Công nghệ đột phá không phát thải CO2 trong ngành công nghiệp thép

Non-CO2 emission breakthrough technologies in steel industry

TS NGUYỄN VĂN SƯA

Các nhà khoa học đã xác định rằng, các hoạt động của con người đã tạo ra ngày một nhiều khí nhà kính (CO₂, CH₄, NOx, và các khí chứa F), làm hỏng tầng ozon - lớp bảo vệ trái đất khỏi tác động của bức xạ mặt trời. Hậu quả là gây ra biến đổi khí hậu mà tiêu biểu là hiện tượng trái đất nóng lên, băng tan nhiều làm mực nước biển dâng cao dẫn đến nhiều hệ lụy tiêu cực đối với đời sống con người. Biến đổi khí hậu được coi là một thách thức lớn nhất của nhân loại trong thế kỷ 21 này. 

Sản xuất thép là ngành sử dụng nhiều nguyên liệu và năng lượng nên cũng phát thải nhiều khí nhà kính, nhất là khí CO₂. Năm 2019, với sản lượng thép 1.869 triệu tấn, ngành thép thế giới đã thải ra khoảng 3,55 tỷ tấn khí CO2, chiếm khoảng 7,5 % toàn bộ phát thải CO₂ của nhân loại. Ý thức được điều đó, ngành công nghiệp thép của các nước phát triển đã triển khai nghiên cứu cải tiến, tạo ra các công nghệ ít phát thải và tiến tới không phát thải khí CO₂. Điển hình là các chương trình SOBOT (Giảm tiêu hao một barell dầu cho sản xuất một tấn thép) của Hoa Kỳ, ULCOS (Cắt giảm triệt để khí CO₂ trong sản xuất thép) của Liên minh Châu Âu, COURSE 50 (Hệ thống cắt giảm triệt để khí CO2 để làm nguội trái đất đến năm 2050) của Nhật Bản,... Các chương trình này đã đạt được một số kết quả có nhiều triển vọng. Trong khuôn khổ của chương trình ULCOS, dự án HYBRIT - Hyđro Breakthrough Ironmaking Technology - với mục tiêu thay thế than cốc được sử dụng từ trước đến nay trong luyện gang bằng khí hyđrô được sản xuất từ năng lượng điện tái tạo đã được triển khai. Cả hai than cốc và hyđrô đều có thể dùng làm chất khử để tách oxy khỏi oxit sắt (quặng sắt). 

Trong công nghệ luyện gang truyền thống, cacbon của than cốc phản ứng với oxy trong quặng sắt tạo thành khí CO₂. Nếu hyđrô được dùng thay than cốc thì hyđro phản ứng với oxy trong quặng sắt để tạo thành hơi nước. Mục tiêu của dự án này là giảm triệt để phát thải khí CO₂ trong ngành công nghiệp thép. HYBRIT là dự án liên doanh giữa SSAB - nhà sản xuất thép lớn nhất Bắc Âu, LKAB - nhà sản xuất quặng sắt lớn nhất Châu Âu và Vattenfall - một trong các nhà sản xuất điện lớn nhất Châu Âu. Dự án đã làm nghiên cứu tiền khả thi vào năm 2016 và hiện nay đang xây dựng nhà máy pilot và sẽ chạy thử vào năm 2020 - 2024. Đến năm 2028 sẽ xây dựng nhà máy trình diễn và sẽ chạy 24/7 một số tháng. Như vậy, mục tiêu của dự án là có nhà máy ở mức độ công nghiệp vào năm 2035. Hyđro được sản xuất bằng phương pháp điện phân nước. Nếu nguồn điện là điện tái tạo thì mặc dù phương pháp này cần nhiều điện nhưng phát thải CO2 của toàn bộ quá trình là không đáng kể. 

Theo tính toán ban đầu, chi phí sản xuất theo công nghệ HYBRIT sẽ cao hơn khoảng (20 - 30)% so với công nghệ truyền thống. Tuy nhiên, khoảng cách này theo thời gian sẽ dần được thu hẹp do Hệ thống Thương mại phát thải (Emissions Trading System - ETS) của Liên minh Châu Âu sẽ tăng giá phát thải CO₂ và giá năng lượng tái tạo sẽ được giảm nhiều trong thời gian tới. Một thành tựu mới nữa về công nghệ đột phá không phát thải CO₂ trong ngành thép cũng được công bố tại Trung Quốc, nước sản xuất hơn một nửa sản lượng thép của thế giới (996 triệu tấn năm 2019). 

Theo ông Frank Zhong - Trưởng Văn phòng đại diện của Hiệp hội Thép thế giới tại Bắc Kinh - Vào cuối năm 2019, tập đoàn sản xuất thép lớn thứ hai của Trung Quốc là HBIS Group đã công bố tham vọng xây dựng một nhà máy sản xuất thép 1,2 triệu tấn/năm bằng hydro. Đây là một bước tiến lịch sử đối với quá trình giảm phát thải cacbon của ngành thép Trung Quốc, ngành chiếm hơn một nửa sản lượng thép toàn cầu và lượng khí thải carbon dioxide liên quan. Mặc dù chưa rõ khi nào nhà máy mới 1,2 triệu tấn/năm sẽ được đưa vào hoạt động, HBIS Group đã bắt đầu làm việc với công ty Tenova của Ý để chuẩn bị kỹ thuật cho việc động thổ vào năm 2020. Dự án này đang khẳng định là nhà máy đầu tiên và lớn nhất sử dụng công nghệ hydro ở quy mô sản xuất công nghiệp. Tập đoàn Baowu cũng hoạt động rất tích cực. 

Vào đầu năm 2019, họ đã thiết lập quan hệ đối tác với Tập đoàn Hạt nhân Quốc gia Trung Quốc và Đại học Thanh Hoa để cùng phát triển công nghệ sử dụng năng lượng hạt nhân tạo ra hyđro thay thế nhiên liệu hóa thạch trong sản xuất thép. Vào tháng 9 năm 2019, một nhà sản xuất thép cỡ trung bình khác là Jiuquan Steel, nằm ở Tây Bắc Trung Quốc, đã thành lập một viện nghiên cứu để nghiên cứu một công nghệ sản xuất gang mới dựa trên hyđro có kết hợp vai trò của cả hyđro và than. Sau các thí nghiệm thành công trong phòng thí nghiệm, một nhà máy thí điểm sẽ được xây dựng. 

Ba công ty trên đều là công ty nhà nước, tuy nhiên, một nhà sản xuất thép thuộc sở hữu tư nhân, Tập đoàn Jianlong, lớn thứ năm ở Trung Quốc, cũng đã thực hiện những bước đầu tiên để phát triển công nghệ hyđro. Vào tháng 9 năm 2019, Tập đoàn Jianlong đã khởi động công việc xây dựng nhà máy thép 0,30 triệu tấn/năm sử dụng hỗn hợp hyđro và than. Hyđro sẽ được khai thác từ khí lò luyện cốc và dự án được lên kế hoạch sản xuất lần đầu tiên vào tháng 10 năm 2020. Dự án mới nhất đã được khởi động vào đầu tháng 5 năm 2020 bởi một nhà sản xuất thép tư nhân khác, Rizhao Steel. Dự án sẽ sản xuất 0,5 triệu tấn DRI/năm bằng cách sử dụng hyđro, được chiết xuất từ đồng sản phẩm của quy trình dựa trên khí tự nhiên để tạo ra vinyl axetat. Tuy nhiên, vẫn còn nhiều thách thức phía trước đối với việc sử dụng rộng rãi hydro. 

Theo báo cáo của một số nhà phân tích, công suất sản xuất hydro toàn cầu vào khoảng 70 triệu tấn/năm và Trung Quốc chiếm 1/3 tổng công suất. Cho đến nay, nguồn cung cấp hyđro này ở Trung Quốc chủ yếu dành cho ngành công nghiệp hóa chất với một phần nhỏ dành cho giao thông vận tải, ví dụ: Trạm hyđro thí điểm của HBIS Group để tiếp nhiên liệu cho xe tải hạng nặng, được khởi công vào ngày 28 tháng 8 năm 2020. Do đó, công suất sản xuất hyđro hiện có ở Trung Quốc không đủ để hỗ trợ ngành thép. Ngoài tính sẵn có, chi phí của hyđro là một thách thức khác. Với giá thị trường hyđro hiện tại ở Trung Quốc (khoảng 60.000 NDT/tấn - 7.800 Euro/tấn), chi phí năng lượng của công nghệ luyện gang bằng hyđro sẽ đắt hơn gấp 5 lần so với công nghệ lò cao truyền thống. Do đó, mức sản xuất hyđro và chi phí của nó sẽ cần được giải quyết để nó trở thành một giải pháp khả thi. Điều này sẽ đòi hỏi sự tham gia và tài trợ của nhà nước cũng như các công ty tư nhân. Hỗ trợ của Hệ thống thương mại phát thải (ETS) Trung Quốc sẽ rất to lớn. Giảm phát thải cacbon là một thách thức cốt lõi trước mắt đối với ngành thép Trung Quốc. 

Năm 2019, Trung Quốc sản xuất 996 triệu tấn thép thô, trong đó khoảng 780 triệu tấn hay 78 % được sản xuất từ quặng sắt với than là nguồn năng lượng chính, 22 % còn lại là từ thép phế. Kể từ năm 2011, một số nhà sản xuất thép của Trung Quốc đã tham gia vào hệ thống thí điểm về giao dịch khí thải cacbon (ETS) do chính quyền trung ương thành lập. Vào tháng 12 năm 2017, Chính phủ Trung Quốc đã chính thức ra mắt hệ thống thương mại phát thải cacbon với sản xuất điện là lĩnh vực đầu tiên được đề cập. Có thông tin cho rằng ngành thép cũng sẽ sớm được bao phủ bởi hệ thống thương mại cacbon, điều này sẽ thúc đẩy các nhà sản xuất thép phân bổ nhiều nguồn lực hơn để tìm kiếm năng lượng cacbon thấp như hyđro. 

Về dài hạn, đây là một triển vọng đầy hứa hẹn. Nhìn chung, điều này có vẻ rất tốt đẹp và nó chỉ khẳng định niềm tin của ngành thép thế giới rằng trên toàn cầu với những nỗ lực tổng hợp của tất cả những người trong ngành, các công nghệ trung tính cacbon mới sẽ xuất hiện. Hy vọng đến 2050 thì điều này sẽ là hiện thực ở nhiều nước.