Các phương pháp xử lý CO2 không chỉ giúp giảm khí thải mà còn tạo ra hàng tỷ USD

CO2 trong không khí có thể chuyển hóa thành bê tông hoặc nhiên liệu, mở ra một thị trường CO2 trị giá hàng tỷ USD.

Carbon dioxide (CO2) là một chất gây ô nhiễm đang gây nóng cho bầu khí quyển.

Ít ai biết rằng CO2 cũng là nguyên liệu hữu ích, làm đầu vào cho nhiều quy trình công nghiệp từ nhựa đến bê tông. Trong lĩnh vực xây dựng, CO2 là một mặt hàng có giá trị.

Chúng ta nên tận dụng CO2 nhiều hơn. Nếu các ngành công nghiệp sử dụng CO2 được khuyến khích để tăng cường sử dụng, chúng ta có thể giảm lượng CO2 thải ra môi trường đáng kể. Đây cũng là ý tưởng cơ bản đằng sau việc thu hồi và sử dụng carbon (gọi là CCU), một trong những chủ đề nóng nhất về năng lượng sạch hiện nay.

Trong bài viết này, chúng ta sẽ tìm hiểu về CCU từ góc độ quy trình công nghiệp. CCU liên quan đến việc hút CO2 ra khỏi không khí hoặc từ khí thải của các nhà máy rồi sử dụng nó làm nguyên liệu công nghiệp. Ngoài ra, còn có những phương pháp tự nhiên để thu thập CO2, như trồng cây hoặc cô lập carbon trong đất.

Nguyên liệu làm bê tông trong xây dựng

Bê tông là một phối hợp của 3 thành phần: xi măng, nước và cốt liệu (từ đá, sỏi, vật liệu tổng hợp... hoặc từ cát, đá mài, đá xay...). Xi măng là loại bột mịn, khi kích hoạt bởi nước, liên kết cốt liệu tạo thành một hỗn hợp cứng. Và CO2, 'vô tình', cũng tham gia vào cả ba thành phần này.

Đầu tiên, cốt liệu có thể được tạo ra bằng cách chuyển CO2 từ dạng khí thành cacbonat khoáng rắn như canxi cacbonat (CaCO3), trong quá trình gọi là khoáng hóa CO2.

Thứ hai, CO2 có thể thay thế nước trong quá trình trộn bê tông, có thể dẫn đến quá trình khoáng hóa. Điều này có thể làm cho bê tông mạnh hơn và tiết kiệm nước.

Thứ ba, quá trình sản xuất xi măng và vôi thường tiết lộ CO2. Một công nghệ mới đang cố gắng điều chỉnh quy trình để tạo ra một lưu lượng khí thải CO2 tinh khiết, dễ thu giữ và tái sử dụng.

Ít nhất trong lý thuyết, chúng ta có thể tưởng tượng lượng khí thải CO2 tinh khiết từ quá trình sản xuất xi măng được thu giữ và bơm lại vào quy trình này, khi xi măng được trộn với cốt liệu CO2. Như vậy, vòng lặp này không chỉ giảm lượng khí thải mà còn lưu trữ carbon (trong CO2) vĩnh viễn. Nếu triển khai và vận hành trên quy mô lớn với giá thành phù hợp, chúng có thể dẫn đến cô lập carbon trên quy mô hàng tỷ tấn.

Nhiên liệu dạng lỏng

Tóm lại, chiết xuất CO2 từ không khí, thông qua các quá trình hóa học, tạo ra nhiên liệu hydrocarbon lỏng. Hydrocarbon là các hợp chất hữu cơ chỉ gồm hydro và carbon. Dầu và xăng là ví dụ của nhiên liệu hydrocarbon lỏng.

Tuy nếu CO2 đến từ mỏ dưới lòng đất, và điện từ nhiên liệu hóa thạch và hydro từ quá trình phân giải hơi nước (tạo ra khoảng 95% hydro hiện nay) lại sản sinh ra nhiều CO2 hơn lượng được xử lý. Vì vậy, giải pháp là lấy CO2 từ không khí, sử dụng điện từ năng lượng tái tạo và hydro từ điện phân năng lượng mặt trời (kéo hydro trực tiếp từ nước), quá trình này tạo ra rất ít CO2.

Các nhà máy tái chế CO2 lấy CO2 từ không khí bằng tổ hợp cánh quạt khổng lồ, kết hợp CO2 với hydrogen lỏng được tách ra từ nước. Quá trình này tạo ra các nhiên liệu lỏng carbon trung tính như xăng hoặc diesel. Điều này có nghĩa là người dùng không cần phải sửa đổi động cơ xe hiện tại để sử dụng loại xăng tổng hợp này.

Tuy nhiên, giải pháp này vẫn đang trong quá trình thử nghiệm do chi phí năng lượng vẫn còn quá cao, không thể áp dụng trong quy mô lớn của toàn ngành công nghiệp. Chìa khóa là tạo ra nguồn hydro giá rẻ. Theo ước tính, để đạt một nền kinh tế không phát thải CO2, cần tăng sản xuất hydro toàn cầu từ 60 megatons mỗi năm hiện nay lên khoảng 425-650 megatons vào giữa thế kỷ 21.

Hóa chất và nhựa

CO2 có thể tạo thành nhiều chất trung gian hóa học thông qua các chất xúc tác khác nhau, đóng vai trò là nguyên liệu trong các quy trình công nghiệp như metanol, syngas và axit formic.

CO2 cũng có thể biến đổi bởi các chất xúc tác thành polyme, tiền chất của nhựa, chất kết dính và dược phẩm. Hiện nay, polyme có nguồn gốc CO2 vẫn đắt tiền, nhưng nhựa là một thị trường tiềm năng do áp lực từ phía nhiên liệu hóa thạch lỏng đang tăng. Và chúng có tuổi thọ từ nhiều thập kỷ đến nhiều thế kỷ, là cơ hội cho CO2.

Hiện chỉ có một số ứng dụng hóa học của CO2 được thương mại hóa ở quy mô lớn, bao gồm sản xuất urê và polycarbonate polyols.

Tảo

CO2 có thể được sử dụng để thúc đẩy sự phát triển của tảo và tăng cường quá trình hấp thụ của chúng hơn bất kỳ nguồn sinh khối nào khác. Tảo có nhiều ứng dụng, từ nguyên liệu thực phẩm, nhiên liệu sinh học đến nhựa và sợi carbon.

Vật liệu tương lai

CO2 có thể được chế tạo thành các vật liệu hiệu suất cao như vật liệu tổng hợp carbon, sợi carbon và graphene, có thể thay thế toàn bộ loại vật liệu từ kim loại đến bê tông.

Ví dụ, nhóm nghiên cứu tại C2CNT đang sử dụng phương pháp điện phân nóng chảy để biến CO2 trực tiếp thành ống nano carbon, mạnh hơn thép và có tính dẫn điện cao. Chúng đã được áp dụng trong các ứng dụng cao cấp như máy bay phản lực và một số xe thể thao. Khi chúng trở nên phổ biến hơn, có một thị trường vô tận cho sản phẩm này. Việc thay thế đồng bằng ống nano carbon trong hệ thống dây điện là một ví dụ đơn giản nhất, giúp giảm trọng lượng và tăng tính dẫn điện.

Tiếp theo là thay thế thép, một trong những kim loại phổ biến nhất trên thế giới, đóng góp vào khoảng 7 đến 9% lượng khí thải CO2 toàn cầu từ nhiên liệu hóa thạch. Nếu vật liệu carbon có thể thay thế thép trong thực tế, điều đó sẽ giảm hàng tỷ tấn khí thải và hiệu quả cô lập carbon. Tuy nhiên, nghiên cứu về vật liệu này vẫn đang ở giai đoạn đầu và cần nhiều thời gian và giải pháp để thực hiện.

Tương lai và thách thức của CCU

So sánh các công nghệ CCU về chi phí và tiềm năng, các nhà nghiên cứu cho rằng hướng hóa học (polyol, ure, và metanol) có chi phí cạnh tranh, mặc dù tiềm năng sử dụng CO2 của chúng tương đối nhỏ. Còn hướng cốt liệu và vật liệu đòi hỏi chi phí cao nhưng có giá trị lớn và lâu dài về giảm CO2. Tất nhiên, các số liệu này có thể thay đổi theo thời gian, phụ thuộc vào sự ảnh hưởng của các nghiên cứu và giải pháp khoa học, quy mô thị trường năng lượng tái tạo, giá hydro, cũng như sự phát triển của thị trường và các chính sách hỗ trợ từ các quốc gia lớn.

Tuy nhiên, không thể phủ nhận tiềm năng của nhiên liệu và cốt liệu. Ước tính cho thấy tổng doanh thu hàng năm của các thị trường kết hợp có thể đạt từ 800 tỷ đến 1,1 nghìn tỷ USD vào năm 2030.

Dù có khó khăn đến đâu, các công nghệ CCU có khả năng trở thành lĩnh vực kinh doanh trị giá 1 nghìn tỷ USD và giúp giảm 10% lượng khí thải toàn cầu, đều đáng để chúng ta đầu tư và phát triển một cách nghiêm túc.

Tham khảo Vox