Thế giới năng lượng đang dịch chuyển mạnh mẽ dưới sức ép của khủng hoảng khí hậu và an ninh nhiên liệu. Những nguồn năng lượng truyền thống buộc phải nhường chỗ cho các giải pháp linh hoạt, sạch hơn và ổn định hơn. Trong bối cảnh đó, khí tự nhiên nổi lên như một nhân tố then chốt, góp phần làm thay đổi cục diện năng lượng toàn cầu.
Khí tự nhiên là gì?
Khí tự nhiên là một dạng nhiên liệu hóa thạch tồn tại ở thể khí, có khả năng cháy và giữ vai trò ngày càng quan trọng trong hệ thống năng lượng toàn cầu. Về bản chất, khí tự nhiên là hỗn hợp các hydrocarbon hình thành qua hàng triệu năm từ xác sinh vật bị chôn vùi sâu dưới lòng đất, chịu tác động của nhiệt độ và áp suất cao. Cùng với than đá và dầu mỏ, đây là một trong ba trụ cột năng lượng truyền thống.
Nguồn gốc hình thành khí tự nhiên
Khí tự nhiên không xuất hiện ngẫu nhiên mà là kết quả của một quá trình địa chất kéo dài hàng triệu năm. Về bản chất, đây là hỗn hợp hydrocarbon nhẹ – trong đó methane chiếm tỷ lệ lớn nhất – được hình thành từ xác sinh vật biển cổ đại bị chôn vùi sâu dưới các lớp trầm tích. Dưới tác động đồng thời của áp suất cao và nhiệt độ lớn, vật chất hữu cơ dần chuyển hóa thành dầu mỏ và khí tự nhiên.
Trong giai đoạn đầu của ngành công nghiệp dầu khí, đặc biệt từ thế kỷ XIX đến đầu thế kỷ XX, khí tự nhiên thường bị xem là “sản phẩm phụ” khi khai thác dầu. Khi dầu thô được đưa từ tầng chứa lên bề mặt, áp suất giảm khiến các chuỗi hydrocarbon nhẹ thoát ra ngoài. Lượng khí dư này gây khó khăn cho vận hành vì không dễ lưu trữ hay vận chuyển, nên thường bị đốt bỏ ngay tại mỏ – một sự lãng phí lớn nếu nhìn từ góc độ hiện đại.
Cùng với sự phát triển của công nghệ và nhu cầu năng lượng tăng cao, khí tự nhiên dần được khai thác như một tài nguyên độc lập. Ngày nay, khí có thể tồn tại dưới nhiều dạng khác nhau: khí liên quan trong các mỏ dầu, khí không liên quan nằm riêng trong các mỏ khí, khí methane trong các vỉa than, hay các nguồn phi truyền thống như khí đá phiến, khí chặt và khí chua. Trước khi đưa vào sử dụng, khí thô phải trải qua quá trình xử lý để loại bỏ các tạp chất như CO₂, nitơ, hydro sulfide và tách các hydrocarbon nặng như etan, propane, butane nhằm phục vụ mục đích thương mại.
Một bước ngoặt lớn của ngành là khả năng chuyển đổi khí thành năng lượng và sản phẩm giá trị cao. Ngoài việc dẫn qua hệ thống đường ống để phát điện và sưởi ấm, khí tự nhiên còn được hóa lỏng thành LNG để xuất khẩu toàn cầu, hoặc chuyển hóa thành nhiên liệu lỏng thông qua công nghệ GTL. Các quy trình như Fischer–Tropsch hay methanol-to-gasoline cho phép biến khí thành xăng, diesel hoặc nhiên liệu hàng không, mở rộng đáng kể vai trò của khí trong chuỗi cung ứng năng lượng.
Hiện nay, các mỏ khí khổng lồ như South Pars/North Dome giữa Iran và Qatar cho thấy quy mô và tiềm năng lâu dài của khí tự nhiên. Với trữ lượng truyền thống lớn cùng nguồn khí “mới” như khí đá phiến, nhiều nghiên cứu dự báo khí tự nhiên sẽ tiếp tục giữ vị trí then chốt trong cơ cấu năng lượng toàn cầu, vừa đảm bảo an ninh năng lượng vừa đóng vai trò cầu nối trong quá trình chuyển dịch sang năng lượng sạch hơn.
Quá trình hình thành khí tự nhiên
Khí tự nhiên là sản phẩm của một quá trình địa chất kéo dài hàng triệu năm, bắt nguồn từ các sinh vật phù du và vi sinh vật sống trong môi trường nước như tảo, động vật nguyên sinh. Khi các sinh vật này chết đi, xác của chúng lắng xuống đáy đại dương, hồ hoặc đầm lầy và bị chôn vùi dưới các lớp trầm tích ngày càng dày. Dưới tác động đồng thời của nhiệt độ cao và áp suất lớn trong lòng vỏ Trái Đất, vật chất hữu cơ dần bị biến đổi về mặt hóa học, hình thành nên khí tự nhiên giàu hydrocarbon, chủ yếu là methane.
Do có cơ chế hình thành tương đồng, khí tự nhiên thường xuất hiện cùng dầu mỏ trong các bể chứa ngầm. Sau khi được tạo ra, các hydrocarbon này di chuyển qua các tầng đá xốp có khả năng thấm, đóng vai trò như “kho chứa” tự nhiên. Vì nhẹ hơn nước và có mật độ thấp hơn đá xung quanh, khí tự nhiên có xu hướng dịch chuyển lên phía trên và bị giữ lại bởi các lớp đá không thấm, gọi là đá mũ. Trong cấu trúc này, khí nằm phía trên dầu, tạo thành mũ khí.
Ngoài ra, khí tự nhiên còn tồn tại trong các vỉa than dưới dạng khí methane tầng than, nơi methane bị giữ trong các khe nứt và lỗ rỗng của than đá, tạo nên một nguồn năng lượng quan trọng khác.
Thành phần chính của khí tự nhiên
Khí tự nhiên không chỉ là một nguồn năng lượng hóa thạch phổ biến mà còn là hỗn hợp hiđrocacbon có cấu trúc tương đối “sạch” so với than đá hay dầu mỏ. Theo QCVN 01:2019/BCA, thành phần của khí tự nhiên được xác định rõ ràng, là cơ sở để đánh giá hiệu suất năng lượng, mức phát thải và khả năng ứng dụng trong công nghiệp – giao thông – điện lực toàn cầu.
Về bản chất, khí tự nhiên hình thành từ quá trình phân hủy sinh học cổ đại, nơi năng lượng mặt trời được “lưu trữ” dưới dạng liên kết hóa học trong các phân tử khí. Hàm lượng metan cao chính là yếu tố quyết định giá trị nhiệt và xu hướng chuyển dịch năng lượng hiện nay.
Thành phần và dạng tồn tại chính của khí tự nhiên gồm:
- Khí metan (CH₄): chiếm tới 90–98%, là thành phần chủ đạo, quyết định khả năng sinh nhiệt và mức phát thải thấp.
- Các hiđrocacbon nhẹ khác: etan, propan, butan… với tỷ lệ nhỏ, góp phần bổ sung giá trị năng lượng.
- Khí tự nhiên nén (CNG): metan được nén ở áp suất 200–250 bar, thuận tiện cho vận chuyển và sử dụng cục bộ.
- Khí tự nhiên hóa lỏng (LNG): làm lạnh ở -162°C, giúp tăng mật độ lưu trữ gấp khoảng 2,4 lần so với CNG.
Khí tự nhiên được sử dụng để làm gì?
Không còn giới hạn ở vai trò nhiên liệu truyền thống, khí tự nhiên đang được khai thác như một nguồn năng lượng nền tảng, len sâu vào đời sống dân dụng, sản xuất công nghiệp và cả hệ thống giao thông. Nhờ hàm lượng metan cao, khả năng đốt cháy hiệu quả, trữ lượng lớn và mức phát thải thấp hơn dầu mỏ, khí tự nhiên được nhiều quốc gia lựa chọn để cân bằng giữa tăng trưởng kinh tế và mục tiêu giảm carbon. Thực tế, Hoa Kỳ, Nga, Trung Quốc, Iran và Nhật Bản hiện là những thị trường tiêu thụ lớn nhất, trong đó riêng Hoa Kỳ chiếm hơn 20% nhu cầu toàn cầu.
Các lĩnh vực ứng dụng trọng yếu của khí tự nhiên gồm:
- Trong sinh hoạt dân dụng
Cung cấp điện cho hộ gia đình thông qua các nhà máy điện khí; làm nóng nước và sưởi ấm với hiệu suất cao, chi phí thấp hơn điện; nấu nướng và sấy quần áo, giúp tiết kiệm năng lượng và giảm chi phí vận hành dài hạn. - Trong công nghiệp và sản xuất
Được dùng làm nhiên liệu cho lò đốt, lò hơi trong nhà máy; là nguyên liệu sản xuất amoniac phục vụ phân bón nông nghiệp; tham gia vào quá trình tạo khí hydro – đầu vào quan trọng của công nghiệp năng lượng mới; cung cấp năng lượng cho tuabin trong các hệ thống năng lượng tái tạo; đồng thời là nguồn tách chiết propan, etan, butan cho ngành hóa dầu, sản xuất nhựa, hóa chất và dược phẩm. - Trong giao thông vận tải
Khí nén CNG và khí hóa lỏng LNG đang dần thay thế nhiên liệu truyền thống trong xe buýt, xe tải hạng nặng và tàu hỏa, nhờ chi phí thấp hơn và mức phát thải thân thiện với môi trường.
Tác động môi trường của khí tự nhiên
Khí tự nhiên thường được xem là giải pháp “nhẹ gánh” hơn so với than đá và dầu mỏ nhờ mức phát thải CO₂ thấp hơn khi đốt cháy. Tuy nhiên, cách nhìn này dễ tạo ra ảo tưởng rằng khí tự nhiên là một nguồn năng lượng xanh. Thực tế cho thấy tác động môi trường của khí tự nhiên phức tạp và nghiêm trọng hơn nhiều nếu phân tích toàn bộ vòng đời khai thác – vận chuyển – sử dụng.
Trước hết, quá trình đốt khí tự nhiên vẫn giải phóng một lượng lớn CO₂ vào khí quyển, trực tiếp góp phần làm gia tăng hiệu ứng nhà kính. Bên cạnh đó, phản ứng cháy còn tạo ra oxit nitơ (NOx) – tác nhân hình thành sương mù quang hóa, bụi mịn và suy giảm chất lượng không khí tại các khu vực đô thị, công nghiệp. Một số tạp chất như lưu huỳnh, thủy ngân và hạt rắn tuy chiếm tỷ lệ nhỏ nhưng có ảnh hưởng dài hạn đến sức khỏe con người.
Đáng lo ngại hơn là vấn đề rò rỉ metan trong suốt chuỗi cung ứng. Metan có khả năng gây nóng lên toàn cầu mạnh gấp nhiều chục lần CO₂ trong ngắn hạn, khiến mọi lợi thế phát thải thấp của khí tự nhiên bị suy giảm đáng kể. Hoạt động khoan, nứt vỉa và xây dựng hạ tầng khai thác còn tiềm ẩn nguy cơ ô nhiễm nguồn nước, phá vỡ hệ sinh thái và phát tán hóa chất độc hại ra môi trường.
Vì vậy, khí tự nhiên không phải là năng lượng xanh đúng nghĩa, mà chỉ đóng vai trò nhiên liệu chuyển tiếp. Việc sử dụng cần đi kèm kiểm soát phát thải nghiêm ngặt và công nghệ giảm rò rỉ để hạn chế tối đa tác động môi trường.
Cách khai thác khí tự nhiên
Bước 1: Khảo sát và định vị mỏ
Quá trình khai thác khí tự nhiên bắt đầu bằng thăm dò địa chất – địa vật lý nhằm xác định các khu vực có điều kiện hình thành mỏ. Dữ liệu địa chấn 2D, 3D được phân tích để khoanh vùng chính xác vị trí và trữ lượng tiềm năng.
Bước 2: Xây dựng hạ tầng khai thác
Sau khi xác định mỏ, doanh nghiệp triển khai giàn khoan, đường tiếp cận, hệ thống vận chuyển và các công trình phụ trợ, đảm bảo an toàn và hiệu quả vận hành lâu dài.
Bước 3: Khoan tiếp cận vỉa khí
Hoạt động khoan có thể thực hiện theo phương pháp khoan thẳng đứng hoặc khoan ngang, tùy đặc điểm địa chất. Khoan ngang giúp mở rộng diện tiếp xúc với vỉa, gia tăng khả năng thu hồi khí.
Bước 4: Lắp đặt và kiểm định ống khai thác
Ống thép được đưa xuống giếng khoan, cố định bằng xi măng và kiểm tra nghiêm ngặt nhằm ngăn rò rỉ, bảo vệ tầng nước ngầm trước khi khai thác.
Bước 5: Hoàn thiện và mở giếng
Giếng được kích hoạt để sẵn sàng cho giai đoạn thu hồi khí.
Bước 6: Thu hồi dầu và khí tự nhiên
Kỹ thuật fracking sử dụng áp suất cao tạo khe nứt trong đá phiến, giải phóng khí tự nhiên bị giữ lại. Quy trình này liên tục được cải tiến để giảm phát thải metan và tác động môi trường.
Tại Việt Nam, khai thác khí tự nhiên tập trung ở các lưu vực Vịnh Bắc Bộ, miền Trung và thềm lục địa phía Nam. Dự án Cá Voi Xanh là ví dụ tiêu biểu, cho thấy tiềm năng lớn trong chiến lược an ninh năng lượng quốc gia.
Với vai trò cầu nối giữa hiện tại và tương lai năng lượng xanh, khí tự nhiên đang mở ra nhiều cơ hội chuyển đổi bền vững. Để bắt kịp xu hướng này, người đọc cần chủ động cập nhật kiến thức, đánh giá tác động dài hạn và lựa chọn hướng tiếp cận phù hợp trong chiến lược năng lượng của mình.