VỀ TỔNG LƯỢNG PHÁT THẢI KHÍ CARBON TRÊN QUY MÔ LỚN DO XI MĂNG TẠO RA VÀ MỘT SỐ BƯỚC TIẾN TRONG VIỆC SẢN XUẤT BÊ TÔNG
Sản xuất xi măng là một trong những ngành công nghiệp gây ô nhiễm khí carbon nhất thế giới. Liệu với quy trình sản xuất xanh hơn với môi trường có thể giúp ích gì không?
Hình ảnh: sihuo0860371/Getty Images
13.11.2019
Vào buổi sáng tháng 7 nóng như thiêu đốt tại một cơ sở thử nghiệm bên ngoài thành phố Paris [Pháp], một nhóm nhỏ gồm các nhà khoa học, kỹ sư và kiến trúc sư đội mũ cứng và đeo kính bảo hộ đang theo dõi qua lớp kính bảo vệ một cỗ máy nhào nặn một hỗn hợp màu xám, lõng bõng thành những mẻ có kích thước bằng những khối gạch. Ở đằng xa, dọc theo dây chuyền, một người điều khiển xe nâng cẩn thận xếp các khối vào một buồng đóng rắn xi măng giống như đang sắp đặt những ổ bánh mì trong một tiệm bánh.
Những gì họ đang chứng kiến là một chu trình chạy thử nghiệm của một quy trình sản xuất bê tông mới do hãng Solidia Technologies phát triển, quy trình được công ty có trụ sở tại bang New Jersey [Hoa Kỳ] hy vọng sẽ định hình lại đáng kể cách thức loại vật liệu xây dựng này được sản xuất. Bằng cách điều chỉnh hợp chất hóa học của một trong những thành phần thiết yếu của bê tông — xi măng — và thay đổi quy trình đóng rắn, công ty cho biết họ có thể làm cho bê tông rẻ hơn so với quy trình truyền thống, đồng thời cắt giảm đáng kể lượng phát thải khí carbon liên quan đến quá trình sản xuất xi măng.
Xi măng là một trong những ngành công nghiệp gây ô nhiễm khí carbon [carbon-polluting] nhất của nền kinh tế toàn cầu. Là nguyên nhân gây ra khoảng 8% lượng phát thải khí carbon dioxide (CO2) toàn cầu vào năm 2015, nếu được xếp hạng theo từng quốc gia, ngành công nghiệp xi măng sẽ là nguồn phát thải khí nhà kính lớn thứ ba trên thế giới, chỉ sau Trung Quốc và Hoa Kỳ. Và lượng khí nhà kính vốn đã lớn quá mức này dự kiến sẽ còn tăng lên trong những thập kỷ tới đi cùng với sự phát triển kinh tế và tiến trình đô thị hóa nhanh chóng đang được tiếp diễn trên khắp khu vực Đông Nam Á và vùng Hạ Sahara ở châu Phi. Theo Cơ quan Năng lượng Quốc tế [IEA] và chương trình Sáng kiến Xi măng Bền vững [CSI], vào năm 2050, sản lượng xi măng có thể tăng cao lên đến 23%.
Điều này đặt ra một thách thức không nhỏ đối với việc chống biến đổi khí hậu. Một nghiên cứu vào năm 2018 ước tính rằng lượng phát thải [khí cacbon] liên quan đến xi măng sẽ phải giảm ít nhất 16% vào năm 2030 và còn phải lớn hơn thế nữa những năm sau đó, nếu các quốc gia muốn đạt được mục tiêu của Hiệp định Paris 2015 về Biến đổi Khí hậu là duy trì mức độ ấm lên toàn cầu ở dưới 2oC trong thế kỷ [XXI] này.
Theo các chuyên gia trong ngành, việc cắt giảm với quy mô như vậy đòi hỏi cần áp dụng rộng rãi các loại xi măng thay thế có ít lượng khí cacbon hơn mà hiện tại đang được phát triển trong các phòng thí nghiệm trên khắp thế giới. Nhưng trong một thị trường được thống trị bởi một số ít các nhà sản xuất [xi măng] lớn đang thận trọng với việc thay đổi mô hình kinh doanh hiện tại của họ, cùng với việc thiếu các chính sách mạnh mẽ khuyến khích các công nghệ xanh hơn, và ngành công nghiệp xây dựng thận trọng một cách hợp lý đối với các loại vật liệu xây dựng mới, những triển vọng cho một sự thay đổi triệt để như vậy có thể còn lâu mới trở nên chắc chắn được.
Lượng phát thải khí carbon đáng kinh ngạc của ngành công nghiệp bê tông chủ yếu là do quy mô không giới hạn của việc sử dụng vật liệu. Là sự kết hợp thô sơ của cát và sỏi được kết dính với nhau bằng xi măng, loại đá nhân tạo này phổ biến đến mức là một phần của hầu hết mọi cấu trúc trong môi trường xây dựng ngày nay của chúng ta.
Với việc sản xuất dư thừa của nó, bê tông gây ra tác hại khổng lồ đối với môi trường. Ví dụ, quy trình sản xuất xi măng Portland, quy trình phổ biến nhất được sử dụng để sản xuất bê tông, là một trong những quy trình sản xuất có lượng phát thải khí carbon lớn nhất hiện nay; với việc chỉ sản xuất một tấn sẽ tạo ra tới 1.000 pound [~ 453,6 kg] carbon dioxide.
Quá trình được thực hiện với bước đầu tiên là nghiền nhỏ đá vôi, trộn nó với các nguyên liệu thô khác và sau đó được đưa vào một lò nung hình trụ lớn, xoay được, được làm nóng đến hơn 2.600oF. Lò nghiêng một góc nhỏ, và vật liệu được đổ vào đầu nâng. Khi vật liệu di chuyển về phía ngọn lửa đang bùng lên ở đầu dưới của lò nung, một số thành phần bị đốt cháy thành khí, trong khi các thành phần còn lại hợp nhất để tạo ra những quả bóng màu xám được gọi là clinker [Clanh-ke]. Các khối vật liệu — có kích thước bằng viên bi — được làm nguội và sau đó nghiền thành bột mịn để tạo nên thành phần liên kết cốt lõi cho phép bê tông cứng lại khi được đóng rắn với nước.
Quá trình này, hầu như không thay đổi kể từ khi nó được phát minh gần 2 thế kỷ trước, tạo ra lượng phát thải khí carbon theo 2 cách. Đầu tiên, nhiên liệu hóa thạch thường được đốt để làm nóng lò nung đến nhiệt độ cần thiết đủ cao để phân tách các nguyên liệu đầu vào, thải ra carbon trong quá trình này. Ngoài ra, bản thân quá trình phân hủy nhiệt dẫn đến lượng phát thải [khí cacbon], chính từ lượng carbon nằm trong đá vôi kết hợp với lượng oxy trong không khí để tạo ra khí carbon dioxide như một sản phẩm phụ.
Gaurav Sant
Các nhà sản xuất xi măng hiện đã và đang thực hiện các bước để giảm lượng phát thải [khí cacbon]. Nhờ những cải tiến về hiệu suất năng lượng và những cải tiến đối với hỗn hợp bê tông, mật độ khí carbon dioxide trung bình của quá trình sản xuất xi măng đã giảm 18% trên toàn cầu trong vòng 20 năm qua. Một số công ty cũng đã lắp đặt công nghệ để ngăn chặn lượng phát thải khí carbon dioxide bay vào bầu khí quyển, mặc dù các hệ thống như vậy chỉ có thể giữ lại được rất nhiều khí thải và có thể không được chứng minh là khả thi trên quy mô cần thiết để gây ra một tác động đáng kể.
Trong khi các nhà lãnh đạo ngành công nghiệp gần đây thậm chí đã cam kết đẩy mạnh hơn nữa sự cắt giảm, Sant cảnh báo rằng các công nghệ hiện tại chỉ có thể đóng góp một phần trong tổng lượng [phát thải] khí carbon dioxide cần giảm đi để đạt được các mục tiêu của [Hiệp định] Paris. Ông nói: “Những gì ngành công nghiệp thực sự cần làm là đầu tư tiền bạc và nỗ lực vào việc sản xuất các loại xi măng mới hoặc những loại thay thế đòi hỏi ít hoặc không cần Clanh-ke”. “Đó là cách duy nhất họ có thể giải quyết vấn đề từ khâu đầu của lượng phát thải khí CO2 trong quá trình sản xuất xi măng.”
Các công ty đang thử các phương pháp khác nhau để giảm hoặc loại bỏ lượng Clanh-ke cần thiết trong việc tạo ra bê tông. Ví dụ, hãng bioMASON có trụ sở tại bang North Carolina [Hoa Kỳ] sử dụng vi khuẩn tìm thấy tự nhiên làm chất kết dính để tạo ra gạch bê tông, trong khi hãng CO2Concrete, một công ty spin-off[*] của đại học UCLA, đã phát triển một công nghệ lấy khí carbon dioxide trực tiếp từ ống khói của các nhà máy điện để sản xuất khoáng cacbonat rắn, thứ có thể được sử dụng để thay thế xi măng Portland truyền thống. Các công ty khác, như banah ở Vương quốc Anh và Zeobond ở Úc, tập trung vào việc sử dụng các sản phẩm phụ từ các quy trình công nghiệp khác để tạo ra cái gọi là “các bê tông geopolymer” nhằm thay thế Clanh-ke trong quá trình sản xuất xi măng.
Các chuyên gia cho rằng hãng Solidia, một công ty ở bang New Jersey [Hoa Kỳ], đã thể hiện được năng lực của mình tại Pháp vào mùa hè vừa rồi, là một trong những công ty hứa hẹn nhất. Quy trình của nó, được phát triển lần đầu tiên vào năm 2008 tại Đại học Rutgers [Hoa Kỳ], liên quan đến quá trình xử lý khéo léo hỗn hợp hóa học xi măng để giảm đáng kể nhiệt độ lò nung cần thiết nhằm sản xuất Clanh-ke, và sau đó đóng rắn bê tông làm từ xi măng của họ với khí carbon dioxide được thải ra thay vì với nước.
“Các công nghệ này vừa giúp cắt giảm lượng phát thải khí carbon có thể lên tới 70% so với [công nghệ sản xuất] bê tông dựa trên xi măng Portland truyền thống — vừa có chi phí thấp hơn”, nhận xét từ Tom Schuler, chủ tịch và giám đốc điều hành của hãng Solidia, người đã tập hợp được sự hỗ trợ tài chính từ các công ty đầu tư mạo hiểm nổi tiếng là Kleiner Perkins và Bright Capital, tập đoàn dầu khí khổng lồ BP, và LafargeHolcim có trụ sở tại Thụy Sĩ, nhà sản xuất xi măng lớn nhất thế giới.
Một công ty khác đang nghiên cứu các giải pháp xi măng thay thế là công ty CarbonCure, có trụ sở chính tại thành phố Halifax, Nova Scotia [Canada]. Với sản phẩm trí tuệ của kỹ sư dân dụng Rob Niven, hãng CarbonCure đã phát triển một hệ thống trong đó khí carbon dioxide hóa lỏng được bơm vào bê tông ướt đang ở trong quá trình trộn. Khi bê tông cứng lại, lượng carbon từ khí carbon dioxide phản ứng với bê tông để tạo thành khoáng chất, giúp thực sự giảm sự cần thiết của xi măng mà không ảnh hưởng đến độ bền hoặc giá cả của bê tông.
Christie Gamble, Giám đốc Bền vững của hãng CarbonCure cho biết: “Trong bất kỳ dự án bất động sản hoặc dự án cơ sở hạ tầng nào, quá trình khoáng hóa [mineralization] CO2 này làm giảm lượng carbon nhiều tương đương với lượng carbon cần thiết được hấp thụ bởi hàng trăm, nếu không muốn nói là tới hàng nghìn mẫu Anh [1,000 mẫu Anh ~ 4 km²] cây xanh cần thiết trong vòng một năm. Bà cho biết, việc triển khai trên toàn thế giới có thể giảm khoảng 550 triệu tấn carbon dioxide mỗi năm, tương đương với việc loại bỏ 150 triệu chiếc ô tô trên đường.
Hiện tại, công nghệ của hãng CarbonCure, đòi hỏi một hệ thống bổ sung nhỏ bao gồm một hệ thống máy tính, một bồn chứa khí carbon dioxide và một ống để bơm khí carbon dioxide vào hỗn hợp bê tông, hiện đã được lắp đặt tại gần 150 nhà máy sản xuất bê tông trên khắp khu vực Bắc Mỹ. Công ty cho biết họ cũng đang mở rộng sang khu vực Đông Nam Á và châu Âu.
Một màn trình diễn thực tế về sản phẩm của công ty đang được triển khai ở bang Georgia [Hoa Kỳ] chính là một tòa văn phòng thương mại nhiều tầng hiện đang tiếp tục được xây dựng ở một trong những khu phố sang trọng nhất của thành phố Atlanta [Hoa Kỳ]. Dự kiến hoàn thành vào cuối năm nay, tòa nhà sẽ là công trình phát triển quy mô lớn đầu tiên sử dụng bê tông do hãng CarbonCure sản xuất trong toàn bộ kết cấu. Theo bà Gamble, chỉ riêng dự án này sẽ ngăn hơn 750 tấn carbon dioxide thải vào khí quyển, một lượng tương đương với lượng khí carbon dioxide cần tới 800 mẫu Anh [800 mẫu Anh ~ 3,23 km²] đất rừng dùng để cách ly chúng trong vòng một năm.
Mặc dù các công ty như Solidia và CarbonCure đang bắt đầu có những bước tiến, họ vẫn còn một chặng đường dài trước khi bao trọn được dù chỉ là một phần nhỏ của thị trường. Schuler nói rằng một trở ngại lớn là chủ nghĩa bảo thủ phổ biến của ngành xây dựng. Schuler nhận xét: “Quan điểm chung của ngành xây dựng là cần phải “mắt thấy tai nghe” mới tin được.” Công ty đã chi khoảng 100 triệu đô la cho việc nghiên cứu, phát triển và thử nghiệm giống như ở Pháp để thuyết phục các khách hàng thương mại.
Việc không sẵn lòng áp dụng các công nghệ mới hơn là điều dễ hiểu. Sant cho rằng: “Khi nói đến việc đảm bảo an toàn tính mạng trong các công trình kiến trúc, bạn phải chắc chắn rằng những gì bạn đang làm sẽ hoạt động tốt,”. Nhưng ông cũng cho rằng các quy định an toàn ngày nay không đủ khả năng để đánh giá các quy trình sản xuất bê tông mới, những quy trình luôn được yêu cầu phải cắt giảm đáng kể lượng phát thải khí carbon trong ngành [xây dựng].
Ông nói: “Vấn đề là chúng ta đã dựa quá lâu vào các quy tắc và tiêu chuẩn mang tính quy định luôn yêu cầu phải sản xuất bê tông theo một cách cố định, thay vì sử dụng các tiêu chí dựa trên hiệu suất sẽ giúp thúc đẩy sự đổi mới trong ngành [xây dựng].”
Một vấn đề lớn khác là chi phí. Jeremy Gregory, giám đốc điều hành tại Trung tâm Bê tông Bền vững [Concrete Sustainability Hub] của đại học MIT [Hoa Kỳ], một nhóm nghiên cứu tập trung vào việc sản xuất và sử dụng bê tông bền vững, cho biết: “Mặc dù các giải pháp mới không phải lúc nào cũng có giá cao hơn các giải pháp thông thường, nhưng trong trường hợp chúng có giá cao hơn, thì việc sẵn sàng trả cho các chi phí bổ sung là rất hạn chế”. Một nghiên cứu năm 2015 cho thấy trong thực tế, xi măng dựa trên bê tông geopolymer có thể có giá gấp 3 lần so với xi măng truyền thống.
Gamble cho rằng, các chính sách để bù đắp cho những chi phí bổ sung nêu trên và chính sách khuyến khích đầu tư vào các loại xi măng thân thiện với môi trường hiện vẫn đang còn thiếu, đồng thời gợi ý rằng “tiến bộ công nghệ không thể tự làm giảm lượng phát thải [khí cacbon] liên quan đến xi măng”. Bà nói, điều cần thiết là “các biện pháp như giới hạn lượng phát thải [khí cacbon] và hình phạt để gửi các tín hiệu cho thị trường cùng với việc khuyến khích áp dụng rộng rãi các công nghệ xanh hơn”.
Cuối cùng, bà thừa nhận rằng xi măng với lượng [phát thải] khí carbon thấp vẫn còn cần thời gian mới có thể được áp dụng trên diện rộng. Tuy nhiên, bà vẫn thể hiện thái độ tích cực: “Có lẽ sẽ mất 20, 30 năm, có thể hơn. Nhưng chúng tôi đang bắt đầu nhìn thấy những tia sáng đầu tiên trên con đường đó.”
Marcello Rossi
Với quy mô khổng lồ của
lượng phát thải khí carbon, chỉ riêng xi măng là đã có thể tạo ra hoặc phá vỡ
các nỗ lực làm chậm sự nóng lên toàn cầu. Với Gregory, cách duy nhất trước mắt
là tiếp tục thúc đẩy toàn bộ ngành công nghiệp cần phải đẩy nhanh những nỗ lực
tự thân.
“Trì hoãn hoặc né tránh thách thức này,” ông nói, “thực sự còn không phải là một lựa chọn.”
GIỚI THIỆU TÁC GIẢ
Marcello Rossi là một nhà báo tự do viết về khoa học và môi trường, hiện đang ở tại Milan, Ý. Tác phẩm của ông đã được xuất bản bởi Al Jazeera, Smithsonian, Reuters, Wired, và Outside trong một số các trang báo khác.
Uông Sĩ Vinh dịch
Nguồn: For Cement’s Massive Carbon Footprint, Some Concrete Steps, Undark, Nov 13, 2019.
[*]
Spin-off là một loại mô hình doanh nghiệp phổ biến ở các nước phát triển nhằm triển khai và thương mại hóa kết quả nghiên cứu khoa học công nghệ. Doanh nghiệp spin-off là doanh nghiệp hoạt động trong lĩnh vực khoa học và công nghệ, được hình thành dựa trên cơ sở áp dụng, khai thác các kết quả nghiên cứu khoa học công nghệ được tạo ra ở viện nghiên cứu, trường đại học hoặc do cá nhân hoặc tập thể các nhà khoa học, kĩ sư … có trình độ kiến thức và năng lực chuyên môn cao, có tinh thần kinh thương rời khỏi tổ chức mẹ để bắt đầu một sự kinh doanh độc lập mới.
Xem thêm: Mô hình công ty spin-off
Chú thích:
