Một cuộc cách mạng xanh rất cần thiết trong sản xuất xi măng

Xi măng là vật liệu thiết yếu trong thế giới hiện đại ngày nay. Nó xây dựng nhà cửa, văn phòng, cầu, đập, đường sá và vỉa hè của chúng ta. Mỗi năm, chúng ta sản xuất hơn bốn tỷ tấn xi măng trên toàn cầu từ khoảng 4.000 nhà máy, tạo ra 30 tỷ tấn bê tông, ứng dụng phổ biến nhất của nó.

Tuy nhiên, sản xuất xi măng là thủ phạm chính gây ra carbon. Nó chịu trách nhiệm cho 7% lượng khí thải toàn cầu. Nếu ngành công nghiệp xi măng là một quốc gia, nó sẽ được xếp hạng là quốc gia phát thải lớn thứ tư, ngang bằng với Nga và chỉ đứng sau Trung Quốc, Hoa Kỳ và Ấn Độ.

Lượng khí thải từ xi măng gần bằng lượng khí thải từ ngành công nghiệp thép. Điều này khiến xi măng và thép trở thành những ngành công nghiệp gây ô nhiễm hàng đầu. Không giống như thép, nơi công nghệ có thể thay đổi cơ bản quy trình sản xuất và loại bỏ hầu hết mọi khí thải, sản xuất xi măng vốn có lượng CO2 lớn. Quá trình chuyển đổi hóa học nguyên liệu thô thành xi măng thải ra CO2 và không có cách nào khác, với ‘lượng khí thải trong quá trình’ này chiếm tới 60% tổng lượng khí thải. 40% còn lại đến từ nhiệt độ cao cần thiết (khoảng 1450°C), thường đạt được bằng cách đốt than hoặc chất thải nhựa.

Vậy, các công ty xi măng có thể làm gì để cắt giảm khí thải và phải trả giá như thế nào? May mắn thay, có những giải pháp. Họ có thể thu giữ và lưu trữ CO2 vĩnh viễn hoặc chuyển sang các nguồn nhiệt bền vững hơn. Chúng tôi sẽ đi sâu vào các trường hợp kinh doanh này trong bài viết này.

Theo Cơ quan Năng lượng Quốc tế, sản lượng xi măng dự kiến sẽ tăng 17% vào năm 2050 theo các chính sách hiện tại. Ngay cả trong kịch bản Nền kinh tế Không phát thải ròng của họ, mức sản xuất vẫn gần với mức hiện tại, làm nổi bật thực tế là xi măng và bê tông sẽ tiếp tục giữ vai trò hiện tại là vật liệu xây dựng quan trọng.

Đổi lại, chúng tôi chỉ khám phá các cách để xanh hóa sản xuất xi măng và bê tông trong bài viết này. Hiện tại, chúng tôi không đi sâu vào các cách giảm nhu cầu về xi măng, ví dụ như thay thế bê tông bằng gỗ trong các tòa nhà hoặc tối ưu hóa thiết kế của các tòa nhà.

CCS: Tầm quan trọng của việc thu giữ và lưu trữ Carbon

Việc triển khai thu giữ và lưu trữ carbon (CCS) là điều không thể tránh khỏi nếu không có các công nghệ mới có thể thay đổi cơ bản quá trình hóa học của quá trình sản xuất xi măng. Do đó, CCS là một phần không thể thiếu của bất kỳ kịch bản khử cacbon nào cho ngành này và có thể áp dụng cho cả quá trình và khí thải nhiệt.

CCS có thể giảm lượng khí thải xi măng khoảng 85%, dựa trên các giả định và tính toán của chúng tôi, đây là một thành tựu lớn. Ngoài ra, nó làm tăng chi phí sản xuất xi măng một cách không đáng kể – khoảng 10% trong trường hợp tham chiếu của chúng tôi, trong đó CO2 có thể được vận chuyển qua đường ống và được lưu trữ trong phạm vi 150 km. Đối với nhiều nhà máy xi măng, CCS sẽ là giải pháp khử cacbon có tác động và hiệu quả nhất về mặt chi phí.

Việc thu giữ và lưu trữ khí thải CO2, cùng với việc sử dụng nhiên liệu sưởi ấm sạch hơn, có thể làm giảm đáng kể lượng khí thải, mặc dù mỗi cách đều có chi phí khác nhau

Lượng khí thải chỉ định và chi phí sản xuất clinker

Nguồn: Nghiên cứu ING

Tại sao CCS sẽ không phải là giải pháp tức thời cho mọi nhà máy xi măng

Chi phí thu giữ và lưu trữ carbon thay đổi đáng kể tùy thuộc vào vị trí của địa điểm, và các cơ sở sản xuất xi măng thường phân tán rộng rãi trên khắp một quốc gia hoặc khu vực.

Ví dụ, Châu Âu có khoảng 300 nhà máy. Một số trong số này nằm gần bờ biển, cho phép vận chuyển CO2 đến các địa điểm lưu trữ ngoài khơi thông qua đường ống. Các tính toán của chúng tôi giả định rằng CO2 có thể được vận chuyển ‘rẻ’. Chúng tôi giả định vận chuyển qua đường ống đến một địa điểm lưu trữ ngoài khơi trong phạm vi tối đa 150 km, điều này khả thi đối với các quốc gia như Na Uy, Vương quốc Anh và Hà Lan. Hiện tại, các đường ống CO2 đang được phát triển tại các cụm công nghiệp lớn ở các quốc gia này, cho phép các nhà máy xi măng ở những khu vực này được hưởng lợi từ chi phí vận chuyển thấp hơn. Các địa điểm này có khả năng là những nơi đầu tiên áp dụng công nghệ CCS.

Nhiều nhà máy nằm sâu trong đất liền – xa các cụm công nghiệp có đường ống CO2, nhưng gần sông, cho phép vận chuyển CO2 bằng tàu. Tuy nhiên, phương pháp này đắt hơn đáng kể, đặc biệt là đối với khoảng cách lên tới 500 km. Các địa điểm này cũng có thể áp dụng công nghệ CCS khi có các cảng nơi tàu có thể dỡ hàng CO2.

Ngoài ra, còn có các nhà máy xi măng nằm sâu trong đất liền, không có lựa chọn khả thi nào cho việc vận chuyển CO2 qua đường ống hoặc tàu, ngay cả trong tương lai. Trong những trường hợp như vậy, CO2 có thể được vận chuyển bằng xe tải, nhưng điều này sẽ làm tăng thêm chi phí và lượng khí thải carbon vì nó tạo ra nhiều chuyển động của xe tải. CCS sẽ không được áp dụng dễ dàng hoặc nhanh chóng tại các địa điểm này.

Nhìn chung, chi phí để thu giữ, vận chuyển và lưu trữ vĩnh viễn một tấn carbon từ quá trình sản xuất xi măng dao động từ 50 euro đến 200 euro, tùy thuộc vào vị trí địa điểm và phương thức vận chuyển (chi phí thấp đối với đường ống, chi phí cao đối với tàu thủy).

Chuyển đổi nguồn nhiệt

Hydro xanh rất mạnh mẽ – nhưng cũng quá tốn kém và quý giá

Sử dụng hydro làm nhiên liệu là một cách để đạt được nhiệt độ cao cần thiết cho sản xuất xi măng. Về mặt lý thuyết, hydro xanh có thể thay thế than và chất thải làm nguồn nhiệt. Mặc dù điều này không làm giảm lượng khí thải trong quá trình (CCS là bắt buộc đối với điều này), nhưng nó sẽ cắt giảm tổng lượng khí thải của xi măng xuống một phần ba vì bản thân quá trình gia nhiệt sẽ không thải ra CO2.

Tuy nhiên, có những nhược điểm đáng kể khi sử dụng hydro xanh trong ngành xi măng. Hiện tại, nó sẽ làm tăng gần gấp đôi chi phí sản xuất xi măng. Công nghệ này vẫn chưa được thử nghiệm và không có đủ hydro xanh trong tương lai gần để đáp ứng nhu cầu năng lượng khổng lồ của ngành.

Hơn nữa, hydro xanh là một nguồn tài nguyên cực kỳ có giá trị có thể được sử dụng hiệu quả hơn để khử cacbon cho các ngành khác. Trong các ngành công nghiệp như sản xuất thép, vận chuyển và hàng không, hydro xanh có tiềm năng chuyển đổi các quy trình thâm dụng cacbon thành các hoạt động không sử dụng nhiên liệu hóa thạch. Ví dụ, nó có thể được sử dụng để sản xuất nhiên liệu tổng hợp cho tàu, máy bay và xe tải hoặc để loại bỏ than trong sản xuất thép.

Những ứng dụng của hydro xanh này có tính chuyển đổi cao hơn nhiều so với việc chỉ thay thế nhiên liệu hóa thạch trong khi vẫn giữ nguyên quy trình sản xuất xi măng. Các ngành công nghiệp khác có thể sẽ phải trả giá cao hơn cho hydro xanh do đó. Do đó, chúng tôi tin rằng hydro sẽ phát triển nhanh hơn trong các lĩnh vực sử dụng nhiều năng lượng khác.

Những bước nhỏ, tác động lớn; những cải thiện nhỏ quan trọng

Cho đến nay, chúng tôi đã khám phá các giải pháp triệt để nhất để giảm phát thải. May mắn thay, cũng có những bước nhỏ hơn, gia tăng dần có thể tạo ra sự khác biệt. Mặc dù các biện pháp này có thể không cắt giảm được hàng chục phần trăm lượng khí thải tại mỗi nhà máy, nhưng việc áp dụng rộng rãi chúng trên tất cả các nhà máy có thể tác động đáng kể đến tổng lượng khí thải của ngành. Chắc chắn, chúng không loại bỏ nhu cầu thu giữ và lưu trữ carbon – nhưng chúng hạn chế mức độ cần thiết của CCS.

Quy trình sản xuất xi măng hầu như không thay đổi so với khi nó mới được phát triển, ngoại trừ việc tăng hiệu suất năng lượng. Các lò nung xi măng truyền thống đã đạt được hiệu suất năng lượng hơn 60% và không có khả năng nâng cấp đáng kể, nhưng ở cấp độ nhà máy có thể có chỗ để cải thiện. Có thể đạt được lợi nhuận lớn hơn bằng cách sử dụng nhiệt dư trong các quy trình công nghiệp khác hoặc để sưởi ấm nhà bằng cách xây dựng lưới sưởi ấm.

Sử dụng ít clinker hơn

Xi măng Portland là loại xi măng được sử dụng nhiều nhất và có hàm lượng clinker là 95%. Clinker có thể được thay thế một phần bằng các vật liệu xi măng bổ sung, như tro bay từ các nhà máy điện than và xỉ lò cao từ sản xuất thép. Sự thay thế này làm giảm tỷ lệ clinker, cắt giảm mức sử dụng năng lượng và tránh một số khí thải vốn có trong quá trình sản xuất clinker. Tuy nhiên, khi các ngành điện và thép ở Châu Âu chuyển hướng khỏi than, các nguyên liệu thay thế này sẽ trở nên ít sẵn có hơn.

Đồng xử lý sinh khối

Các sản phẩm than và chất thải là nhiên liệu phổ biến nhất để tạo ra nhiệt quy trình trong sản xuất xi măng. Sinh khối cũng có thể được sử dụng để đốt chung, mặc dù việc thay thế hoàn toàn sinh khối là một thách thức về mặt kỹ thuật do giá trị calo thấp hơn của hầu hết các vật liệu hữu cơ. Sinh khối có nguồn gốc bền vững được coi là nhiên liệu không phát thải theo các hướng dẫn hiện hành, do đó làm giảm lượng khí thải carbon của xi măng. Nhưng ở đây, cũng giống như hydro xanh, sinh khối có thể mang lại nhiều giá trị hơn trong việc xanh hóa các ngành sử dụng nhiều năng lượng khác. Vì vậy, khi chúng ta hướng tới nền kinh tế không phát thải ròng, chúng tôi dự kiến việc sử dụng sinh khối trong ngành xi măng sẽ bị hạn chế bởi nhu cầu cao ở các ngành khác.

Áp dụng các nguyên tắc kinh tế tuần hoàn

Việc áp dụng các nguyên tắc kinh tế tuần hoàn có thể làm giảm đáng kể nhu cầu về xi măng. Điều này bao gồm việc tối ưu hóa các thiết kế kết cấu để sử dụng ít bê tông hơn, tạo ra cơ sở hạ tầng có thể dễ dàng tháo rời để tái sử dụng và tái chế, và thay thế bê tông bằng các vật liệu không phát thải CO2 như gỗ. Một chủ đề quan trọng và thú vị – nhưng chúng tôi sẽ không đi sâu vào trong bài viết này vì chủ đề này tập trung vào việc xanh hóa sản xuất xi măng.

Xanh hóa bê tông – biến xi măng thành bể chứa carbon

Trong khi phản ứng hóa học của xi măng vốn tạo ra CO2, phản ứng tương tự cũng có thể được sử dụng theo thứ tự ngược lại để lưu trữ CO2 trong bê tông, sản phẩm cuối cùng chính của xi măng. Việc tiêm CO2 trong quá trình sản xuất bê tông bao gồm việc đưa CO2 thu được vào hỗn hợp bê tông. Quá trình hóa học này nhúng CO2 vĩnh viễn vào bê tông.

Các công ty như CarbonCure có thể lưu trữ tới 18 kg CO2 trên một mét khối bê tông. Đây vẫn chỉ là một phần rất nhỏ trong số 350 kg CO2 phát sinh khi sử dụng xi măng không giảm phát thải trong bê tông (tùy thuộc vào loại xi măng và hỗn hợp bê tông, lượng khí thải dao động từ 250 đến 400 kg). Nhưng con số này giảm xuống còn khoảng 50 kg CO2 nếu CO2 được thu giữ và lưu trữ trong quá trình sản xuất xi măng.

Vì vậy, việc tiêm CO2 vào bê tông, cùng với CCS trong sản xuất xi măng, có thể cung cấp các giải pháp mới và khả năng xi măng và bê tông trung tính carbon trong tương lai. Lượng khí thải còn lại có thể được bù đắp trong các thị trường carbon tự nguyện (32 kg CO2 trên một tấn bê tông trong ví dụ của chúng tôi).

Chiến lược hướng tới bê tông trung tính carbon

Tác động chỉ định của các biện pháp giảm CO2 tính bằng kilôgam CO2 trên một tấn bê tông

Nguồn: Nghiên cứu ING

Ngành công nghiệp xi măng còn một chặng đường dài để đạt được mức trung hòa carbon, và cả việc phun CO2 và CCS đều phải đối mặt với những thách thức đáng kể. Những công nghệ này vẫn còn trong giai đoạn sơ khai và đi kèm với chi phí cao – tức là nếu chúng có sẵn.

Đổi mới trong chuỗi cung ứng xi măng và nghiên cứu sâu hơn là rất quan trọng để đảm bảo rằng bê tông phun CO2 đáp ứng các tiêu chuẩn và quy định xây dựng tại địa phương. Các dự án thí điểm có thể giúp xây dựng trường hợp kinh doanh cho bê tông trung hòa carbon, giúp nó có thể mở rộng quy mô và tiết kiệm chi phí. Hiện tại, nhu cầu không phải là vấn đề; các nhà phát triển và nhà đầu tư hàng đầu sẵn sàng xây dựng các tòa nhà phát thải ròng bằng không và trả phí bảo hiểm cho điều đó, đặc biệt là ở các thị trường cao cấp. Và các nhà hoạch định chính sách cần đạt được các mục tiêu phát thải của họ, trong đó xi măng chiếm một phần đáng kể. Điều này gây áp lực cho các nhà sản xuất xi măng và các nhà hoạch định chính sách phải xanh hóa ngành công nghiệp từng địa điểm một.

Phụ lục: giải thích về công nghệ xi măng của một nhà kinh tế

Quá trình sản xuất xi măng bắt đầu bằng việc chuẩn bị nguyên liệu thô – đá vôi, sỏi và đất sét, sau đó nghiền thành bột mịn. Clinker xi măng sau đó được sản xuất bằng cách cho đá vôi đã chuẩn bị vào lò nung xi măng ở nhiệt độ khoảng 1450 độ C. Điều này cho phép nung đá vôi thành xi măng và CO2. CO2 được thải ra khí quyển hoặc được thu giữ và lưu trữ vĩnh viễn bằng CCS.

Sản xuất xi măng có và không có CCS

Nguồn: Nghiên cứu ING

Giả định kinh tế được giải thích

Chi phí được tính toán theo quan điểm của Tây Bắc Âu và dựa trên nhiều giả định về kinh tế và hóa học. Chúng tôi liệt kê các giả định kinh tế chính của mình tại đây: giá khí đốt là 35 euro/MWh, giá điện là 85 euro/MWh, giá carbon là 65 euro/tấn với giá carbon đầy đủ (không có trợ cấp miễn phí) và giá than là 110 euro/tấn.

Chúng tôi đã áp dụng chi phí công nghệ là 21 euro/tấn/năm cho một lò nung xi măng hoạt động 95% thời gian (hệ số công suất). CO2 được thu giữ và vận chuyển qua các đường ống dài hơn 150 km để được lưu trữ cố định tại một mỏ dầu hoặc khí đốt ngoài khơi. Chúng tôi đã giả định tổng chi phí để thu giữ, vận chuyển và lưu trữ CO2 là 100 euro/tấn và tỷ lệ thu giữ CCS được đặt ở mức 85%.

Chúng tôi sử dụng máy điện phân kiềm do phương Tây sản xuất có giá khoảng 1.000€/kW và hoạt động với hiệu suất 70% và tỷ lệ công suất 70%. Điều này giúp tạo ra hydro xanh có giá khoảng 5€/kg với giá điện là 85€/MWh.

Trên thực tế, tất cả các biến đầu vào này đều cho thấy sự thay đổi đáng kể, mang lại nhiều kết quả khác nhau cho mọi công nghệ. Chúng tôi đã chọn trình bày các ước tính điểm vì chúng thường nắm bắt được những hiểu biết chính tốt hơn so với các phạm vi rộng. Hãy coi những con số này là kết quả mang tính chỉ dẫn mà các dự án thời gian thực sẽ thay đổi xung quanh.

Lưu ý này là một phần của loạt bài đang diễn ra xoay quanh việc xanh hóa các ngành khó giảm thiểu. Vui lòng tìm các bản cập nhật khác của chúng tôi về ngành thép , nhựa , hàng không và vận chuyển tại đây.