Báo cáo Công nghệ của BP đánh giá tiềm năng công nghệ làm thay đổi phương thức sản xuất và sử dụng năng lượng đến năm 2050 tại 3 khu vực chiếm hơn 50% mức tiêu thụ năng lượng toàn cầu là Trung Quốc, châu Âu và Bắc Mỹ.

Cách mạng công nghiệp đã thay đổi nền kinh tế, bắt đầu một thời kỳ tăng trưởng chưa từng có, trong đó dân số thế giới tăng gấp 8 lần và tuổi thọ trung bình tăng gấp đôi. Tuy nhiên, công nghiệp hóa cũng gia tăng các thách thức như phát thải khí nhà kính và ô nhiễm đô thị.

Xã hội đang đối mặt với thách thức kép - vừa phải đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng về năng lượng đồng thời phải giảm phát thải khí nhà kính. Các vấn đề khác như chất lượng không khí và ô nhiễm nước cũng cần được quản lý.

Công nghệ đóng vai trò quan trọng trong việc tăng hiệu quả sử dụng năng lượng cũng như cải thiện khả năng và tăng tính khả dụng của năng lượng có hàm lượng carbon thấp.

Việc áp dụng các công cụ số (bao gồm cảm biến, siêu máy tính, phân tích dữ liệu, tự động hóa và trí tuệ nhân tạo (AI) - được hỗ trợ bởi điện toán đám mây) có thể làm giảm 20 - 30% chi phí và nhu cầu về năng lượng sơ cấp trong các lĩnh vực sử dụng năng lượng vào năm 2050.

Thứ nhất, các thuật toán học sâu (machine learning) được sử dụng để xây dựng mô hình mô tả và dự báo hoạt động của hệ thống sản xuất. Các mô hình này phân tích và so sánh dữ liệu từ các cảm biến để giúp thực hiện các công việc như xác định trữ lượng dầu khí hay phát hiện thiết bị cần bảo trì.

Thứ hai, các công nghệ đã được triển khai trong một số lĩnh vực sẽ được mở rộng để ứng dụng trong lĩnh vực năng lượng: các phương tiện kết nối mạng, hình ảnh tiên tiến và blockchains, thuận lợi cho các hoạt động giao dịch, tìm kiếm và kiểm toán.

Thứ ba, các đổi mới đang hình thành trong một số ngành công nghiệp và có tiềm năng ứng dụng trong lĩnh vực năng lượng.

Thứ tư, các công nghệ có tiềm năng mới được khám phá, gồm máy tính lượng tử, một công nghệ chế biến đang phát triển, phân tích dựa trên xác suất để tăng tốc thời gian tính toán và “LiFi” là công nghệ truyền dữ liệu với tốc độ rất nhanh thông qua ánh sáng.
Tài nguyên năng lượng dồi dào

Để đáp ứng nhu cầu năng lượng, ngành công nghiệp năng lượng chuyển đổi việc sử dụng công nghệ để tìm kiếm, sản xuất các nguồn năng lượng sơ cấp (như dầu, khí tự nhiên, than đá, uranium) sang năng lượng hạt nhân, sinh khối, năng lượng mặt trời và năng lượng gió.

Trong thời gian gần đây, ngành dầu khí đã chứng kiến cuộc cách mạng dầu đá phiến sử dụng các công nghệ mới như khoan ngang và nứt vỉa thủy lực, cùng với đó, công nghệ tái tạo cũng phát triển nhanh chóng. Trữ lượng dầu khí khoảng 55 nghìn tỷ thùng đã được phát hiện trên toàn cầu, trong đó ước tính 10% (4,9 nghìn tỷ thùng dầu quy đổi) có thể được thu hồi bằng kỹ thuật hiện tại.

 

Khoảng 2/3 trữ lượng dầu khí thu hồi được là từ dầu khí truyền thống, được khai thác bằng phương pháp bơm ép nước. Các nguồn dầu khí phi truyền thống đòi hỏi phải thay đổi tính chất vật lý của chất lỏng hoặc đá chứa để tạo ra dầu khí.
Tài nguyên dầu khí phi truyền thống bao gồm dầu đá phiến (dầu trong thành tạo đá hạt mịn), dầu và khí chặt sít (dầu và khí trong đá chứa có độ thấm và độ rỗng thấp), cát dầu (cát hoặc sa thạch có chứa dầu nhớt) và đá phiến dầu.
Trung Đông là khu vực có trữ lượng dầu mỏ lớn nhất. Trữ lượng khí đốt lớn nhất tập trung tại Liên bang Nga và các nước thành viên thuộc Cộng đồng các quốc gia độc lập (CIS). Các tiến bộ công nghệ đến năm 2050 sẽ gia tăng trữ lượng dầu thu hồi lên khoảng 50% và khí đốt lên 25% (Hình 2).

Công nghệ giúp tăng khả năng tiếp cận dầu khí hiệu quả nhất trong các lĩnh vực thăm dò địa chấn, tăng cường thu hồi dầu và giếng khoan. Sử dụng siêu máy tính giúp tiết kiệm thời gian minh giải địa chấn đồng thời cung cấp chi tiết hình ảnh của các vỉa chứa dầu khí. Ví dụ, ứng dụng “đảo chiều dạng sóng đầy đủ” với các thuật toán phức tạp cho phép dự đoán chính xác hoạt động của vỉa chứa, giúp các nhà thăm dò tối
 
Bằng việc áp dụng các tiến bộ công nghệ đến năm 2050, trữ lượng dầu thu hồi có thể tăng lên khoảng 7,3 nghìn tỷ thùng dầu quy đổi, đủ để đáp ứng nhu cầu dầu mỏ toàn cầu đến năm 2050 (khoảng 1,8 - 2,5 nghìn tỷ thùng dầu quy đổi) (Hình 1).

Theo phân tích của Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IEA), cần đầu tư khoảng 600 tỷ USD/năm để có thể sản xuất đủ dầu và khí đốt đáp ứng nhu cầu, đây là con số cho phép theo chính sách và cam kết tại Hiệp định Paris.

Cùng với năng lượng tái tạo, năng lượng hạt nhân và than đá (dự kiến giữ mức ổn định) sẽ được sử dụng rộng rãi ưu hóa vị trí giếng khoan, đồng thời cũng cho thấy khu vực trên đất liền chịu tác động lớn nhất và là nơi khó thu thập dữ liệu địa chấn.

Công nghệ giúp gia tăng sản lượng (IOR) và nâng cao hệ số thu hồi dầu (EOR) tiếp tục phát triển cùng các kỹ thuật mới như phương pháp biến tính độ mặn nước và sử dụng hạt nano. IOR/EOR ước tính có thể giúp khai thác thêm khoảng 500 tỷ thùng dầu, hoặc đóng góp 10% trữ lượng thu hồi vào năm 2050.

Theo ước tính vào năm 2050, công nghệ góp phần giúp giảm giá thành khai thác dầu khí khoảng 30%/ thùng dầu quy đổi (Hình 3).
Giá thành giảm nhiều nhất ở các dự án có vốn đầu tư lớn, tại khu vực nước sâu và cực sâu, cần khoan số lượng giếng khoan lớn.

Khu vực nước sâu hưởng lợi từ việc cải tiến giàn khoan, thiết kế chân đế cũng như xây dựng hệ thống ống dẫn ngầm và dòng chảy. Tại khu vực trên bờ, cách tiếp cận truyền thống, lặp đi lặp lại tại các mỏ đá phiến với số lượng lớn giếng khoan có thể giúp giảm chi phí. Tối ưu hóa hoạt động sản xuất và phát triển mỏ cũng giúp tiết kiệm chi phí đáng kể.

Phát triển công nghệ cũng như sản xuất kỹ thuật số và tiềm năng từ trí tuệ nhân tạo được dự báo giúp tăng 25% trữ lượng dầu khí và giảm 30% chi phí sản xuất.

Ngành công nghiệp dầu khí đang tiến tới các tiến bộ lớn trong việc tự động hóa thiết kế và xây dựng giếng khoan, bảo trì và chế biến tại các nhà máy cũng như tối ưu hóa sản xuất. Hiện nay đã có những đột phá giai đoạn đầu trong công nghệ, ví dụ như các hình thức khoan phi cơ khí đa dạng sử dụng laser, đầu đốt hoặc phóng điện. Đổi mới kỹ thuật số có vai trò quan trọng nhằm giảm tiêu hao năng lượng trong quá trình sản xuất, thông qua việc sử dụng cảm biến và công nghệ blockchain để theo dõi, kịp thời phát hiện hiện tượng rò rỉ khí.

Tại các nhà máy lọc dầu, việc áp dụng mô hình quản trị hiệu quả (operational excellence) để tính toán hiệu suất, tính khả dụng và tối ưu hóa sản phẩm sẽ giúp tiết giảm chi phí rõ rệt hơn so với việc chuyển đổi công nghệ mới.
Những cải tiến trong quá trình vận hành được tăng cường nhờ công nghệ kỹ thuật số, có tiềm năng khai thác hiệu quả các cơ sở vật chất, đặc biệt trong giám sát và tự động hóa các hoạt động, quản lý bảo trì, điều phối lịch làm việc và tăng thời gian làm việc thực tế của công nhân.

Đến giữa những năm 2020, các nhà máy lọc dầu dự kiến sẽ tiến hành bảo trì bằng điều khiển từ xa, tối ưu hóa quy trình thời gian thực và kiểm tra tự động. Công nghệ góp phần vào các cải tiến trên gồm chuẩn hóa dữ liệu, big data, các thiết bị đeo (như đồng hồ thông minh, bộ theo dõi hoạt động), trí tuệ nhân tạo, robot… được đặt tại nguồn dữ liệu để hoàn thiện các quy trình chức năng xử lý trong khi có các tương tác khác qua điện toán đám mây.

Với cải tiến về công nghệ như trên, các nhà máy lọc dầu sẽ thiên về bảo trì phòng ngừa hơn là bảo dưỡng tương tác, giúp giảm thời gian chết và tối đa hóa hiệu suất vận hành. Điều này sẽ nâng cao độ an toàn và giúp giảm 10% chi phí bảo trì.