Những viên gạch có thể giải cứu thế giới khỏi biến đổi khí hậu

Theo nghiên cứu gần đây do trường đại học Stanford khởi xướng và được công bố trên PNAS Nexus, một công nghệ đơn giản, dễ làm có thể trở thành phương pháp nhanh chóng và giá cả phải chăng để hỗ trợ mục tiêu đạt mức phát thải ròng bằng 0 vào năm 2050.

Cốt lõi của công nghệ này là đặt các viên gạch hấp thụ nhiệt trong một thùng chứa cách nhiệt. Khi ấy, gạch có thể lưu trữ nhiệt do năng lượng mặt trời hoặc gió tạo ra để sau đó sử dụng ở nhiệt độ cần thiết cho các quy trình công nghiệp. Khi ấy, nhiệt có thể được giải phóng khi cần bằng cách dẫn không khí qua khe giữa các chồng "gạch chịu lửa". Nhiệt từ đó cho phép các nhà máy xi măng, thép, thủy tinh và giấy hoạt động bằng năng lượng tái tạo ngay cả khi không có gió và ánh nắng mặt trời.

Những hệ thống này là một hình thức lưu trữ năng lượng nhiệt mà một số công ty gần đây đã bắt đầu thương mại hóa để lưu trữ nhiệt công nghiệp. Những viên gạch trong công nghệ này thực ra được làm từ cùng một nguyên liệu với những viên gạch cách nhiệt lót các lò nung thô sơ và lò luyện sắt hàng nghìn năm trước. Để tối ưu hóa việc lưu trữ nhiệt thay vì chỉ để cách nhiệt, các vật liệu được kết hợp với nhau theo các lượng khác nhau.

Ở một chừng mừng nào đó, gạch chịu lửa cũng giống như cục pin. Pin điện có thể lưu trữ điện từ các nguồn tái tạo và cung cấp điện để tạo ra nhiệt theo nhu cầu còn gạch thì giữ nhiệt và phát ra khi cần.

Tác giả chính của nghiên cứu là Mark Z. Jacobson, giáo sư kỹ thuật dân dụng và môi trường tại Trường Kỹ thuật và Phát triển Bền vững Doerr thuộc Đại học Stanford. Jacobson cho biết "Sự khác biệt giữa lưu trữ gạch chịu lửa và lưu trữ pin là gạch chịu lửa lưu trữ nhiệt thay vì điện và có giá thành chỉ bằng một phần mười pin. Các vật liệu cũng đơn giản hơn nhiều. Về cơ bản, chúng chỉ là các thành phần của đất".

Lưu trữ nhiệt độ cao

Nhiều ngành công nghiệp đòi hỏi nhiệt độ cao để sản xuất. Nhiệt độ trong các nhà máy cần đạt ít nhất 1.300 độ C để sản xuất xi măng và 1.000 độ C trở lên đối với sản xuất thủy tinh, sắt và thép. Theo tính toán của Jacobson và đồng tác giả Daniel Sambor, khoảng 17% tổng lượng khí thải carbon dioxide trên toàn thế giới hiện nay bắt nguồn từ việc đốt nhiên liệu hóa thạch để tạo ra nhiệt cho sản xuất công nghiệp. Tạo ra nhiệt công nghiệp từ các nguồn tái tạo có thể loại bỏ hoàn toàn các khí thải này.

Sambor, một nghiên cứu sinh sau tiến sĩ về kỹ thuật dân dụng và môi trường cho biết: “Bằng cách lưu trữ năng lượng ở dạng gần nhất với mục đích sử dụng cuối cùng, ta sẽ giảm được tình trạng thất thoát trong quá trình chuyển đổi năng lượng. Trong lĩnh vực của chúng tôi, người ta thường nói rằng ‘nếu bạn muốn tắm nước nóng, hãy lưu trữ nước nóng và nếu bạn muốn đồ uống lạnh, hãy lưu trữ đá’; vì vậy, nghiên cứu này có thể được tóm tắt là ‘nếu bạn cần nhiệt cho ngành công nghiệp, hãy lưu trữ trong gạch chịu lửa”.

Jacobson cho biết: “Nghiên cứu của chúng tôi là nghiên cứu đầu tiên kiểm tra quá trình chuyển đổi năng lượng tái tạo trên quy mô lớn với gạch chịu lửa như một phần của giải pháp. Chúng tôi thấy rằng gạch chịu lửa cho phép chuyển đổi sang năng lượng tái tạo nhanh hơn và ít tốn kém hơn. Điều đó giúp ích cho mọi người về mặt sức khỏe, khí hậu, khối lượng công việc và an ninh năng lượng”.

Tiết kiệm đáng kể

Các nhà nghiên cứu bắt đầu kiểm tra tác động của việc sử dụng gạch chịu lửa để lưu trữ hầu hết nhiệt quy trình công nghiệp ở 149 quốc gia trong tương lai giả định. Đây là 149 quốc gia đã xả 99,75% lượng khí thải carbon dioxide toàn cầu từ nhiên liệu hóa thạch. Giả sử các quốc gia chuyển sang năng lượng gió, địa nhiệt, thủy điện và năng lượng mặt trời cho mọi mục đích năng lượng, thì điều gì sẽ xảy ra?

Trong một kịch bản, gạch chịu lửa cung cấp 90% nhiệt lượng trong sản xuất công nghiệp. Trong kịch bản còn lại, không có việc áp dụng gạch chịu lửa hoặc các hình thức lưu trữ năng lượng nhiệt khác cho sản xuất công nghiệp. Trong kịch bản không có gạch chịu lửa, các nhà nghiên cứu cho rằng nhiệt lượng cho công nghiệp sẽ đến từ lò điện, lò sưởi, nồi hơi và máy bơm nhiệt, với pin được sử dụng để lưu trữ điện cho các công nghệ đó.

Kết quả, các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng kịch bản có gạch chịu lửa có thể tiết kiệm chi phí vốn 1,27 nghìn tỉ USD trên 149 quốc gia so với kịch bản không dùng gạch chịu lửa làm kho lưu trữ nhiệt, đồng thời giảm nhu cầu năng lượng từ lưới điện và nhu cầu lưu trữ năng lượng từ pin.

Năng lượng sạch, không khí sạch hơn

Các giải pháp để đẩy nhanh quá trình chuyển đổi sang năng lượng sạch cũng liên quan đến sức khỏe con người. Nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng ô nhiễm không khí từ việc đốt nhiên liệu hóa thạch gây ra hàng triệu ca tử vong sớm mỗi năm. Jacobson cho biết: "Một chút nhiên liệu đốt mà chúng ta thay thế bằng năng lượng tái tạo cũng làm giảm ô nhiễm không khí. Vì ngân sách để chuyển đổi sang dùng năng lượng tái có hạn nên chi phí cho toàn bộ hệ thống càng thấp thì chúng ta có thể triển khai càng nhanh".

Jacobson đã dành cả sự nghiệp để tìm hiểu về ô nhiễm không khí và các vấn đề khí hậu, đồng thời xây dựng các kế hoạch năng lượng cho các quốc gia, tiểu bang và thành phố để giải quyết những vấn đề này. Nhưng trọng tâm về gạch chịu lửa của ông tương đối mới, xuất phát từ mong muốn xác định các giải pháp hiệu quả có thể được áp dụng đại trà và nhanh chóng.

Jacobson nói: “Hãy tưởng tượng nếu chúng ta đề xuất một phương pháp tốn kém và khó khăn để chuyển đổi sang điện tái tạo, sẽ có rất ít người chịu tham gia. Nhưng nếu phương pháp này tiết kiệm tiền so với phương pháp trước đây, thì nó sẽ được triển khai nhanh hơn”.

“Điều khiến tôi phấn khích là tác động của phương pháp này rất lớn, trong khi nhiều công nghệ khác mà tôi đã xem xét, chúng chỉ có tác động không đáng kể. Ở đây, tôi có thể thấy lợi ích đáng kể với chi phí thấp ở nhiều góc cạnh, từ việc giúp giảm tỷ lệ tử vong do ô nhiễm không khí đến việc giúp thế giới chuyển đổi sang năng lượng tái tạo sạch dễ dàng hơn”.