Carbon dioxide (CO2) là một chất gây ô nhiễm đang làm nóng bầu khí quyển.
Tuy nhiên, ít người biết rằng nó cũng là một nguyên liệu hữu ích, đầu vào cho một loạt các quy trình công nghiệp từ nhựa đến bê tông. Trong xây dựng cơ bản, CO2 là một mặt hàng có giá trị.
Như vậy, có lẽ chúng ta nên sử dụng nó nhiều hơn. Bởi nếu các ngành công nghiệp sử dụng CO2 được khuyến khích để tăng mức sử dụng, chúng ta có thể giảm đáng kể lượng CO2 thải vào khí quyển. Đây cũng là ý tưởng cơ bản đằng sau việc thu hồi và sử dụng carbon (gọi tắt là CCU), một trong những chủ đề nóng nhất về năng lượng sạch hiện nay.
Tuy nhiên, ở bài viết này, chúng ta đang xem xét CCU dưới góc độ các quy trình công nghiệp. Chúng liên quan đến việc hút CO2 ra khỏi không khí hoặc từ khí thải của các cơ sở công nghiệp rồi tập trung và sử dụng nó làm nguyên liệu công nghiệp. Vì ngoài ra còn có một số cách tự nhiên để thu thập nhiều CO2 hơn, như trồng rừng hay cô lập carbon trong đất.
Vật liệu làm bê tông xây dựng
Bê tông là hỗn hợp gồm 3 thành phần là hỗn hợp xi măng, nước và cốt liệu (thô như đá, sỏi, vật liệu tổng hợp... hoặc mịn như cát, đá mạt, đá xay...). Xi măng là một loại bột mịn, khi được kích hoạt bởi nước, liên kết các cốt liệu thành một hỗn hợp cứng. Và CO2, "vô tình" lại có thể 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 một quá trình được gọi là khoáng hóa CO2.
Thứ hai, CO2 có thể được thay thế cho nước trong bê tông trong quá trình trộn, bởi có thể cùng dẫn đến sự khoáng hóa. Và hóa ra điều này thực sự có thể làm cho bê tông mạnh hơn, ngoài việc tiết kiệm rất nhiều nước.
Thứ ba, quá trình sản xuất xi măng và vôi liên quan đến các phản ứng hóa học chắc chắn sẽ giải phóng CO2. Tuy nhiên, một công nghệ mới đầy hứa hẹn đang tìm cách điều chỉnh quy trình để nó tạo ra một dòng chất thải CO2 tinh khiết, có thể dễ dàng thu giữ và được cô lập hoặc tái sử dụng.
Ít nhất về lý thuyết, chúng ta có thể tưởng tượng lượng khí thải CO2 tinh khiết từ quy trình sản xuất xi măng được thu giữ và sau đó được bơm lại vào quy trình này, khi xi măng được trộn với cốt liệu gốc CO2. Cứ như vậy, vòng xoáy này sẽ không chỉ giảm lượng khí thải mà còn lưu trữ carbon (trong CO2) bán vĩnh viễn.
Và nếu được thiết lập và đưa vào vận hành trong thực tế, với một mức giá phù hợp để tạo ra quy mô lớn, chúng có khả năng dẫn đến sự cô lập carbon trên quy mô hàng tỷ tấn.
Nhiên liệu lỏng
Nói một cách đơn giản là chiết xuất CO2 từ không khí, đưa nó qua các quá trình hóa học và tạo ra nhiên liệu hydrocarbon lỏng. Hydrocarbon là các hợp chất hữu cơ chỉ bao gồm hydro và carbon. Dầu và xăng là ví dụ của nhiên liệu hydrocarbon lỏng.
Nhưng nếu CO2 đến từ các mỏ dưới lòng đất, thì điện đến từ nhiên liệu hóa thạch và hydro đến từ quá trình phân giải hơi nước (cách tạo ra khoảng 95% hydro hiện nay) thì quá trình này lại sản sinh ra nhiều CO2 hơn lượng xử lý được.
Vì vậy, giải pháp là lấy CO2 từ không khí, điện từ năng lượng tái tạo và hydro đến từ điện phân năng lượng mặt trời (kéo hydro trực tiếp ra khỏi nước), thì quá trình này tạo ra rất ít CO2.
Các nhà máy tái chế CO2 trích xuất CO2 từ không khí bằng cách sử dụng một tổ hợp cánh quạt khổng lồ, rồi kết hợp CO2 với hydrogen lỏng được tách ra từ nước.
Tiếp theo, quá trình kết hợp CO2 với hydro sẽ sinh ra các nhiên liệu lỏng carbon trung tính như xăng hoặc diesel. Điều này có nghĩa là người dùng không 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 bởi chi phí năng lượng vẫn còn quá cao, không thể áp dụng trong quy mô lớn của toàn ngành công nghiệp. Chìa khóa trong đó là tạo ra được nguồn hydro giá rẻ.
Theo ước tính, để đạt được một nền kinh tế phát thải CO2 bằng 0, sẽ cần tăng sản xuất hydro toàn cầu từ 60 megatons mỗi năm hiện nay lên đến khoảng 425-650 megatons vào giữa thế kỷ 21.
Hóa chất và nhựa
Sử dụng các chất xúc tác khác nhau, CO2 có thể tạo thành nhiều chất trung gian hóa học, đóng vai trò là nguyên liệu trong các quy trình công nghiệp khác như metanol, syngas và axit formic.
CO2 cũng có thể được biến đổi bởi các chất xúc tác thành polyme, tiền chất của nhựa, chất kết dính và dược phẩm. Cho đến nay, các polyme có nguồn gốc CO2 khá đắt tiền, nhưng nhựa là một thị trường tiềm năng bởi áp lực từ phía nhiên liệu hóa thạch lỏng đang tăng lên. Và chúng có tuổi thọ từ nhiều thập kỷ đến nhiều thế kỷ, vì vậy đây là cơ hội cho CO2.
Hiện tại, chỉ có một vài ứng dụng hóa học của CO2 được thương mại hóa ở quy mô lớn, bao gồm sản xuất thành phẩm của urê và polycarbonate polyols.
Tảo
CO2 có thể được sử dụng để đẩy nhanh sự phát triển của tảo, đẩy nhanh quá trình hấp thụ của nó hơn bất kỳ nguồn sinh khối nào khác. Và tảo có rất nhiều tác dụng. Chúng có thể dùng làm nguyên liệu cho thực phẩm, nhiên liệu sinh học, nhựa và thậm chí là sợi carbon.
Vật liệu tương lai
CO2 có thể được chế tạo thành các vật liệu hiệu suất cao - vật liệu tổng hợp carbon, sợi carbon, graphene - có thể thay thế được cho toàn bộ các loại vật liệu, từ kim loại đến bê tông.
Chẳng hạn, 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 sử dụng trong các ứng dụng cao cấp như máy bay phản lực và một số xe thể thao.
Và khi chúng trở nên rẻ hơn, gần như có một thị trường vô tận cho dòng sản phẩm này. Đơn giản nhất chính là việc dùng ống nano carbon thay cho đồng trong hệ thống dây điện, giúp chúng nhẹ hơn và dẫn điện tốt hơn.
Tiếp đó là thay thế thép, kim loại được sử dụng phổ biến nhất trên thế giới, chịu trách nhiệm cho khoảng 7 đến 9% lượng khí thải CO2 toàn cầu từ nhiên liệu hóa thạch.
Nếu vật liệu dựa trên carbon có thể được thay thế cho thép trong thực tế, điều đó có nghĩa là giảm đi hàng tỷ tấn khí thải, chưa kể đến việc cô lập carbon vĩnh viễn một cách hiệu quả. Tất nhiên, việc nghiên cứu vật liệu này vẫn đang ở giai đoạn đầu và cần nhiều thời gian và giải pháp để đưa nó vào thực tế.
Tương lai và thách thức của CCU
Khi so sánh các công nghệ CCU về chi phí và tiềm năng, các nhà nghiên cứu nhận định con đường theo hướng hóa học (polyol, urê và metanol) khá cạnh tranh về chi phí, mặc dù tiềm năng sử dụng CO2 của chúng là tương đối nhỏ.
Còn hướng đi cốt liệu và vật liệu đòi hỏi chi phí cao nhưng có giá trị lớn và lâu dài về giảm thiểu CO2. Tất nhiên, các số liệu này có thể thay đổi theo thời gian, dựa trên sự ảnh hưởng của các nghiên cứu và giải pháp khoa học, quy mô thị trường năng lượng tái tạo, giá của hydro, cũng như sự phát triển của thị trường và các chính sách ủng hộ của các quốc gia lớn.
Tuy nhiên, không thể phủ nhận rằng nhiên liệu và cốt liệu đã phần nào cho thấy tiềm năng to lớn của mình. Các 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.
Và cho dù con đường này có khó khăn tới đâu, thì các công nghệ CCU với khả năng phát triển thành một lĩnh vực kinh doanh trị giá 1 nghìn tỷ USD đồng thời giúp cắt giảm 10% lượng khí thải toàn cầu, đều đáng để chúng ta đầu tư và phát triển một cách nghiêm túc.