Sản xuất gang-thép và biến đổi khí hậu

Iron and steel production and climate change

TS NGUYỄN VĂN SƯA

Thỏa thuận Paris được thông qua vào năm 2015. Mục tiêu trọng tâm của thỏa thuận là hạn chế mức tăng nhiệt độ toàn cầu xuống dưới 2 độ C so với mức thời kỳ tiền công nghiệp và các nỗ lực nhằm hạn chế mức tăng nhiệt độ hơn nữa ở mức 1,5 độ C. Thỏa thuận này nhằm đạt được sự cân bằng giữa lượng khí thải do con người gây ra và sự loại bỏ bởi các bồn chứa (hấp phụ) trong nửa sau của thế kỷ này. Mặc dù việc đó có liên quan đến hệ thống năng lượng và giao thông trong tương lai, đến vấn đề bảo vệ khỏi tác động của thiên tai, đến cơ sở hạ tầng thích ứng với khí hậu, đến việc xây dựng và nhà ở, đến sản xuất cacbon thấp và nông nghiệp hữu cơ, nhưng ngành thép là trọng tâm của các giải pháp. Các phương pháp tiếp cận kinh tế tuần hoàn ngày càng kéo dài tuổi thọ hữu ích của thép. Ngành công nghiệp thép là một phần không thể thiếu của nền kinh tế tuần hoàn - với nguyên liệu thép là lý tưởng để được tái sản xuất, tái sử dụng và cuối cùng là tái chế. 

Gang được tạo ra bằng cách loại bỏ oxy và các tạp chất khác từ quặng sắt. Khi gang kết hợp với cacbon, thép phế và một lượng nhỏ các nguyên tố khác, nó sẽ trở thành thép. Sau khi được thực hiện, nó là một nguồn tài nguyên vĩnh viễn; nó là 100 % có thể tái chế vô hạn mà không mất đi bất kỳ một đặc tính nào. Sản xuất thép là một ngành công nghiệp toàn cầu và các nguyên liệu thô (như quặng sắt và phế liệu) và các sản phẩm thép được giao dịch trên toàn cầu với quy mô lớn. Ngày nay, hơn 70 % sản lượng thép toàn cầu diễn ra ở châu Á. Sản xuất thép vẫn là một hoạt động sử dụng nhiều năng lượng và thải ra nhiều CO₂. Tuy nhiên, ngành thép cam kết tiếp tục giảm thiểu tác động từ các hoạt động và việc sử dụng các sản phẩm. Ngành thép thế giới hoàn toàn ủng hộ các mục tiêu của Thỏa thuận Paris. Không có giải pháp duy nhất để giảm đáng kể lượng khí thải CO₂ từ ngành công nghiệp thép. Tuy nhiên, các giải pháp chính cho phép đạt được mục tiêu là: 

- Chuyển đổi sản xuất thép, nâng cao hiệu quả trong các quy trình và sử dụng tối đa phế liệu để giảm lượng khí thải từ quá trình sản xuất gang- thép. 

- Nỗ lực phát triển và triển khai các công nghệ sản xuất thép cacbon thấp mang tính đột phá. 

- Phát triển và sản xuất các sản phẩm thép tiên tiến cần thiết để tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình chuyển đổi và thích ứng theo yêu cầu của xã hội nhằm đạt được tính trung hòa cacbon thông qua các tòa nhà không sử dụng năng lượng, cơ sở hạ tầng năng lượng tái tạo, điện khí hóa và hơn thế nữa. Hỗ trợ khách hàng cung cấp các giải pháp sáng tạo thông qua việc sử dụng vật liệu thép và giới thiệu các sản phẩm thép tiên tiến mới. 

Hiệu quả của nền kinh tế tuần hoàn 

Ngành thép đang thúc đẩy việc tái sử dụng, tái sản xuất và tái chế nhiều hơn, tất cả các yếu tố chính của nền kinh tế tuần hoàn. Thép hiện đại có cơ tính cao hơn, nhẹ hơn và bền hơn bao giờ hết. Ngành công nghiệp thép đang làm việc tích cực với khách hàng, từ thiết kế đến cuối vòng đời, để chia sẻ kiến thức về vật liệu thép nhằm đảm bảo rằng thép được sử dụng hiệu quả nhất có thể trong bất kỳ ứng dụng nhất định nào. Bằng cách này sẽ kích hoạt nền kinh tế tuần hoàn và đóng góp vào hiệu quả vật chất ở mọi giai đoạn. Mỗi yếu tố trong số này đều đóng một vai trò quan trọng, yếu tố đầu tiên là giảm thiểu lượng khí thải của chính quá trình sản xuất gang và thép. 

Ngành thép sẽ giảm thiểu phát thải CO₂ 

Có ba thành phần để giảm phát thải CO₂: cải thiện các công nghệ hiện có, sử dụng tối đa phế liệu và phát triển các công nghệ đột phá.

• Năm 2020, trung bình mỗi tấn thép được sản xuất dẫn đến phát thải 1,851 tấn CO₂ vào khí quyển. Vào năm 2020, 1.860 triệu tấn thép được sản xuất và tổng lượng phát thải trực tiếp từ lĩnh vực của ngành thép là 2,6 tỷ tấn CO₂, chiếm từ 7 đến 9 % lượng khí thải CO₂ do con người gây ra trên toàn cầu.
• Vào năm 2020, Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IEA) đã phát hành một lộ trình khám phá các công nghệ và chiến lược tiềm năng cần thiết cho lĩnh vực sắt thép để theo đuổi một lộ trình tương thích với tầm nhìn rộng lớn hơn của IEA về một lĩnh vực năng lượng bền vững hơn. Vào tháng 10 năm 2020, Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IEA) đã công bố “Lộ trình Công nghệ gang và thép”. Tài liệu này phân tích các tác động và sự đánh đổi của các lựa chọn công nghệ khác nhau và các mục tiêu chính sách đối với ngành để phù hợp với các mục tiêu của Thỏa thuận Paris. Theo “Kịch bản Phát triển bền vững” của IEA, tổng lượng phát thải trực tiếp từ lĩnh vực gang-thép giảm hơn 50 % vào năm 2050 so với năm 2019. Trên cùng một lộ trình, cường độ phát thải của sản xuất thép thô phải giảm 58 %. IEA tuyên bố rằng thép rất quan trọng đối với các nền kinh tế hiện đại và lưu ý rằng việc duy trì tăng trưởng nhu cầu thép dự kiến trong khi giảm lượng khí thải đặt ra những thách thức to lớn. Trong khi cải thiện hiệu quả sẽ giúp ích cho ngành công nghiệp thì cần phải phát triển hơn nữa và triển khai một danh mục rộng rãi các lựa chọn công nghệ đột phá và tạo điều kiện cho cơ sở hạ tầng đạt được lâu dài, giảm sâu lượng khí thải. Hơn nữa, IEA lưu ý rằng các chính phủ phải đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo quá trình chuyển đổi bền vững của ngành và kết thúc bằng lời kêu gọi hành động đối với các chính phủ, ngành thép, cộng đồng nghiên cứu và tổ chức phi chính phủ và các bên liên quan khác.

Các thành viên của “worldsteel”, những người đại diện cho khoảng 85 % sản lượng thép toàn cầu, tiếp tục tìm cách thúc đẩy hiệu quả sử dụng năng lượng và nguyên liệu thô và đầu tư vào các công nghệ tiết kiệm năng lượng. Trên con đường triển khai công nghệ đột phá, hiệu quả quá trình đạt được trong ngắn hạn và trung hạn sẽ giúp giảm đáng kể lượng khí thải CO₂. 

Vào năm 2019, Hội đồng thành viên “worldsteel” đã khởi động “bước tiến”, một quy trình mới đánh giá hiệu quả toàn ngành dựa trên các thực tiễn tốt nhất, tập trung vào các đòn bẩy hiệu quả chính là chất lượng nguyên liệu thô, hiệu quả năng lượng, năng suất và độ tin cậy của quy trình. Việc thực hiện thành công phương pháp luận từng bước có khả năng giảm phát thải trực tiếp và gián tiếp tới 20 % tại cơ sở luyện thép từ quặng và lên đến 50 % tại cơ sở luyện thép từ phế liệu. Tất cả các thành viên của “worldsteel” đều được khuyến khích tham gia vào chương trình nâng cấp và việc áp dụng rộng rãi phương pháp trong toàn ngành sẽ nâng hiệu suất của tất cả các cơ sở sản xuất lên mức tương xứng với những nơi hoạt động tốt nhất. Do đó, nó thể hiện một sáng kiến quan trọng trong nỗ lực giảm thiểu tác động của ngành thép. 

Mỗi nhà máy thép cũng là một nhà máy tái chế, và tất cả các nhà máy sản xuất thép đều sử dụng phế liệu, lên đến 100 % trong lò điện hồ quang (EAF) và lên đến 30 % trong lò cao (BF). Tất cả các phế liệu được thu gom đều được tái chế, và tỷ lệ tái chế chung ngày nay được ước tính là khoảng 85 %. Mức độ tái chế cao này có nghĩa là có rất nhiều khả năng để cải tiến. Phế liệu đóng một vai trò quan trọng trong việc giảm phát thải của ngành và tiêu thụ tài nguyên. Mỗi tấn phế liệu được sử dụng để sản xuất thép tránh phát thải 1,5 tấn CO2, và tiêu thụ 1,4 tấn quặng sắt, 740 kg than và 120 kg đá vôi. Việc mở rộng sản xuất thép từ phế liệu trong tương lai sẽ phụ thuộc vào sự sẵn có của phế liệu cao cấp. Trong khi nguồn cung quặng sắt có thể thay đổi theo nhu cầu, thì lượng phế liệu sẵn có trên toàn cầu là một hàm số của nhu cầu thép và sự phát sinh phế liệu khi các sản phẩm chứa thép sắp hết tuổi thọ. Năng lực sản xuất thép toàn cầu đã trải qua một giai đoạn tăng trưởng bùng nổ từ đầu những năm 2000, phần lớn được thúc đẩy bởi đầu tư vào công suất mới ở Trung Quốc. Với các sản phẩm thép có tuổi thọ trung bình là 40 năm, loại thép này sẽ bắt đầu gia nhập thị trường phế liệu trong thập kỷ tới, giúp giảm đáng kể lượng khí thải của ngành thép. 

Công nghệ đột phá 

Hiện nay, cách duy nhất khả thi về mặt kỹ thuật và thương mại để sản xuất thép từ quặng sắt là sử dụng nhiên liệu hóa thạch làm chất khử. Lò cao là công nghệ chủ đạo được sử dụng để hoàn nguyên quặng sắt hiện nay. Lò cao hiện đại liên tục được phát triển và hoàn thiện và hiện đang hoạt động gần giới hạn hiệu quả của quá trình hoàn nguyên. Do đó, để đạt được mức giảm mạnh CO₂ cần thiết, cần phải có một cách tiếp cận hoàn toàn mới, mang tính chuyển đổi để luyện gang và có một số sáng kiến đầy hứa hẹn đang được phát triển. “Worldsteel” định nghĩa “thép cacbon thấp” là thép được sản xuất bằng công nghệ và thực tiễn dẫn đến phát thải khí CO₂ thấp hơn đáng kể so với sản xuất thông thường.

• Sử dụng cacbon làm chất khử đồng thời ngăn chặn phát thải CO₂, ví dụ như thu giữ cacbon, sử dụng và lưu trữ sinh khối bền vững (CCUS).
• Thay thế hyđro cho cacbon làm chất khử, tạo ra H₂O (nước) chứ không phải CO₂.
• Sử dụng năng lượng điện tái tạo để điện phân quặng sắt.

Danh mục các lựa chọn công nghệ 

Không có một giải pháp duy nhất nào cho quá trình sản xuất thép cacbon thấp mà tùy thuộc vào hoàn cảnh địa phương cho phép. Ở bất kỳ địa điểm cụ thể nào, việc lựa chọn giải pháp đột phá nào để triển khai sẽ được quyết định bởi sự sẵn có của các nguồn lực và sự hỗ trợ chính sách của địa phương. Ví dụ:

• Ở những khu vực giàu năng lượng cacbon thấp, người ta có thể mong đợi việc triển khai điện phân nước để tạo hyđro dùng làm chất hoàn nguyên.
• Ở những khu vực có khả năng tiếp cận với kho lưu trữ CO₂, ví dụ như UAE, Hoa Kỳ hoặc Hà Lan, CCS hoặc hoàn nguyên bằng hyđro xanh có thể nổi lên là sự lựa chọn thích hợp nhất.
• Ở các khu vực có khả năng tiếp cận các nguồn tài nguyên sinh khối, chẳng hạn như Úc hoặc Brazil, sinh khối bền vững và than sinh học có thể được sử dụng để thay thế than trong các quy trình sản xuất thép hiện có.
• Thu giữ và sử dụng cacbon (CCU) có thể kết hợp khí thải giàu cacbon với năng lượng tái tạo để tạo ra nhiên liệu tổng hợp và hóa chất như axeton và isopropanol có thể được sử dụng làm nguyên liệu cho ngành hóa chất.

ArcelorMittal đang xây dựng một cơ sở quy mô lớn ở Ghent, Bỉ để chuyển đổi khí thải của quá trình thành etanol, có thể được sử dụng trong nhiều ứng dụng, bao gồm sản xuất nhiên liệu tổng hợp. Nhà máy sẽ có công suất 80 triệu lít ethanol/năm. Một cơ sở thương mại tương tự đã bắt đầu hoạt động vào năm 2018 tại Tập đoàn Shougang ở Trung Quốc, sản xuất 30 triệu lít ethanol để bán trong năm đầu tiên hoạt động. Tại Emirates Steel ở UAE, tới 800 kt CO₂ mỗi năm được thu giữ từ dòng khí giàu CO₂ từ nhà máy luyện gang. Khí được nén, khử nước và được bơm qua 50 km đường ống trước khi được bơm vào mỏ dầu đã khai thác hết để lưu trữ lâu dài. HBIS đang xây dựng một dự án trình diễn sản xuất DRI bằng hyđro công suất 1,2 triệu tấn. Dự án ở Trung Quốc sẽ sử dụng công nghệ hyđro xanh lục và xanh lam để khám phá con đường không phát thải CO₂ từ quá trình luyện gang và thép. Nhà máy dự kiến bắt đầu sản xuất vào cuối năm 2021. Evraz’s Rocky Mountain Steel ở Colorado, Mỹ, đang chuyển đổi từ điện than sang năng lượng mặt trời. Nhà máy Evraz sẽ là nhà máy năng lượng mặt trời tại chỗ lớn nhất trong cả nước dành riêng cho một khách hàng khi nó đi vào hoạt động vào năm 2021. 

Lộ trình IEA dự kiến rằng việc triển khai rộng rãi công nghệ đột phá sẽ tăng tốc từ năm 2030 đến năm 2050. Tuy nhiên, chúng ta có thể mong đợi những hoạt động đầu tiên được thử nghiệm và thực hiện ở một loạt nhà máy cung cấp số lượng ngày càng tăng thép cacbon thấp cho thị trường từ giữa những năm 2020. Học hỏi từ những đổi mới này sẽ hỗ trợ việc triển khai rộng rãi hơn trong toàn ngành vào giữa thế kỷ này. 

Ý nghĩa chi phí 

Mỗi công ty lựa chọn công nghệ đột phá nào để đầu tư ở một mức độ lớn sẽ phụ thuộc vào các nguồn lực sẵn có và các chính sách áp dụng. Tuy nhiên, ngay cả khi các điều kiện tốt, rõ ràng việc sản xuất thép cacbon thấp sẽ đắt hơn so với sản xuất thép hiện nay. Chi phí sản xuất cao hơn sẽ là kết quả của sự kết hợp của các yếu tố sau:

• Tăng chi phí hoạt động, ví dụ: sử dụng các nguồn cacbon thấp đắt tiền hơn như hyđro xanh hoặc điện cacbon thấp, thiết bị CCS đòi hỏi năng lượng bổ sung để vận hành và lưu trữ CO₂.
• Chi phí vốn tăng lên do, ví dụ: thay thế các tổ máy lò cao chạy than bằng các tổ máy DRI dựa trên hyđro và các lò oxy cơ bản bằng các tổ máy điện hồ quang; việc chuyển đổi các thiết bị hiện có sang sử dụng hyđro hoặc các nhiên liệu khác; việc trang bị thêm cơ sở hạ tầng CCS hoặc CCUS ...
• Lỗ vốn do, ví dụ: khả năng thay thế hoặc xóa sổ các tài sản sản xuất thép có tuổi thọ cao. IEA ước tính chi phí sản xuất bổ sung là từ 10 % đến 50 % so với hiện nay, làm tăng chi phí sản xuất.

Tuy nhiên, ngành thép sẽ tiếp tục tiết giảm chi phí bằng cách nâng cao hiệu quả hoạt động và triển khai các công nghệ sản xuất thông minh, bù đắp một phần chi phí tăng thêm. Vì sự chuyển đổi của ngành sẽ diễn ra dần dần, với một số công ty/quốc gia/khu vực phát triển nhanh hơn những công ty khác, thép được sản xuất bằng công nghệ cacbon thấp sẽ cạnh tranh với thép sản xuất thông thường. 

Điều này sẽ tạo ra bất lợi cho người đầu tiên và do đó sẽ cần hỗ trợ về chính sách. Quan hệ đối tác giữa các chính phủ và ngành công nghiệp thép là nền tảng cho một tương lai bền vững. Các công cụ dành cho chính phủ, ngành thép và khả năng tiếp cận dự kiến với các công nghệ cacbon thấp và giá cả phải chăng khác nhau tùy theo khu vực và theo quốc gia. Đối với Thỏa thuận Paris, các quốc gia cần đánh giá và thực hiện các chiến lược chính sách và kỹ thuật cho phù hợp với hoàn cảnh cụ thể của họ. Tuy nhiên, rõ ràng là các chính phủ, ngành công nghiệp thép và các bên liên quan khác sẽ cần hợp tác chặt chẽ để vượt qua những thách thức về công nghệ và kinh tế, đồng thời tạo ra các điều kiện thị trường cần thiết để ngành thép chuyển đổi sang sản xuất thép cacbon thấp một cách hiệu quả. 

Ngành công nghiệp thép sẽ giảm thiểu lượng khí thải bằng cách:

• Đẩy nhanh nỗ lực cải thiện hiệu quả sử dụng năng lượng và CO₂ trong toàn ngành công nghiệp toàn cầu và làm việc với các đối tác và các nước láng giềng để tạo ra sức mạnh tổng hợp.
• Phát triển danh mục các công nghệ đột phá thông qua việc tăng cường nghiên cứu và phát triển.
• Đảm bảo rằng tất cả phế liệu thu gom được tái chế thành các sản phẩm thép mới bằng cách phát triển các công nghệ tối đa hóa giá trị của tất cả các phế liệu được thu Tạo quan hệ đối tác để cho phép chuyển đổi:
• Tham gia với các chính phủ để làm rõ những gì sẽ cần thiết về nguồn tài nguyên cacbon thấp và tài chính để triển khai các công nghệ đột phá này.
• Tiếp tục đo lường và báo cáo về lượng khí thải CO₂ của ngành thép.

Chính phủ cần đưa ra khuôn khổ hỗ trợ và tạo điều kiện để:

• Không chọn người thắng và kẻ thua trong số các công nghệ có thể, nhưng thừa nhận rằng một số công nghệ khác nhau sẽ được sử dụng.
• Hỗ trợ cho những người đi đầu trong việc tạo ra sản phẩm thép cacbon thấp. Lưu ý rằng sản xuất thép cacbon thấp sẽ đắt hơn tới 50 % so với thép sản xuất thông thường hiện
• Cho phép tiếp cận tài chính cho quá trình chuyển đổi, ví dụ, thông qua các khuôn khổ cho tài chính bền vững.
• Đảm bảo sự sẵn có và khả năng chi trả của các nguồn tài nguyên cacbon thấp, bao gồm cơ sở hạ tầng CCS và hyđro, với số lượng cần thiết.
• Thực hiện cách tiếp cận vòng đời và hỗ trợ nền kinh tế tuần hoàn, bao gồm việc thu gom và phân loại phế liệu cuối đời.
• Thực hiện một cách tiếp cận sáng tạo để quy định về các quy trình và sản phẩm cacbon thấp, chẳng hạn như các sản phẩm từ quy trình

Các bên liên quan và người sử dụng thép cũng có vai trò và nên:

• Hiểu rằng điều này sẽ phải trả thêm chi phí cho nhu cầu thép cacbon thấp.
• Xem xét toàn bộ vòng đời và thiết kế thép có chứa các sản phẩm thích hợp để tái sản xuất, tái sử dụng và tái chế.