Tương lai của “thép xanh”

Trong những tháng gần đây, ba nhà sản xuất thép hàng đầu thế giới — ArcelorMittal của Châu Âu, Baowu Steel của Trung Quốc và Nippon Steel của Nhật Bản — đã cam kết đạt được mức phát thải ròng bằng 0 vào năm 2050.

Nỗ lực “xanh hóa” quá trình sản xuất thép

Ở Woburn, ngoại ô Boston, Massachusetts, Mỹ, một công ty đang nghiên cứu để thay thế than bằng các điện tử (electron). Đó là Boston Metal, công ty do Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) hậu thuẫn. Công ty đang sử dụng dòng điện để nung quặng sắt thành một chất lỏng màu trắng cam sáng, chất lỏng này sau đó sẽ chuyển thành kim loại và nguội lại thành những khối thép màu xám. Quá trình này không phát thải khí nhà kính, và khi được cung cấp năng lượng từ điện sản xuất bằng năng lượng tái tạo, có thể hoàn toàn không phát thải.

Tadeu Carneiro, Giám đốc điều hành của Boston Metal, cho biết công ty đang “mở ra một kỷ nguyên luyện kim mới”. Hồi đầu năm 2021 công ty khởi nghiệp này đã huy động được 50 triệu USD từ một loạt các nhà đầu tư, bao gồm quỹ Breakthrough Energy Ventures của Bill Gates và quỹ đầu tư mạo hiểm của tập đoàn khai khoáng lớn nhất thế giới BHP (Úc). Khoản tài trợ mới sẽ cho phép công ty xây dựng một nhà máy thực nghiệm ở Woburn có thể sản xuất 25.000 tấn kim loại mỗi năm. Tuy nhiên, cho đến nay, tổng cộng công ty chỉ sản xuất được vài tấn thép “xanh”.

Phương pháp tiếp cận của Boston Metal là một trong số ít các công nghệ đột phá có tiềm năng khử carbon trong quá trình sản xuất thép.

Các công ty trên khắp châu Âu đang thử nghiệm các hệ thống sử dụng hydro trong lò thay cho than.

Ở Brazil, một số nhà máy thép đang trộn than sinh học, được sản xuất từ chất thải nông nghiệp. Một số công ty đang tiếp tục sử dụng than, nhưng đồng thời cũng đang xem xét trang bị thêm các cơ sở với thiết bị thu giữ carbon để loại bỏ khí thải.

Các công nghệ kiểm thử và mở rộng quy mô loại bỏ khí thải từ quá trình luyện thép không phải là thách thức duy nhất để khử carbon trong vật liệu xây dựng. Các sản phẩm xanh hơn cũng phải cạnh tranh với nguồn cung thép rẻ tiền dồi dào của Trung Quốc.

Khoảng 70% thép ngày nay được sản xuất theo cách mà nó luôn được tạo ra: trong những lò nung khổng lồ, cực nóng. Than tinh khiết, hay còn gọi là “than cốc”, được nung nóng và nấu chảy với ôxít sắt và đá vôi, sau đó oxy được đưa vào để làm giảm hàm lượng carbon trong hỗn hợp và loại bỏ tạp chất.

Tại cơ sở nghiên cứu của Boston Metal, quá trình luyện thép diễn ra bên trong một buồng điện phân. Điện được đưa vào từ phía trên và chảy qua một ống giống như ống khói được làm từ hợp kim crom. Sau đó, dòng điện đi qua một dung dịch lỏng được tạo thành từ oxit sắt và các khoáng chất kim loại khác. Đây là bước làm nóng oxit tan chảy và thúc đẩy các phản ứng hóa học tạo ra khí oxy và sắt lỏng. Oxy tạo bọt ở trên cùng, trong khi sắt lỏng nằm ở đáy buồng và cuối cùng cứng lại thành thép.

Donald Sadoway, giáo sư hóa vật liệu tại MIT, đồng sáng lập Boston Metal, cho biết: “Ở quy mô lớn, chúng tôi hy vọng sẽ tạo ra kim loại tốt hơn với chi phí thấp hơn và không phát thải carbon dioxide (CO2).”

Hydro xanh – nguồn năng lượng sạch thay thế nhiên liệu hóa thạch

Trong khi Boston Metal mở rộng nỗ lực trong lĩnh vực điện phân, nhiều công ty thép đang đặt hy vọng vào hydro để hạn chế phát thải.

Hydro không phát thải khí nhà kính khi bị đốt cháy và có thể được tạo ra bằng cách sử dụng điện sản xuất bằng năng lượng tái tạo để phá vỡ các phân tử nước (mặc dù hầu hết hydro ngày nay được tạo ra từ khí tự nhiên, thông qua một quá trình được gọi là cải tạo khí mê-tan bằng hơi nước). Trong sản xuất thép, hydro tạo ra một phản ứng hóa học loại bỏ oxy từ quặng sắt, từ đó triệt tiêu nhu cầu về than tinh khiết trong lò cao.

ArcelorMittal S.A., một tập đoàn thép đa quốc gia có trụ sở chính ở Luxembourg, đang xây dựng một nhà máy thử nghiệm sử dụng phương pháp sản xuất thép khử trực tiếp (hydro-DRI) ở Đức.

Tập đoàn công nghiệp nặng Mitsubishi của Nhật Bản có kế hoạch thử nghiệm công nghệ này trong năm nay tại nhà máy thép với công suất 250.000 tấn/năm ở Áo.

Tại Thụy Điển, nhà sản xuất thép SSAB và các đối tác đã xây dựng một nhà máy thí điểm để sản xuất nguồn cung cấp hydro và thử nghiệm hydro-DRI, chỉ sử dụng năng lượng thủy điện cho cả hai hoạt động.

Ở nước Úc – nhà xuất khẩu than đá hàng đầu thế giới, chủ tịch của nhà khai thác mỏ Fortescue Metals, Andrew Forrest, đã nêu ý tưởng sản xuất thép không cần carbon. Công ty hiện khai thác quặng sắt và xuất khẩu, phần lớn trong số đó đến Trung Quốc, nơi sản xuất thép và vận chuyển sản phẩm thép trở lại Úc. Fortescue Metals có kế hoạch triển khai một dự án thử nghiệm trong năm nay để sản xuất thép bằng cách sử dụng hydro xanh làm nguồn năng lượng. Nếu thành công, dự án sẽ tạo ra hàng ngàn công việc mới.

Forrest cho rằng việc tạo ra thép không carbon không phải là viển vông. Thay vì đốt than cốc ở nhiệt độ cao, công ty ông sẽ sử dụng hydro xanh, nhờ đó các tấm pin mặt trời hoặc gió có thể sản xuất điện được đưa qua máy điện phân để tạo ra khí hydro tinh khiết.

Những thách thức tiềm tàng

Xây dựng một ngành công nghiệp thép dựa trên hydro sẽ đòi hỏi chi tiêu đáng kể để không chỉ xây dựng các nhà máy mới mà còn sản xuất, vận chuyển và lưu trữ hydro xanh. Để các dự án này có hiệu quả kinh tế trong thế giới thép rẻ, giá hydro và điện tái tạo phải giảm đáng kể, trong khi giá carbon dioxide phải tăng lên, theo Nate Aden, một thành viên cấp cao tại Viện Tài nguyên Thế giới (World Resources Institute).

Còn theo báo cáo của công ty tư vấn quản lý toàn cầu McKinsey & Company, giá carbon dioxide tăng và giá hydro giảm là rất quan trọng để đảm bảo tính khả thi về mặt kinh tế (tính theo phí bằng tiền mặt) của việc sản xuất thép dựa trên hydro nguyên chất. Sản xuất thép thông thường vẫn giữ được lợi thế về phí bằng tiền mặt. Tuy nhiên, kịch bản này sẽ thay đổi ngay khi giá hydro giảm hoặc giá carbon dioxide tăng.

“Theo logic này, sản xuất thép từ hydro nguyên chất dự kiến sẽ có tính cạnh tranh về phí bằng tiền mặt từ năm 2030 đến năm 2040 ở châu Âu,” báo cáo kết luận.

Có một thách thức dài hạn khác đối với các dự án mới với năng lượng sạch: Nhu cầu thép đang giảm hoặc trì trệ ở các thị trường chủ chốt, bao gồm Mỹ và Nhật Bản. Các nhà sản xuất đã và đang tạo ra nhiều thép hơn nhu cầu của thế giới. Trong khi đó, các công ty xây dựng và sản xuất xe hơi đang ngày càng sử dụng các loại vật liệu khác như nhôm nhẹ, nhựa và thậm chí cả gỗ cho sản phẩm của họ. Theo Aden, điều đó có thể khiến việc làm cho các khoản đầu tư hoặc nghiên cứu trong tương lai được thông qua trở nên khó khăn hơn.

Tuy nhiên, ngành công nghiệp thép vẫn là một phần thiết yếu của nền kinh tế thế giới – cũng như là một nguồn phát thải đáng kể của thế giới.

“Điều rõ ràng là chúng ta vẫn sẽ cần thép trong vài thập kỷ tới. Vì vậy, tôi nghĩ rằng tất cả các dự án mới này đều đáng cân nhắc,” Aden kết luận.