I. Giới thiệu

Với xu hướng nóng lên toàn cầu ngày càng nghiêm trọng, lượng khí thải nhà kính dư thừa trở thành vấn đề trọng tâm. Nhiều báo cáo của Ủy ban liên chính phủ về biến đổi khí hậu của Liên hợp quốc (IPCC) đã cảnh báo rằng lượng khí thải nhà kính lớn do các hoạt động của con người thải ra như carbon dioxide (CO₂), methane (CH₄), nitơ oxit (N₂) đang tiếp tục thay đổi hệ thống khí hậu của trái đất, gây ra một loạt các cuộc khủng hoảng sinh thái như băng tan, mực nước biển dâng cao, các sự kiện khí hậu cực đoan thường xuyên xảy ra. Trong bối cảnh đó, mục tiêu "trung hòa carbon" và "đạt đỉnh carbon" đã được nhiều quốc gia và vùng lãnh thổ đưa vào chương trình nghị sự, trở thành chiến lược cốt lõi để ứng phó với biến đổi khí hậu toàn cầu. Điều kiện tiên quyết để đạt được những mục tiêu này là giám sát chính xác, phân tích định lượng và kiểm soát hiệu quả khí thải nhà kính. Hệ thống giám sát khí nhà kính ra đời, với kiến trúc công nghệ tiên tiến và chức năng mạnh mẽ, trở thành "chìa khóa" để mở khóa con đường giảm carbon chính xác mới, đóng một vai trò trong hành động giảm carbon của các ngành công nghiệp khác nhau.

Ký hợp đồng cung cấp Phần mềm tính toán định lượng rủi ro ngoài khơi – Safeti Offshore cho Trung tâm nghiên cứu và phát triển An toàn và Môi trường Dầu khí (CPSE) (

2.1 Cấu tạo hệ thống

2.1.1 Mô-đun lấy mẫu

Mô-đun lấy mẫu chịu trách nhiệm thu thập các mẫu khí từ môi trường giám sát, đảm bảo rằng các mẫu là đại diện. Trong giám sát môi trường khí quyển, bộ lấy mẫu trên cao thường được sử dụng, thông qua bơm lấy mẫu chuyên nghiệp, khí từ các độ cao khác nhau của khí quyển được rút vào đường ống lấy mẫu, truyền đến các đơn vị phân tích tiếp theo. Trong giám sát nguồn ô nhiễm công nghiệp, đối với ống khói, ống xả và các nguồn phát thải khác, nó sẽ được trang bị đầu dò lấy mẫu đặc biệt chịu nhiệt độ cao và chống ăn mòn, đi sâu vào bên trong nguồn xả để có được mẫu khí thải chính xác.

2.1.2 Module phân tích

Mô-đun phân tích là trung tâm của hệ thống giám sát và được sử dụng để xác định chính xác nồng độ của từng loại khí nhà kính trong các mẫu khí. Các kỹ thuật phân tích chính hiện nay bao gồm phân tích quang phổ hồng ngoại, phân tích quang phổ laser và phân tích sắc ký khí. Lấy máy phân tích phổ hồng ngoại làm ví dụ, các phân tử khí nhà kính khác nhau có đặc tính hấp thụ dưới ánh sáng hồng ngoại ở các bước sóng cụ thể, sử dụng định luật Lambert-Beer để tính toán chính xác nồng độ của các khí như CO₂, CH₄ bằng cách phát hiện mức độ hấp thụ khí vào ánh sáng hồng ngoại. Phân tích quang phổ laser sử dụng sự tương tác của laser với các phân tử khí để thực hiện các phép đo độ nhạy cao và độ phân giải cao đối với khí nhà kính.

2.1.3 Mô-đun xử lý và truyền dữ liệu

Mô-đun này chịu trách nhiệm xử lý, lưu trữ và truyền dữ liệu thô đầu ra của mô-đun phân tích. Các đơn vị xử lý dữ liệu sử dụng các thuật toán phức tạp để hiệu chuẩn, lọc, loại bỏ các giá trị bất thường và các hoạt động khác trên dữ liệu thô, nâng cao chất lượng dữ liệu.

2.1.4 Module phụ trợ

Mô-đun phụ trợ bao gồm hệ thống cung cấp điện, hệ thống kiểm soát nhiệt độ, vỏ bảo vệ, v.v. Hệ thống cung cấp điện ổn định đảm bảo hoạt động liên tục của các thiết bị giám sát, và trong tự nhiên hoặc vùng sâu vùng xa, hệ thống cung cấp năng lượng mặt trời thường được kết hợp với pin lưu trữ để đạt được khả năng tự cung cấp năng lượng. Hệ thống điều khiển nhiệt độ đảm bảo rằng các mô-đun phân tích và các thành phần quan trọng khác hoạt động ở nhiệt độ thích hợp, nâng cao độ chính xác của phép đo và sự ổn định của thiết bị. Vỏ bảo vệ bền chắc có khả năng chống thấm nước, chống bụi và chống ăn mòn, cho phép hệ thống giám sát thích nghi với nhiều môi trường tự nhiên và công nghiệp khắc nghiệt.

2.2 Nguyên tắc kỹ thuật

2.2.1 Nguyên tắc hấp thụ hồng ngoại

Nhiều khí nhà kính như CO₂, CH₄, N₂, v.v., có đỉnh hấp thụ đặc trưng trong dải hồng ngoại. Khi ánh sáng hồng ngoại đi qua một mẫu có chứa các khí này, một bước sóng cụ thể của ánh sáng hồng ngoại được hấp thụ bởi các phân tử khí, khiến cường độ ánh sáng bị suy yếu. Dựa trên mối quan hệ định lượng giữa sự thay đổi cường độ ánh sáng và nồng độ khí, tức là định luật Lambert-Beer I=I₀e⁻ᵏᵇᶜ (trong đó I là cường độ ánh sáng, I₀ là cường độ ánh sáng tới, k là hệ số hấp thụ, b là chiều dài phạm vi ánh sáng và c là nồng độ khí), nồng độ khí có thể được đảo ngược bằng cách đo sự thay đổi cường độ ánh sáng. Máy phân tích phổ hồng ngoại dựa trên nguyên tắc này, có ưu điểm về cấu trúc đơn giản, tốc độ phản ứng nhanh và độ chính xác đo cao, được sử dụng rộng rãi trong giám sát khí nhà kính.

2.2.2 Công nghệ quang phổ laser

Công nghệ phổ laser chủ yếu bao gồm phổ hấp thụ laser diode điều chỉnh (TDLAS) và phổ hấp thụ tăng cường khoang (CEAS). Công nghệ TDLAS sử dụng laser bán dẫn để phát ra tia laser có bước sóng có thể điều chỉnh chính xác để phù hợp chính xác với vạch hấp thụ khí nhà kính mục tiêu, đo nồng độ khí bằng cách phát hiện tín hiệu hấp thụ laser. Do các đặc tính của laser như đơn sắc cao, định hướng cao và độ sáng cao, công nghệ TDLAS có thể đạt được độ nhạy cao, phát hiện độ phân giải cao đối với khí nhà kính, đặc biệt thích hợp để giám sát khí nồng độ thấp. Công nghệ CEAS làm tăng đáng kể phạm vi ánh sáng tương tác giữa ánh sáng và khí bằng cách phản xạ laser nhiều lần trong khoang phản xạ cao, do đó cải thiện đáng kể độ nhạy phát hiện, có thể phát hiện nồng độ dấu vết của khí nhà kính.

2.2.3 Nguyên tắc sắc ký khí

Phân tích sắc ký khí là việc bơm các mẫu khí vào một cột sắc ký được trang bị một pha cố định, các khí nhà kính khác nhau đạt được sự tách biệt trong cột sắc ký do hệ số phân phối khác nhau giữa pha cố định và pha dòng chảy (mang khí), sau đó được phát hiện lần lượt bằng máy dò. Các máy dò thường được sử dụng là Máy dò ion hóa ngọn lửa (FID) để phát hiện hydrocarbon, Máy dò bắt điện tử (ECD) để phát hiện khí nhà kính chứa các yếu tố âm điện, v.v. Sắc ký khí có thể phân tách chính xác và phân tích định lượng nhiều loại khí nhà kính trong các khí hỗn hợp phức tạp, có hiệu suất phân tách cao, tính chọn lọc cao và các ưu điểm khác, nhưng chu kỳ phân tích của nó tương đối dài, thường được sử dụng trong phòng thí nghiệm phân tích chính xác hoặc trong các tình huống đòi hỏi độ chính xác giám sát cao.

III. Ứng dụng của hệ thống giám sát khí nhà kính trong các kịch bản khác nhau

3.1 Lĩnh vực công nghiệp

3.1.1 Ngành thép

Quá trình sản xuất thép, từ luyện quặng sắt đến cán thép, liên quan đến nhiều liên kết tiêu thụ năng lượng cao và phát thải cao, là ngành công nghiệp trọng điểm phát thải khí nhà kính. Việc áp dụng hệ thống giám sát khí nhà kính trong các nhà máy thép, chủ yếu xoay quanh các nguồn phát thải như lò cao, lò chuyển đổi, lò sưởi và các nguồn khác. Bằng cách lắp đặt thiết bị giám sát trong ống khói, ống xả, theo dõi nồng độ và tổng lượng khí thải như CO₂, CH₄ trong thời gian thực.

3.1.2 Công nghiệp hóa chất

Quá trình sản xuất hóa chất rất phức tạp, liên quan đến một loạt các phản ứng hóa học, khí nhà kính phát ra rất đa dạng và phức tạp về thành phần. Trong các doanh nghiệp hóa chất, hệ thống giám sát không chỉ được sử dụng để giám sát CO ₂, CH ₄ phổ biến, mà còn để giám sát hiệu quả các khí nhà kính có chứa florua. Lấy doanh nghiệp hóa chất flo làm ví dụ, bằng cách theo dõi thời gian thực khí nhà kính flo trong xưởng sản xuất, cửa xả nồi hấp phản ứng, doanh nghiệp có thể phát hiện kịp thời điểm rò rỉ trong quá trình sản xuất và thực hiện các biện pháp sửa chữa tương ứng để giảm phát thải khí nhà kính mạnh. Ngoài ra, hệ thống giám sát kết hợp với phần mềm mô phỏng quy trình hóa học giúp doanh nghiệp tối ưu hóa các thông số quy trình sản xuất, giảm tiêu thụ năng lượng và phát thải khí nhà kính.

3.1.3 Công nghiệp điện

Trong ngành điện, đặc biệt là các doanh nghiệp nhiệt điện, quá trình đốt than, nhiên liệu hoặc khí đốt tạo ra lượng khí thải CO ₂ đáng kể. Một mặt, hệ thống giám sát khí nhà kính được lắp đặt trong ống khói lò hơi của nhà máy điện, đo lường chính xác nồng độ và lưu lượng phát thải CO ₂, cung cấp dữ liệu chính xác về kế toán phát thải carbon của nhà máy điện, giúp tham gia vào thị trường giao dịch carbon. Mặt khác, bằng cách theo dõi và phân tích dữ liệu phát thải trong điều kiện hoạt động của các đơn vị khác nhau trong thời gian dài, nhà máy có thể tối ưu hóa chiến lược kiểm soát cháy, điều chỉnh tỷ lệ nhiên liệu, hệ số dư không khí và các thông số khác để làm cho quá trình đốt cháy đầy đủ hơn và giảm cường độ phát thải CO ₂.

3.2 Lĩnh vực nông nghiệp

3.2.1 Giám sát khí thải nhà kính trên đất nông nghiệp

Đất nông nghiệp là nguồn phát thải quan trọng của CH₄ và N₂. Trong quá trình trồng lúa, môi trường kỵ khí của đất trong điều kiện ngập nước tạo điều kiện thuận lợi cho hoạt động sản xuất metan, dẫn đến lượng khí thải lớn CH₄. Và việc áp dụng phân bón nitơ trên đất nông nghiệp, dưới tác động của vi sinh vật, sẽ chuyển thành N₂O thải vào khí quyển. Thông lượng phát thải CH₄ và N₂ theo các giai đoạn tăng trưởng cây trồng khác nhau, các biện pháp quản lý bón phân khác nhau được theo dõi trong thời gian thực bằng cách thiết lập thiết bị giám sát đa điểm trên đất nông nghiệp, sử dụng sắc ký khí tĩnh hoặc thiết bị giám sát tại chỗ dựa trên công nghệ quang phổ laser. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc điều chỉnh hợp lý cách tưới lúa và sử dụng tưới không liên tục thay vì ngập lụt lâu dài có thể làm giảm đáng kể lượng khí thải CH₄; Tối ưu hóa các chiến lược sử dụng phân bón nitơ, chẳng hạn như sử dụng phân bón giải phóng chậm, kỹ thuật phân bón chính xác, có thể giảm hiệu quả lượng khí thải N₂O.

3.2.2 Giám sát phát thải khí nhà kính trong chăn nuôi gia cầm

Khí thải CH₄ từ chăn nuôi gia cầm chủ yếu đến từ quá trình lên men ruột động vật cũng như phân hủy kỵ khí trong phân. Tại các trang trại quy mô lớn, bạn có thể nắm bắt được lượng khí thải CH₄ và N₂ trong thời gian thực bằng cách lắp đặt thiết bị giám sát khí nhà kính trong các cơ sở lưu trữ và xử lý phân.

3.3 Môi trường đô thị

3.1 Giám sát chất lượng không khí đô thị

Phát thải khí thải từ xe cơ giới trong thành phố, phát thải vô tổ chức từ các nguồn công nghiệp và phát thải từ các nguồn sống của người dân, v.v., làm cho khí nhà kính trở thành một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến chất lượng không khí. Thiết lập các trạm giám sát khí nhà kính được lưới hóa trong các khu vực đô thị, kết hợp với siêu trạm giám sát môi trường khí quyển, sử dụng thiết bị giám sát chính xác cao để theo dõi thời gian thực các loại khí như CO₂, CH₄, N₂O. Dữ liệu giám sát không chỉ được sử dụng để đánh giá tình trạng chất lượng không khí đô thị, mà còn để xác định sự đóng góp của các nguồn phát thải khí nhà kính khác nhau thông qua các kỹ thuật phân tích nguồn.

3.3.2 Giám sát bãi rác và nhà máy xử lý nước thải

Các bãi chôn lấp và nhà máy xử lý nước thải là nguồn xả CH₄ quan trọng trong thành phố. Tại các bãi chôn lấp, nồng độ CH₄ và dòng khí thải được theo dõi trong thời gian thực bằng cách lắp đặt các giếng giám sát và cảm biến khí tại các khu vực chôn lấp và cơ sở xử lý chất lỏng thấm. Sử dụng dữ liệu giám sát để lập kế hoạch hợp lý về cách thức hoạt động chôn lấp, chẳng hạn như che lấp chất thải chôn lấp kịp thời, tối ưu hóa hệ thống thu gom và sử dụng khí chôn lấp, sử dụng khí chôn lấp để sản xuất điện hoặc sưởi ấm, vừa giảm phát thải CH₄ vừa đạt được tái chế năng lượng. Nhà máy xử lý nước thải thì thông qua giám sát CH ₄ của đơn vị xử lý kỵ khí, tối ưu hóa các thông số công nghệ xử lý nước thải, nâng cao hiệu quả xử lý, giảm sự thoát CH ₄.

IV. Lợi thế của hệ thống giám sát khí nhà kính giúp giảm carbon chính xác

4.1 Xác định chính xác nguồn phát thải carbon

Hệ thống giám sát khí nhà kính có thể xác định chính xác nguồn phát thải khí nhà kính bằng cách thiết lập các điểm giám sát ở các quy mô không gian khác nhau, các liên kết phát thải khác nhau. Trong quy trình sản xuất phức tạp của các doanh nghiệp công nghiệp, mỗi bước từ chế biến nguyên liệu thô đến tạo hình sản phẩm, hệ thống giám sát có thể nắm bắt dữ liệu phát thải trong thời gian thực và xác định quy trình và thiết bị phát thải cao.

4.2 Hiệu quả giảm phát thải

Với số liệu giám sát lâu dài, liên tục của hệ thống giám sát, có thể đo lường chính xác hiệu quả thực tế của việc giảm xếp hạng. Các doanh nghiệp hoặc khu vực có thể đánh giá trực quan hiệu quả giảm phát thải bằng cách so sánh dữ liệu phát thải khí nhà kính trước và sau khi thực hiện các biện pháp tiết kiệm năng lượng, chẳng hạn như thay thế thiết bị tiết kiệm năng lượng hiệu quả cao, tối ưu hóa quy trình sản xuất và thúc đẩy năng lượng sạch.

4.3 Tối ưu hóa chiến lược giảm phát thải

Dữ liệu thời gian thực, năng động được cung cấp bởi các hệ thống giám sát có thể được sử dụng để xây dựng các mô hình phát thải carbon dự đoán xu hướng phát thải khí nhà kính theo các chiến lược giảm phát thải khác nhau. Sự kết hợp các chiến lược tối ưu hơn được sàng lọc thông qua phân tích mô phỏng của nhiều lựa chọn giảm phát thải.

4.4 Đảm bảo tuân thủ

Với các quy định toàn cầu về giảm phát thải carbon ngày càng nghiêm ngặt, các doanh nghiệp và tổ chức đang chịu áp lực rất lớn để tuân thủ. Dữ liệu chính xác, đáng tin cậy được cung cấp bởi hệ thống giám sát khí nhà kính có thể đáp ứng các yêu cầu về kế toán, báo cáo và xác minh khí thải carbon, đảm bảo doanh nghiệp hoạt động tuân thủ các môi trường chính sách như thị trường giao dịch carbon, thu thuế carbon.

V. Xu hướng phát triển của hệ thống giám sát khí nhà kính

5.1 Đổi mới công nghệ thúc đẩy nâng cao độ chính xác giám sát

Trong tương lai, độ chính xác và độ nhạy của hệ thống giám sát sẽ được cải thiện hơn nữa với các ứng dụng chuyên sâu của các công nghệ mới nổi như laser thác lượng tử (QCL), quang phổ quang âm (PAS) trong lĩnh vực giám sát khí nhà kính. Công nghệ QCL có khả năng tạo ra các tia laser có bước sóng rộng hơn và công suất cao hơn, cho phép giám sát theo dõi nhiều loại khí nhà kính hơn; Công nghệ PAS cải thiện đáng kể độ nhạy phát hiện bằng cách phát hiện tín hiệu sóng âm được tạo ra sau khi khí hấp thụ năng lượng ánh sáng, hứa hẹn sẽ đạt được phép đo chính xác nồng độ khí nhà kính rất thấp trong khí quyển, cung cấp dữ liệu chính xác hơn cho nghiên cứu biến đổi khí hậu toàn cầu.

5.2 Thông minh và tự động hóa

Với trí tuệ nhân tạo (AI) và thuật toán học máy (ML), hệ thống giám sát khí nhà kính sẽ thực hiện xử lý và phân tích dữ liệu thông minh. Thuật toán AI có thể tự động xác định dữ liệu bất thường, dự đoán lỗi thiết bị và cải thiện sự ổn định hoạt động của hệ thống; Thuật toán ML cho phép khai thác sâu hơn dữ liệu giám sát khối lượng lớn, xây dựng các mô hình phát thải carbon chính xác hơn, cho phép theo dõi nguồn gốc thông minh và dự đoán động về các nguồn phát thải khí nhà kính. Đồng thời, thiết bị giám sát tự động sẽ được nâng cấp liên tục, với các chức năng như hiệu chuẩn tự động, lấy mẫu tự động và làm sạch tự động, giảm can thiệp thủ công, giảm chi phí vận hành và bảo trì và nâng cao hiệu quả giám sát.

B5-03=giá trị thông số Ki, (cài 3)

Để nắm bắt toàn diện động lực phát thải khí nhà kính, các hệ thống giám sát trong tương lai sẽ kết hợp thông tin đa nguồn như dữ liệu cảm biến từ xa vệ tinh, dữ liệu giám sát mặt đất và dữ liệu nhận thức IoT. Viễn thám vệ tinh có thể cung cấp thông tin về sự phân bố nồng độ khí nhà kính trên phạm vi lớn và vĩ mô, các trạm giám sát mặt đất thực hiện các phép đo điểm chính xác, các thiết bị IoT nhận thức tinh tế các khu vực địa phương như thành phố và khu công nghiệp. Thông qua phân tích tổng hợp dữ liệu đa nguồn, xây dựng một mạng lưới giám sát khí nhà kính ba chiều toàn diện hơn, cho phép giám sát hợp tác và đánh giá toàn diện lượng khí thải carbon ở các quy mô khác nhau trên toàn cầu, khu vực và địa phương.

5.4 Thu nhỏ và phát triển di động

Với sự phát triển của công nghệ hệ thống vi cơ điện (MEMS), thiết bị giám sát khí nhà kính sẽ chuyển sang thu nhỏ, di động. Thiết bị di động nhỏ có thể dễ dàng triển khai trong nhiều tình huống phức tạp hơn. Đồng thời, thuận tiện cho các nhà nghiên cứu tiến hành giám sát thực địa, thu thập dữ liệu trực tiếp phong phú hơn, thúc đẩy giám sát khí nhà kính từ các trạm cố định chuyển sang giám sát đa dạng, phân tán, mở rộng phạm vi và chiều sâu của ứng dụng giám sát.

VI. Kết luận

Hệ thống giám sát khí nhà kính là hỗ trợ kỹ thuật quan trọng để đạt được giảm carbon chính xác, đóng vai trò không thể thay thế trong giám sát và quản lý khí thải carbon trong nhiều lĩnh vực như công nghiệp, nông nghiệp và môi trường đô thị. Bằng cách xác định chính xác các nguồn phát thải carbon, định lượng hiệu quả giảm phát thải, tối ưu hóa các chiến lược giảm phát thải và đảm bảo tuân thủ, một con đường mới để giải quyết biến đổi khí hậu toàn cầu và đạt được các mục tiêu trung hòa carbon đã được mở ra. Với sự đổi mới công nghệ tiếp tục được thúc đẩy, hệ thống giám sát khí nhà kính trong tương lai sẽ tiếp tục đột phá trong việc nâng cao độ chính xác, phát triển thông minh, tích hợp dữ liệu đa nguồn và di động hóa nhỏ, nâng cao hơn nữa khả năng giám sát và kiểm soát khí thải nhà kính, góp phần bảo vệ môi trường sinh thái trái đất và thúc đẩy sự phát triển bền vững của xã hội loài người.