Công nghệ khử carbon: Xu hướng giảm thiểu tác động của biến đổi khí hậu

Năm 2021, Hoa Kỳ, nước có nguồn phát thải carbon lớn thứ hai trên thế giới, đã cam kết giảm một nửa lượng phát thải carbon so với mức năm 2005 vào năm 2030.

Bên cạnh đó, Vương quốc Anh đã công bố mục tiêu mạnh mẽ của mình là giảm 68% so với mức năm 1990 vào thời điểm 2030. Nghị viện Liên minh châu Âu gần đây đã thông qua luật yêu cầu giảm lượng phát thải carbon ít nhất 55% vào năm 2030 so với mức năm 1990.

Mặc dù các ngành như dầu mỏ và hàng không khó khăn hơn trong việc cắt giảm phát thải, nhưng tỷ lệ các công ty trong các ngành này tham gia sáng kiến Mục tiêu dựa trên Khoa học (Science Based Targets) giúp họ giảm lượng khí thải để phù hợp với Thỏa thuận Paris đã tăng gấp đôi kể từ năm 2015. General Motors, Volkswagen và các nhà sản xuất ô tô lớn khác đã đặt ra các mục tiêu đầy tham vọng về khử cacbon trong năm qua.

Sự gia tăng các cam kết này cùng với những thách thức liên quan là một dấu hiệu rõ ràng cho thấy sự xuất hiện của lộ trình khử cacbon trên toàn thế giới. Nó sẽ thúc đẩy một nhóm công nghệ đa dạng xuất hiện với khả năng hoạt động trên quy mô lớn trong vòng ba đến năm năm tới. Để biến điều này thành hiện thực, các giải pháp được xác định phải được mở rộng nhanh hơn. Nó cũng đòi hỏi đổi mới sáng tạo liên tục, bền vững để giải quyết vấn đề khoảng cách công nghệ hiện tại và một số lĩnh vực sẽ chứng kiến sự phát triển và tăng trưởng đáng kể.

Hiện nay, 2% hoặc ít hơn các đội xe vận tải đường bộ thương mại và tư nhân toàn cầu không tạo ra lượng khí thải. Tesla đã đạt được thành công ban đầu rất rõ ràng trong việc thu hút sự quan tâm của người tiêu dùng. Trong khi đó, vận chuyển hàng rời, cả đường sắt và đường biển, đã đưa ra các giải pháp carbon thấp. Tuy nhiên, nhiều phương tiện vận tải, chẳng hạn như Coradia iLint (một tàu chở khách chạy bằng pin nhiên liệu hydro đầu tiên trên thế giới do Alstom sản xuất tại CHLB Đức) vẫn chưa được áp dụng trên quy mô lớn. Các rào cản không chỉ là công nghệ mà còn là chính trị, do các chương trình chuyển đổi như vậy đòi hỏi đầu tư vốn đáng kể.

Ở Hoa Kỳ, ước tính khoảng 13% tổng lượng khí thải carbon đến từ nhiên liệu được sử dụng để sưởi ấm và nấu nướng trong các tòa nhà dân cư và thương mại. Việc giảm tỷ lệ này cần phổ biến hơn nữa những hệ thống sưởi, thông gió và điều hòa không khí (HVAC) và hệ thống năng lượng mặt trời. Điều quan trọng nữa là tăng cường sử dụng các vật liệu xây dựng tự nhiên và mới như gỗ tái tạo và xi măng các-bon thấp.

Khi các nguồn năng lượng tái tạo trở nên dồi dào, sẽ cần thiết phải sử dụng chúng để khử cacbon các nguồn phát tán khí nhà kính. Một ví dụ là hydro "xanh". Khi được sản xuất mà không sử dụng nhiên liệu gốc carbon, hydro có thể trở thành nhiên liệu không gây ô nhiễm, đồng thời phục vụ ngành công nghiệp hóa chất như một thành phần cơ bản không có khí thải carbon. Tương tự, nếu các trung tâm dữ liệu, thường tiêu thụ nhiều điện năng cần được bố trí cùng các nguồn năng lượng tái tạo thì lượng khí thải carbon sẽ giảm đáng kể.

Để đáp ứng các mục tiêu phát điện do các quốc gia và ngành công nghiệp đặt ra, đòi hỏi phải mở rộng triệt để các công nghệ quang điện, gió, thủy điện, thủy triều, hạt nhân và các công nghệ không phát thải khác. Một số rào cản quan trọng vẫn còn. Lưu trữ năng lượng đáng tin cậy, hiệu quả và giá cả phải chăng ở quy mô công nghiệp chỉ mới ra đời. Năng lượng hạt nhân dựa trên phân hạch, không chứa carbon (bao gồm cả việc xử lý các chất thải của nó) vừa an toàn vừa có giá cả phải chăng cũng vẫn là một khát vọng. Để giảm thiểu ô nhiễm từ việc sản xuất điện từ nhiên liệu hóa thạch hiện có sẽ đòi hỏi phải đưa ra nhiều công nghệ hơn nữa để thu giữ, tái sử dụng và cô lập carbon.

Hàng loạt công nghệ mới nổi giúp giảm thiểu tác động của biến đổi khí hậu

Các nhà khoa học ở trường Đại học Sydney mới đây đã nêu ra một số công nghệ mới nổi trong lĩnh vực thực phẩm, vận tải và năng lượng có tiềm năng lớn trong việc giải quyết thách thức của biến đổi khí hậu, giúp đạt được mục tiêu trên. 

Thứ nhất là các nguồn protein thay thế. Báo cáo của Ủy ban Liên chính phủ về biến đổi khí hậu (IPCC) nhấn mạnh tiềm năng của thực phẩm dựa trên thực vật, không chỉ để đạt được mức giảm phát thải mà còn cải thiện đời sống của con người nói chung. Các nguồn protein từ thực vật, bao gồm cả các sản phẩm "thịt giả", đang được sản xuất ngày càng nhiều theo hướng "bắt chước" hình dáng, hương vị và kết cấu của thịt động vật.

Theo cách thức sản xuất truyền thống, các protein thay thế như đậu phụ được làm từ quá trình đông tụ đơn giản sữa đậu nành. Một vài thập kỷ trước, chúng ta đã thấy sự xuất hiện của mycoprotein, có nguồn gốc từ nấm và đã được thương hiệu Quorn phổ biến. Các loại protein thay thế mới hơn yêu cầu kỹ thuật đùn ép tiên tiến và màu sắc và hương vị nhân tạo để giống như kết cấu và hương vị của protein động vật.

Tiếp theo là các lựa chọn thay thế thịt dựa trên tế bào, còn được gọi là thịt "nuôi trong phòng thí nghiệm", "nuôi cấy "hoặc "nuôi trong ống nghiệm ". Chúng được sản xuất bằng kỹ thuật sinh học tiên tiến để nuôi cấy tế bào thịt từ một mẫu (tế bào khởi đầu) được chiết xuất từ động vật, bên trong một thiết bị được gọi là "lò phản ứng sinh học". Thịt được nuôi từ tế bào là một công nghệ mới nổi, được giới thiệu trên thị trường lần đầu tiên vào năm 2020, tại Singapore. Hiện công nghệ này đã bắt đầu được thử nghiệm tại Australia.

So với thịt gia súc, thịt làm từ thực vật tạo ra ít khí thải nhà kính hơn 30–90%, cần ít đất hơn 40-98%, ít nước hơn 70-80% và thải ra ít nitơ phản ứng hơn 85–94%.

Tổ chức Nghiên cứu khoa học của Australia (CSIRO) ước tính các loại protein thay thế có tiềm năng thị trường lớn thứ hai trong tất cả các loại trong lĩnh vực thực phẩm và kinh doanh nông sản. Chúng được cho là sẽ tiết kiệm được khoảng 5,4 tỷ AUD về carbon và nước vào năm 2030.

Loại công nghệ mới nổi thứ hai là sản xuất bao bì có thể ăn được và phân hủy sinh học. Như tên gọi, bao bì thực phẩm có thể ăn được hoặc phân hủy sinh học được chế tạo để có thể ăn được hoặc phân hủy sinh học một cách hiệu quả. Bao bì ăn được làm từ các polyme tự nhiên chiết xuất từ các nguồn thực vật, có thể được sản xuất thành các loại màng và lớp phủ khác nhau, bao gồm bao bì dựa trên chitosan, được làm chủ yếu từ chất thải của ngành thủy sản; bao bì làm từ whey - chất thải của ngành công nghiệp sữa và bao bì polysaccharides được chiết xuất từ rong biển.

Bên cạnh việc thân thiện với môi trường, bao bì ăn được có thể nâng cao giá trị dinh dưỡng của thực phẩm đóng gói bằng cách kết hợp các hợp chất được gọi là "nutraceuticals" (dược phẩm bổ dưỡng) có thể cải thiện thành phần dinh dưỡng của thực phẩm đóng gói. Thêm chất chống oxy hóa và chất chống vi khuẩn vào bao bì cũng có thể làm tăng thời hạn sử dụng của thực phẩm.

Cần có thêm nhiều nghiên cứu và thời gian để biến bao bì có thể ăn được trở thành xu hướng chủ đạo, nhưng loại bao bì này đã được chứng minh là một giải pháp thay thế tốt cho chai nhựa dành cho các vận động viên chạy marathon. Về bao bì phân hủy sinh học, trong khi nhựa làm từ nhiên liệu hóa thạch có thể mất 20-500 năm để phân hủy, loại bao bì mới này có thể phân hủy trong vòng 3 - 6 tháng tùy thuộc vào vật liệu.

Theo ước tính hiện nay, thị trường bao bì phân hủy sinh học toàn cầu sẽ tăng trưởng 17% mỗi năm và đạt giá trị 12,06 tỷ AUD vào năm 2025.

Công nghệ thứ ba giúp giảm phát thải và có tiềm năng rất lớn là khí hydro. Theo các nhà nghiên cứu Australia, năng lượng Mặt trời và năng lượng gió đều là những lựa chọn khả thi để giảm lượng khí thải, nhưng cả hai đều là nguồn năng lượng biến đổi phụ thuộc vào thời tiết, mùa, địa lý và thời gian trong ngày. Điều này có thể dẫn đến thiếu hụt nguồn cung, cần phải có các nguồn khác thay thế.

Hydro, không tạo ra khí thải carbon khi đốt cháy, là một lựa chọn thay thế tiềm năng. Loại năng lượng tái tạo này có thể được sản xuất bằng cách tách nước, sử dụng điện từ các nguồn năng lượng mặt trời và gió, và cũng có thể lưu trữ để sử dụng sau này.

Với việc giảm chi phí năng lượng tái tạo và việc mở rộng quy mô triển khai sử dụng, chi phí sản xuất khí hydro dự kiến sẽ giảm 30% vào năm 2030. Việc gia tăng công nghệ lưu trữ năng lượng cũng có thể dẫn đến việc giảm chi phí của các hệ thống điện tái tạo biến đổi.

Báo cáo của IPCC cũng chỉ ra tiềm năng của hydro trong việc giảm phát thải trong lĩnh vực hàng không, nhưng lưu ý rằng điều này trước tiên sẽ đòi hỏi những cải tiến về công nghệ và giảm chi phí.

Ngoài vô số thách thức công nghệ đối với quá trình khử cacbon nhanh chóng, các quốc gia phải phát triển các phương pháp quản trị toàn cầu để đảm bảo bình đẳng năng lượng. Các nền kinh tế mới nổi không thể đối mặt với các mục tiêu giảm các-bon giống hệt nhau vì sẽ kìm hãm sự phát triển. Các quốc gia cũng sẽ cần phân bổ đất đai hợp lý để mở rộng cơ sở hạ tầng cho năng lượng tái tạo. Và để đảm bảo tuân thủ các hiệp định toàn cầu, các chính phủ sẽ cần cơ sở hạ tầng giám sát môi trường toàn cầu.