Hướng tới sản xuất xi măng không phát thải CO2 (P2)

>> Hướng tới sản xuất xi măng không phát thải CO2 (P1)

Xi măng hỗn hợp phát thải CO₂ siêu thấp

Hỗn hợp của các vật liệu gốc xi măng, clanhke và các loại phụ gia thay thế clanhke trong xi măng hỗn hợp được xác định bằng thực nghiệm. Tuy nhiên, nhiều loại xi măng hỗn hợp truyền thống vẫn còn xa mục tiêu 60% clinker trong xi măng, theo kịch bản 2°C (2DS) của sáng kiến xi măng bền vững (Cement Sustainability Initiative – CSI). Vì vậy, cần phát triển các loại xi măng hỗn hợp có chứa thành phần thứ ba và loại bỏ hoàn tòan clanhke trong xi măng.  

Các nhà sản xuất xi măng thấp CO₂  

Nhiều công ty đã được xác định là các nhà sản xuất xi măng thấp CO₂, gồm:  

- Các sản phẩm Ecocem dựa trên xỉ hạt lò cao (GGBS): Công ty Ailen tuyên bố mức phát thải CO₂ thấp tới 12kg/tấn cho sản phẩm "Ecocem" không chứa clinker. Sản phẩm này cũng tạo ra loại xi măng CEM III/A, chứa > 50% GGBS, và Ecocem Superfine, sử dụng phụ gia có diện tích bề mặt là 7000 - 8000cm²/g.  

Các Công ty sản xuất các sản phẩm này ở Ireland, Pháp và Hà Lan. 

- Công ty Hofmann Green Cement: có trụ sở tại Pháp, tạo ra một loạt các sản phẩm có hàm lượng CO₂ thấp từ nhiều loại vật liệu khác nhau.

+ H-P2A là chất kết dính geopolymer được tạo ra bằng cách trộn đất sét nung và silicat được kết hợp với các chất hoạt hóa độc quyền của Hofmann.  

+ H-EVA là công nghệ ettringite kích hoạt kiềm kết hợp đất sét nung nhanh, sản phẩm phụ là thạch cao và các chất hoạt hóa của Hofmann.  

+ H-UKR là hỗn hợp dựa trên GGBS, mà Hofmann tuyên bố có lượng khí thải CO₂ thấp hơn 80% so với bê tông truyền thống.   Công ty đang xây dựng nhà máy 0,25 triệu tấn/năm tại địa điểm của nhà máy xi măng hiện có Bornezeau 50.000 tấn/năm hiện vùng Vendée của Pháp và nhà máy thứ hai 0,25 triệu tấn/năm ở khu vực xung quanh Paris, sẽ đi vào hoạt động vào năm 2024.  

- Tập đoàn DB: tiếp thị CemFree tại Vương quốc Anh, một sản phẩm thay thế xi măng siêu ít CO₂, giảm lượng khí thải lên đến 80% so với hỗn hợp thông thường. CemFree là vật liệu kết dính xi măng hoạt tính kiềm độc quyền có tác dụng kích hoạt các vật liệu pozzolanic như GGBS và tro bay nghiền thành bột (PFA). Công ty đã cùng đối tác là bê tông Wolfenden ra mắt bê tông Wolfenden, có lượng khí thải CO₂ thấp hơn 62% so với bê tông truyền thống, vào tháng 2 năm 2021.  

- Celitement, hiện do Schwenk Zement sở hữu 100%: Công ty này tạo ra sản phẩm cùng tên của mình bằng cách đốt nóng các khoáng chất chứa canxi cacbonat và silica trong nồi hấp bão hòa hơi nước (Autoclave) ở nhiệt độ tương đối thấp 150 - 300°C, tạo ra 'bột thô' giàu C-S-H ổn định, có thể hoạt hóa bằng cách nghiền mịn. Lượng CO₂ thấp hơn của Celitement đạt được chủ yếu nhờ nhiệt độ của quy trình chế tạo thấp hơn so với sản xuất xi măng thông thường.  

- BIGBOSS Cement, có trụ sở tại Philippines: sử dụng tro núi lửa làm nguyên liệu, cho phép sản xuất chất kết dính gốc xi măng có lượng CO₂ khoảng 50% lượng khí thải của OPC.  

- Concrene là một Công ty công nghệ nano có trụ sở tại Anh: đã phát triển việc sử dụng graphene (các tấm mỏng của nguyên tử carbon) trong các sản phẩm bê tông. Các đặc tính của graphene làm cho bê tông đóng rắn nhanh hơn, độ bền uốn và nén cao hơn 15 - 20%, giảm nứt và tính kỵ nước rất cao. Lượng khí thải CO₂ thấp hơn của Concrene có nguồn gốc từ việc sử dụng ít clinker hơn để đạt được độ bền tương tự.  

- Đại học Marta Abreu ở Cuba: bắt đầu sản xuất thử nghiệm xi măng LC3 bao gồm clinker, đất sét nung, đá vôi và thạch cao tại nhà máy xi măng. Quy mô sản xuất pilot là 1.460 tấn/năm ở Las Villas vào tháng 10 năm 2020.  

Các sản phẩm CO₂ thấp

Nhiều nhà sản xuất xi măng đã sản xuất và đưa ra thị trường các sản phẩm CO₂ thấp hoặc không phát thải CO₂, bao gồm: 

 - LafargeHolcim: đã giới thiệu sản phẩm EcoLabel của mình với lượng khí thải CO₂ thấp hơn ít nhất 30% so với mức trung bình hoặc có chứa nhiều hơn 20% hàm lượng vật liệu tái chế. Họ cũng đã tung ra các sản phẩm bê tông xanh ECOPact tại Canada, Colombia, Ecuador, Pháp, Đức, Mexico, Thụy Sĩ, Anh và Mỹ. Các sản phẩm này cho phép giảm phát thải CO₂ từ 30 - 100% so với sử dụng CEM I. Đối với mức giảm 70 - 100% phát thải CO₂, Công ty sử dụng các phương án bù đắp để bù đắp lượng CO₂ vẫn không thể tránh khỏi trong quá trình sản xuất clinker. Công ty cũng đã tung ra sản phẩm xi măng Susteno của mình ở châu Âu. Họ tuyên bố, đây là sản phẩm xi măng duy nhất có chứa hạt hỗn hợp bột mịn từ các tòa nhà bị phá dỡ làm phụ gia.  

- Cementir Holding: đã phát triển FutureCemTM của mình bằng công nghệ sử dụng clinker, đất sét nung và đá vôi. Điều này cho phép loại bỏ hơn 40% clinker khỏi hỗn hợp và giảm 30% lượng khí thải CO₂. Sản phẩm đã được sử dụng hoàn toàn trong các dự án cơ sở hạ tầng ở Châu Âu.  

- Cemex: hiện đang tung ra sản phẩm bê tông Vertua^® không CO₂ trên toàn Thế giới sau khi phát hành tại Châu Âu. Sản phẩm, hiện đã được sử dụng trong các dự án cơ sở hạ tầng ở Châu Âu, sử dụng giải pháp chất kết dính geopolymer do Trung tâm Nghiên cứu và Phát triển của Cemex ở Thụy Sĩ tạo ra. Giải pháp này giảm lượng khí thải CO₂ lên đến 70%. Việc bù đắp lượng CO₂ còn lại đạt được bằng cách tham gia vào các dự án trồng rừng và trong các sáng kiến khác.  

- HeidelbergCement: đã phát triển i.tech 3D (Hỗn hợp bê tông cho in 3D), một hỗn hợp bê tông đặc biệt ít CO₂ được phát triển cho việc in 3D các tòa nhà. Sản phẩm này hiện đang được sử dụng để xây dựng cấu trúc in 3D lớn nhất từ trước đến nay của châu Âu, ở Bavaria, Đức. Công ty con Hanson của HeidelbergCement tiếp thị chất kết dính dựa trên GGBS ở Anh dưới thương hiệu Regen. Vào tháng 2/2021, Công ty con Lehigh Hanson đã ra mắt EcoCem Plus, được sản xuất tại nhà máy xi măng Edmonton ở Alberta, Canada. Sản phẩm là xi măng đá vôi Portland hỗn hợp (PLC) bao gồm clinker, tro bay, đá vôi và thạch cao, với lượng khí thải CO₂ thấp hơn 22% so với xi măng tiêu chuẩn.  

- Cementos Argos: thông báo hoàn thành dây chuyền sản xuất đất sét nung 0,45Mt/năm mới tại nhà máy Rio Claro ở Colombia vào tháng 2/2020. Sản phẩm này được Cementos Argos sử dụng để sản xuất xi măng hỗn hợ 3 cấu tử với lượng khí thải CO₂ thấp hơn 38% so với OPC. Tiêu thụ năng lượng cũng được cắt giảm 30%, mang lại lợi ích thứ cấp về giảm lượng khí thải CO₂ bên ngoài cơ sở sản xuất.  

- Cimpor Global Holdings: đang xây dựng một nhà máy nung đất sét tích hợp với nhà máy xi măng Kribi ở Cảng Kribi thuộc Nam Cameroon. Hệ thống do Thyssenkrupp Industrial Solutions cung cấp, nung đất sét ở 800°C. Sau đó, đất sét nung được thay thế cho một phần ba lượng clinker trong CEM I, làm giảm hệ số clinker của xi măng thành phẩm đến 40%.  

Năng lượng tái tạo  

Do nhu cầu cao về năng lượng nhiệt và bản chất của quá trình sản xuất clinker, phát thải từ việc sử dụng điện tại các nhà máy xi măng thường bị bỏ qua. Tuy nhiên, lượng phát thải CO₂ liên quan đến sản xuất điện vẫn chiếm khoảng 10 - 15% tổng lượng phát thải trong sản xuất xi măng. Do đó, giảm thiểu phát thải từ điện là điều cần thiết đối với các nhà sản xuất để giảm phát thải CO₂ ròng.

Ở nhiều thị trường, điện gió và điện mặt trời rẻ hơn so với năng lượng hóa thạch, năng lượng hạt nhân và các nhà máy địa nhiệt về chi phí cho mỗi MWh. Điều đó đã làm nghiêng cán cân giữa các loại năng lượng điện và có lợi cho việc đầu tư phát điện sử dụng năng lượng tái tạo của nhiều nhà máy xi măng. Các tấm pin mặt trời hoặc tua-bin có thể được lắp đặt ở các mỏ đá cũ, trên mái nhà hoặc các nơi khác. Ngoài ra, các nhà sản xuất xi măng có thể thỏa thuận với nhà cung cấp điện về cung cấp năng lượng tái tạo. Các dự án và hợp đồng từ tháng 1/2020 đến tháng 2/2021 được thể hiện trong Bảng 1.

Bảng 1: Tóm tắt các dự án/hợp đồng điện mặt trời và điện gió do các nhà sản xuất xi măng công bố từ tháng 1/2020 đến tháng 2/2021

Ghi chú:  

(*) Trạm điện mặt trời nổi  
(**) Tổng lượng điện mặt trời được cung cấp  
(***) 50% nhu cầu điện của nhà máy  
(****) Bao gồm cả điện mặt trời và điện gió  

Mặc dù có lợi thế về chi phí và tính bền vững, nguồn cung cấp điện từ gió và năng lượng mặt trời được dự đoán thấp hơn đáng kể so với nguồn năng lượng thông thường. Điều này dẫn đến cung và cầu điện tái tạo không khớp tại nhà máy, buộc nhà máy phải điều chỉnh mua và bán điện theo từng thời điểm. Đây là một giải pháp thiết thực nhưng sẽ không đạt yêu cầu khi tỷ trọng năng lượng tái tạo tăng lên. Để mang lại sự độc lập hơn, trong khi vẫn đảm bảo lợi ích CO₂ do năng lượng tái tạo mang lại, các nhà máy xi măng đã có nhiều nghiên cứu trong lĩnh vực lưu trữ năng lượng trung gian, đặc biệt là trong thời gian dài. Các giải pháp tiềm năng bao gồm: pin có kích thước khác nhau và hóa chất; lưu trữ trọng lực: Một vật nặng được nâng lên bằng năng lượng điện và sau đó hạ xuống một cách có kiểm soát để tạo ra điện; pin nhiệt: Nhiệt được truyền tới các khối bê tông, khối gốm, đá cuội hoặc thỏi nhôm lớn; Kho lưu trữ động học bao gồm các bánh đà lớn; Điện phân nước bằng cách sử dụng điện tái tạo để sản xuất hydro và oxy. Chúng được lưu trữ và sau đó được đốt cháy để cung cấp nhiệt.

Các nhà sử dụng điện công nghiệp lưu trữ điện trong các hệ thống kết hợp như vậy sẽ tạo ra một lưới điện siêu nhỏ (Microgrid). Trong lĩnh vực xi măng, việc này đang là một khái niệm và vấn đề lưu trữ điện sẽ là mảnh ghép cuối cùng của câu đố. Đến giai đoạn 2050, các hệ thống lưu trữ điện có thể sẽ phổ biến và mở rộng để cung cấp điện cho máy khai thác đá, các phương tiện vận tải.

(TS. Lương Đức Long, TTK Hiệp hội Xi măng Việt Nam dịch)
ximang.vn