Nghiên cứu xuất phát từ mục tiêu tiết kiệm năng lượng, phát triển bền vững

Theo các chuyên gia thuộc hội đồng thẩm định cấp Bộ, cụm công trình có hàm lượng chất xám vượt trội, đã phát triển và làm chủ nhiều công nghệ tiên tiến thế giới trong lĩnh vực lọc hóa dầu sinh học và sản xuất năng lượng mới, tạo ra nhiều sản phẩm mới và có tiềm năng ứng dụng thương mại đem lại hiệu quả kinh tế cao.

Nhân dịp này, GS. TS. Vũ Thị Thu Hà, Giám đốc Keylab PRT đã có dịp trao đổi để cùng tìm hiểu chi tiết hơn về giá trị và ý nghĩa cụm công trình mang lại.

Xin Giáo sư chia sẻ chi tiết hơn về các nội dung nghiên cứu chính của Cụm công trình, cũng như sự cần thiết của những nghiên cứu này?

GS. TS. Vũ Thị Thu Hà:

Thứ nhất, nhu cầu phát triển công nghệ sử dụng năng lượng tiết kiệm đồng thời khả thi cho mọi loại động cơ, kể cả động cơ hiện hành, luôn cần thiết. Trong đó, giải pháp sử dụng phụ gia tiết kiệm nhiên liệu, hạn chế can thiệp vào “phần cứng” động cơ, nhằm kiểm soát quá trình đốt cháy theo hướng tăng công suất là phù hợp hơn cả. Hiện nay trên thị trường khá đa dạng các loại phụ gia tiết kiệm nhiên liệu và giảm khí thải tuy nhiên nhược điểm chung là mỗi loại phụ gia thường chỉ phù hợp với một loại nhiên liệu nhất định. Ngoài ra, tỷ lệ pha trộn phụ gia khá cao, khoảng 0,01%, ảnh hưởng đến chất lượng nhiên liệu trong bảo quản và sử dụng, có khả năng giảm tuổi thọ động cơ và khí thải của chúng cũng ảnh hưởng không tốt tới con người và môi trường.

Thứ hai, việc thay thế dầu mỏ bằng các nguyên liệu xanh, ít phát thải và có sẵn như sinh khối là cần thiết và là động lực phát triển các tổ hợp lọc dầu sinh học (biorefinery). Trong các quá trình này, xúc tác dị thể đóng vai trò then chốt. Gần như toàn bộ các công nghệ trong ngành công nghiệp lọc, hóa dầu đều liên quan đến xúc tác rắn và xu hướng này dự kiến ​​vẫn luôn được áp dụng. Vấn đề là các phương pháp xúc tác dị thể truyền thống không phù hợp để xử lý sinh khối, do bản chất hóa học khác nhau giữa hai nguồn nguyên liệu. Vì vậy, cần những công nghệ mới, như phát triển các vật liệu đa chức năng (có khả năng xúc tác cho một số phản ứng trong cùng một lớp xúc tác), để giảm độ phức tạp của các quy trình lọc hóa dầu sinh học, đảm bảo tính khả thi về mặt kinh tế và kỹ thuật.

Thứ ba, việc sản xuất năng lượng mới như pin nhiên liệu thân thiện với môi trường đang được thế giới hết sức quan tâm. Trong số các loại pin nhiên liệu, pin sử dụng trực tiếp alcohol (Direct Alcohol Fuel Cell - DAFC) được đặc biệt quan tâm vì ưu điểm an toàn, dễ bảo quản, dễ tồn chứa và vận chuyển hơn so với pin nhiên liệu hydro. Điểm đặc biệt của pin nhiên liệu là tạo ra dòng điện liên tục khi được cung cấp nhiên liệu mà không mất thời gian sạc. Đồng thời, nó có mức phát thải gần như "bằng 0", tuổi thọ cao gấp 5-10 lần và nhẹ hơn 70% pin thông thường. Khả năng ứng dụng pin DAFC rất đa dạng, từ thiết bị điện tử, thiết bị cầm tay, trạm phát điện loại nhỏ tới ứng dụng trong quân đội… Hiện nay, tổng nhu cầu dùng pin nhiên liệu toàn cầu vào khoảng 3 tỷ USD/năm. Trên cơ sở đó, chúng tôi đã nghiên cứu phát triển các công nghệ sản xuất pin nhiên liệu dựa trên xúc tác kim loại quí, cụ thể là chất mang graphen (Pt/G) nhằm cải thiện tính chất và độ bền hoạt tính của xúc tác điện hóa ứng dụng trong pin DAFC.

Công trình nghiên cứu pin nhiên liệu trên Tạp chí hóa học Electrochimica Acta

Từ những hướng tiếp cận trên, chúng tôi đã thực hiện cụm công trình nghiên cứu, thiết kế công nghệ chế tạo và ứng dụng vật liệu xúc tác dị thể và vật liệu nano trong lĩnh vực lọc dầu sinh học, tiết kiệm năng lượng hóa thạch và sản xuất năng lượng mới, vì sự phát triển bền vững, tại Phòng thí nghiệm trọng điểm công nghệ lọc hóa dầu - Bộ Công Thương.

Một số nghiên cứu đã có đầu ra là sản phẩm thực tế được thương mại hóa với kết quả bước đầu khá khả quan, như phụ gia đa năng tiết kiệm năng lượng FNT6VN. Các nhánh nghiên cứu khác như ứng dụng xúc tác nano trong sản xuất pin DAFC cũng đã được trình diễn và được đối tác Hàn Quốc hết sức quan tâm. Các nghiên cứu này đều được hội đồng khoa học của Bộ Công Thương đánh giá tiềm năng ứng dụng to lớn, đem lại hiệu quả về kinh tế và xã hội cao, có trình độ công nghệ tiên tiến thế giới.

Vậy kết quả cụ thể mà những nghiên cứu này mang lại là gì?

GS. TS. Vũ Thị Thu Hà: 

​Như đã chia sẻ, sản phẩm cụ thể của cụm công trình là phát triển những công nghệ lõi liên quan tới điều chế, ứng dụng xúc tác dị thể trong lọc dầu sinh học, phụ gia đa năng tiết kiệm năng lượng hóa thạch và giảm khí thải, và ứng dụng xúc tác nano trên cơ sở Pt/graphen sản xuất pin DAFC. Minh chứng cụ thể cho giá trị thực tiễn, tính đổi mới sáng tạo của cụm trình là đã đem lại lợi ích kinh tế cho các doanh nghiệp tham gia sản xuất thử nghiệm và thu hút được sự quan tâm của một số nhà đầu tư trong và ngoài nước.

Đơn cử, công nghệ chế tạo phụ gia tiết kiệm năng lượng và giảm khí thải hiện được nhà đầu tư định giá khoảng 20 triệu USD. Đây là công nghệ, sản phẩm được đánh giá có hàm lượng đổi mới sáng tạo cao, độc đáo, tiềm năng ứng dụng to lớn. Để dễ hình dung, khi sử dụng mỗi lít phụ gia FNT6VN, lãi ròng mang lại cho khách hàng không dưới 200 triệu đồng cho nhiên liệu xăng/xăng sinh học; tối thiểu 45 triệu đồng cho nhiên liệu DO và 20 triệu đồng cho nhiên liệu FO. Sử dụng hệ phụ gia FNT6VN cho nhiên liệu lỏng và ECOAL cho than ở qui mô quốc gia có thể đạt hiệu quả tiết kiệm năng lượng đến 7% tổng tiêu thụ năng lượng của các hoạt động giao thông và công nghiệp. Với qui mô sản xuất 200.000 lít/năm lợi nhuận ròng vào khoảng 23.000 tỷ đồng. 

Đối với hướng nghiên cứu liên quan đến sản xuất nhiên liệu nguồn gốc thực vật từ ứng dụng xúc tác dị thể, chúng tôi đã phát triển các công nghệ có bản quyền, như công nghệ trans-ester hóa sản xuất dầu diesel sinh học gốc từ dầu mỡ động thực vật phế thải; công nghệ sản xuất hợp phần dung môi sinh học bằng quá trình ester hóa acid lactic kết hợp chiết ethyl lactate; công nghệ inter-ester hóa sản xuất dung môi sinh học gốc. Đồng thời phát triển một số công nghệ khai thác nguồn nguyên liệu, hay chế biến thượng nguồn, của quá trình lọc dầu sinh học từ sinh khối, và một số công nghệ chế biến nâng cao giá trị phụ phẩm, xử lý ô nhiễm… không trình bày cụ thể tại đây. Hiện các ý tưởng nhóm tác giả đang theo đuổi đã bắt đầu gặt hái được thành công. Dự kiến, các công nghệ sẽ đăng ký bảo hộ độc quyền ở Việt Nam và Mỹ trong năm 2021.

Cùng với lợi thế đã có về cơ sở hạ tầng, việc mở rộng hướng nghiên cứu đồng thời tạo thêm nhiều công nghệ/sản phẩm mới, tạo nguồn nguyên liệu cho lọc dầu sinh học là hoàn toàn khả thi. Tích hợp các công nghệ này với công nghệ sản xuất dầu diesel sinh học, dung môi sinh học, chế phẩm sinh học sẽ tạo ra một nhà máy lọc dầu sinh học có hiệu quả cao, bền vững nhờ sử dụng 100% nguyên liệu tái tạo, sản phẩm đầu ra an toàn với môi trường và người sử dụng. Đây cũng là xu hướng phát triển thế giới đang đặc biệt quan tâm.

Đại diện Keylab PRT làm việc với đại diện Tập đoàn Hóa dầu Kumho (Hàn Quốc) 

Đối với hướng nghiên cứu ứng dụng vật liệu nano trong sản xuất pin DAFC, 03 cụm quy trình công nghệ hoàn thiện gồm 7 quy trình thành phần đã được phát triển; bao gồm công nghệ tạo xúc tác trên cơ sở Pt(Pd)/rGO biến tính, tạo mực xúc tác trên cơ sở Pt(Pd)/rGO biến tính, chế tạo anot trong pin DAFC, trên cơ sở vật liệu phủ anot chứa xúc tác nano Pt/graphene. Đặc biệt, chúng tôi đã phát triển thành công các phương pháp mới, hiệu quả cao, chi phí thấp trong điều chế xúc tác Pt/FLG và Pt/(rGO-GQDs), với hàm lượng Pt rất thấp và hoạt tính điện hóa siêu cao gấp hàng chục đến hàng trăm lần các chất xúc tác cùng loại đã được công bố trên thế giới.

Các kết quả này đã được đăng ký độc quyền sở hữu trí tuệ tại Cục Sở hữu trí tuệ Việt Nam và Cục Sáng chế và Bảo hộ thương hiệu Hoa kỳ. Công nghệ có nhiều đặc tính ưu việt, như điều chế đơn giản, dễ dàng mở rộng lên quy mô lớn, tiết kiệm kim loại quí, không lãng phí carbon, hoạt tính xúc tác “siêu” cao... Tất cả các ưu điểm này làm cho giá thành vật liệu xúc tác giảm đáng kể, tăng tính khả thi trong ứng dụng công nghiệp. Do đó nhận được sự quan tâm của cộng đồng khoa học và doanh nhân trên thế giới.

Giá trị mở rộng của cụm đề tài ở việc phát triển vật liệu và xúc tác nano sang các đối tượng như xúc tác quang hóa nano TiO2, nano Al2O3, SiO2 ứng dụng làm phụ gia kết dính nano, chấm lượng tử graphene dẫn thuốc, ép viên quặng apatit…

Ngoài giá trị về mặt khoa học công nghệ, giá trị bền vững nữa mà cụm đề tài đem lại là nguồn nhân lực chất lượng cao. Cụ thể, thông qua quá trình thực hiện cụm công trình, 100% cán bộ tham gia đã được đào tạo và/hoặc tự trưởng thành về năng lực KHCN ở trình độ cao. Thời gian tới, nguồn lực này sẽ tiếp tục phát huy năng lực trí tuệ, đóng góp cho sự phát triển KHCN, kinh tế-xã hội nước nhà.

Có thể nói cụm công trình đã đóng góp vào việc tăng thứ hạng của Việt Nam về số lượng bài báo khoa học, công trình quốc tế với việc công bố 21 công trình trên các tạp chí chuyên ngành uy tín có chỉ số IF trong khoảng từ 2-6 và đến trên 8. Song song, cụm công trình đã thực sự đã góp phần vào việc nâng cao năng lực đổi mới sáng tạo quốc gia với 10 bằng độc quyền sở hữu trí tuệ được cấp bởi Cục sở hữu trí tuệ Việt Nam, 02 Bằng độc quyền Sáng chế được cấp bởi Cục Thương hiệu và Bản quyền sáng chế Hoa Kỳ; 01 Bằng độc quyền Sáng chế được cấp bởi Cơ quan Sáng chế châu Âu và 01 Bằng độc quyền Sáng chế được cấp bởi Cơ quan Sở hữu trí tuệ Brazil, cùng nhiều đơn đăng ký xác lập quyền sở hữu trí tuệ đang xét duyệt trong nước và quốc tế.

Cụm công trình đã mở ra những hướng nghiên cứu mới, không chỉ tạo ra sản phẩm mang lại hiệu quả kinh tế ngay trước mắt mà còn hướng tới mục tiêu tạo ra chuỗi công nghệ tiên tiến cho các tổ hợp lọc dầu sinh học, các vật liệu xúc tác và vật liệu nano có khả năng ứng dụng mang lại hiệu quả kinh tế cao về lâu dài..

Được biết trong quá trình nghiên cứu, nhiều đề tài đã được ứng dụng sản xuất và thương mại hóa với kết quả rất khả quan. Xin Giáo sư chia sẻ thêm về những nghiên cứu rất tiềm năng này?

GS. TS. Vũ Thị Thu Hà:

Một trong những sản phẩm tiên tiến, hiện đại và hiệu quả đi ra từ kết quả của cụm công trình là dòng phụ gia đa năng tiết kiệm nhiên liệu FNT6VN ứng dụng trong giao thông vận tải và công nghiệp sử dụng nhiên liệu lỏng như xăng, xăng sinh học, diesel, diesel sinh học, dầu FO. Qui trình công nghệ và hệ thống thiết bị sản xuất phụ gia đa năng trên cơ sở các hợp chất có chỉ số khúc xạ mol cao, đã được thiết lập và được hoàn thiện ở qui mô 10.000 lít/năm. Quy trình này đã được đăng ký bảo hộ độc quyền sáng chế tại Cục Sở hữu trí tuệ Việt Nam.

Dòng phụ gia FNT6VN có nhiều ưu điểm vượt trội. Đó là phù hợp với mọi loại nhiên liệu lỏng, không làm thay đổi bất kỳ chỉ tiêu chất lượng nào của nhiên liệu, không gây ra tác động khác biệt đến động cơ, không đòi hỏi đầu tư thêm cơ sở hạ tầng. Đồng thời tỷ lệ pha trộn rất thấp, chỉ từ 6 - 22 ppm nhưng đem lại hiệu quả tiết kiệm năng lượng và giảm khí thải ô nhiễm cao Với mức tiết kiệm nhiên liệu từ trên 10% đến 14%; khí thải ô nhiễm giảm 13 - 19% và độ khói giảm 14 - 25%. Sản phẩm đã từng bước được thương mại hóa và nhận được phản hồi rất tích cực từ khách hàng.

FNT6VN đang được thương mại hóa ở thị trường trong nước và chuẩn bị để xuất khẩu sang thị trường châu Á trong năm nay.

Sản phẩm phụ gia đa năng tiết kiệm nhiên liệu FNT6VN đã được thương mại hóa và chuẩn bị xuất khẩu trong năm 2021

Ngoài ra, một sản phẩm khác như phụ gia ECOAL ứng dụng trong các hoạt động công nghiệp sử dụng than. Qua nghiên cứu thử nghiệm, mỗi lít phụ gia ECOAL có thể sử dụng cho 200 tấn than và giảm tiêu thụ than từ 6% đến 15%. Theo kế hoạch dòng phụ gia này sẽ được thương mại hóa vào cuối năm 2021.

Được biết để có thành quả như ngày hôm nay, đội ngũ nhà khoa học của Keylab PRT đã miệt mài nghiên cứu gần 15 năm. Vậy trong quá trình đó, những khó khăn và động lực chính thúc đẩy tập thể Phòng nghiên cứu tiếp tục dấn thân không lùi bước là gì?

GS. TS. Vũ Thị Thu Hà: 

Ngay từ khi thành lập vào năm 2003, Keylab đã hoạt động theo mô hình tự chủ, tự chịu trách nhiệm. Điều đó đồng nghĩa với việc không được nhận kinh phí hỗ trợ hoạt động thường xuyên, kinh phí duy tu, bảo dưỡng, sửa chữa các thiết bị, mua sắm phụ tùng, phụ kiện, vật tư bổ sung... Thêm vào đó, khác với các phòng thí nghiệm thuộc Bộ được nhận hỗ trợ từ ngân sách; Keylab với tư cách là một phòng thí nghiệm thuộc Tập đoàn kinh tế phải tự đầu tư mua sắm trang thiết bị, củng cố cơ sở hạ tầng... Nói tóm lại, đội ngũ nghiên cứu, cán bộ phải tự lo trang trải mọi hoạt động như một doanh nghiệp.

Ngoài những khó khăn liên quan đến cơ chế hoạt động, chúng tôi còn gặp khó khăn trong chính quá trình vận hành các hoạt động nghiên cứu khoa học và phát triển công nghệ gắn với đổi mới sáng tạo. Như chuyên gia chiến lược và chính sách KHCN Hoàng Lan Chi đã phân tích, công nghệ là sự lựa chọn những kết quả nghiên cứu khoa học có khả năng ứng dụng vào thực tế sản xuất. Tuy nhiên, để ứng dụng được, ngoài công cụ phù hợp là công nghệ, còn cần sự nỗ lực của chủ thể có công nghệ và sự tích cực của chủ thể ứng dụng công nghệ. Thông thường, hai điều kiện sau không dễ có được nên đã gây trở ngại cho ứng dụng công nghệ vào sản xuất. Tri thức đổi mới vốn dựa trên sự thống nhất giữa tạo ra công nghệ và sử dụng công nghệ sẽ khắc phục được vấn đề của công nghệ. Tuy nhiên, từ khoa học đến sản xuất phải vượt qua hai khác biệt, một là từ khoa học đến công nghệ và hai là từ công nghệ đến sản xuất. Trở ngại do hai khác biệt gây nên không ít tốn kém về thời gian, công sức và tiền bạc.

Trong hoàn cảnh như thế, chúng tôi luôn phải cố gắng hết mình, lấy thực tiễn làm mục tiêu nghiên cứu khoa học, hay nói khác đi là phát triển khoa học công nghệ để phục vụ thực tiễn. Nguyên tắc này chính là động lực để đạt được những thành tựu nghiên cứu khoa học, phát triển công nghệ mà cụm công trình đăng ký Giải thưởng Nhà nước lần này là kết quả nổi bật.

Để có sự chuyển dịch phù hợp giữa điều kiện hiện tại trong nước với xu hướng chung của nhiều quốc gia là từng bước thay thế nhiên liệu hóa thạch, ưu tiên nhiên liệu phát thải thấp, ngành lọc hóa dầu cần có những bước đi như thế nào? Keylab PRT có thể đóng góp gì vào những bước tiến này?

GS. TS. Vũ Thị Thu Hà: 

Như đã trình bày ở phần đầu, mục tiêu chung của cụm nghiên cứu là tìm kiếm một số giải pháp thay thế nhằm sử dụng tiết kiệm nguồn năng lượng hóa thạch, tìm kiếm các phương thức sản xuất năng lượng sạch, từng bước thay thế nguyên liệu dầu mỏ bằng sinh khối trong các quá trình sản xuất nhiên liệu và hóa chất.

Theo xu hướng chung, ngành lọc hóa dầu cần từng bước dịch chuyển các tổ hợp lọc dầu sử dụng nguyên liệu nguồn gốc hóa thạch thành các tổ hợp lọc dầu sinh học sử dụng nguyên liệu có nguồn gốc tái tạo.

Chúng tôi tin tưởng bằng năng lực và kinh nghiệm phát triển các công nghệ liên quan đến những yếu tố cốt lõi của công nghệ hóa học, có thể tham gia với vai trò là tổ chức khoa học có năng lực tư vấn về các công nghệ tiên tiến chuyển giao từ nước ngoài; chủ động nghiên cứu thích nghi và làm chủ các công nghệ tiên tiến theo đặt hàng; chủ động phát triển các công nghệ tiên tiên có bản quyền cũng như các sản phẩm tiên tiến, độc đáo, có giá trị gia tăng cao, thân thiện môi trường. Chúng tôi tin tưởng rằng những sản phẩm, công nghệ phát triển từ những hoạt động nghiên cứu khoa học của mình sẽ là những đóng góp thiết thực cho sự phát triển kinh tế-xã hội và môi trường vì sự phát triển bền vững chung.

Xin cảm ơn Giáo sư./.

Hương Giang