Đột phá KHCN - Đổi mới sáng tạo.

Một nghiên cứu đăng trên tạp chí Nature Food (2025) của hai nhà khoa học Stefano Mingolla và Lorenzo Rosa thuộc Viện Carnegie Institution for Science (Mỹ) phân tích toàn diện chuỗi cung ứng phân đạm toàn cầu và đánh giá các hướng sản xuất amoniac carbon thấp, với lập luận rằng việc chuyển đổi sang các phương thức sản xuất ít phát thải là điều kiện thiết yếu để đảm bảo an ninh lương thực và ứng phó với biến đổi khí hậu.

Bối cảnh

Phân bón nitơ tổng hợp (phân đạm) cung cấp dinh dưỡng cho gần một nửa dân số thế giới. Nguyên liệu sản xuất là amoniac (NH₃), được tổng hợp qua quy trình Haber–Bosch từ đầu thế kỷ 20. Từ năm 2000 đến 2021, dân số thế giới tăng 25%, lượng phân đạm sử dụng tăng 30%. Nhu cầu dự báo tiếp tục tăng 2,8–3,7%/năm.

Năm 2020, sản lượng amoniac toàn cầu đạt 183 triệu tấn, 70% dùng trong nông nghiệp. Sản xuất amoniac tiêu thụ khoảng 2% tổng năng lượng cuối cùng toàn cầu (8,6 exajoule/năm) và thải ra 450–500 triệu tấn CO₂ tương đương — chiếm 1,3% tổng phát thải khí nhà kính toàn cầu. Tính toàn bộ vòng đời từ sản xuất đến sử dụng, con số này lên tới 1.100–1.300 triệu tấn CO₂ tương đương/năm, và 7.400 triệu tấn nếu tính toàn bộ hệ thống thực phẩm — tương đương 41% phát thải của ngành thực phẩm.

Sản xuất phụ thuộc nặng vào nhiên liệu hóa thạch

Mỗi kilogram amoniac sản xuất tiêu thụ 7,7–10,1 kWh điện — tương đương mức tiêu thụ điện một ngày của một hộ gia đình châu Âu trung bình. Phần lớn năng lượng này dùng để sản xuất hydro, chiếm 90–95% tổng năng lượng của một nhà máy amoniac.

Năm 2021, 99% hydro dùng trong tổng hợp amoniac có nguồn gốc từ nhiên liệu hóa thạch: 70% từ reforming khí tự nhiên bằng hơi nước, 26% từ khí hóa than, 3% từ điện và 1% từ dầu mỏ. Quy trình Haber–Bosch một mình tiêu thụ 3–5% tổng sản lượng khí tự nhiên toàn cầu. Điện phân nước từ năng lượng tái tạo chỉ chiếm 0,1% tổng sản lượng, dù đã tăng 20 lần trong giai đoạn 2020–2023.

Lượng phát thải CO₂ trực tiếp trung bình từ sản xuất amoniac là 2,6–2,9 tấn CO₂/tấn NH₃ với khí tự nhiên, và 3,2–4,5 tấn CO₂/tấn NH₃ với than. Trung Quốc sản xuất 28% công suất amoniac toàn cầu (58 triệu tấn NH₃/năm), trong đó than chiếm 85% nguyên liệu đầu vào trong nước năm 2019.

Chuỗi cung ứng tập trung và dễ tổn thương

Toàn cầu có 407 nhà máy sản xuất amoniac, nhưng chỉ 61 quốc gia có cơ sở này. Các nhà máy tập trung chủ yếu ở bán cầu Bắc, trong khi các nước đang phát triển ở Nam bán cầu phần lớn phải nhập khẩu.

Năm 2021, 46% lượng nitơ sử dụng toàn cầu (49 triệu tấn N, trị giá 39 tỷ USD) được giao dịch quốc tế. Bốn quốc gia — Nga, Trung Quốc, Qatar và Saudi Arabia — chiếm hơn 40% tổng lượng xuất khẩu. Nga là nhà xuất khẩu phân đạm lớn nhất năm 2021 với 7,2 triệu tấn N (16% xuất khẩu toàn cầu). Brazil nhập khẩu 6,7 triệu tấn N (14% nhập khẩu toàn cầu), chủ yếu từ Nga.

Trong số 3,9 tỷ người phụ thuộc vào phân đạm để sản xuất lương thực, 1,2 tỷ người phụ thuộc vào phân đạm nhập khẩu. Con số tăng lên 1,8 tỷ khi tính thêm những người dùng phân đạm sản xuất trong nước nhưng từ khí tự nhiên nhập khẩu. Phần lớn khu vực châu Phi hạ Sahara và Mỹ Latinh có chỉ số dễ tổn thương cao.

Minh chứng cụ thể là cuộc khủng hoảng năng lượng sau khi Nga xâm lược Ukraine năm 2022: công suất sản xuất amoniac châu Âu giảm 32% so với năm trước, một nửa trong số đó ảnh hưởng trực tiếp đến ngành amoniac.

Các hướng sản xuất amoniac carbon thấp

Có ba công nghệ quy mô lớn đã đủ độ trưởng thành kỹ thuật, mỗi hướng có những đánh đổi khác nhau.

Thu giữ và lưu trữ carbon (CCS) kết hợp khí tự nhiên có chi phí 201–512 USD/tấn NH₃, cao hơn khoảng 50% so với phương thức thông thường. Phương pháp này giảm phát thải khoảng 70% (còn 0,6–0,7 tấn CO₂/tấn NH₃), tiêu thụ ít nước và đất hơn các hướng khác (4,2–13,4 m³ nước và 4,6–27,6 m² đất/tấn NH₃). Tuy nhiên vẫn phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch và đòi hỏi các địa tầng địa chất phù hợp để lưu trữ CO₂ lâu dài.

Điện phân nước bằng điện tái tạo giảm phát thải 65–81% so với phương thức thông thường và loại bỏ sự phụ thuộc vào khí tự nhiên nhập khẩu. Chi phí hiện ở mức 337–1.218 USD/tấn NH₃, cao gấp 2–3 lần sản xuất từ nhiên liệu hóa thạch. Diện tích đất cần thiết cho lắp đặt năng lượng mặt trời và gió lớn hơn 20–100 lần so với phương án CCS (72–3.223 m²/tấn NH₃). Mức tiêu thụ điện rất cao: 8,6–13,1 MWh/tấn NH₃, đòi hỏi các lắp đặt quy mô gigawatt.

Quy trình sinh hóa từ sinh khối kết hợp CCS có thể đạt phát thải âm khi CO₂ sinh học được thu giữ và lưu trữ lâu dài. Chi phí dao động 215–1.086 USD/tấn NH₃ tùy nguồn sinh khối. Tuy nhiên, diện tích đất (637–2.894 m²/tấn NH₃) và lượng nước (248–4.727 m³/tấn NH₃) cần thiết lớn hơn điện phân lần lượt 1 và 3 bậc độ lớn. Sinh khối chiếm tới 80% tổng chi phí sản xuất.

Sản xuất phi tập trung quy mô nhỏ

Các nhà máy điện phân phi tập trung quy mô nhỏ đang được phát triển như một hướng bổ sung. Đặt gần khu vực nhu cầu, các cơ sở này giảm chi phí vận chuyển, phát thải và biến động giá. Chi phí sản xuất hiện ở mức 532–1.894 USD/tấn NH₃ do thiếu lợi thế kinh tế quy mô. Theo các dự báo ban đầu, sản xuất phi tập trung có thể cạnh tranh về chi phí ở các khu vực phù hợp vào năm 2030.

Tại Uganda, giá bán lẻ urê hiện gấp đôi giá sản xuất do chi phí vận chuyển, bảo hiểm, thuế quan, lưu kho và logistics cộng dồn. Ở vùng Minnesota (Mỹ), vận chuyển đường dài cũng đẩy giá phân bón lên đáng kể — đây là những khu vực tiềm năng cho mô hình sản xuất phi tập trung.

Một thách thức kỹ thuật là xử lý amoniac dạng khí ở điều kiện thường, đòi hỏi hạ tầng lưu trữ chuyên dụng. Hiện chỉ 3% phân nitơ được bón trực tiếp dưới dạng amoniac, phần còn lại qua dạng dẫn xuất như urê hoặc amoni nitrat. Một số startup đang phát triển hệ thống sản xuất amoniac nước (aqua ammonia) — dạng dung dịch ít bay hơi, dễ xử lý và an toàn hơn amoniac khan.

Chính sách và triển vọng

Trong số 352 dự án giảm phát thải carbon thấp được công bố từ năm 2020, chỉ 6 dự án đang hoạt động và 36 đang ở giai đoạn quyết định đầu tư hoặc xây dựng, tương đương khoảng 10 triệu tấn NH₃/năm. Phần lớn các hướng sản xuất carbon thấp hiện đang có "phí xanh" (green premium) — mức giá cao hơn so với sản xuất thông thường — gây khó khăn cho các nước thu nhập thấp.

Đạo luật Giảm lạm phát của Mỹ (Inflation Reduction Act) cung cấp tín dụng thuế sản xuất cho hydro carbon thấp qua mục 45V (điện phân tái tạo) và 45Q (CCS). Các sáng kiến như Hydrogen Hubs tại Mỹ và Hydrogen Bank tại châu Âu cũng đang thúc đẩy phát triển dự án amoniac carbon thấp.

Các nhà máy amoniac hiện tại có tuổi thọ trung bình 25 năm (nhà máy châu Âu trung bình 40 năm, Trung Quốc 12 năm). Nếu không được khử carbon, các nhà máy hiện hữu sẽ thải thêm tổng cộng 15,5 tỷ tấn CO₂ trong thời gian hoạt động còn lại.

Nghiên cứu được công bố trên Nature Food, tập 6, tháng 6/2025, DOI: 10.1038/s43016-025-01125-y