Đột phá KHCN - Đổi mới sáng tạo.

Với áp lực ngày càng tăng từ các quy định môi trường và nhu cầu phát triển bền vững, các doanh nghiệp hóa chất trên thế giới đang triển khai nhiều giải pháp đột phá để giảm phát thải carbon và hướng tới mục tiêu trung hòa carbon vào năm 2050.

Thách thức cấp thiết đặt ra cho ngành hóa chất

Ngành công nghiệp hóa chất hiện đang đóng góp khoảng 18% tổng lượng khí thải công nghiệp toàn cầu, chỉ đứng sau ngành xi măng với 27% và thép với 25%. Theo ước tính gần đây, lượng phát thải CO2 trực tiếp từ sản xuất hóa chất cơ bản đạt khoảng 925 triệu tấn, một con số đáng báo động trong bối cảnh biến đổi khí hậu ngày càng nghiêm trọng.

Đặc biệt, ngành hóa chất tiêu thụ gần 90% than đá, hơn 70% dầu và khoảng 55% khí đốt tự nhiên được sử dụng trong các hoạt động công nghiệp. Các quy trình nhiệt độ cao như cracking hơi nước, reforming và gasification để sản xuất các hóa chất chủ chốt như ethylene, amoniac và methanol đòi hỏi năng lượng khổng lồ và thải ra lượng CO₂ đáng kể. Điều này đặt ra thách thức lớn trong việc chuyển đổi sang năng lượng sạch và đòi hỏi sự thay đổi toàn diện trong cách thức sản xuất.

Năm chiến lược chủ đạo để giảm phát thải

Nghiên cứu mới đây của các chuyên gia từ Đại học Kyushu, Nhật Bản, đã chỉ ra năm nhóm giải pháp chính mà các doanh nghiệp hóa chất đang triển khai để tiến tới mục tiêu trung hòa carbon. Những chiến lược này không chỉ giúp giảm thiểu tác động môi trường mà còn mở ra cơ hội nâng cao năng lực cạnh tranh trong nền kinh tế xanh.

Đầu tiên là tối ưu hóa quy trình sản xuất và nâng cao hiệu quả năng lượng. Các công ty đang đầu tư mạnh vào công nghệ thu hồi nhiệt thải, với hệ thống Chu trình Rankine hữu cơ (ORC) giúp tiết kiệm năng lượng đáng kể bằng cách chuyển đổi nhiệt thải nhiệt độ thấp thành điện năng. Công nghệ vi phản ứng và xúc tác tiên tiến cũng đang được áp dụng rộng rãi để giảm tiêu thụ năng lượng và tăng hiệu suất phản ứng lên đến 30-40%. Đặc biệt, xu hướng điện khí hóa các quy trình hóa học đang được đẩy mạnh, trong đó công nghệ "e-cracking" sử dụng điện từ năng lượng tái tạo thay vì đốt nhiên liệu hóa thạch có thể giảm lượng phát thải CO₂ lên tới 80-90%.

Thứ hai, chuyển đổi sang năng lượng tái tạo đang trở thành xu hướng tất yếu. Các doanh nghiệp hóa chất hàng đầu đang tích cực chuyển sang sử dụng năng lượng mặt trời, gió và sinh khối để thay thế nhiên liệu hóa thạch. Công nghệ pin quang điện tăng cường nano và tấm pin mặt trời nổi trên mặt nước đang mở ra những khả năng mới với hiệu suất cao hơn và chi phí thấp hơn. LG Chemical của Hàn Quốc cam kết chuyển đổi 100% năng lượng tái tạo cho các cơ sở tại nước ngoài vào năm 2030 và các cơ sở trong nước vào năm 2050, đồng thời giảm thiểu việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch trong lò cracking naphtha và chuyển đổi lò đốt than sang sử dụng sinh khối.

Thứ ba, việc chuyển đổi từ nguyên liệu hóa thạch sang các nguồn bền vững như sinh khối, CO₂ tái chế và nhựa tái chế hóa học đang được đẩy mạnh trong khuôn khổ kinh tế tuần hoàn. Nghiên cứu của Đại học Warwick cho thấy tái chế hóa học bằng nhiệt phân có thể giảm tới 80% tiềm năng nóng lên toàn cầu so với đốt để loại bỏ, và giảm 50% tác động đến biến đổi khí hậu so với đốt để thu hồi năng lượng. Bio-naphtha từ sinh khối, CO₂ chuyển hóa thành methanol và polycarbonate, cũng như các quy trình tái chế nhựa tiên tiến đang giúp giảm đáng kể lượng phát thải carbon trong sản xuất.

Vai trò then chốt của công nghệ CCUS

Công nghệ thu giữ, sử dụng và lưu trữ carbon (CCUS) được coi là then chốt để đạt mục tiêu trung hòa carbon, đặc biệt đối với các quy trình không thể điện khí hóa hoàn toàn. Hiện có ba phương pháp chính đang được triển khai: thu giữ trước đốt cháy xử lý nhiên liệu trước khi đốt để tạo ra khí tổng hợp giàu hydro, thu giữ sau đốt cháy loại bỏ CO₂ từ khí thải bằng dung môi amine, và đốt cháy oxy sử dụng oxy tinh khiết thay vì không khí để tạo ra dòng CO₂ c농축.

BASF, tập đoàn hóa chất hàng đầu thế giới, đang phát triển nhà máy cracking hơi nước điện đầu tiên trên thế giới quy mô lớn với mục tiêu giảm 90% phát thải CO₂ trong các quy trình hóa học chính. Công ty cũng đang triển khai công nghệ nhiệt phân methane sáng tạo và điện phân nước đã được chứng minh để sản xuất hydro sạch. Tata Chemicals của Ấn Độ đã đưa vào hoạt động cơ sở CCU quy mô lớn đầu tiên tại Anh, minh chứng cho cam kết mạnh mẽ trong việc ứng dụng công nghệ tiên tiến để giảm phát thải.

Tuy nhiên, công nghệ CCUS vẫn đối mặt với những thách thức đáng kể về kinh tế và kỹ thuật. Chi phí thu giữ CO₂ hiện dao động từ 50 đến 200 USD mỗi tấn CO₂ được tránh, tùy thuộc vào phương pháp và quy mô triển khai. Nhu cầu năng lượng cao trong quá trình thu giữ và tái sinh, đặc biệt trong các hệ thống thu giữ sau đốt cháy và thu giữ trực tiếp từ không khí, có thể làm giảm một phần lợi ích môi trường nếu không được tích hợp với nguồn năng lượng carbon thấp hoặc tái tạo. Hơn nữa, việc xây dựng cơ sở hạ tầng vận chuyển CO₂ qua đường ống và các cơ sở lưu trữ đặt ra những thách thức lớn về mặt logistics và tài chính.

Hydro xanh - Chìa khóa cho tương lai

Hydro xanh, được sản xuất bằng điện phân nước sử dụng năng lượng tái tạo, đang trở thành giải pháp quan trọng để giảm phát thải carbon trong ngành hóa chất. Nó có thể thay thế nhiên liệu hóa thạch trong sản xuất amoniac thông qua quy trình Haber-Bosch, methanol và nhiều hóa chất khác, đồng thời đóng vai trò như chất khử trong sản xuất thép bền vững. Mitsui Chemicals đang triển khai hệ thống tua-bin khí hiệu suất cao để tự cung cấp năng lượng và giảm 70.000 tấn CO₂ mỗi năm tại nhà máy Osaka, đồng thời nghiên cứu chuyển đổi lò cracking naphtha sang sử dụng nhiên liệu thay thế như amoniac.

Tuy nhiên, chi phí sản xuất hydro xanh hiện vẫn cao hơn 2-4 lần so với nhiên liệu hóa thạch truyền thống, đòi hỏi sự hỗ trợ mạnh mẽ từ chính sách và cơ chế định giá carbon. Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IEA) dự báo nhu cầu hydro carbon thấp sẽ tăng mạnh, đặc biệt trong công nghiệp nặng và vận tải, với việc mở rộng sản xuất sau năm 2030 là cần thiết để đạt được các mục tiêu khí hậu dài hạn.

Những câu chuyện thành công đáng chú ý

Dow Chemical của Mỹ đang xây dựng khu liên hợp ethylene và các dẫn xuất trung hòa carbon đầu tiên trên thế giới tại Louisiana, dự kiến giảm carbon hóa 20% công suất ethylene toàn cầu của công ty và tăng 15% nguồn cung polyethylene. Dự án này sử dụng công nghệ dehydro hóa propane tiên tiến để cải thiện hiệu suất, kết hợp với các kỹ thuật chuyển đổi khí thải từ lò cracking thành hydro và thu giữ CO₂ để lưu trữ hoặc sử dụng.

BASF cam kết đạt phát thải ròng bằng 0 vào năm 2050, đang đầu tư mạnh vào sản xuất năng lượng tái tạo và cơ sở hạ tầng để cắt giảm ít nhất 90% phát thải CO₂ trong các quy trình hóa học chính. Công ty đã phát triển phương pháp sản xuất methanol thân thiện môi trường bằng cách sử dụng syngas từ quá trình oxy hóa một phần khí tự nhiên hoặc khí sinh học, kết hợp đốt cháy oxy, rửa khí và hydro không CO₂. Hệ thống Energy Verbund và nhà máy điện nhiệt kết hợp của BASF đã tiết kiệm 19 triệu MWh và giảm 6,2 triệu tấn CO₂ vào năm 2022 nhờ tối ưu hóa sử dụng năng lượng và tái chế nhiệt thải.

Tata Chemicals của Ấn Độ đặt mục tiêu giảm 30% dấu chân carbon vào năm 2030 theo sáng kiến Science Based Target initiatives (SBTi), đồng thời đưa vào hoạt động cơ sở CCU quy mô lớn đầu tiên tại Anh. Tại khu liên hợp sản xuất Mithapur, các sáng kiến như hệ thống FBD MUW, điều chỉnh hệ thống chân không, cùng với việc tăng sản xuất năng lượng tái tạo và sản xuất bicarbonate đã giảm đáng kể lượng phát thải.

LG Chemical của Hàn Quốc hướng tới "Tăng trưởng trung hòa carbon" vào năm 2030 và "Phát thải ròng bằng 0" vào năm 2050, với kế hoạch chuyển đổi 100% sang năng lượng tái tạo cho các cơ sở nước ngoài vào năm 2030 và trong nước vào năm 2050. Công ty đang mở rộng hoạt động tái chế nhựa và pin thải, thúc đẩy chính sách Zero Waste to Landfill trên toàn bộ hoạt động, đồng thời hợp tác với Taekyung Chemical để chuyển đổi sản phẩm phụ CO₂ từ sản xuất hydro thành đá khô.

Cosmo Energy Group đang triển khai nhiều sáng kiến giảm phát thải Scope 1 và Scope 2 bằng cách áp dụng nhiên liệu phát thải thấp hơn như LNG, hydro và amoniac, tích hợp năng lượng tái tạo và cải thiện bảo tồn năng lượng. Công ty đã hợp tác với Abu Dhabi National Oil Company để khám phá các công nghệ giảm carbon và tiến hành nghiên cứu khả thi về CCS/CCUS tại Abu Dhabi, đồng thời phát triển chuỗi cung ứng nhiên liệu sinh học từ dầu ăn đã qua sử dụng với kế hoạch bắt đầu cung cấp nhiên liệu hàng không bền vững quy mô đầy đủ vào năm 2025.

Thách thức và cơ hội phía trước

Mặc dù tiềm năng rất lớn, ngành hóa chất vẫn đối mặt với nhiều thách thức đáng kể trên con đường hướng tới trung hòa carbon. Chi phí đầu tư ban đầu cao cho các công nghệ mới như CCUS và hydro xanh vẫn là rào cản lớn nhất, đặc biệt trong bối cảnh ngành hóa chất có tỷ suất lợi nhuận thấp và cạnh tranh quốc tế gay gắt. Tuổi thọ 40 năm của các tài sản công nghiệp nặng như lò cao và lò nung xi măng nhấn mạnh tính cấp thiết của việc chuyển đổi sang các công nghệ sạch hơn để đáp ứng thời hạn trung hòa carbon năm 2050.

Hạ tầng vận chuyển và lưu trữ CO₂ quy mô lớn cần được xây dựng để hỗ trợ triển khai rộng rãi công nghệ CCUS. Việc phát triển mạng lưới CO₂ toàn diện, có khả năng vận chuyển CO₂ từ nhiều nguồn khác nhau đến các địa điểm lưu trữ và sử dụng, là thách thức lớn do sự thiếu hụt hiện tại. Nguồn nguyên liệu bền vững như sinh khối cũng còn hạn chế, có thể cản trở việc áp dụng rộng rãi các công nghệ phát thải âm như BECCS trong các ngành hàng không và hóa chất.

Nhu cầu điện năng dự kiến tăng gấp đôi từ năm 2020 đến 2050, với ngành công nghiệp bao gồm hóa chất trải qua mức tăng đáng kể nhất, tăng hơn 11.000 TWh. Điều này đòi hỏi giảm mạnh sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch và phát triển hệ thống lưới thông minh, dự báo năng lượng dựa trên trí tuệ nhân tạo để hỗ trợ phân phối năng lượng tốt hơn và hiệu quả hơn, tạo điều kiện cho quá trình chuyển đổi sang các quy trình hoàn toàn điện khí hóa trong công nghiệp.

Tuy nhiên, với sự hỗ trợ của chính sách, cơ chế định giá carbon và các ưu đãi tài chính, ngành hóa chất đang từng bước vượt qua những rào cản này. Liên minh châu Âu đã thiết lập Hệ thống giao dịch phát thải (ETS) và Cơ chế điều chỉnh biên giới carbon (CBAM) để quản lý các ngành công nghiệp sử dụng nhiều năng lượng như sản xuất hóa chất. Đạo luật Giảm lạm phát (IRA) của Mỹ cung cấp nguồn tài trợ rộng rãi cho giảm carbon công nghiệp, bao gồm ưu đãi thuế cho sản xuất hydro và các dự án thu giữ carbon.

Khuyến nghị chính sách cho tương lai

Để đẩy nhanh quá trình chuyển đổi, các chuyên gia đề xuất một số khuyến nghị quan trọng. Thứ nhất, cần thiết lập cơ chế định giá carbon toàn diện trên toàn nền kinh tế để thúc đẩy giảm phát thải trong khi đảm bảo công bằng giữa các ngành công nghiệp. Cơ chế điều chỉnh biên giới carbon như CBAM của EU rất quan trọng để ngăn chặn rò rỉ carbon và hỗ trợ nỗ lực giảm phát thải toàn cầu. Các thỏa thuận quốc tế tập trung vào các ngành then chốt như hóa chất là cần thiết để thúc đẩy hợp tác và trao đổi công nghệ quốc tế.

Thứ hai, đầu tư vào cơ sở hạ tầng vận chuyển và lưu trữ CO₂ là thiết yếu để hỗ trợ công nghệ CCS và tích hợp chúng vào quy trình làm việc hiện có. Việc xây dựng cơ sở hạ tầng cho sản xuất và phân phối hydro phát thải thấp cũng rất quan trọng cho quá trình chuyển đổi của ngành hóa chất sang phát thải ròng bằng 0. Thu thập dữ liệu nâng cao và phối hợp cũng cần được cải thiện, khuyến khích sự tham gia của ngành công nghiệp trong việc theo dõi phát thải và thúc đẩy chia sẻ dữ liệu giữa các bên liên quan.

Thứ ba, cần tăng cường đầu tư vào nghiên cứu, phát triển và trình diễn công nghệ. Phát triển các cơ chế tài chính như trái phiếu xanh và quỹ đổi mới là thiết yếu để kích thích đầu tư tư nhân vào các công nghệ carbon thấp. Các khoản đầu tư nên tập trung vào các lĩnh vực chính như sản xuất hydro, CCS và kỹ thuật tái chế tiên tiến để thúc đẩy đổi mới và đẩy nhanh quá trình chuyển đổi sang tương lai bền vững.

Thứ tư, tạo thị trường cho sản phẩm phát thải thấp thông qua việc thực hiện hợp đồng carbon để chênh lệch nhằm hỗ trợ tài chính cho việc tạo ra các sản phẩm phát thải gần bằng 0, đồng thời khuyến khích mua sắm công để kích thích nhu cầu và đẩy nhanh việc áp dụng các công nghệ bền vững. Thúc đẩy năng suất năng lượng bằng cách thiết lập kiểm toán năng lượng bắt buộc và tiêu chuẩn hiệu quả cho thiết bị công nghiệp, được bổ sung bởi các ưu đãi cho tái chế và sử dụng vật liệu hiệu quả để thúc đẩy các hoạt động bền vững.

Cuối cùng, quản lý quá trình chuyển đổi của tài sản hiện có bằng cách yêu cầu nâng cấp các cơ sở hiện có để tích hợp các công nghệ phát thải thấp tiên tiến, giảm nguy cơ tài sản bị mắc kẹt và đảm bảo quá trình chuyển đổi suôn sẻ sang các hoạt động bền vững. Khuyến nghị nhấn mạnh rằng ngành hóa chất phải áp dụng các biện pháp phía cung trong khi thích ứng với nhu cầu giảm do kinh tế tuần hoàn thúc đẩy.

Triển vọng tương lai đầy hứa hẹn

Theo kịch bản Net Zero của Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IEA), ngành hóa chất toàn cầu dự kiến sẽ giảm 20% phát thải vào năm 2030 và 93% vào năm 2050, chủ yếu nhờ nâng cao hiệu quả, tích hợp công nghệ tiên tiến và cải thiện hiệu quả vật liệu. Vào năm 2030, khoảng 80% việc giảm phát thải trong ngành hóa chất toàn cầu sẽ đến từ các công nghệ hiện có như tái chế và tái sử dụng nhựa, sử dụng phân bón nitơ hiệu quả hơn để giảm nhu cầu hóa chất cơ bản, và thực hiện các biện pháp tiết kiệm năng lượng khác nhau.

Sau năm 2030, các giảm phát thải dự kiến sẽ đến từ việc triển khai các công nghệ mới nổi như phương pháp CCUS chuyên biệt và sản xuất hydro điện phân bằng các nguồn năng lượng tái tạo gián đoạn. Sự chuyển đổi này liên quan đến việc đảm bảo 90% sản xuất điện có nguồn gốc từ các nguồn tái tạo, tăng gấp đôi công suất năng lượng hạt nhân và điện khí hóa một nửa tiêu thụ năng lượng toàn cầu. Kế hoạch này cũng bao gồm việc thực hiện các công nghệ để loại bỏ 1,7 gigaton CO₂ hàng năm từ khí quyển thông qua BECCS và DACS.

Trí tuệ nhân tạo (AI) đang nổi lên như một công cụ tuyệt vời để hỗ trợ quá trình chuyển đổi sang hệ thống năng lượng tái tạo. AI có tiềm năng to lớn để làm cho hệ thống năng lượng hiệu quả hơn, cải thiện hiệu suất năng lượng mặt trời và gió, dự đoán các mẫu nhu cầu năng lượng và ổn định lưới điện. Các phương pháp dựa trên AI cũng cho phép tích hợp hiệu quả hơn năng lượng tái tạo vào hệ thống điện, bảo trì dự đoán hệ thống năng lượng và tối ưu hóa việc sử dụng tài nguyên để quản lý các thách thức về tính gián đoạn và lưu trữ.

Hành trình hướng tới trung hòa carbon không chỉ là trách nhiệm môi trường mà còn là cơ hội để ngành hóa chất tái định vị và nâng cao năng lực cạnh tranh trong nền kinh tế xanh toàn cầu. Điều này đòi hỏi sự phối hợp chặt chẽ giữa doanh nghiệp, chính phủ và các bên liên quan, cùng với cam kết mạnh mẽ về cải tiến liên tục, theo dõi tiến độ chặt chẽ và thu thập và phân tích dữ liệu nâng cao. Chỉ thông qua những nỗ lực liên tục này, mục tiêu đầy tham vọng về trung hòa carbon của ngành hóa chất vào năm 2050 mới có thể đạt được, thiết lập một ví dụ vững chắc và mở đường cho một tương lai bền vững và phồn thịnh.

Nguồn: Tổng hợp từ nghiên cứu "Strategies for achieving carbon neutrality within the chemical industry", Renewable and Sustainable Energy Reviews, tập 217, năm 2025