Các nhà khoa học Trung Quốc phát triển thành công chất xúc tác giúp chuyển đổi khí tổng hợp từ sinh khối gỗ thành nhiên liệu hàng không bền vững. Công nghệ này đã vượt qua thử nghiệm thí điểm quy mô 1.000 tấn mỗi năm và được kỳ vọng có thể tạo biên lợi nhuận gộp hơn 50%, đồng thời góp phần giảm phát thải carbon của ngành hàng không.
Nhóm nghiên cứu cho biết việc kết hợp khí tổng hợp có nguồn gốc từ sinh khối gỗ với chất xúc tác coban-mangan cho phép tổng hợp nhiên liệu máy bay với hiệu suất cao.
Dựa trên phân tích kinh tế-kỹ thuật mô phỏng một nhà máy có công suất 100.000 tấn nhiên liệu mỗi năm, các nhà nghiên cứu ước tính công nghệ này có thể đạt biên lợi nhuận gộp trên 50%.
“Những kết quả thử nghiệm thí điểm khả quan, cùng các đánh giá tích cực về kinh tế-kỹ thuật và vòng đời sản phẩm, cho thấy công nghệ có tiềm năng lớn để triển khai công nghiệp”, nhóm nghiên cứu viết trong công trình đăng trên tạp chí khoa học bình duyệt Nature Communications hồi tháng 9.
Nhóm do các nhà nghiên cứu thuộc Viện Nghiên cứu Tiên tiến Thượng Hải, trực thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc (CAS), dẫn đầu cho biết công trình còn xác lập các nguyên tắc thiết kế nhằm khắc phục những giới hạn về độ chọn lọc trong quá trình chuyển đổi khí tổng hợp.
Nhiên liệu hàng không bền vững là gì?
Khác với nhiên liệu máy bay truyền thống được sản xuất từ dầu mỏ, nhiên liệu hàng không bền vững (SAF) sử dụng các nguyên liệu đầu vào không có nguồn gốc nhiên liệu hóa thạch, chẳng hạn rác thải rắn đô thị, dầu ăn đã qua sử dụng và sinh khối, theo Bộ Năng lượng Mỹ.
SAF được thiết kế để có thể sử dụng thay thế nhiên liệu hàng không thông thường hoặc pha trộn với loại nhiên liệu này mà không cần thay đổi lớn đối với hệ thống hiện có. Theo ước tính, SAF có thể giúp giảm khoảng 80% lượng phát thải carbon trong toàn bộ vòng đời so với nhiên liệu máy bay tiêu chuẩn.
Mức giảm phát thải này chủ yếu đến từ quá trình sản xuất và nguồn nguyên liệu. Việc đốt SAF trong động cơ máy bay vẫn tạo ra khí thải.
Ngành hàng không hiện chiếm khoảng 2-3% tổng lượng khí CO₂ do hoạt động của con người tạo ra trên toàn cầu. Tổ chức Hàng không Dân dụng Quốc tế (ICAO) đặt mục tiêu đưa ngành này đạt phát thải ròng bằng 0 vào năm 2050.
Để đạt mục tiêu đó, SAF cần được triển khai trên quy mô lớn. Tuy nhiên, theo Hiệp hội Vận tải Hàng không Quốc tế (IATA), sản lượng SAF toàn cầu dự kiến chỉ đạt 2,4 triệu tấn trong năm nay, tương đương khoảng 0,8% tổng lượng nhiên liệu máy bay tiêu thụ trên thế giới.
Trong báo cáo công bố hồi tháng 6, IATA nhận định tình trạng thiếu hụt nhiên liệu máy bay và giá nhiên liệu tăng sau khi eo biển Hormuz bị đóng cửa có thể đã diễn biến khác nếu các khoản đầu tư vào nhiên liệu hàng không bền vững được ưu tiên sớm hơn.
Thách thức lớn nhất hiện nay là mở rộng sản xuất SAF để hạ giá thành. Theo IATA, SAF vẫn đắt hơn nhiên liệu hàng không thông thường nhiều lần do công nghệ sản xuất còn đang phát triển, nguyên liệu đầu vào có giá cao và đòi hỏi vốn đầu tư ban đầu lớn.
Công nghệ chuyển khí tổng hợp thành nhiên liệu máy bay
Hiện có nhiều quy trình hóa học đã được phát triển để sản xuất SAF. Một trong số đó là tổng hợp Fischer-Tropsch, phương pháp chuyển đổi khí tổng hợp thành các hydrocarbon có đặc tính phù hợp để sản xuất nhiên liệu máy bay.
Khí tổng hợp chủ yếu gồm carbon monoxide và hydro. Hỗn hợp khí này có thể được tạo ra bằng cách khí hóa hoặc chuyển đổi nhiều loại sinh khối khác nhau.
Theo nhóm nghiên cứu Trung Quốc, quy trình Fischer-Tropsch có ưu điểm là sử dụng được nhiều loại nguyên liệu đầu vào, dựa trên nền tảng công nghiệp đã tương đối hoàn thiện, có khả năng mở rộng quy mô và tạo ra nhiên liệu hydrocarbon có thể sử dụng trong các hệ thống hiện hữu.
Vì vậy, nhóm đánh giá công nghệ này có thể đóng vai trò quan trọng trong việc đáp ứng các mục tiêu sản xuất SAF vào năm 2050.
Tuy nhiên, để đưa quy trình vào ứng dụng thực tế trên quy mô lớn, cần phát triển các chất xúc tác hiệu quả hơn.
Trong công trình mới, nhóm nghiên cứu giới thiệu chất xúc tác coban-mangan có tỷ lệ chuyển hóa carbon monoxide gần 83%. Độ chọn lọc đối với các hydrocarbon nằm trong dải phân tử phù hợp để sản xuất nhiên liệu máy bay vượt 67%, trong khi tỷ lệ này ở phần lớn chất xúc tác đã được công bố trước đó dưới 50%.
Theo nhóm nghiên cứu, kết quả trên giúp khắc phục sự đánh đổi tồn tại lâu nay giữa hoạt tính và độ chọn lọc của các chất xúc tác trước đây. Nói cách khác, công nghệ hướng tới việc vừa tăng khả năng chuyển hóa nguyên liệu, vừa nâng tỷ lệ sản phẩm mong muốn thay vì phải đánh đổi một yếu tố để cải thiện yếu tố còn lại.
Nhóm cho biết chất xúc tác mới không chỉ xử lý khí tổng hợp từ sinh khối gỗ mà còn có thể sử dụng với nhiều nguồn khí tổng hợp thực tế khác nhau.
Sau thử nghiệm ban đầu ở quy mô kilogram, nhóm đã hoàn thành thử nghiệm thí điểm với công suất 1.000 tấn mỗi năm vào năm ngoái.
Trung Quốc lên kế hoạch xây nhà máy công suất 100.000 tấn mỗi năm
Nhóm nghiên cứu cho biết đang lên kế hoạch xây dựng một nhà máy sử dụng khí tổng hợp từ quá trình khí hóa sinh khối làm nguyên liệu, với công suất 100.000 tấn nhiên liệu mỗi năm tại thành phố Lô Châu, tỉnh Tứ Xuyên, miền tây nam Trung Quốc, trước năm 2028.
Theo mô hình phân tích kinh tế-kỹ thuật, nhà máy sẽ hoạt động khoảng 8.000 giờ mỗi năm và có thể đạt doanh thu ước tính 302 triệu USD.
Với chi phí vận hành hằng năm khoảng 114 triệu USD và lợi nhuận gộp ước tính 165 triệu USD, cơ sở này có thể đạt biên lợi nhuận gộp gần 55%, theo dự báo của nhóm nghiên cứu.
Tuy nhiên, các con số trên là kết quả mô phỏng kinh tế-kỹ thuật, không phải lợi nhuận đã được xác nhận từ một nhà máy thương mại đang vận hành.
Nhóm nghiên cứu cũng lưu ý nguyên liệu sinh khối chiếm hơn một nửa tổng chi phí vận hành. Điều này cho thấy việc xây dựng chuỗi cung ứng sinh khối với giá hợp lý sẽ là yếu tố then chốt quyết định tính khả thi về kinh tế của dự án.
Trung Quốc thử nghiệm thêm các công nghệ sản xuất nhiên liệu hàng không bền vững
Nhóm do CAS dẫn đầu không phải đơn vị duy nhất tại Trung Quốc tìm cách mở rộng sản xuất SAF bằng công nghệ mới.
Hồi tháng 8, một nhà máy thí điểm nhiên liệu hàng không bền vững công suất 1.000 tấn mỗi năm, do Công ty Hóa chất Sichuan Jinxiang Sairui phối hợp với nhóm nghiên cứu thuộc Đại học Thanh Hoa phát triển, đã vượt qua một đợt thử nghiệm vận hành liên tục quan trọng.
Theo Đại học Thanh Hoa, đây là cơ sở đầu tiên trên thế giới đạt quy mô sản xuất SAF như vậy bằng phương pháp hydro hóa trực tiếp carbon dioxide. Công nghệ này đã được Liên đoàn Công nghiệp Dầu khí và Hóa chất Trung Quốc đánh giá về mặt kỹ thuật và được nhận định là đạt trình độ dẫn đầu quốc tế.
Nhờ tái tuần hoàn khí thải cuối quy trình và thu hồi hydrocarbon, tỷ lệ sử dụng CO₂ tổng thể đạt 98%. Cuộc thử nghiệm thành công mở đường cho việc xây dựng một cơ sở trình diễn công nghiệp có công suất 10.000 tấn mỗi năm.
Nhóm nghiên cứu này cũng ước tính một nhà máy công suất 100.000 tấn mỗi năm có thể thu hồi vốn đầu tư ban đầu trong khoảng 2,5 năm, căn cứ trên mức giá nhiên liệu hiện tại.
Những nỗ lực này cho thấy Trung Quốc đang theo đuổi nhiều hướng công nghệ nhằm tăng nguồn cung nhiên liệu hàng không bền vững. Tuy nhiên, để các công nghệ mới tạo ra tác động đáng kể đối với mục tiêu phát thải ròng bằng 0 của ngành hàng không, bài toán quyết định vẫn là khả năng mở rộng sản xuất, bảo đảm nguồn nguyên liệu ổn định và giảm chi phí đủ sâu để SAF có thể cạnh tranh với nhiên liệu máy bay truyền thống.
Theo SCMP
