Trong bối cảnh thế giới đối mặt với áp lực kép từ biến đổi khí hậu và cạn kiệt tài nguyên hóa thạch, việc tìm kiếm các giải pháp năng lượng thay thế đang trở thành nhiệm vụ cấp bách toàn cầu. Đặc biệt trong lĩnh vực hàng không – một trong những ngành gây phát thải carbon nhiều nhất nhưng lại khó “điện hóa” – nhu cầu về nhiên liệu hàng không bền vững (SAF – Sustainable Aviation Fuel) đã và đang trở thành một trọng tâm nghiên cứu của nhiều quốc gia phát triển. Tại Đức, các nhà khoa học đang thực hiện một hướng tiếp cận mới mẻ và đầy tham vọng: sử dụng nước thải đô thị làm nguyên liệu đầu vào để sản xuất nhiên liệu phản lực, mở ra triển vọng mới về một mô hình năng lượng tuần hoàn khép kín, nơi chất thải không còn bị coi là gánh nặng mà trở thành tài nguyên chiến lược.
Ở các trung tâm nghiên cứu năng lượng sinh học gần thành phố Hamburg, cũng như tại một số viện công nghệ ở miền trung và nam nước Đức, các dự án quy mô phòng thí nghiệm và bán công nghiệp đang được triển khai nhằm tận dụng khí CO₂ sinh học – phát sinh từ quá trình phân hủy chất hữu cơ trong nước thải và bùn thải – để tổng hợp nhiên liệu lỏng. Thông qua sự kết hợp giữa CO₂ thu từ nước thải và hydro xanh (H₂) sản xuất bằng điện phân nước sử dụng năng lượng tái tạo, nhiên liệu phản lực tổng hợp được tạo ra nhờ quy trình hóa học Fischer–Tropsch – một phương pháp từng được ứng dụng từ thế kỷ trước, nhưng nay được cải tiến theo hướng thân thiện với môi trường và hiệu suất cao hơn.
Trong quy trình này, khí CO₂ thu hồi đóng vai trò là nguồn carbon tái tạo, thay thế cho carbon hóa thạch truyền thống. Khi kết hợp với hydro xanh, hỗn hợp khí được nén lại và đưa qua hệ thống xúc tác kim loại như cobalt hoặc sắt dưới nhiệt độ và áp suất cao, tạo nên các chuỗi hydrocarbon dạng lỏng – chính là thành phần cấu tạo nên nhiên liệu hàng không. Sản phẩm thu được sau đó được tinh lọc và điều chỉnh để đáp ứng các tiêu chuẩn khắt khe về chất lượng và an toàn của nhiên liệu hàng không thương mại như Jet-A1. Theo ước tính từ các nhà nghiên cứu, loại nhiên liệu này có thể giúp giảm đến 85% lượng phát thải CO₂ vòng đời so với kerosene truyền thống, đồng thời loại bỏ hoàn toàn khí lưu huỳnh – vốn là nguyên nhân gây mưa axit và ô nhiễm không khí tầng thấp.
Không chỉ dừng lại ở con đường tổng hợp hóa học, một số nhóm nghiên cứu tại các viện công nghệ sinh học của Đức còn đang thử nghiệm các phương pháp sinh học dựa trên vi sinh vật và enzyme. Các chủng vi khuẩn như Escherichia coli (E. coli) hoặc Pseudomonas putida được biến đổi gene để chuyển hóa các hợp chất hữu cơ phức tạp trong nước thải – như axit amin, carbohydrate hoặc chất béo – thành các tiền chất có thể sử dụng cho tổng hợp nhiên liệu, chẳng hạn như rượu bậc cao, axit béo hoặc este sinh học. Ngoài ra, các enzyme phân giải sinh học cũng được sử dụng để cắt nhỏ các phân tử lớn, giúp tăng tốc độ và hiệu quả phản ứng sinh học. Tuy nhiên, các công nghệ sinh học này hiện vẫn đang trong giai đoạn nghiên cứu tiền khả thi và chưa được triển khai ở quy mô công nghiệp do nhiều thách thức về hiệu suất, chi phí và độ ổn định của hệ vi sinh vật trong điều kiện vận hành thực tế.
Một trong những điểm hấp dẫn của mô hình này là khả năng tích hợp giữa xử lý môi trường và sản xuất năng lượng trong cùng một quy trình. Việc thu giữ CO₂ và tái sử dụng chất hữu cơ trong nước thải không chỉ giúp giảm thiểu phát thải nhà kính, mà còn góp phần làm sạch nước đầu ra một cách hiệu quả hơn. Nước sau xử lý có thể được tái sử dụng cho nông nghiệp hoặc công nghiệp không yêu cầu độ tinh khiết cao. Trong khi đó, phần bùn thải còn lại có thể được ủ compost thành phân hữu cơ hoặc đốt sinh khối để thu hồi năng lượng. Một số mô hình thử nghiệm sử dụng hệ thống modular – dạng mô-đun có thể tích hợp trực tiếp tại các nhà máy xử lý nước thải sẵn có – cho thấy tiềm năng ứng dụng linh hoạt và chi phí đầu tư hạ tầng không quá cao.
Hiện nay, các hãng hàng không lớn của Đức như Lufthansa đang tích cực tham gia vào các chương trình thử nghiệm SAF từ nhiều nguồn khác nhau, trong đó có cả nhiên liệu tổng hợp từ nước thải. Lufthansa đã đầu tư vào một số dự án sản xuất SAF sử dụng CO₂ tái chế và hydro từ năng lượng tái tạo, đồng thời ký kết các thỏa thuận cung ứng dài hạn với các nhà máy SAF ở châu Âu. Dù vậy, trở ngại lớn nhất hiện tại là chi phí sản xuất vẫn cao gấp hai đến bốn lần so với nhiên liệu hóa thạch truyền thống, do quy mô sản xuất còn hạn chế và công nghệ vẫn đang trong quá trình hoàn thiện. Sự vào cuộc của nhà nước thông qua chính sách ưu đãi thuế, trợ giá carbon và đầu tư nghiên cứu sẽ là yếu tố then chốt để đẩy nhanh tiến trình thương mại hóa.
Tầm nhìn dài hạn của các dự án này không chỉ nhằm tạo ra một nguồn nhiên liệu mới, mà còn hướng đến xây dựng một mô hình kinh tế tuần hoàn thực sự: nơi mọi dòng vật chất – từ nước thải đến khí CO₂ – đều được tái sử dụng để tạo ra giá trị gia tăng cho nền kinh tế và môi trường. Đây là minh chứng rõ ràng cho khả năng chuyển hóa một trong những nguồn chất thải phức tạp nhất thành một loại năng lượng cao cấp phục vụ cho một trong những ngành công nghiệp khó giảm phát thải nhất.
Trong tương lai gần, nếu các công nghệ này tiếp tục được phát triển và triển khai ở quy mô lớn, nước thải đô thị – vốn là biểu tượng của ô nhiễm – có thể sẽ trở thành nguồn tài nguyên then chốt giúp ngành hàng không từng bước chuyển mình sang một kỷ nguyên phát triển bền vững, ít carbon và thân thiện với môi trường hơn. Đức, với vai trò quốc gia tiên phong trong lĩnh vực công nghệ xanh, đang góp phần định hình lại cách chúng ta nhìn nhận và sử dụng năng lượng trong thế kỷ 21.
Techn group