- Bê tông là vật liệu được sử dụng nhiều thứ hai trên thế giới sau nước, nên công nghệ giảm phát thải CO₂ của xi măng có tác động trực tiếp đến ứng phó khí hậu của ngành xây dựng
- Các nhà nghiên cứu Cambridge đã phát triển phương pháp xử lý đồng thời xi măng thải trong lò hồ quang điện (EAF) dùng để tái chế thép, qua đó giảm phát thải trong cả sản xuất bê tông lẫn thép
- Cốt lõi của quy trình là thay thế chất trợ dung vôi dùng trong tái chế thép bằng xi măng thải, biến xỉ vốn thường bị thải bỏ thành xi măng tái chế có thể dùng cho bê tông mới
- Trong thử nghiệm tại Materials Processing Institute, lần đầu tiên việc sản xuất ở quy mô lớn dựa trên lò hồ quang điện đã được xác nhận; nếu vận hành EAF bằng năng lượng tái tạo, về dài hạn cũng có thể tạo ra xi măng không phát thải
- Quy trình Cambridge Electric Cement đặt mục tiêu sản xuất 1 tỷ tấn mỗi năm vào năm 2050, tương đương khoảng một phần tư sản lượng xi măng hằng năm hiện nay
Cách tái tạo xi măng trong lò hồ quang điện
- Các nhà nghiên cứu Cambridge đã phát triển phương pháp tái chế đồng thời xi măng bằng cách tận dụng lò hồ quang điện dùng trong tái chế thép
- Phương pháp này được công bố trong nghiên cứu Electric recycling of Portland cement at scale đăng trên tạp chí Nature
- Trong tái chế thép truyền thống, chất trợ dung vôi được dùng để loại bỏ tạp chất, và sản phẩm sau xử lý thường trở thành chất thải xỉ
- Khi xi măng thải thay thế chất trợ dung vôi, sản phẩm cuối trở thành xi măng tái chế có thể dùng cho bê tông mới
- Quy trình này giảm lượng chất trợ dung vôi cần dùng và giảm phát thải ở cả hai phía, mà không làm tăng đáng kể chi phí sản xuất bê tông hay thép
Vì sao phát thải từ xi măng lớn
- Bê tông được làm từ cát, sỏi, nước và xi măng; xi măng đóng vai trò chất kết dính
- Dù xi măng chỉ chiếm một phần nhỏ trong bê tông, nó tạo ra gần 90% lượng phát thải của bê tông
- Sản xuất xi măng truyền thống trải qua công đoạn clinker hóa (clinkering), trong đó đá vôi và nguyên liệu được nghiền rồi nung trong lò lớn ở khoảng 1.450°C
- Trong quá trình này, đá vôi bị khử cacbonat thành vôi, phát thải một lượng lớn CO₂
- Trong 10 năm qua, các nhà khoa học đã nghiên cứu cách thay thế khoảng một nửa lượng xi măng trong bê tông bằng các vật liệu thay thế như tro bay, nhưng các vật liệu này cần sự hoạt hóa hóa học của phần xi măng còn lại để đông cứng
- Julian Allwood cho rằng nhu cầu xi măng toàn cầu khoảng 4 tỷ tấn mỗi năm, nên chỉ dựa vào các vật liệu thay thế như vậy thì khó có đủ sản lượng về mặt vật lý
Thí nghiệm kết nối bê tông thải và xỉ luyện thép
- Ý tưởng khởi đầu là: nếu nghiền bê tông cũ, loại bỏ cát và đá rồi nung xi măng, nước sẽ thoát ra và clinker có thể được hình thành lại
- Clinker hóa cần nhiệt và tổ hợp oxit phù hợp; xi măng thải có các thành phần này nhưng cần được tái hoạt hóa
- Nhóm nghiên cứu đã tạo nhiều loại xỉ khác nhau bằng cách thêm chất thải phá dỡ, vôi, alumina và silica, xử lý chúng cùng thép nóng chảy trong EAF của Materials Processing Institute, rồi làm nguội nhanh
- Theo Cyrille Dunant, tổ hợp clinker xi măng và oxit sắt tạo thành xỉ luyện thép dễ tạo bọt và chảy tốt
- Nếu cân bằng thành phần và làm nguội xỉ đủ nhanh, có thể thu được xi măng đã tái hoạt hóa mà không làm tăng chi phí cho quy trình luyện thép
- Loại xi măng tái chế này có hàm lượng oxit sắt cao hơn xi măng truyền thống, nhưng được đánh giá là tác động đến hiệu năng không lớn
Mục tiêu sản xuất 1 tỷ tấn vào năm 2050
- Thử nghiệm gần đây của Materials Processing Institute cho thấy có thể sản xuất ở quy mô lớn xi măng tái chế trong lò hồ quang điện, và đây là lần đầu tiên đạt được điều này
- Quy trình Cambridge Electric Cement đang nhanh chóng mở rộng quy mô
- Đến năm 2050, có thể sản xuất 1 tỷ tấn mỗi năm, tương đương khoảng một phần tư sản lượng xi măng hằng năm hiện nay
- Nếu EAF được vận hành bằng năng lượng tái tạo, phương pháp này về dài hạn có thể dẫn tới sản xuất xi măng không phát thải
- Nhóm nghiên cứu đã nộp đơn xin cấp bằng sáng chế cho quy trình này để hỗ trợ thương mại hóa
Giảm lượng bê tông sử dụng cũng quan trọng như công nghệ
- Allwood nói rằng sản xuất xi măng không phát thải là một “điều kỳ diệu tuyệt đối”, nhưng cũng cần giảm lượng xi măng và bê tông sử dụng
- Ông cho rằng bê tông rẻ, chắc và có thể được sản xuất gần như ở bất cứ đâu, nhưng hiện đang được dùng quá nhiều
- Có thể giảm đáng kể lượng bê tông sử dụng mà không làm giảm độ an toàn, nhưng điều này đòi hỏi ý chí chính trị
- Cambridge Electric Cement không chỉ là một bước đột phá của ngành xây dựng, mà còn có thể là tín hiệu cho thấy cơ hội đổi mới trong quá trình chuyển đổi sang không phát thải không chỉ nằm ở lĩnh vực năng lượng
1 bình luận
Ý kiến trên Hacker News
Điều đáng ngạc nhiên là họ tái chế bê tông bằng lò hồ quang điện cỡ lớn vốn dùng để tái chế thép. Nếu vận hành lò hồ quang bằng điện mặt trời thì có thể tạo ra bê tông không phát thải.
Hiện nay bê tông chiếm 7,5% lượng phát thải carbon do con người tạo ra, nên điều này có thể tạo khác biệt lớn. Lò hồ quang tiêu thụ rất nhiều năng lượng, nhưng nếu điện mặt trời tăng gấp đôi sau mỗi 2 năm thì vào những khung giờ nhất định ban ngày sẽ có lượng điện dư thừa đến mức khó hấp thụ hết, và lò hồ quang là cách phù hợp để tiêu thụ mức giá điện giao ngay âm
Theo https://ourworldindata.org/grapher/electricity-prod-source-s..., tổng điện tái tạo toàn cầu là 10.700TWh năm 2021 và 11.600TWh năm 2023, còn sản lượng thép thô năm 2023 là 1,5 tỷ tấn, trong đó 30% được sản xuất bằng lò điện. Giả sử 20% trong số 30% này đã là điện tái tạo, thì 24%, tức 360 triệu tấn, sẽ cần điện xanh, và 360 triệu × 0,4MWh = 144TWh. Nếu bỏ giả định đó thì vào khoảng 152TWh, nên về lý thuyết, dùng khoảng 1,5% điện tái tạo toàn cầu là có thể thay thế 24% sản lượng thép thô sản xuất bằng lò điện. Vì tốc độ tăng điện tái tạo toàn cầu là +5%, nên về lý thuyết chỉ mất 1 năm để xanh hóa sản xuất thép, và ngay cả khi các con số sai đến 100% thì cũng chỉ ở mức 2 năm. Tuy nhiên, điều đó vô nghĩa nếu mức tăng 5% ấy không đi kèm với việc giảm 5% tiêu thụ than và khí đốt, mà thực tế thì không phải vậy
Ngay cả khi mở rộng quy mô, có lẽ nó cũng chỉ giúp giảm nhẹ con số 7,5%
https://www.eia.gov/todayinenergy/detail.php?id=50357
Có thể khử mặn nước hoặc đào tiền mã hóa, và nếu xuất hiện robot có năng lực ngang con người thì sản xuất mọi thứ có thể tăng vô hạn
Đây là một phát hiện rất hay, nhưng ngay cả hiện nay xi măng đã qua sử dụng cũng không bị đem chôn lấp nguyên trạng.
Phần lớn xi măng trở thành bê tông, và bê tông bị đập nhỏ với nhiều cỡ hạt khác nhau là vật liệu có giá trị, được dùng làm cốt liệu rẻ hơn đá dăm trong xây dựng đường sá và các mục đích khác. Ở nơi tôi sống, nhiều khi thấy quảng cáo bán bê tông nghiền rồi gọi điện thì hàng đã bán mất rồi. Có vẻ vì đất xung quanh chủ yếu là đất sét và cát nên loại vật liệu này luôn thiếu
Phế thải bê tông có giá trị thu hồi ngay tại công trường. Để tái chế theo cách này, trước tiên phải vận chuyển đến nhà máy nghiền, rồi nghiền, tách, và lại chở tới lò nung thì quy trình trong bài báo mới bắt đầu
Phần “nếu làm được thì là chuyện lớn” có vẻ nằm ở việc hoàn nguyên bê tông về thành hồ xi măng đã thủy hóa.
Bài báo khoa học gốc: https://www.nature.com/articles/s41586-024-07338-8
Bài báo viết rằng bột hồ xi măng thu hồi (RCP) hiện chưa được cung cấp ở quy mô thương mại, và giá trị của cốt liệu thu hồi sau cải tiến không đủ cao để bù chi phí xử lý bổ sung, nên hiện tại RCP vẫn bị chôn lấp. Tuy vậy, bài báo cũng nói rằng đã tồn tại bí quyết và công nghệ cần thiết để sản xuất RCP quy mô lớn, đồng thời trích dẫn [22]
22. Thermomechanical beneficiation of recycled concrete aggregates (RCA): https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S095006182...
Nhưng bài báo được trích dẫn không ủng hộ khẳng định rằng đã tồn tại công nghệ tái chế bê tông thành RCP. Bài đó nói về việc loại bỏ vữa bám dính (AM) khỏi cốt liệu bê tông tái chế (RCA)
Thật tốt khi chủ đề này vẫn sống sót sau quá trình gắn cờ của HN.
Cũng mong những nguồn năng lượng phi carbon đầy hứa hẹn khác như địa nhiệt khoan sâu được đem ra thảo luận. Hơi lạc đề một chút, nhưng người bình thường thường ngạc nhiên khi nghe rằng NET-ZERO == MAX-CO2 == MAX-HEAT. Rất dễ nghĩ rằng đạt phát thải ròng bằng 0 là xong nhiệm vụ, nhưng điều thực sự quan trọng là diện tích dưới đường cong, tức tổng lượng CO2/khí nhà kính quy đổi đã đưa vào khí quyển, và chúng tồn tại rất lâu
Hiện tại chúng ta đã tiến gần mức +1.5°C, và nếu nhiệt độ tiếp tục tăng khoảng 0.25~0.3°C mỗi thập kỷ trong điều kiện hiện nay là phát thải duy trì ở trạng thái cao nguyên, thì vào khoảng năm 2050 khi đạt phát thải ròng bằng 0, rất có thể chúng ta sẽ ở trong khoảng +2.5~+3.0°C. Tôi không chắc mức +2.5°C có còn đủ để các quần thể dân số lớn sinh tồn được hay không, nên cuối cùng phải nhìn tới cả những thứ như quản lý bức xạ Mặt Trời (SRM). Ví dụ như đưa các hạt lưu huỳnh lên để tăng lượng mây và giảm ánh sáng Mặt Trời mà đại dương hấp thụ, tạo ra hiệu ứng làm mát ròng. Cho tới gần đây, lưu huỳnh trong nhiên liệu tàu container đã tạo ra hiệu ứng như vậy, nhưng sau đó đã bị quản lý để giảm hàm lượng lưu huỳnh trong nhiên liệu
Cuối cùng, chúng ta đã bước vào mớ hỗn độn này bằng cách địa kỹ thuật một sinh quyển nóng và nhiều CO2, nên có lẽ khi thoát ra cũng sẽ cần tới kỹ thuật. Dù vậy, thật đáng mừng là có nhiều công nghệ có vẻ có thể thay thế nhiên liệu carbon, lưu trữ năng lượng và giảm nhiệt
Thứ hai, phải bảo đảm nguồn tài trợ liên tục. Nếu làm SRM trong 20 năm rồi đột ngột dừng lại, thì mức biến đổi khí hậu tích lũy trong 20 năm sẽ ập tới cùng lúc. Ngoài ra còn cần nỗ lực ngoại giao lớn nhất trong lịch sử loài người để gần như mọi quốc gia đều tham gia. Vì tất cả các nước đều bị ảnh hưởng, nếu không có đồng thuận thì có thể dẫn tới xung đột. Ví dụ, Nga đang kỳ vọng nhiệt độ cao hơn và mùa vụ trồng trọt dài hơn
Một cách khác là đừng xây những thứ sẽ phải phá bỏ sau 10 năm. Một phần đáng kể các tòa nhà bê tông lớn trong đô thị đã bị phá dỡ khi chưa tới 20 năm tuổi, và một số còn biến mất chỉ sau 10 năm
Điều đó khá lãng phí, nên chắc chắn phải có cách tốt hơn nếu có quy hoạch và tầm nhìn xa
Cách làm này là thay chất trợ dung dùng trong tái chế thép bằng bê tông phế thải, để thu được xi măng tái chế thay vì xỉ vô dụng
Đây thực sự là một ý tưởng rất hay, nhưng cần nhớ rằng ngay cả khi toàn bộ sản lượng thép toàn cầu chuyển sang cách này thì tác động lên sản lượng xi măng vẫn sẽ rất nhỏ. Thép vào khoảng 100 triệu tấn/năm, còn xi măng vào khoảng 4 tỷ tấn/năm
https://www.statista.com/statistics/267264/world-crude-steel...
Năm 2022, sản lượng thép thô toàn cầu là khoảng 1,9 tỷ tấn. Tuy vậy, trực giác rằng tác động tới sản xuất xi măng sẽ nhỏ thì đúng
Theo báo cáo này, khi sản xuất thép mới từ quặng thì cần khoảng 270kg đá vôi cho mỗi tấn thép, còn khi tái chế thép trong lò hồ quang điện thì cần 88kg
https://worldsteel.org/wp-content/uploads/Fact-sheet-raw-mat...
Sản lượng thép toàn cầu hiện khoảng 35% là tái chế và 65% là từ quặng. Vì vậy, nghiên cứu lần này của Cambridge áp dụng cho phần thép tái chế có thể thay thế khoảng 59 triệu tấn tiêu thụ đá vôi. So với mức tiêu thụ xi măng toàn cầu tính bằng hàng tỷ tấn thì vẫn nhỏ, nhưng với các địa phương có lò hồ quang điện, nó có thể có ý nghĩa ở quy mô khu vực
Nhóm nghiên cứu Cambridge phát hiện rằng xi măng đã qua sử dụng là một vật thay thế hiệu quả cho chất trợ dung vôi. Nếu vậy thì tôi cảm giác khối bê tông này chỉ được “tái chế” thành vật liệu thay thế trong quá trình sản xuất thép
Cách đó khó mà mở rộng quy mô. Chỉ để xử lý 1% lượng bê tông muốn tái chế thôi cũng có lẽ phải sản xuất thêm một lượng thép khổng lồ
Một cú hack khá ngầu
Sản xuất xi măng là một nguồn đáng kể gây ra phát thải carbon dioxide trên toàn cầu. Thật đáng kinh ngạc khi các phương pháp tái chế xi măng hiệu quả đang được phát triển.