Cơ hội thu giữ và tái sử dụng CO₂ trong lĩnh vực xây dựng trong 100 năm tới
Tác giả: Patricia DeLacey, Khoa Kỹ thuật, Đại học Michigan
Tương lai của môi trường xây dựng trong nền kinh tế tuần hoàn. Nguồn: Frontiers in Energy Research (2024). DOI: 10.3389/fenrg.2024.1388516
Môi trường xây dựng—cơ sở hạ tầng cho các tòa nhà và phương tiện giao thông—hiện đang tạo ra một phần lớn lượng khí thải carbon dioxide toàn cầu, nhưng các công nghệ mới có khả năng biến đổi môi trường xây dựng từ nguồn carbon thành bể chứa carbon.
Các nhà nghiên cứu đã đưa ra các khuyến nghị về cách ngành xây dựng có thể kết hợp các vật liệu và quy trình mới để giúp giảm hoặc thu giữ và tái sử dụng lượng khí thải CO2 trong một bài viết quan điểm gần đây được xuất bản trên Frontiers in Energy Research.
Khi con người tiếp tục thải CO2 vào khí quyển, làm nóng hành tinh và gây ra biến đổi khí hậu, Hoa Kỳ và nhiều quốc gia khác trên thế giới đang cam kết giảm lượng khí thải carbon của họ.
Các tòa nhà và lĩnh vực xây dựng chiếm khoảng 39% lượng khí thải CO2 toàn cầu liên quan đến năng lượng hàng năm, định vị môi trường xây dựng là trọng tâm chính của các nỗ lực khử cacbon. Vì lý do này, Kế hoạch phát triển bền vững của liên bang Hoa Kỳ đã đặt ra mục tiêu đầy tham vọng là đạt được các tòa nhà phát thải ròng bằng 0 vào năm 2045.
"Về mặt khí hậu học, chúng ta đang hết thời gian. Chúng ta không thể tiếp tục xây dựng theo cách chúng ta vẫn làm nữa", Volker Sick, Giám đốc Sáng kiến CO2 toàn cầu và Giáo sư Năng lượng DTE về Nghiên cứu năng lượng tiên tiến tại Đại học Michigan và là tác giả đóng góp cho nghiên cứu này cho biết.
Nhóm nghiên cứu đa ngành nhấn mạnh rằng chúng ta cần phải suy nghĩ kỹ lưỡng về việc xây dựng ngay bây giờ vì tuổi thọ của cơ sở hạ tầng thường kéo dài từ 50 đến 100 năm.
"Bất kỳ cơ hội nào chúng ta bỏ lỡ hiện tại, chúng ta sẽ bỏ lỡ trong một thế kỷ", Sick cho biết.
Hiện tại, môi trường xây dựng đang già cỗi ở Hoa Kỳ đang ở mức thấp hơn nhiều so với các tiêu chuẩn bền vững, đạt điểm C- trong báo cáo cơ sở hạ tầng của Hiệp hội Kỹ sư Xây dựng Hoa Kỳ vào năm 2021. Việc thay thế cơ sở hạ tầng đang xuống cấp mang đến cơ hội để suy nghĩ chiến lược về việc phát triển môi trường xây dựng với mục tiêu giảm thiểu biến đổi khí hậu.
"Không gian sống và làm việc của chúng ta có thể thay đổi căn bản cuộc chiến chống biến đổi khí hậu, đóng vai trò then chốt cho các thế hệ tương lai. Việc áp dụng những đổi mới này không chỉ thú vị về mặt công nghệ mà còn là điều bắt buộc đối với một tương lai bền vững", Ah-Hyung "Alissa" Park, Trưởng khoa Ronald và Valerie Sugar của Trường Kỹ thuật Samueli thuộc UCLA và là tác giả liên hệ của nghiên cứu cho biết.
Việc thích ứng với biến đổi khí hậu và tuân thủ các chính sách mới sẽ đòi hỏi sự hợp tác giữa các chuyên gia trong ngành tham gia vào toàn bộ vòng đời của môi trường xây dựng, từ khai thác nguyên liệu thô đến phá dỡ.
Không có giải pháp duy nhất nào để đạt được các tòa nhà không phát thải carbon hoặc thậm chí là giảm lượng khí thải CO2 trong môi trường xây dựng. Nhóm nghiên cứu nêu bật các công nghệ mới giúp giảm hoặc thu giữ lượng khí thải CO2 trong bốn giai đoạn của vòng đời công trình—xử lý vật liệu, xây dựng, sử dụng tòa nhà và phá dỡ.
Xử lý vật liệu
Xu hướng đô thị hóa toàn cầu tạo ra nhu cầu lớn về bê tông, nhưng các vật liệu thông thường như Xi măng Portland thông thường—một thành phần của bê tông—có cường độ carbon cao với khoảng 0,6 tấn CO2 thải ra cho mỗi tấn xi măng được sản xuất.
Các chất bổ sung xi măng như tro bay—một sản phẩm thải từ các nhà máy điện than—đã được sử dụng để thay thế một phần xi măng, giúp giảm nhu cầu khai thác nguyên liệu thô. Tuy nhiên, để đáp ứng nhu cầu lớn về bê tông, một loại xi măng thay thế phải có sẵn trên toàn thế giới.
Vì lý do này, các kỹ sư đang phát triển xi măng gốc magiê, thay vì các phiên bản gốc canxi truyền thống, vì magiê có sẵn rất nhiều trong lớp vỏ Trái đất và nước biển. Có thể thu hoạch vật liệu magiê thô mà không phát thải thông qua các con đường điện hóa và xi măng gốc magiê thậm chí có thể được thu giữ từ bùn thải.
Thép là một vật liệu có nhu cầu cao khác với lượng khí thải carbon lớn, tạo ra 1,91 tấn CO2 trên một tấn thép thô đúc. Sợi sinh học, sợi polyme gốc CO2, sợi carbon và ống nano carbon đã được thử nghiệm như các vật liệu thay thế thép, nhằm mục đích giảm lượng khí thải CO2 đồng thời cải thiện khả năng chống ăn mòn. Ống nano carbon có thể được làm từ rong biển bị nhiễm nhựa, mang lại lợi ích bổ sung là tái chế vật liệu thải.
Mặc dù có những tiến bộ trong việc thay thế thép, nhưng trong một số trường hợp, độ bền và độ dẻo tuyệt vời của thép khiến nó trở nên không thể thay thế. Thay vào đó, những thay đổi trong quy trình sản xuất thép có thể giúp giảm lượng khí thải CO2 (ví dụ: chuyển nhiên liệu từ than cốc và than sang khí đốt và sinh khối, thay thế lò nung bằng lò hồ quang điện hiệu quả và kết hợp hydro vào sản xuất thép).
Xây dựng
Với các vật liệu mới, các kỹ thuật xây dựng mới cũng xuất hiện. Sản xuất bồi đắp, thường được gọi là in 3D, kết hợp với sản xuất tinh gọn để giảm thiểu chất thải, có thể giúp phát triển các công trình xây dựng trong tương lai và cơ sở hạ tầng kết hợp các vật liệu mới được đề cập ở trên.
"In 3D bê tông mang đến cơ hội vô song để thúc đẩy mô hình xây dựng mới, khai thác sự tích hợp của các vật liệu mới như xi măng CO2 thấp, chất độn cô lập CO2 và chất kết dính sinh học không theo quy ước.
"Những vật liệu này không chỉ phù hợp với nhu cầu về hiệu suất của in 3D mà còn mang đến những khả năng vượt ra ngoài những hạn chế của các phương pháp xây dựng thông thường", Mahmoud Taha, Giáo sư danh dự và Giảng viên của Regents tại Khoa Kỹ thuật Xây dựng, Xây dựng & Môi trường Gerald May thuộc Đại học New Mexico và là tác giả đóng góp cho nghiên cứu này, cho biết.
"Rào cản chính nằm ở khoản đầu tư đáng kể cần thiết để thúc đẩy bước đột phá này trong một ngành công nghiệp vốn bảo thủ", Taha nói thêm.
Các kỹ thuật xây dựng cũng có thể chủ động giảm lượng khí thải CO2 thông qua việc sử dụng CO2 làm nguyên liệu đầu vào hoặc thu giữ CO2. Việc sử dụng CO2, giống như việc bảo dưỡng bê tông trong môi trường CO2, giúp giảm lượng khí thải carbon của vật liệu đồng thời tạo ra vật liệu bền hơn.
Việc thu giữ CO2 từ chất thải xây dựng chuyển đổi trực tiếp CO2 thành cacbonat rắn trong một quá trình được gọi là khoáng hóa cacbon. Các cacbonat rắn này sau đó có thể được tái lưu thông vào chuỗi cung ứng dưới dạng vật liệu xây dựng hoặc được lưu trữ để cô lập CO2 sâu.
"Việc thu giữ và sử dụng carbon dioxide mang đến cho chúng ta cơ hội giúp ổn định khí hậu và tạo thêm việc làm cực kỳ cần thiết, đặc biệt là ở những khu vực chưa được phục vụ đầy đủ trên thế giới. Đây đều là những nhu cầu cấp thiết đòi hỏi phải hành động nhanh chóng và trên quy mô lớn", Sick cho biết.
Sử dụng tòa nhà
Sau khi được xây dựng, môi trường xây dựng tiếp tục tiêu thụ năng lượng để đáp ứng nhu cầu của người ở hoặc các hoạt động. Các tòa nhà ở Hoa Kỳ chiếm ba phần tư lượng điện tiêu thụ, mang đến cơ hội thực hiện những thay đổi có tác động đến việc sử dụng năng lượng.
Cải thiện khả năng cảm biến và tính toán có thể tăng tính linh hoạt về nhu cầu của tòa nhà hoặc khả năng quản lý nhu cầu năng lượng của tòa nhà theo điều kiện lưới điện, khí hậu địa phương hoặc nhu cầu của người dùng.
Vật liệu đa chức năng cũng có thể cải thiện tính bền vững của tòa nhà, như pin mặt trời trong mái nhà và cửa sổ để tạo ra năng lượng tại chỗ hoặc vật liệu thay đổi pha làm vật liệu cách nhiệt để cải thiện điều chế nhiệt.
Phá dỡ
Các biện pháp phá dỡ tốt hơn có thể giúp phát triển các luồng chất thải được phân loại tốt để thu hồi hiệu quả các vật liệu, như các nguyên tố đất hiếm để sử dụng làm năng lượng hoặc chất thải kiềm công nghiệp (ví dụ: xỉ sắt và thép, bùn đỏ, tro thải thành năng lượng, chất thải từ mỏ hoặc bê tông thải) để thu giữ carbon thông qua khoáng hóa.
Tái chế các chất thải tổng hợp có thể lạc quan thu hồi được tới sáu gigaton CO2 mỗi năm vào năm 2050. Nhìn chung, việc tạo ra tính tuần hoàn cho vật liệu xây dựng sẽ phát triển một nền kinh tế tương lai bền vững.
Để đạt được sự chuyển đổi từ ngành công nghiệp phát thải carbon sang ngành công nghiệp lưu trữ carbon, các công nghệ phải hoàn thiện - phát triển chuỗi cung ứng và cơ sở sản xuất - trong khi các thay đổi về chính sách hỗ trợ khả năng kinh tế.
Mời các đối tác xem hoạt động của Công ty TNHH Pacific Group.
FanPage: https://www.facebook.com/Pacific-Group
YouTube: https://www.youtube.com/@PacificGroupCoLt
