Nguồn cung nhiều loại khoáng sản, kim loại và vật liệu cần thiết cho các công nghệ quan trọng đối với quá trình chuyển đối năng lượng đang có nguy cơ thiếu hụt từ mức vừa phải (khoảng 10-20%) đến nghiêm trọng (70%).
Theo dự báo, nhu cầu vật liệu toàn cầu sẽ tăng 30% vào năm 2050, chủ yếu do sự tăng trưởng kinh tế, gia tăng dân số và mở rộng đô thị hóa. Nhu cầu đối với các loại vật liệu truyền thống như xi măng, gỗ, sắt, thép sẽ lên mức cao nhất để phục vụ cho hoạt động xây dựng.
Tuy nhiên, nhu cầu vật liệu tăng lên còn nằm ở những khía cạnh hoàn toàn mới, bao gồm chuyển đổi năng lượng và dịch chuyển nền kinh tế theo hướng giảm phát thải carbon.
Năng lượng tái tạo làm tăng nhu cầu đối với vật liệu mới
Nhu cầu vật liệu cho các tuabin gió, tấm quang năng và pin lưu trữ phục vụ quá trình chuyển dịch năng lượng nhìn chung đã tăng vọt trong thập kỷ qua. Báo cáo của
Rystad Energy cho biết nhu cầu này đạt 72 triệu tấn vào năm 2022, dự kiến sẽ tăng gấp bốn lần vào năm 2050, tương đương hơn 300 triệu tấn, và có khả năng vượt mốc 400 triệu tấn nếu quá trình chuyển đổi năng lượng tiến triển với tốc độ nhanh.
Mặc dù phần lớn vật liệu đáp ứng quá trình chuyển đổi năng lượng có chuỗi cung ứng trưởng thành - như sắt thép, thủy tinh và xi măng - nhưng quá trình chuyển đổi này còn đòi hỏi phải mở rộng đáng kể các chuỗi giá trị liên quan đến một số kim loại nhất định như lithium, niken, cobalt v.v dùng làm chất dẫn điện trong các dạng pin lưu trữ, hoặc đồng và nhôm để làm dây dẫn điện, thiết bị điện và động cơ điện.
Chẳng hạn, tất cả các công nghệ pin thương mại hiện nay đều dựa trên công nghệ lithium-ion, nên lithium có mức tăng trưởng cao nhất trong số các vật liệu. Công nghệ cực âm pin nickel-manganese-cobalt (NMC) dự kiến sẽ chín muồi trong thập kỷ tới, do vậy nhu cầu về nickel và cobalt trên toàn thế giới sẽ tăng cao. Đối với cực dương pin, Graphite đang là vật liệu thống trị gần 100% thị phần, dẫn đến nhu cầu về vật liệu này trở nên vô cùng lớn khi số lượng pin tăng lên do sự phát triển của các loại xe điện và hệ thống lưu trữ năng lượng tái tạo.
Để hỗ trợ cơ sở hạ tầng năng lượng ngày càng mở rộng, hệ thống lưới điện cũng phải tăng lên. Quy mô lưới điện toàn cầu có thể đạt 167 triệu km vào năm 2050, cần đến rất nhiều kim loại nhôm và đồng.
Hơn nữa, sự phát triển của trí tuệ nhân tạo (AI) đang tạo ra nhu cầu điện năng lớn hơn. Ước tính, mỗi megawatt công suất điện của trung tâm dữ liệu có thể cần từ 20-40 tấn đồng để làm dây điện mới. Trong khi đó, đồng là một mặt hàng bị thiếu hụt nghiêm trọng, mặc dù nhôm có thể thay thế đồng làm dây dẫn điện trong một số ứng dụng do trọng lượng nhẹ hơn và chi phí thấp hơn.
Sự thành bại của các nỗ lực chuyển dịch năng lượng phụ thuộc rất lớn vào khả năng thích ứng của chuỗi cung ứng nguyên liệu. Nguồn cung nhiều loại khoáng sản, kim loại và vật liệu cần thiết cho các công nghệ quan trọng đang có nguy cơ thiếu hụt vào năm 2030. Trong khi một số kim loại, như niken, có thể bị thiếu hụt vừa phải (khoảng 10-20%), thì những loại khác, như dysprosium được sử dụng trong hầu hết các động cơ điện, có thể thiếu hụt tới 70% so với nhu cầu.
Nếu không có dự báo và các biện pháp quản lý chuỗi cung ứng phù hợp, sự thiếu hụt này có thể làm chậm quá trình chuyển đổi sang năng lượng sạch và tăng chi phí cho các công nghệ tương ứng.
Đánh giá khí thải trong suốt vòng đời vật liệu
Trước đây, người ta thường chỉ tập trung vào việc khử carbon trong quá trình sản xuất vật liệu, chẳng hạn như ‘thép xanh’ và ‘xi măng xanh’. Đây là các dạng thép và xi măng sản xuất bằng công nghệ thân thiện với môi trường, nhưng có tính chất không khác biệt mấy so với tính chất của thép và xi măng thông thường. Chúng cần ít năng lượng để sản xuất hơn và phát thải ít khí nhà kính hơn.
Nhưng ngày nay, các mục tiêu khí hậu ngày càng táo bạo đang hướng đến thay đổi chuỗi cung ứng vật liệu toàn cầu theo cách khác, làm cho vật liệu hoạt động hiệu quả hơn, chuyển sang dùng các vật liệu có cường độ năng lượng và phát thải thấp hơn, hoặc tái sử dụng vật liệu nhiều lần hơn.
Chẳng hạn, khi các tuabin gió trở nên lớn hơn - từ kích cỡ cánh quạt khiêm tốn 35-45m hồi những năm 2010 nay vươn tới kích cỡ ấn tượng 75-100m, người ta phải dùng đến các vật liệu tiên tiến như polymer nhiệt rắn, sợi thủy tinh và sợi carbon để làm giảm phần trọng lượng tăng thêm của cánh quạt, nhờ đó giảm chỉ số tác động môi trường trên mỗi kWh công suất lắp đặt.
Cần thừa nhận một thực tế rằng mặc dù các công nghệ năng lượng tái tạo mang lại lợi ích môi trường đáng kể, chúng thường đòi hỏi nhiều vật liệu hơn để sản xuất cùng một lượng năng lượng so với các nhà máy nhiên liệu hóa thạch truyền thống, đặc biệt là trong giai đoạn xây dựng ban đầu. Lý do là bởi các công nghệ này thường phức tạp, phải lắp đặt ở quy mô lớn, và hiệu quả của các quy trình chuyển đổi năng lượng chưa cao.
Trong xây dựng, người ta cũng có thể sử dụng các loại polymer gia cố sợi thủy tinh (GFRP) làm vật liệu thay thế cho các thanh cốt thép. Vật liệu này sẽ kéo dài tuổi thọ của kết cấu bê tông, đồng thời làm giảm lượng khí thải liên quan đến quá trình lắp đặt, bảo trì và thay thế. Các loại bê tông thay thế làm bằng polymer cũng đã được áp dụng. Vật liệu này nhẹ hơn 75% so với bê tông truyền thống và có lợi về khả năng chống hóa chất, ăn mòn và thấm nước. Mỗi tấn bê tông thay thế này phát thải ít hơn 72,5kg CO2 so với các loại bê tông thông thường trong quá trình sản xuất.
Trong ngành công nghiệp ô tô, các dự án thí điểm cho thấy vật liệu polypropylene có thể được sử dụng để thay thế thép trong một số kết cấu, giúp ô tô giảm gần một nửa trọng lượng, giúp cải thiện 35% hiệu quả nhiên liệu,
theo một báo cáo của Bộ Năng Lượng Hoa Kỳ. Nếu thay thế 20% sản lượng thép thô toàn cầu bằng polypropylen thì sẽ giảm được gần 595 triệu tấn CO2, tương đương với lượng khí thải hằng năm của nước Đức.
Một điều cần lưu ý là lựa chọn vật liệu nào để sử dụng đều phải dựa trên đánh giá toàn diện các tác động môi trường của vật liệu, bao gồm cả khả năng tái chế và lượng khí thải carbon phát sinh trong toàn bộ vòng đời của sản phẩm.
Ví dụ, nhựa thường có cường độ phát thải cao hơn so với thép trong quá trình sản xuất. Tức là, để sản xuất ra một tấn nhựa thì sẽ thải ra 4kg khí CO2, trong khi để sản xuất ra một tấn thép, lượng khí CO2 thải ra chỉ là 2 kg. Tuy nhiên, nhựa nhẹ hơn nhiều so với thép, do đó sẽ cần dùng ít nhựa hơn trong cùng một ứng dụng. Việc thay thế thép bằng nhựa, chẳng hạn như trong các dòng ô tô, sẽ dẫn đến những cải thiện đáng kể về hiệu quả nhiên liệu và giảm phát thải trong quá trình vận hành (vì xe nhẹ hơn). Ngoài ra, nhựa được tái chế dễ dàng hơn, do vậy nó có những ưu điểm về tính tuần hoàn của vật liệu.
Tham khảo: