Lối thoát cho bài toán carbon từ ngành công nghiệp bê tông

Sản xuất xi măng Portland đóng góp khoảng 5% tổng lượng khí thải carbon dioxide (CO2) toàn cầu, tương đương khoảng 1,4 tỷ tấn mỗi năm. Con số này xuất phát từ quá trình nung đá vôi ở nhiệt độ cao để tạo ra vôi sống. Nhiều nhà nghiên cứu đã nỗ lực thay đổi công thức hóa học của xi măng hoặc phát minh các phương pháp mới nhằm biến bê tông thành vật liệu hấp thụ CO2 thay vì thải ra môi trường. Tuy nhiên, việc đưa các phát minh này từ phòng thí nghiệm vào thực tế xây dựng đang gặp phải những thách thức lớn. [1]

Nguồn gốc phát thải CO2 trong sản xuất xi măng

Ngành sản xuất bê tông hiện đại phụ thuộc vào xi măng Portland, một loại vật liệu được hoàn thiện từ thế kỷ 19 bằng cách nung hỗn hợp đá vôi và đất sét ở nhiệt độ khoảng 1.450°F (tương đương 788°C) để tạo ra clinker. Quá trình sản xuất này tiêu tốn lượng năng lượng khổng lồ, vốn đã chuyển từ việc đốt gỗ sang than đá và than cốc. Hơn một nửa lượng phát thải CO2 của một nhà máy xi măng không xuất phát từ việc đốt nhiên liệu nung lò, mà đến từ phản ứng phân hủy hóa học của đá vôi (calcium carbonate) thành vôi sống (calcium oxide). [1]

Dù bê tông khi đóng rắn có khả năng tự nhiên là tái hấp thụ CO2 từ không khí để trở lại dạng đá vôi, tiến trình này diễn ra rất chậm và phải mất hàng chục năm. Ngoài ra, lượng CO2 hấp thụ lại chỉ chiếm một phần nhỏ so với tổng lượng khí đã giải phóng trong quá trình nung ban đầu. Sự bùng nổ nhu cầu xây dựng tại các quốc gia đang phát triển khiến tổng lượng CO2 từ ngành xi măng tiếp tục gia tăng. [1]

Những thử nghiệm thay đổi bản chất hóa học vật liệu

Cuối thập niên 1990, nhà sáng chế John Harrison phát minh loại xi măng sinh học dựa trên các hợp chất magie thay vì canxi. Khác với xi măng Portland, bê tông làm từ magie của ông có khả năng hấp thụ toàn bộ lượng CO2 liên kết chỉ trong vài tháng đóng rắn. Dù đạt giải thưởng tại triển lãm sáng chế và thu hút sự chú ý, Harrison không thể chốt được hợp đồng nhượng quyền thương mại. Các tập đoàn sản xuất từ chối sản phẩm vì cho rằng chi phí cao hơn và nghi ngờ tính hiệu quả thực tế. [1]

Một giải pháp khác đến từ Brent Constantz, chuyên gia về khoáng hóa sinh học. Ông phát triển quy trình kết hợp nước biển với khí thải CO2 từ các nhà máy điện để sản xuất xi măng. Theo tính toán của Constantz, sản xuất một yard khối vật liệu này tiêu thụ 250 pound CO2, trong khi xi măng Portland cùng thể tích phát thải tới 600 pound. Công ty Calera do ông thành lập từng huy động được 180 triệu USD vốn đầu tư, nhưng dự án gặp bế tắc khi thị trường giao dịch carbon không phát triển như dự kiến và chi phí năng lượng để tạo môi trường kiềm quá lớn. [1]

Rào cản từ quy chuẩn kiểm định và sự bảo thủ của thị trường

Kinh nghiệm từ các nhà sáng chế cho thấy việc đưa một công thức xi măng mới vào thị trường thương mại gặp rào cản rất nghiêm ngặt. Ngành xây dựng đòi hỏi bê tông phải duy trì độ bền và chịu lực trong hàng thập kỷ. Việc thử nghiệm độ bền thực tế và thời hạn sử dụng của một công thức xi măng mới bắt buộc phải trải qua nhiều năm theo dõi khắt khe. [1]

Bên cạnh thời gian kiểm định kéo dài, rủi ro pháp lý là nguyên nhân chính khiến các nhà thầu thi công ngần ngại thay đổi. Nếu một công trình xảy ra hiện tượng nứt móng hay sập cầu, trách nhiệm tài chính và pháp lý đè nặng lên các bên liên quan. Do đó, các nhà sản xuất xi măng và đơn vị xây dựng ưu tiên sử dụng các vật liệu truyền thống đã được chứng minh độ an toàn qua hàng trăm năm thay vì mạo hiểm với công nghệ mới. [1]

Phương pháp tiếp cận thay thế và công nghệ sinh học

Trước những rào cản trong việc thay đổi hoàn toàn xi măng, một số doanh nghiệp lựa chọn các hướng đi ít rủi ro hơn. Công ty CarbonCure thu gom khí CO2 phế thải từ các nhà máy lọc dầu và bơm trực tiếp vào bê tông tươi để khóa khí carbon. Trong khi đó, Solidia Technologies phát triển loại xi măng nung ở nhiệt độ thấp hơn và đóng rắn bằng khí CO2, giúp giảm 30% lượng phát thải so với quy trình truyền thống. [1]

Một hướng đi độc đáo khác là công nghệ sinh học không sử dụng lò nung. Nhà nghiên cứu Ginger Dosier cùng công ty bioMASON đã sử dụng vi khuẩn Sporosarcina pasteurii kết hợp với cát sa mạc, canxi và urea. Vi khuẩn này kết tinh calcium carbonate để gắn kết các hạt cát lại với nhau, tạo ra gạch cứng trong khoảng thời gian bốn ngày. Quá trình này không xả khí thải CO2 ra môi trường, tuy nhiên việc mở rộng quy mô để thay thế bê tông kết cấu vẫn là bài toán cần thời gian. [1]

Chuyển hướng sang sản xuất cốt liệu lưu giữ carbon

Bên cạnh nỗ lực cải tiến xi măng, các nhà khoa học bắt đầu chú trọng vào thành phần cốt liệu của bê tông. Trong một khối bê tông hoàn chỉnh, xi măng chỉ chiếm khoảng 10% thể tích, trong khi phần còn lại từ 70% đến 80% là cốt liệu gồm cát và đá dăm. Việc cô lập carbon vào phần cốt liệu mang lại tính khả thi cao hơn về cả mặt kỹ thuật lẫn kinh tế. [1]

Brent Constantz chuyển sang thành lập công ty Blue Planet để sản xuất đá vôi nhân tạo làm cốt liệu từ nước biển và CO2 phế thải. Mỗi yard khối bê tông sử dụng loại đá này có thể khóa khoảng 1.200 pound CO2. Phương pháp này cho phép ngành xây dựng giữ nguyên quy trình sản xuất và tiêu chuẩn của xi măng Portland nhưng vẫn giảm được lượng carbon tích tụ trong không khí thông qua các công trình hạ tầng. [1]