Cuộc đua công nghệ giảm phát thải trong ngành xi măng toàn cầu

Xi măng là vật liệu nền tảng của hạ tầng hiện đại, được sử dụng rộng rãi trong nhà ở, cầu đường, bệnh viện và nhiều dự án xây dựng quy mô lớn. Tuy nhiên, ngành xi măng cũng được xem là một trong những lĩnh vực công nghiệp có lượng phát thải carbon cao trên toàn cầu. Áp lực giảm phát thải đang thúc đẩy làn sóng đổi mới công nghệ trong sản xuất xi măng, với nhiều giải pháp mới được nghiên cứu nhằm giảm lượng CO₂ trong toàn bộ chuỗi giá trị của ngành.

Xi măng trở thành thách thức lớn trong mục tiêu giảm phát thải

Xi măng giữ vai trò trung tâm trong quá trình phát triển đô thị và xây dựng cơ sở hạ tầng trên toàn thế giới. Từ nhà ở, cầu đường đến bệnh viện và các công trình quy mô lớn, vật liệu này gần như không thể thiếu trong hoạt động xây dựng.

Song song với vai trò quan trọng đó, ngành xi măng đang đối mặt với áp lực lớn từ mục tiêu giảm phát thải khí nhà kính. Theo nhiều nghiên cứu quốc tế, sản xuất xi măng và bê tông hiện chiếm khoảng 7 - 8% tổng lượng phát thải CO₂ toàn cầu.

Nguyên nhân chính xuất phát từ bản chất của quá trình sản xuất clinker. Trong quy trình này, đá vôi và các nguyên liệu khác phải được nung ở nhiệt độ trên 1.400°C. Quá trình này tiêu thụ lượng năng lượng rất lớn. Đồng thời phản ứng hóa học xảy ra trong quá trình nung đá vôi cũng trực tiếp giải phóng CO₂.

Lò quay nung clinker trong quá trình vận hành, công đoạn quan trọng trong sản xuất xi măng portland. Bột liệu được nung ở nhiệt độ có thể vượt 1.450°C để hình thành các hạt clinker trước khi được làm nguội và nghiền cùng thạch cao tạo thành xi măng.

Điều này cho thấy phát thải trong ngành xi măng không chỉ đến từ nhiên liệu sử dụng trong lò nung mà còn xuất phát từ chính phản ứng hóa học của quá trình sản xuất. Vì vậy, xi măng được xem là một trong những lĩnh vực công nghiệp khó giảm phát thải nhất hiện nay.

Giảm tỷ lệ clinker là hướng đi quan trọng

Trước thách thức đó, nhiều giải pháp đang được nghiên cứu nhằm giảm lượng phát thải trong sản xuất xi măng. Một trong những hướng tiếp cận quan trọng là giảm tỷ lệ clinker trong thành phần xi măng.

Clinker hiện là thành phần tạo ra phần lớn lượng phát thải trong chuỗi sản xuất xi măng. Do đó việc thay thế một phần clinker bằng các vật liệu bổ sung có thể giúp giảm đáng kể lượng CO₂ trên mỗi tấn xi măng.

Trong bối cảnh này, nhiều công thức phối trộn mới đang được phát triển nhằm duy trì độ bền và độ ổn định của xi măng trong khi giảm dấu chân carbon. Điểm đáng chú ý là các giải pháp này được thiết kế để có thể tích hợp vào hệ thống sản xuất hiện có mà không đòi hỏi thay đổi toàn bộ cơ sở hạ tầng của nhà máy.

Một trong những hướng công nghệ nhận được nhiều sự quan tâm là xi măng đá vôi đất sét nung (LC3). Công nghệ này kết hợp đá vôi và đất sét nung để thay thế một phần clinker trong sản xuất xi măng. LC3 được đánh giá có tiềm năng mở rộng quy mô tại nhiều quốc gia do nguồn nguyên liệu tương đối phổ biến. Đồng thời công nghệ này cho phép các nhà máy xi măng tận dụng một phần hạ tầng hiện có, từ đó giảm chi phí đầu tư chuyển đổi.

Băng tải vận chuyển vật liệu từ hệ thống LC3, công nghệ xi măng đá vôi đất sét nung giúp giảm tỷ lệ clinker và góp phần giảm phát thải CO₂ trong sản xuất xi măng.

Theo hãng tin Reuters, hiện đã có hơn 60 công ty công nghệ mới trên thế giới đang tham gia phát triển các giải pháp xi măng phát thải thấp, bao gồm xi măng sinh học, vật liệu sử dụng đất sét nung và các công nghệ thu giữ carbon. Điều này cho thấy quá trình đổi mới công nghệ trong ngành xi măng đang diễn ra mạnh mẽ hơn trong bối cảnh áp lực giảm phát thải ngày càng gia tăng.

Nhiều hướng công nghệ mới nhằm giảm phát thải CO₂

Bên cạnh các giải pháp giảm tỷ lệ clinker, một số công ty đang thử nghiệm những phương pháp sản xuất hoàn toàn mới.

Một hướng nghiên cứu đáng chú ý là xi măng sinh học. Thay vì dựa vào nhiệt độ cực cao như trong quy trình truyền thống, một số đơn vị đang khai thác các quá trình sinh học sử dụng vi sinh vật để tạo ra vật liệu kết dính. Các phản ứng này có thể diễn ra trong điều kiện nhiệt độ thấp hơn, qua đó giúp giảm nhu cầu năng lượng và hạn chế phát thải carbon.

Tuy vậy, các vật liệu mới trong xây dựng phải đáp ứng nhiều tiêu chuẩn khắt khe về cường độ, độ bền và độ an toàn trước khi được áp dụng rộng rãi. Vì vậy quá trình thương mại hóa những công nghệ này thường diễn ra từng bước.

Trong giai đoạn đầu, các vật liệu mới có thể được sử dụng cho những ứng dụng ít yêu cầu hơn như gạch, khối xây hoặc mặt đường trước khi mở rộng sang các công trình kết cấu lớn.

Song song với việc phát triển vật liệu mới, nhiều doanh nghiệp trong ngành cũng tập trung cải tiến quy trình sản xuất hiện tại. Các giải pháp phần mềm và trí tuệ nhân tạo đang được sử dụng để tối ưu vận hành lò nung, giảm tiêu hao nhiên liệu và hạn chế phát sinh khí thải.

Những cải tiến nhỏ về hiệu suất có thể mang lại tác động lớn bởi ngành xi măng sản xuất hàng tỷ tấn vật liệu mỗi năm. Khi được áp dụng ở quy mô toàn cầu, ngay cả mức giảm phát thải nhỏ cũng có thể tạo ra hiệu quả đáng kể.

Công nghệ thu giữ carbon cũng đang nổi lên như một giải pháp quan trọng. Trong trường hợp clinker vẫn tiếp tục được sử dụng ở quy mô lớn, việc thu giữ CO₂ phát sinh trong quá trình sản xuất có thể trở thành một trong những con đường quan trọng để giảm phát thải của ngành.

Hiện chưa có một giải pháp duy nhất có thể thay thế hoàn toàn xi măng truyền thống. Xu hướng trong thời gian tới nhiều khả năng sẽ là sự kết hợp của nhiều hướng tiếp cận khác nhau, bao gồm giảm tỷ lệ clinker, nâng cao hiệu suất sản xuất, phát triển vật liệu kết dính mới và áp dụng công nghệ thu giữ carbon.

Trong dài hạn, quá trình chuyển đổi này không chỉ tác động tới các nhà máy xi măng mà còn có thể ảnh hưởng đến chi phí xây dựng, quyết định đầu tư cũng như cách các công trình hạ tầng được thiết kế và triển khai trong tương lai.

Cem.Info