Điểm yêu thích của Bernd Soboll tại nơi làm việc của ông — một nhà máy xi măng cách Hamburg 30 dặm về phía bắc — là một bệ ngoài trời cao gần 300 ft. Từ đây, người quản lý xây dựng có thể nhìn thấy tất cả các bước tạo nên vật liệu giúp thế giới hiện đại trở nên khả thi — đường sá, cầu cống, sân bay, nhà cửa và tòa nhà chọc trời.
Gần đường chân trời, một máy đào gầu đào qua một mỏ đá vôi. Từ đó, phấn được vận chuyển đến một nhà máy sấy, sau đó được trộn và nghiền thành bột mịn. Cái gọi là “bột thô” này sau đó được bơm lên tòa tháp lớn giữ đài quan sát. Trong khi rơi trở lại trong các ống lớn, phấn được nung nóng cho đến khi nó đi vào lò nung quay đạt tới 1.500 độ C.
Xi măng — một loại bột màu xám đóng vai trò như một chất kết dính khi trộn với cát, sỏi và nước — là thành phần chính của bê tông, vật liệu nhân tạo được sử dụng rộng rãi nhất trên thế giới. Đây cũng là một trong những vấn đề gây nhiều tranh cãi nhất về mặt khí hậu. Kể từ những ngày đầu của cuộc cách mạng công nghiệp, than đá và các nhiên liệu hóa thạch khác đã được sử dụng để nung nóng lò nung xi măng lên tới 1.500 độ. Và khi đá vôi được đốt để tạo thành clinker, tiền chất của xi măng, nó giải phóng carbon dioxide vào khí quyển. Hàng ngàn nhà máy trên khắp thế giới sản xuất khoảng 4 tỷ tấn xi măng mỗi năm, tạo ra từ 5 đến 8 phần trăm lượng khí thải nhà kính toàn cầu, một phần lớn hơn toàn bộ ngành hàng không.
Đối với các nhà sản xuất xi măng, việc tìm ra cách giảm lượng khí thải carbon ngay cả khi nhu cầu tăng cao không thể diễn ra sớm được.
“Chúng tôi đang thải ra gần 1 triệu tấn CO2 mỗi năm từ nhà máy của mình” tại Lägerdorf, Soboll cho biết. Nhưng có lẽ sẽ không còn lâu nữa. Tháng 4 năm ngoái, Holcim, chủ sở hữu nhà máy và là một trong những công ty vật liệu xây dựng lớn nhất thế giới, đã khởi công một dự án có chi phí lên tới hàng trăm triệu đô la Mỹ và đặt mục tiêu chuyển đổi khuôn viên Lägerdorf, vào năm 2028, thành một trong những nhà máy xi măng trung hòa carbon đầu tiên trên thế giới bằng cách thu giữ lượng khí thải CO2 của mình.
Các nhà địa chất đã tính toán rằng kể từ thế kỷ 19, đã có đủ bê tông được sản xuất để đổ hai pound bê tông trên mỗi mét vuông bề mặt Trái đất. Trong những năm gần đây, Trung Quốc đã trở thành nhà sản xuất và tiêu thụ chính của xi măng và bê tông. Từ năm 2011 đến năm 2013, siêu cường châu Á này đã sử dụng nhiều bê tông như Hoa Kỳ đã sử dụng trong toàn bộ thế kỷ 20. Trong một nghiên cứu được công bố trên Nature Communication năm 2023, một nhóm các nhà khoa học dự đoán rằng riêng các quốc gia đang phát triển (trừ Trung Quốc) có thể, vào năm 2050, tăng gấp đôi hoặc thậm chí gấp bốn lần lượng khí thải CO2 từ sản xuất xi măng lên tới 3,8 tỷ tấn mỗi năm
Ủy ban quốc tế về biến đổi khí hậu, cơ quan khoa học của Liên hợp quốc tư vấn cho các chính phủ, cho biết loài người phải đạt được trạng thái trung hòa carbon vào giữa thế kỷ này bằng cách giảm phát thải khí nhà kính và lưu trữ carbon đã loại bỏ khỏi khí quyển bằng các phương tiện dựa trên thiên nhiên hoặc kỹ thuật. Đối với các nhà sản xuất xi măng, việc tìm ra những cách mới để giảm lượng khí thải carbon của họ, ngay cả khi nhu cầu về sản phẩm của họ tăng vọt, không thể xảy ra đủ sớm.
Trên toàn cầu, ngành công nghiệp đang hoạt động trên nhiều mặt trận cùng một lúc. Một số công ty đang thay thế nguồn nhiệt và điện hóa thạch của họ bằng năng lượng tái tạo. Những công ty khác đang giảm tỷ lệ đá vôi trong clinker và tỷ lệ clinker trong xi măng, chuyển sang vật liệu không hóa thạch làm phụ gia và thu giữ carbon dioxide còn lại để xử lý hoặc tái chế.
Theo Sven Weidner, giám đốc dự án “Carbon2Business” của Lägerdorf, nhà máy đã giảm lượng khí thải bằng cách lấy điện từ các cối xay gió mà công ty dựng gần khu đất của mình, bằng cách thay thế một số nhiên liệu hóa thạch được sử dụng để sưởi ấm lò nung bằng năng lượng có nguồn gốc từ việc đốt sinh khối và chất thải không thể tái chế, và bằng cách giảm tỷ lệ clinker trong xi măng và thay thế bằng các vật liệu thay thế. Sổ đăng ký phát thải liên bang của Đức cho thấy nhà máy Lägerdorf đã giảm khoảng 20 phần trăm lượng khí thải CO2 kể từ năm 2010.
Tuy nhiên, phần lớn lượng khí thải của nhà máy đến từ chính quá trình biến đá vôi thành clinker, tức là quá trình chiết xuất CO2 từ chính nguyên liệu thô. Weidner cho biết “Sự thật là chừng nào chúng ta còn sử dụng phấn hoặc đá vôi, thì sẽ còn CO2”. Để giảm “lượng khí thải không thể tránh khỏi” đó, ông cho biết, cần phải thu giữ carbon của nhà máy.
Một công ty có kế hoạch thu giữ một nửa lượng CO2 từ nhà máy xi măng ở Brevik, Na Uy và lưu trữ dưới Biển Bắc.
Để đạt được mục tiêu này, lò nung mới tại nhà máy sẽ sử dụng oxy nguyên chất thay vì không khí xung quanh để đốt bột thô, một thay đổi làm tăng hiệu suất đốt cháy và loại bỏ nitơ khỏi khí thải, tạo ra CO2 gần như nguyên chất. Tiếp theo, khí đó được làm lạnh thành chất lỏng để sẵn sàng vận chuyển. Mặc dù điều này sẽ loại bỏ khí thải CO2 của nhà máy, nhưng việc thu giữ carbon phải trả giá: nó sẽ tăng gấp bốn lần nhu cầu năng lượng của nhà máy.
Weidner cho biết: “Might mắn thay, có rất nhiều điện tái tạo từ gió ở miền Bắc nước Đức mà chúng tôi có thể mua từ lưới điện”, ám chỉ đến sự bùng nổ gần đây của các nguồn điện tái tạo, cho đến nay đã đáp ứng được 60 phần trăm nhu cầu của Đức vào năm 2024. Liên minh châu Âu sẽ hỗ trợ dự án này bằng 110 triệu euro (120 triệu đô la) từ các quỹ đổi mới của mình.
Bắt đầu từ năm 2028, nhà máy Lägerdorf có kế hoạch thu thập tới 1,2 triệu tấn carbon dioxide mỗi năm, sau đó nén và vận chuyển bằng đường ống đến một “trung tâm CO2” mới xây dựng tại một công viên hóa chất trên bờ sông Elbe, ở Brunsbüttel, cách đó khoảng 20 dặm. Từ trung tâm, khí có thể di chuyển theo hai hướng: Một hướng đi ra Biển Bắc bằng tàu hoặc đường ống, nơi khí sẽ được bơm và lưu trữ vĩnh viễn, sâu hàng trăm ft dưới đáy biển; hướng còn lại liên quan đến việc tái sử dụng khí.
Thiết bị thu giữ carbon đang được lắp đặt tại nhà máy xi măng Heidelberg Provides ở Brevik, Na Uy, tháng 8 năm 2023.
Heidelberg Provides
Chiến lược cô lập hiện đang được các công ty xi măng trên khắp châu Âu và Hoa Kỳ theo đuổi. Trong khi các nhà môi trường cảnh báo về khả năng rò rỉ, Susanne Buiter, nhà khoa học trưởng của Trung tâm nghiên cứu khoa học địa chất Đức tại Potsdam, cho biết “thu giữ và lưu trữ carbon” (CCS) có thể được thực hiện an toàn trong các lỗ rỗng nước mặn và đá vôi ở độ sâu từ 600 đến 1.200 mét dưới đáy biển. “Nó sẽ hòa tan dưới dạng axit cacbonic hoặc liên kết với đá vôi”, bà nói. Các địa điểm tiêm ở Biển Bắc là giải pháp chính của chính phủ Đức cho cái gọi là “khí thải không thể tránh khỏi”, giống như khí thải từ xi măng và các ngành công nghiệp khác.
CCS đã được sử dụng ở các quốc gia như Na Uy, nơi nhà sản xuất xi măng Heidelberg Provides có kế hoạch thu giữ một nửa lượng khí thải CO2 từ nhà máy Brevik của mình, bắt đầu từ năm 2025 và lưu trữ chúng trong các mỏ khí đốt tự nhiên trước đây dưới Biển Bắc. Tại Hoa Kỳ, 15 nhà máy — không có nhà máy nào sản xuất xi măng — đã thu giữ khoảng 24 triệu tấn CO2 vào năm ngoái, theo Văn phòng Ngân sách Quốc hội. CCS được sử dụng chủ yếu ở Hoa Kỳ bởi ngành công nghiệp dầu mỏ để ép nhiều dầu hơn ra khỏi các giếng đã cạn kiệt một phần. Không có kế hoạch nào như vậy tồn tại ở Đức, nơi sản xuất nhiên liệu hóa thạch trong nước đang bị loại bỏ mạnh mẽ. Tuy nhiên, Bộ trưởng kinh tế của nước này, Robert Habeck, từ Đảng Xanh, tuyên bố rằng nếu không xử lý “lượng khí thải không thể tránh khỏi” từ một loạt các ngành công nghiệp dưới Biển Bắc, Đức sẽ không đạt được mục tiêu quốc gia về trung hòa khí hậu vào giữa thế kỷ.
Một nhà sản xuất xi măng cho biết: “Ngành công nghiệp hóa chất có thể sử dụng [carbon thu được] của chúng tôi để sản xuất nhiên liệu tổng hợp hoặc nhựa”.
Holcim và các công ty khác cũng đang theo đuổi một cách tiếp cận khác, được gọi là “thu giữ, sử dụng và lưu trữ carbon” (CCUS), trong đó khí hóa lỏng có thể được bán dưới dạng nguyên liệu thô cho các ngành công nghiệp khác. Đó là lựa chọn mà Weidner ưu tiên cho nhà máy Lägerdorf: “Chúng ta nên xây dựng nền kinh tế carbon tuần hoàn và sử dụng CO2 càng nhiều càng tốt như một nguồn tài nguyên”, ông nói.
Ông cho biết, khách hàng tiềm năng cho CO2 tinh khiết trong tương lai của ông bao gồm các công ty trồng thực phẩm trong nhà kính và các ngành công nghiệp đang tìm cách thay thế carbon hóa thạch bằng các nguồn mới. “Ngành công nghiệp hóa chất có thể sử dụng khí đốt của chúng tôi để sản xuất nhiên liệu tổng hợp hoặc nhựa mà không cần dầu hóa thạch”, ông nói.
Tuy nhiên, lợi ích về khí hậu của CCUS vẫn còn gây tranh cãi. Về mặt kinh tế, việc bán CO2 từ một nhà máy xi măng dưới dạng sản phẩm còn hơn phải trả một khoản phí lớn để xử lý dưới lòng đất. Nhưng xét về việc giữ carbon ra khỏi khí quyển, CCUS không phải là giải pháp hoàn hảo. Umweltbundesamt, Cơ quan Bảo vệ Môi trường của Đức, cảnh báo rằng: “Khi carbon được sử dụng nhiều lần, lượng khí thải sẽ được chuyển hết về hạ lưu của lần sử dụng cuối cùng”, đồng thời nói thêm: “Sự tuần hoàn này chỉ dẫn đến sự thay đổi tạm thời và cục bộ, nhưng không làm giảm lượng khí thải ban đầu”.
Nhà máy Lägerdorf mới và trung tâm CO2 gần đó sẽ được thiết kế để tạo điều kiện cho cả hai lựa chọn. “Trung tâm có thể được sử dụng linh hoạt và tạo điều kiện cho cả việc sử dụng và lưu trữ carbon”, Weidner nói. “Đó là điều hợp lý cần làm vì chúng ta vẫn chưa biết những lựa chọn nào sẽ khả dụng với chúng ta”.
Công nhân ở Sugar Land, Texas, đổ bê tông liên kết bằng xi măng Terra CO2, được làm từ chất thải khai thác mỏ.
G. Lyon Photos / Terra CO2
Những công ty khác trong ngành xi măng đang theo đuổi những thay đổi triệt để hơn, như thay thế hoàn toàn đá vôi.
Ví dụ, Terra CO2 Utilized sciences ở Utah đặt mục tiêu thay thế một phần đá vôi bằng bột làm từ chất thải khai thác mỏ — giảm 70% lượng khí thải so với xi măng Portland nguyên chất, loại phổ biến nhất được sử dụng trên toàn cầu, theo CEO của công ty. Oliver Blask, một nhà nghiên cứu bê tông tại Đại học Khoa học Ứng dụng Ingolstadt của Đức, cho rằng tiềm năng của phương pháp này là có hạn. Ông cho biết: “Thời kỳ chúng ta có thể đạt được hiệu quả lớn thông qua pha loãng đã qua rồi”. Blask tin rằng phương pháp triển vọng nhất là thay thế đá vôi ngay từ đầu quy trình bằng các vật liệu thay thế không giải phóng CO2 khi đốt. Các thí nghiệm đã được tiến hành trong một thời gian với đất sét đặc biệt hoặc xỉ nghiền từ quá trình sản xuất sắt và thép. Ông cho biết: “Những phương án thay thế này loại bỏ carbon khỏi phương trình và có thể giảm CO2 tới 100 phần trăm”.
Đầu năm nay, Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE) đã cung cấp 1,6 tỷ đô la tiền tài trợ theo Đạo luật Giảm lạm phát cho các công ty tiên phong trong việc sử dụng vật liệu thay thế. Brimstone Energy, có trụ sở tại Oakland, California, đang thay thế đá vôi bằng đá silicat không chứa carbon; Công ty Xi măng Roanoke của Virginia và Summit Provides có trụ sở tại Denver đang phát triển các phương pháp sử dụng cái gọi là đất sét nung.
Theo DOE, bốn nhà máy theo kế hoạch của Summit có tiềm năng giảm lượng khí thải CO2 hàng năm là 1,1 triệu tấn đồng thời “giải quyết 2 phần trăm nhu cầu xi măng dự kiến của Hoa Kỳ vào năm 2030”. Một công ty khởi nghiệp xi măng khác có tên là Elegant Strategies, do hai nhà khoa học của MIT thành lập và có trụ sở tại Somerville, Massachusetts, dựa vào lò phản ứng điện phân thay vì lò nung để xử lý các vật liệu không chứa cacbon, tuyên bố không tạo ra khí thải carbon.
Một công ty khởi nghiệp của Thụy Sĩ phát hiện ra rằng một tấn bê tông nghiền có thể hấp thụ 20 pound carbon dioxide cô đặc trong vòng vài giờ.
Nhiều giải pháp khác nhau, từ thu giữ carbon đến các thành phần mới, sẽ phải được triển khai để đạt được tính trung hòa khí hậu cho vật liệu xây dựng quan trọng nhất thế giới. Nhưng ngay cả khi kết thúc vòng đời của bê tông, vẫn có khả năng giảm phát thải.
Công ty khởi nghiệp Neustark của Thụy Sĩ, được thành lập vào năm 2019 với tư cách là công ty con của Đại học ETH Zurich, mô tả bê tông từ các tòa nhà bị phá dỡ là “dòng chất thải lớn nhất thế giới”, với khoảng 900 triệu tấn chất thải được tạo ra hàng năm. Công ty đã phát triển một công nghệ để tăng tốc khả năng hấp thụ và liên kết carbon dioxide của bê tông nghiền bằng cách bơm CO2 được tạo ra trong các nhà máy khí sinh học vào hạt bê tông trong các nhà máy tái chế.
Bê tông phải mất hàng thập kỷ mới hấp thụ được CO2 vì khí này rất loãng. Nhưng theo công ty, một tấn bê tông nghiền có thể hấp thụ được 20 pound carbon dioxide cô đặc trong vòng vài giờ. Phía đông bắc Berlin, một nhà máy lưu trữ 1.000 tấn CO2 mỗi năm trong bê tông nghiền đã đi vào hoạt động từ năm 2023. Neustark có 19 nhà máy đang hoạt động, với 40 nhà máy khác đang được lên kế hoạch hoặc đang được xây dựng. Công ty đặt mục tiêu đến năm 2030, lưu trữ một triệu tấn khí nhà kính trong hạt bê tông mỗi năm.
Đúng 200 năm sau khi xi măng Portland được cấp bằng sáng chế tại Vương quốc Anh, có một điều rõ ràng: Cả khí hậu Trái Đất và tương lai của ngành xây dựng đều phụ thuộc vào quá trình khử cacbon nhanh chóng của vật liệu xây dựng quan trọng nhất của nhân loại.