Ngành công nghiệp xi măng và bê tông tạo ra 8% lượng khí thải carbon toàn cầu. Có các giải pháp để khử cacbon nhưng ngành công nghiệp đang gặp khó khăn do tính phức tạp của nhiệm vụ.
Một lò quay tại nhà máy xi măng. Tín dụng: Drpixel qua Shutterstock.
Ngoài nước, không có vật liệu nào trên Trái đất mà chúng ta sử dụng nhiều hơn bê tông,” Bill Gates đã tweet vào tháng 5. “Đó là lý do tại sao việc tìm ra cách khử cacbon lại rất quan trọng.” Thật vậy, nhà ở, tòa nhà chọc trời, đập, cầu - tất cả các loại tòa nhà và cơ sở hạ tầng - đều dựa vào bê tông vì sức mạnh, độ bền, tính linh hoạt và khả năng chi trả của nó. Không có gì ngạc nhiên khi nhu cầu toàn cầu về xi măng, cứng lại thành bê tông khi trộn với nước và khoáng chất, được dự báo sẽ tăng 48% lên 6,2 tỷ tấn vào năm 2050 - và xi măng khử cacbon là một phần không thể thiếu trong chương trình nghị sự về khí hậu.
Trong quá trình đô thị hóa ồ ạt gần đây của Trung Quốc, nước này đã sử dụng nhiều bê tông hơn từ năm 2011 đến 2013 so với Mỹ trong cả thế kỷ 20. Mặc dù việc sử dụng bê tông của Trung Quốc hiện đang chậm lại, nhưng mức tiêu thụ ở Ấn Độ, Châu Phi và các quốc gia Nam bán cầu khác sẽ bùng nổ cùng với sự gia tăng dân số và phát triển kinh tế của họ. Tuy nhiên, điều này đặt ra một vấn đề đối với môi trường: bê tông chịu trách nhiệm cho 8% lượng khí thải carbon toàn cầu, hoặc nhiều hơn gấp ba lần lượng khí thải do ngành hàng không tạo ra và không có cách nào dễ dàng để loại bỏ chúng.
Theo Hội đồng liên chính phủ về biến đổi khí hậu (IPCC), thế giới cần đạt mức phát thải khí nhà kính bằng 0 vào năm 2050 để có cơ hội tốt giữ cho sự nóng lên toàn cầu ở mức tương đối lành tính 1,5°C. Tuy nhiên, do tài sản lâu dài của ngành xi măng, năm 2050 chỉ còn một chu kỳ đầu tư nữa. Điều đó có nghĩa là trong thập kỷ này , tất cả các khoản đầu tư mới quan trọng cần phải tuân thủ quy định về 0% và các công nghệ xi măng khử cacbon cần được triển khai trên quy mô đủ lớn để kích hoạt giảm chi phí và giảm phát thải đáng kể trong những thập kỷ tiếp theo.
Radhika Lalit, hiệu trưởng sáng kiến xi măng và bê tông tại think tank RMI, cho biết: “Nếu dễ dàng như vậy, thì nó đã được thực hiện ngay bây giờ. “Không có một viên đạn bạc duy nhất nào để khử cacbon cho lĩnh vực này; đó là lý do tại sao nó thường được biết đến như một trong những lĩnh vực khó giảm giá.”
Xi măng khử cacbon phải đối mặt với bốn thách thức chính. Đầu tiên, 53% lượng khí thải của ngành là “khí thải quy trình” đến từ quá trình sản xuất clinker, một vật liệu tăng cường là xương sống của xi măng như chúng ta biết: đá vôi và đất sét tạo ra CO₂ khi chúng được nung nóng cùng nhau trong lò quay . Thứ hai, 35% CO₂ khác của ngành phát sinh từ việc đốt nhiên liệu hóa thạch để đạt tới 1.500°C cần thiết cho các phản ứng hóa học ( nung) bên trong lò nung đó. Thứ ba, nhu cầu về xi măng tăng theo dự kiến, chủ yếu đến từ các thị trường đang phát triển như Ấn Độ. Cuối cùng, có một thực tế đơn giản rằng đây luôn là một thị trường địa phương hóa cao, vì vậy xi măng khử cacbon phụ thuộc vào sự tuân thủ của một loạt các bên liên quan trong khu vực, tất cả đều có các hoàn cảnh và ưu tiên khác nhau.
Xi măng khử cacbon với ít clinker hơn
Trong trường hợp không có viên đạn bạc, các phương pháp và công nghệ nhằm khử cacbon cho xi măng rất đa dạng. Một trong những lựa chọn đơn giản nhất là chỉ sử dụng ít bê tông hơn. Thông thường, các kỹ sư luôn quan tâm đến khía cạnh an toàn cho độ bền - vì những lý do rõ ràng - khi thiết kế các tòa nhà và cơ sở hạ tầng, nhưng nghiên cứu từ Hiệp hội Bê tông và Xi măng Toàn cầu đã chỉ ra rằng việc sử dụng bê tông hiệu quả hơn có thể giúp giảm 20% lượng khí thải từ các tòa nhà.
Đó là nếu tòa nhà cần bê tông. Một giải pháp thay thế là thay thế bê tông bằng vật liệu kết cấu ít phát thải hơn như gỗ bền vững . Tiến sĩ Peter Schniering, Giám đốc điều hành của công ty đổi mới khí hậu cho biết: “Sử dụng gỗ nhân tạo thay vì bê tông có thể giảm tới 60% lượng khí thải carbon trong toàn bộ vòng đời của một tòa nhà , mặc dù một số ước tính thấp hơn nhiều, tùy thuộc vào nghiên cứu”. think tank Future Cleantech Architects. “Tất nhiên, điều này phụ thuộc vào sự sẵn có của nguồn cung cấp gỗ bền vững.”
Bạn cũng có thể sử dụng ít clinker hơn trong bê tông. Thay vào đó, nhà sản xuất có thể sử dụng cái được gọi là vật liệu xi măng bổ sung (SCM) như tro bay, xi măng xỉ (xỉ lò cao dạng hạt, mặt đất) và khói silic. Schniering cho biết : “Điều này phụ thuộc vào vật liệu bạn sử dụng và sự pha trộn cụ thể, nhưng bạn có thể thay thế tới 50% clinker bằng các SCM này. Một số nhà sản xuất xi măng carbon thấp tin rằng họ có thể giảm tỷ lệ clinker trong xi măng hơn nữa, xuống mức thấp nhất là 20% trong trường hợp của Ecocem .
Thật vậy, một Liên minh mới về Xi măng & Bê tông có hàm lượng Carbon thấp đã ra mắt vào ngày 30 tháng 5 tại Brussels nhằm mục đích cung cấp chuỗi giá trị xi măng và bê tông không có carbon vào năm 2040. Được hỗ trợ bởi Năng lượng Đột phá của Bill Gates , một nghiên cứu ban đầu đã lập mô hình giảm tỷ lệ clinker-to- nghiên cứu đề xuất tỷ lệ xi măng ở châu Âu từ 78% vào năm 2020 xuống còn 60%, 50% hoặc 40% vào năm 2050, điều này có thể cắt giảm lượng khí thải CO₂ hàng năm của ngành lần lượt là 28%, 40% hoặc 52%. Liên minh lưu ý rằng tỷ lệ clinker trên xi măng của EU “theo truyền thống cao hơn nhiều so với phần còn lại của thế giới”.
Ngoài ra còn có những cải tiến thú vị mang đến những lựa chọn mới cho xi măng khử cacbon: bê tông thay thế làm từ đất sét thô hứa hẹn giảm tới 50% lượng khí thải CO₂. Một lộ trình khác là thay thế đá vôi làm nguyên liệu để sản xuất xi măng portland thông thường bằng các nguyên liệu thô thay thế như đá canxi-silicat, loại đá không chứa CO₂ trong chúng. Ngoài ra còn có một loại clinker thay thế mới đầy hứa hẹn dựa trên magie oxit có nguồn gốc từ magie silicat đang trong giai đoạn phát triển ban đầu. Hai loại sau có khả năng âm tính carbon vì magie được tìm thấy trong những loại đá này cô lập CO₂ một cách tự nhiên.
Sau đó, có những phương pháp khác giúp tăng cường độ của bê tông về mặt hóa học, nghĩa là bạn có thể đủ khả năng sử dụng ít hơn. Chẳng hạn, một công nghệ như vậy được gọi là bảo dưỡng carbon, bao gồm việc bơm CO₂ vào bê tông đúc sẵn, do đó giảm tới 50% lượng khí thải.
Thu hồi và lưu trữ carbon vẫn là điểm dừng
Tuy nhiên, phương pháp khử cacbon vẫn phổ biến nhất trong số các nhà sản xuất xi măng hàng đầu thế giới là sử dụng công nghệ thu hồi và lưu trữ cacbon (CCS) để thu khí thải từ quy trình sản xuất xi măng cũ. Mặc dù không có CCS quy mô thương mại các dự án đang hoạt động, có những nguyên mẫu đang được phát triển trên khắp thế giới. Tuy nhiên, Schniering cảnh báo rằng có một sự khác biệt lớn giữa những gì được chính phủ và nhà sản xuất truyền đạt với thực tế. Ông nói: “Nếu bạn nói chuyện với các cộng đồng nơi có nhiều nhà máy xi măng, họ sẽ không biết cách quản lý vốn đầu tư khổng lồ cần thiết để xây dựng các cơ sở CCS. Nó thực sự là một khoản đầu tư lớn để trang bị thêm cho một nhà máy xi măng với khả năng thu giữ carbon. Ben Skinner, một cộng tác viên cấp cao của nhóm xi măng và bê tông tại RMI cho biết: “Chúng tôi đang nói về thứ tự hàng tỷ đô la và vì vậy nó rất, rất tốn kém.
Từ góc độ kỹ thuật, có nhiều cách tiếp cận CCS. Phổ biến nhất là sử dụng nhiên liệu oxy, thu giữ carbon bằng cách thêm oxy vào quy trình. Các phương pháp thay thế bao gồm phân tách trực tiếp và đốt cháy sau, có những ưu điểm và nhược điểm riêng. Schniering cho biết: “Con đường nhiên liệu oxy có tiềm năng thu giữ và lưu trữ khí thải cao nhất, nhưng nó vẫn chưa hoàn thiện lắm. Có những thách thức đối với quá trình CCS. Ví dụ, quy trình nung thông thường không tạo ra dòng CO₂ tinh khiết – dễ thu hồi; thay vào đó, nó được trộn lẫn với các loại khí khác do nhiên liệu hóa thạch tạo ra.
Điều này mang đến một cách tiếp cận khác để khử cacbon cho xi măng: thay thế việc đốt nhiên liệu hóa thạch trong quy trình sản xuất xi măng bằng nhiệt điện – lợi thế là dòng CO₂ tinh khiết đến từ đá vôi trong quá trình nung. Schniering cảnh báo: “Nhưng khi chúng tôi nói chuyện với các nhà sản xuất xi măng, họ nói với chúng tôi rằng đây không phải là điều dễ thực hiện.
Tại sao? Bạn cần nhiệt độ rất cao để sản xuất clinker. Đầu tiên, bạn cần đạt khoảng 900°C để tạo ra canxi oxit. Sau đó, bạn cần 1.500°C để tự tạo clinker. Bạn có thể điện khí hóa một phần quy trình, nhưng bạn vẫn cần nhiên liệu hóa thạch thông thường để đạt tới 1.500°C. Bạn có thể thay thế quy trình đó bằng một công nghệ khác chẳng hạn như điện phân, thay đổi tính chất hóa học và có nghĩa là bạn không cần nhiệt độ cao như vậy, nhưng việc kết hợp nó vào một nhà máy truyền thống sẽ làm tăng vốn và chi phí vận hành.
“Nó rất, rất phức tạp,” Ingrid El Helou, một nhà phân tích công nghệ sạch tại Future Cleantech Architects thừa nhận. “Nhưng điện khí hóa phải được kết hợp với CCS, bởi vì bạn vẫn có khí thải phát ra từ sự phân hủy của đá vôi.
Cô ấy nói thêm: “Rất nhiều tùy chọn điện khí hóa này vẫn còn ở giai đoạn sơ khai.
Làm gì mà lâu thế?
Vì vậy, các giải pháp đều ở đó - nếu tất cả đều đi kèm với những khó khăn của chúng. Tuy nhiên, trên thực tế, có nhiều lý do mang tính cấu trúc hơn đằng sau việc các nhà sản xuất chậm sử dụng các giải pháp xi măng khử cacbon.
Đứng đầu trong số những lý do đó là xi măng là một ngành rất truyền thống và lâu đời. Các công ty trên khắp thế giới đã sản xuất xi măng portland trong hơn một thế kỷ và thường rất bảo thủ. Schniering cho biết: “Quá trình này đã được tối ưu hóa trong nhiều thập kỷ về hiệu quả và khả năng cạnh tranh về chi phí, nhưng không phải về cường độ carbon của nó.
Đồng quan điểm, các quy định nghiêm ngặt về an toàn đối với ngành đã được tích lũy qua nhiều năm, thường là biện pháp ứng phó với các thảm họa như vụ sập cầu ở Genoa, Ý, vào năm 2018 , khiến 43 người thiệt mạng. Tuy nhiên, những quy định và tiêu chuẩn xây dựng đó có thể gây khó khăn cho việc tối ưu hóa việc xây dựng từ góc độ phát thải. Schniering cho biết: “Đôi khi, do quy định, không thể đưa một loại xi măng thay thế mới không được xây dựng trên đá vôi vào thị trường vì nó phải trải qua tất cả các thủ tục xác minh và chứng nhận này. “Vì vậy, điều đó cần phải được tăng tốc và làm cho linh hoạt hơn, bằng cách tập trung vào các tiêu chuẩn dựa trên hiệu suất thay vì các tiêu chuẩn dựa trên nội dung theo quy định.”
Xi măng cũng là một thị trường rất nội địa hóa. Vì đá vôi rất phong phú nên các quốc gia khá độc lập khi sản xuất xi măng. Theo El Helou, để đảm bảo các quốc gia duy trì quyền tự chủ này khi chuyển sang sử dụng xi măng hoặc bê tông thay thế, nguồn nguyên liệu dồi dào là rất quan trọng. “Mức độ ảnh hưởng mà bạn có để thay đổi mọi thứ không dựa trên cơ sở toàn cầu – bạn phải rất cụ thể và có các giải pháp ở cấp khu vực, điều này khiến quá trình trở nên phức tạp hơn,” Lalit của RMI cho biết thêm.
Cuối cùng, đó là sự thèm ăn vô độ của chúng ta đối với xi măng; có rất ít động lực để ngành xi măng thay đổi nếu chúng ta tiếp tục mua xi măng với số lượng như hiện nay. Ý nghĩa của việc tạo ra một dự án carbon thể hiện cao không đủ gây bất lợi để định hình lại hoạt động kinh doanh như bình thường. “Tuy nhiên, điều này đang thay đổi, với các mục tiêu carbon cụ thể được đưa ra để xin phép lập kế hoạch ở những nơi như London chẳng hạn, và các mục tiêu do khách hàng [xây dựng] đặt ra,” Natasha Watson, chuyên gia về chì carbon tại công ty tư vấn kỹ thuật Buro Happold của Vương quốc Anh cho biết. “Nhưng chỉ còn chưa đầy bảy năm nữa là đến năm 2030, nó có thể không đủ nhanh.”
Đưa xi măng về số không ròng
Vì vậy, những gì cần phải được thực hiện để loại bỏ xi măng và đưa ngành công nghiệp đi đúng hướng vào năm 2050? Một nơi tốt để bắt đầu là với nguyên lý chính về giảm carbon: sử dụng ít đồ đạc hơn. Các kỹ sư và nhà thiết kế đã quen với việc tạo ra các giải pháp hiệu quả; tuy nhiên, họ cần suy nghĩ nhiều hơn về ý nghĩa của từ “ít hơn”, theo Watson. “Chúng ta có cần một văn phòng đầu cơ khác không? Nhà ở cao cấp mới? Để san bằng một con phố lớn hiện có để xây dựng lại một trung tâm mua sắm mới? Cô ấy hỏi. “Chúng ta nên hỏi liệu một tòa nhà có cần thiết hay không hoặc liệu một tòa nhà hiện tại có thể được trang bị thêm cho phù hợp hay không.”
Chính phủ, những người mua xi măng hàng đầu, cũng có cơ quan mạnh mẽ để buộc thay đổi ngành thông qua mua sắm công xanh. Mặc dù xi măng xanh đắt hơn so với loại truyền thống, nhưng tổng chi phí gia tăng cho một dự án cơ sở hạ tầng là tương đối thấp . Một nghiên cứu của Diễn đàn Kinh tế Thế giới cho thấy rằng mặc dù phí bảo hiểm cho xi măng xanh là hơn 50%, nhưng nó sẽ làm tăng chi phí cuối cùng cho người tiêu dùng dưới 5%. Tương tự, Mission Possible Partnership, một liên minh của các tổ chức khí hậu nhằm mục đích khử cacbon cho các ngành công nghiệp phát thải khí thải cao nhất thế giới vào năm 2030, nhận thấy rằng chi phí tăng thêm đối với người tiêu dùng khi sử dụng xi măng xanh để xây dựng một ngôi nhà trị giá 500.000 đô la sẽ chỉ là 3%.. El Helou cho biết: “Các chính phủ có thể làm được nhiều điều bằng cách lựa chọn xi măng xanh và các giải pháp thay thế trong mua sắm công – họ có quyền lực mạnh mẽ để tác động đến sự thay đổi thông qua sức hút của thị trường.
Rõ ràng là cần hỗ trợ nhiều hơn cho nghiên cứu và phát triển thành những cải tiến mới như nguyên liệu thô và chất kết dính thay thế, nhưng các nhà hoạch định chính sách cũng cần suy nghĩ về cách họ thúc đẩy loại đổi mới này. Lalit tin rằng họ nên tìm cách tạo ra nhiều tiêu chuẩn dựa trên hiệu suất hơn. “Khi bạn yêu cầu bằng chứng về hiệu suất, thì bạn có thể nhận được các loại giải pháp khác nhau thay vì một giải pháp tiêu chuẩn như thêm nhiều SCM này , nhiều xỉ này , nhiều đá vôi này – nếu bạn quy định như vậy, thì sẽ rất khó cho bất kỳ nhà đổi mới nào nói , 'tốt, tôi có một cái gì đó tốt hơn'.
Justin Wilkes, giám đốc điều hành của Liên minh Môi trường về Tiêu chuẩn, một tổ chức phi chính phủ có trụ sở tại Brussels và là thành viên của Liên minh mới cho biết: “Tất cả các thành viên của Liên minh đều phải đối mặt với cùng một thách thức – các tiêu chuẩn đang cản trở việc tiếp cận thị trường của các sản phẩm có hàm lượng carbon thấp. cho Xi măng & Bê tông có hàm lượng Carbon thấp, khi ra mắt . Một quan chức của Ủy ban Châu Âu nói với sự kiện rằng họ muốn thay đổi các tiêu chuẩn này.
Katharina Knapton-Vierlich, người đứng đầu đơn vị xây dựng tại ban giám đốc công nghiệp của Ủy ban cho biết: “Chúng tôi sẽ phát triển một yêu cầu tiêu chuẩn hóa xi măng. “[Tiêu chuẩn] sẽ dựa trên hiệu suất và công nghệ trung lập.” Ủy ban đặt mục tiêu công bố yêu cầu của mình vào nửa cuối năm 2024.
Nhưng yêu cầu chính của ngành đối với các nhà hoạch định chính sách là giúp đỡ về CCS. Điều đó có thể thông qua việc tăng khả năng tiếp cận các địa điểm lưu trữ CO₂, phát triển cơ sở hạ tầng vận chuyển CO₂ hoặc chỉ hỗ trợ đầu tư liên tục vào lĩnh vực này. Koen Coppenholle, Giám đốc điều hành tại CEMBUREAU, Hiệp hội Xi măng Châu Âu cho biết thêm: “Ngoài ra, chúng tôi tin rằng việc thu hồi và sử dụng carbon ( CCU ) cần được công nhận đầy đủ thông qua khung pháp lý phù hợp.
CEMBUREAU đang thúc đẩy EU mở rộng tài trợ và đơn giản hóa bộ máy quan liêu cho các dự án CCUS, “bởi vì, trong 10–15 năm đầu tiên, cần có sự giúp đỡ của EU để thu hẹp chi phí thực của các dự án,” Coppenholle nói. Cụ thể, các đề xuất xi măng khử cacbon từ ngành bao gồm thúc đẩy vòng tài trợ đổi mới ngành xi măng cụ thể, áp dụng rộng rãi các hợp đồng carbon để tạo ra sự khác biệt cho CCUS, cho phép các dự án sử dụng carbon hoạt động ít nhất cho đến năm 2050 và đơn giản hóa các quy tắc viện trợ của nhà nước. Tổ chức cũng đang thúc đẩy rút ngắn thời gian cấp phép cho các dự án khử cacbon, “vì việc cấp phép đang trở thành nút cổ chai lớn đối với các dự án của chúng tôi”, Coppenholle cho biết. EU hiện đang tư vấn về một chiến lược CCS mới sẽ được công bố vào mùa thu này.
Schniering đồng ý: “Ngành công nghiệp này cần được hỗ trợ. “Hãy đặt bạn vào vị trí của những người chơi trong ngành truyền thống này, với tất cả những công việc này và tất cả những quy trình đã được thiết lập này, và đột nhiên tất cả phải thay đổi một cách chóng mặt. Không có gì ngạc nhiên khi họ muốn chọn CCS – nó rất phù hợp với quy trình hiện có.”
Schniering kết luận: “Trên thực tế, điều cần thiết là quan điểm công khai cởi mở về công nghệ đối với vấn đề này và tài trợ cho các dự án theo một chiến lược toàn diện với nhiều lộ trình khác nhau bao gồm giảm nhu cầu, các biện pháp tiết kiệm năng lượng, CCS, cũng như các loại công nghệ hoàn toàn mới”.
