Quốc nhằm giảm sự phụ thuộc vào dầu thô nhập khẩu. Hiện tại, nước này nhập khẩu hơn 70% lượng dầu, phần lớn đến từ Trung Đông. Các cuộc xung đột đang diễn ra trong khu vực đã làm gián đoạn nguồn cung và gây ra biến động giá cả, làm nổi bật nhu cầu về các nguồn năng lượng thay thế. Bất chấp những trở ngại, Carbonology đã đầu tư mạnh vào nghiên cứu, bao gồm cả một cơ sở mới ở Thượng Hải nhằm đưa công nghệ của mình tiến gần hơn đến việc sử dụng thương mại.

Sử dụng không khí và nước để tạo ra khí đốt

Máy Aircela có thể chuyển đổi không khí và nước thành khí đốt không chứa nhiên liệu hóa thạch cho động cơ và ô tô. Được ra mắt lần đầu tiên vào ngày 20/5/2025, máy có thể sản xuất khí đốt tại chỗ và theo thời gian thực mà không cần nhiên liệu hóa thạch. Nó chỉ sử dụng không khí, nước và điện năng tái tạo. Nhóm nghiên cứu thiết kế cấu trúc giống như tổ ong, được chế tạo để sử dụng độc lập và phân tán. Hóa học là yếu tố giúp máy Aircela hoạt động, cho phép nó chuyển đổi không khí, nước và năng lượng tái tạo thành khí đốt.

Nhóm nghiên cứu cho biết, máy Aircela sử dụng dung dịch gốc nước. Nó chứa kali hydroxit, chất này hấp thụ carbon dioxide từ không khí. Có một buồng nơi luồng gió đi qua như thể đó là một đường hầm gió. Bên trong buồng này, không khí tiếp xúc với chất hấp thụ lỏng được thiết kế đặc biệt, chất này sẽ chiết xuất carbon dioxide. Nhờ thiết kế của buồng chứa, không khí và chất hấp phụ không có lựa chọn nào khác ngoài việc "trộn hỗn hợp". Khi không khí tiếp xúc với chất hấp phụ, các phân tử carbon dioxide sẽ bám vào chất lỏng, thu giữ một lượng lớn carbon dioxide mà không tiêu tốn quá nhiều năng lượng.

Chất hấp phụ tự tái tạo có thể tái sử dụng

Để sản xuất khí đốt từ không khí và nước, máy Aircela sử dụng phương pháp điện phân. Nó tách nước thành khí hydro và oxy. Quá trình này cũng chỉ sử dụng điện năng tái tạo, bao gồm năng lượng mặt trời, để tránh công nghệ này tiêu thụ quá nhiều điện năng. Sau khi hai loại khí đi qua, máy giữ lại khí hydro trong khi giải phóng khí oxy. Trong khi tất cả những điều này đang diễn ra, máy "tái tạo" chất hấp phụ lỏng được sử dụng trong bước đầu tiên. Nó tự làm sạch carbon dioxide đã thu giữ để chất hấp phụ có thể được tái sử dụng. Sau khi được làm sạch, máy bắt đầu lại quá trình thu giữ carbon dioxide từ không khí, và chu kỳ lặp lại.

Quay trở lại với việc sản xuất khí đốt từ không khí và nước, máy Aircela kết hợp carbon dioxide đã thu giữ và hydro để tạo ra nhiên liệu methanol. Công nghệ này chuyển đổi metanol thành khí bằng các quá trình hóa học bên trong các buồng. Sau đó, người dùng kéo bơm ở bên cạnh máy và đổ khí không sử dụng nhiên liệu hóa thạch vào một bình chứa để sử dụng cho động cơ. Nhóm nghiên cứu cho biết, họ đã xây dựng phát minh này dựa trên nghiên cứu của Tiến sĩ Klaus Lackner, một nhà vật lý đã tiên phong trong khái niệm thu giữ khí  đốt trực tiếp từ không khí vào đầu những năm 2000. Công ty dự định bắt đầu mở rộng sản xuất vào cuối năm 2025 để hỗ trợ các ứng dụng dân dụng, thương mại và công nghiệp.

Các lựa chọn thay thế

Chúng ta đang thấy một phần của tương lai trong dự án Haru Oni của HIF Global ở miền nam Chile, được hỗ trợ bởi hai tập đoàn Porsche và ExxonMobil. Dự án này sử dụng năng lượng gió để sản xuất nhiên liệu sinh học methanol và xăng tổng hợp, đánh dấu một trong những dự án nhiên liệu điện tử thương mại đầu tiên. Các dự án tương tự đang được phát triển ở Bắc Phi, Iceland và bán đảo Ả Rập, nhắm mục tiêu xuất khẩu nhiên liệu sinh học methanol điện tử và dầu hỏa điện tử.

Nhiên liệu điện tử nằm trong nhóm nhiên liệu tổng hợp rộng hơn, rất quan trọng đối với các lĩnh vực như hàng không và vận tải biển, những lĩnh vực sẽ không thể chuyển sang sử dụng điện hoặc nhiên liệu sạch như hydro trong thời gian ngắn. Nhiên liệu tổng hợp có cấu trúc hóa học tương tự như các nhiên liệu lỏng có mật độ năng lượng cao mà các phương tiện vận tải này hiện đang sử dụng, mặc dù cũng có thể sản xuất khí đốt. Chúng vẫn chỉ chiếm một phần nhỏ trong tổng lượng nhiên liệu của các lĩnh vực này - ví như, khoảng 0,3% nhiên liệu động cơ phản lực toàn cầu là nhiên liệu tổng hợp vào năm 2024. Điều này dự kiến sẽ thay đổi mạnh mẽ trong những năm tới, có khả năng tăng lên đến 50% vào năm 2050. Trong khi đó, mỗi loại nhiên liệu tổng hợp đều có những đánh đổi ảnh hưởng đến chi phí, khả năng mở rộng quy mô và thời gian đưa sản phẩm ra thị trường.

Hai loại nhiên liệu tổng hợp chính khác được gọi là nhiên liệu sinh hóa và nhiên liệu nhiệt hóa.

Nhiên liệu sinh hóa được tạo ra bằng cách xử lý chất béo và dầu thải, hoặc sử dụng quá trình lên men hoặc enzyme để chuyển hóa các nguyên liệu như cây trồng và chất thải hữu cơ thành rượu. Trong cả hai trường hợp, bước cuối cùng là thêm hydro, trong một quá trình gọi là hydro hóa xúc tác. Chuỗi cung ứng cho loại hình sản xuất này đã được thiết lập tốt, nhưng có rất nhiều cạnh tranh về nguyên liệu thô. Chúng phải được trồng trên đất hoặc nước mà lẽ ra sẽ được sử dụng cho sản xuất thực phẩm. Ngay cả trong những giả định lạc quan nhất, chỉ riêng loại nhiên liệu này cũng không thể đáp ứng được nhu cầu toàn cầu về nhiên liệu bền vững. Sản xuất nhiệt hóa sử dụng nhiệt độ cao để chuyển đổi chất thải gỗ, sinh khối hoặc thậm chí cả nhựa thành khí tổng hợp (hỗn hợp carbon monoxide và hydro). Sau đó, khí này được chuyển đổi thành nhiên liệu lỏng thông qua một quy trình công nghiệp như Fischer-Tropsch, trong đó chúng được nung nóng và dẫn qua chất xúc tác như coban.

Không cần nguyên liệu thực phẩm ở đây, và các quy trình công nghiệp đã được chứng minh. Tuy nhiên,  vẫn phải thu gom và vận chuyển một lượng lớn nguyên liệu, trong khi các nhà máy nhiệt độ cao lại rất đắt tiền. Hiện nay, phần lớn nhiên liệu tổng hợp được sử dụng là nhiên liệu sinh hóa, chủ yếu từ việc tái chế dầu mỏ.

Nhiên liệu điện tử (E-fuels)

Nhiên liệu điện tử là lựa chọn mới nhất. Nhiều nhà lãnh đạo trong lĩnh vực năng lượng toàn cầu kỳ vọng chúng sẽ đóng vai trò trung tâm trong việc khử carbon trong ngành hàng không và vận tải biển - đặc biệt khi nguồn nguyên liệu sinh khối đạt đến giới hạn. Thách thức là việc sản xuất nhiên liệu điện tử tiêu tốn nhiều năng lượng và hiện tại còn đắt đỏ, đặc biệt là ở những nơi nguồn năng lượng tái tạo khan hiếm hoặc đắt đỏ. Việc thu giữ và cô đặc CO2 đòi hỏi khoảng 1-3 megawatt giờ (MWh) năng lượng trên mỗi tấn, con số này khá đáng kể. Sử dụng CO2 được cung cấp thương mại có chi phí chỉ bằng khoảng một phần ba so với việc thu giữ từ không khí, vì vậy các phương pháp kết hợp sử dụng một số CO2 thương mại có thể sẽ được áp dụng trước tiên. CO2 thương mại thường là sản phẩm phụ từ việc đốt nhiên liệu hóa thạch, vì vậy điều này có nhược điểm về môi trường.

Ngay cả những phương pháp tốt nhất để chiết xuất hydro từ nước cũng chỉ hoạt động với hiệu suất khoảng 70%. Điều này có nghĩa là cần 50-55 kilowatt giờ (kWh) điện để sản xuất 1kg hydro, trong khi chỉ lưu trữ được 33 kWh năng lượng hóa học - nói cách khác, lượng năng lượng tiêu thụ nhiều hơn đáng kể so với lượng năng lượng thu được. Đây là một lý do tại sao việc sản xuất nhiên liệu từ điện có lẽ sẽ không bao giờ rẻ bằng việc sử dụng điện năng trực tiếp. Hydro phải được nén hoặc hóa lỏng, tiêu tốn thêm năng lượng (ví như, khoảng 10-13 kWh/kg hydro để hóa lỏng). Hydro cũng dễ bị rò rỉ và có thể làm giòn các đường ống thép, gây khó khăn cho việc vận chuyển đường dài.

Chuyển đổi carbon dioxide thành nhiên liệu

Khi thải CO2 được thu giữ và cô đặc sẽ được chuyển đổi thành nhiên liệu bằng cách phản ứng với hydro - hoặc trước tiên nó có thể được khử thành carbon monoxide trong một quy trình “tổng hợp nhiên liệu” xúc tác. Trong cả hai trường hợp, sản phẩm thu được có thể là một loại rượu như methanol, hoặc một loại hydrocarbon phức tạp hơn như hỗn hợp parafin hoặc sáp. Tùy thuộc vào sản phẩm cuối cùng mong muốn, có thể cần phải xử lý thêm. Các bước này đòi hỏi nhiệt độ và áp suất cao, làm tăng nhu cầu năng lượng và chi phí đầu tư. Tóm lại, mỗi một trong bốn quy trình này đều làm tăng tổn thất năng lượng. Cho đến khi điện xanh trở nên rẻ hơn nhiều, nhiên liệu điện tử sẽ vẫn là một sản phẩm cao cấp. Tại Mỹ và Anh, giá điện hiện nay cao gấp khoảng bốn lần so với khí đốt tự nhiên, trong khi ở châu Âu là khoảng 2,5 lần.

Tin tốt là chi phí năng lượng xanh sẽ tiếp tục giảm khi công nghệ trở nên hiệu quả hơn. Trong ngành hàng không, phân tích gần đây dự đoán rằng hầu hết nhiên liệu bền vững sẽ là nhiên liệu sinh hóa hoặc nhiệt hóa học cho đến năm 2040, nhưng sau đó, phần lớn sự tăng trưởng có thể đến từ nhiên liệu điện tử. Đến năm 2050, những nhiên liệu này có thể chiếm hơn một nửa tổng lượng nhiên liệu tổng hợp. Nhiên liệu điện tử có thể được sản xuất ở những khu vực giàu nguồn năng lượng tái tạo như Bắc Phi, Patagonia và Iceland - tạo ra những nhân tố mới trong thương mại năng lượng toàn cầu.