Tác giả: Tiến sỹ Leah Ellis, Sublime Systems
Đăng trên Tạp chí World Cement số tháng 1/2021, Tr.59-64
Người dịch: Nguyễn Thị Kim Lan.
Trong bài viết này, Tiến sỹ Leah Ellis, Sublime Systems, trình bày cách thức sử dụng các nguyên vật liệu điện hóa học và không carbon để giảm lượng phát thải carbon trong xi măng.
Không có vật liệu nào tốt hơn xi măng để xây dựng hạ tầng cơ sở bền vững mà có thể chịu đựng được thời gian và các điều kiện thời tiết cực kỳ khắc nghiệt ngày càng tăng. Đồng thời, sản xuất xi măng hiện nay đang phải chịu trách nhiệm đối với 8% lượng phát thải CO2 trên toàn cầu. Khử carbon trong ngành này là quan trọng để chống lại biến đổi khí hậu – một thực tế được xác nhận bởi hầu hết các công ty sản xuất xi măng và bê tông lớn trên thế giới, trong đó rất nhiều công ty đã cam kết hướng tới thuần bằng 0 vào năm 2050. Các công ty khác đã xuất hiện để đẩy nhanh quá trình khử cacbon trong xi măng, bao gồm cả Sublime Systems, đang thúc đẩy quá trình sản xuất xi măng hoàn toàn không phát thải.
Các công ty xi măng hiện tại đang tiến hành khử carbon nhanh hơn bao giờ hết bằng các công cụ có sẵn cho họ, bao gồm thay thế hàm lượng xi măng Portand thường (OPC) bằng các loại xi măng Portland đá vôi hỗn hợp và các vật liệu kết dính phụ trợ như tro bay, xỉ thép, và đất sét nung. Một số nhà máy OPC đã bổ sung thêm hạ tầng cơ sở thu gom và tồn trữ carbon để xử lý khí thải tại điểm đốt. Các điều chỉnh trong thời gian ngắn này giúp bạn có thêm thời gian để phát triển và mở rộng quy mô các phương pháp mới mà có thể khử giảm thêm lượng khí phát thải một cách bền vững.
Sản xuất điện khí hóa
Sublime Systems đang xem xét lại cách thức sản xuất xi măng cho tương lai hậu carbon. Công ty đang thực hiện một giải pháp sản xuất hoàn toàn được điện khí hóa đã giảm được cả hai nguồn phát thải xi măng chính hiện nay: nguyên liệu đá vôi và các lò đốt bằng nhiên liệu hóa thạch. Giải pháp này được hình thành bởi các nhà khoa học về ắc quy mà đã hiểu rõ rằng nguồn năng lượng tái chế tin cậy, rẻ tiền, và dồi dào có thể sử dụng được để chuyển đổi các ngành công nghiệp có lượng phát thải cao. Họ đã nỗ lực sử dụng các công cụ điện hóa học của mình để tạo ra một loại xi măng đã được khử carbon mà phản ứng với nước để cuối cùng tạo ra một loại bê tông cứng tương tự mà ngành xây dựng đang sử dụng hiện nay. Sublime đang phát triển một sản phẩm mà khi đạt đến độ hoàn chỉnh có thể giảm hơn 90% lượng phát thải trong quá trình sản xuất xi măng mà không tốn kém chi phí nhiều hơn so với OPC hiện nay. Tác động này đã được xác thực qua việc đánh giá chu kỳ tuổi thọ có sàng lọc từ đầu đến cuối (LCA) do Climate Earth, công ty cung cấp hàng đầu các công bố sản phẩm môi trường (EPDs) cho ngành xi măng, thực hiện.
Quá trình của Sublime bắt đầu với nguyên liệu thô – không giống như đá vôi – không giải phóng ra CO2 khi được chuyển hóa thành xi măng. Một bình điện phân khi đó được sử dụng, chạy hoàn toàn bằng điện (nguồn điện tái tạo lý tưởng) ở nhiệt độ phòng để kích hoạt các phản ứng hóa học cần thiết để phá vỡ các vật liệu trơ thành các thành phần hoạt hóa trong xi măng.
Bình điện phân này là giống với bình điện phân phân giải nước. Một điện cực tạo ra dung dịch axit chiết tách canxi ra khỏi các vật liệu trơ, để lại một loại silicat hoạt tính. Điện cực thứ hai tạo ra kiềm, mà kết tủa canxi (cũng được biết đến là vôi) như là một chất rắn hoạt tính, nguyên chất. Canxi và các silicat hoạt tính được phối trộn trong một quá trình nhiệt độ thấp để tạo ra sản phẩm cuối cùng – Sublime Cement. Quá trình này tương tự như cách thức mà người Romans đã chế tạo ra xi măng, bằng cách trước tiên là chiết tách vôi ra khỏi đá vôi (mặc dù đang nóng) và phối trộn nó với tro núi lửa (các silicat hoạt tính) để kích hoạt phản ứng puzolan mà mang lại cường độ và độ bền mong muốn cho các kết cấu bê tông cuối cùng của họ. Sublime đang phát triển xi măng của mình với các phụ gia hiện đại để tạo điều kiện thuận lợi cho phát triển cường độ sớm trong bê tông và đảm bảo dễ dàng sử dụng trong các dự án xây dựng.
Bỏ qua lò nung
Với nỗ lực khử carbon của mình trong quá trình sản xuất xi măng, Sublime lần đầu tiên đã khám phá ra việc kết hợp phương pháp chiết tách vôi bằng điện hóa với lò nung để sản xuất ra OPC cuối cùng. Điều này cần một kết cấu tinh thể (alite) mà hiện chỉ có thể đạt được thông qua quá trình nung luyện có nhiệt độ hơn 1250oC. Chỉ tiêu kỹ thuật tiêu chuẩn được sử dụng rộng rãi đối với xi măng Portland, ASTM C150, giả định một loại xi măng có kết cấu đặc biệt này. Vì nhiệt độ cao như vậy chỉ có thể đạt được một cách hiệu quả bằng cách đốt nhiên liệu hóa thạch, công ty đã cảm nhận thấy điều này sẽ không có khả năng đạt được lượng phát thải thuần bằng 0 với OPC và giải pháp dựa vào lò nung. Thay vì phải tuân thủ theo một công thức, công ty đã cảm nhận được tầm quan trọng của việc đưa ra một giải pháp khử được nhiều carbon nhất và hợp tác chặt chẽ với ngành để áp dụng nó.
Hiệu quả áp dụng
Khi Sublime phát triển công nghệ của mình, những người sáng lập đã rời phòng thí nghiệm học thuật và nói chuyện với các nhà sản xuất bê tông trộn sẵn, các nhà thầu bê tông, và các kỹ sư kết cấu. Họ đã nhận ra rằng họ ít khi đề cập đến các pha hóa học mà đã được hình thành trong quá trình sản xuất OPC và nói nhiều hơn về cách thức xi măng hoạt động trong bê tông: cường độ, độ sụt, độ bền, và thời gian đông kết. Họ đã quyết định bỏ qua lò nung cho một giải pháp điện hóa hoàn toàn và đã làm việc để đưa Sublime Cement ra thị trường bằng cách đáp ứng các yêu cầu của ASTM C1157, quy cách hiệu suất tiêu chuẩn đối với xi măng thủy lực. Tiêu chuẩn này được đưa vào trong Quy phạm Xây dựng Quốc tế và Mã Cư dân Quốc tế và không quy định thành phần cụ thể cho xi măng, mà thay vào đó là các tiêu chí cụ thể về đặc tính hiệu suất và độ bền.
Trong các thử nghiệm của bên thứ ba, Sublime Cement đã vượt qua toàn bộ các yêu cầu về hiệu suất Sử dụng Chung của ASTM C1157 và đã vượt trội hơn rất nhiều mẫu OPC về các thông số cường độ cuối cùng và độ bền. Xi măng đã được khử carbon là một loại xi măng hiệu suất cao, và các thông số kỹ thuật hoàn toàn dựa trên hiệu suất cho phép các nhà đổi mới giải quyết đúng vấn đề bằng nhiều công cụ ngoài lò nung.
Chi phí tương đương
Một quá trình bao gồm một lò nung có thể đạt được lượng phát thải thuần bằng không thông qua việc thu gom carbon, nhưng các nhà sáng lập đã nhận thấy rằng điều này sẽ làm tăng thêm chi phí vốn và chi phí vận hành trong quá trình sản xuất, tạo ra một loại xi măng cuối cùng đắt tiền hơn rất nhiều. Mức chênh lệch này sẽ rất khó được hầu hết các khách hàng cuối cùng chấp nhận, làm hạn chế khả năng mở rộng quy mô của Sublime Cement và hoàn thành sứ mệnh tạo ra tác động nhanh chóng và lớn đến lượng khí phát thải bằng cách thay thế xi măng có lượng phát thải cao hiện nay.
Về quy mô, Sublime Cement sẽ có chi phí tương tự như xi măng hiện nay vì nó có nhu cầu năng lượng tương tự và không yêu cầu chi phí vốn và chi phí vận hành để làm sạch phát thải – đơn giản là nó tránh không tạo ra các phát thải.
Không cần tồn trữ nguyên liệu
Bằng việc bỏ qua lò nung và các phản ứng hóa học bị giới hạn trong đó, quá trình hoàn toàn được điện hóa này cũng có thể khai thác nhiều loại nguyên liệu để chế tạo xi măng. Quá trình sản xuất xi măng thông thường nung nóng đá vôi (canxi carbonat) trong một lò nung tạo ra vôi (oxit canxi) và khí thải CO2. Lò nung không thể sử dụng các nguồn canxi thay thế, như silicat canxi, vì các nguyên liệu đó không bị phân rã do nhiệt. Trong lò, không có sự phân tách pha dẫn đến canxi hoạt tính bị cô lập khi sử dụng các nguyên liệu thay thế này – nó chỉ tạo ra silicat canxi nóng hơn thôi.
Miễn là nó có thể đạt được tỷ lệ canxi và silicat phù hợp, quá trình điện hóa của Sublime có thể hoạt động với một nguồn nguyên liệu dồi dào, từ các khoáng xuất hiện trong tự nhiên đến một loạt các phế thải công nghiệp. Quá trình này bao gồm bê tông đã qua sử dụng hoặc rác xây dựng, nghĩa là một tòa nhà cũ được tháo dỡ có thể được chuyển hóa thành xi măng tươi, gia tăng thêm tính bền vững của quá trình.
Giảm thiểu ô nhiễm
Nhờ không đốt lò công nghiệp quy mô lớn được cấp năng lượng bằng than hoặc khí đốt để đạt tới nhiệt độ 1400oC giống như quá trình sản xuất OPC, quá trình sản xuất Sublime Cement không giải phóng ra khí quyển các chất gây ô nhiễm khác, gồm cả NOx, SOx, thủy ngân, bụi lò, và các vật chất dạng hạt (PM) khác hình thành từ quá trình đốt. Các chất gây ô nhiễm trong nhiên liệu hóa thạch này có hại đối với các cộng đồng ở sát cạnh các khu công nghiệp lớn và là điều mà Sublime lựa chọn để bỏ qua, vì ô nhiễm do nhiên liệu hóa thạch phải chịu trách nhiệm chung đối với 1 trong 5 trường hợp tử vong sớm trên thế giới, theo nghiên cứu sức khỏe cộng đồng mới đây cho biết. LCA có sàng lọc mới được công bố gần đây của Sublime đã xác nhận rằng quá trình sản xuất quy mô megaton có thể giảm 90% khả năng làm ấm lên toàn cầu của quá trình sản xuất xi măng với nhu cầu nước tương tự. Sublime cũng đã nhận thấy các giá trị ô-xít hóa và phì dưỡng thấp hơn đáng kể, cho thấy khả năng chung là sạch hơn.
Làm việc với ngành
Một sản phẩm như Sublime Cement, dù đã được khử carbon và thân thiện với môi trường, sẽ không bao giờ đi đến đâu nếu toàn bộ hệ sinh thái xây dựng không dễ dàng áp dụng nó. Công ty đã được thành lập để có được một quy mô lớn và nhanh chóng trong việc giảm lượng khí phát thải CO2, do đó, việc thiết kế sản phẩm cốt lõi của công ty để tung ra thị trường một cách thuận lợi nhất là rất quan trọng.
Tuân thủ C1157 là một bước quan trọng trong tiến trình đó, nhưng còn nhiều việc hơn nữa cần phải được thực hiện để có được niềm tin của ngành xây dựng trong việc thay thế OPC phát thải cao bằng Sublime Cement. Công ty đang hợp tác chặt chẽ với các công ty sản xuất bê tông trộn sẵn trên khắp nước Mỹ để thử nghiệm xi măng thấp carbon của mình trong các hỗn hợp bê tông, xác định và loại bỏ các khác biệt trong quá trình đổ bê tông và hoàn thiện, và đào tạo đầy đủ cho các nhà thầu bê tông, các kỹ sư, các kiến trúc sư, và các nhà thầu xây dựng để có được sự tự tin trong việc sử dụng Sublime Cement như là một sản phẩm thay thế cho OPC trong bê tông. Xi măng thấp carbon mà không thể triển khai áp dụng dễ dàng được sẽ không sẵn sàng được sử dụng và sẽ không mở rộng quy mô được để có được hiệu quả khử carbon cần thiết cho ngành này.
Những nỗ lực khử carbon của ngành xi măng toàn cầu thông qua việc sử dụng các loại xi măng Portland đá vôi hỗn hợp khác nhau thật đáng ngưỡng mộ nhưng vẫn còn phải đối mặt một số phản đối ở Mỹ. Các nhà thầu bê tông cảm thấy có những sự khác biệt trong quá trình đổ bê tông và hoàn thiện của vật liệu này mà họ không lường trước được. Sublime đã hiểu rất rõ về những thách thức này nhờ các cố vấn ngành của mình và đang tiến hành kiểm tra kỹ lưỡng các nguyên vật liệu của mình trong các điều kiện và các trường hợp sử dụng nhằm đưa ra hướng dẫn thích hợp cho các đối tác trong quá trình triển khai.
Ngành xây dựng đã rất thận trọng đối với các nguyên vật liệu và các giải pháp tiếp cận mới, vì ngành này phải chịu trách nhiệm đối với việc xây dựng an toàn các hạ tầng cơ sở cho các nhà ở và các phương tiện vận chuyển trên toàn thế giới.
Nhờ làm việc chặt chẽ với ngành xây dựng liên quan đến việc hợp thức hóa và thực hiện giải pháp tiếp cận theo từng giai đoạn cho dự án thử nghiệm, Sublime Systems đang làm việc để có được sự tin tưởng cần thiết đối với nguyên vật liệu của mình như là một nguyên vật liệu thay thế cho xi măng Portland mà thế giới đã quen sử dụng trong hơn 150 năm qua.
Hiện nay, Sublime đang sản xuất tại một cơ sở thử nghiệm thí điểm với công suất sản xuất 250 tán/năm và đang xây dựng nhà máy thương mại đầu tiên của mình để sản xuất lên tới 30.000 tấn/năm. Cơ sở đó sẽ được đưa vào vận hành sớm nhất là vào năm 2026 và cung cấp sản phẩm cho khách hàng đồng thời giảm thiểu rủi ro cho công nghệ Sublime để cuối cùng mở rộng quy mô lên cơ sở sản xuất có công suất 1 triệu tấn/năm vào năm 2028.
Khi quá trình sản xuất và công nghệ này đã được hợp thức hóa đầy đủ, Sublime hình dung sự hợp tác xuyên suốt trong toàn ngành để cung cấp công nghệ sản xuất của mình cho một loạt các công ty lớn trong ngành xi măng, kết hợp kiến thức chuyên môn về đổi mới và khoa học vật liệu với thế mạnh của các công ty trong ngành về quy mô, hậu cần và sản xuất
