Tiềm năng của Hydro trong sản xuất thép xanh

I. Các công nghệ sản xuất thép

Hiện tại BOF (Lò cao/ Lò oxy cơ bản) đang là phương pháp sản xuất Thép phổ biến nhất, chiếm khoảng 70% sản lượng thép toàn cầu do dễ dàng triển khai và đạt hiệu suất cao. Phương pháp này sử dụng than đá được nung nóng đến 1,500 độ C để giảm quặng sắt và tạo ra thép “sơ cấp” mới. Do vậy, phương pháp này phát ra lượng thải rất lớn với trung bình 1 tấn Thép sinh ra 2 tấn CO2.

Bên cạnh phương pháp BOF, các nhà sản xuất thép đã phát triển rất nhiều phương pháp cải tiến mới hơn giúp quá trình sản xuất “sạch” hơn, hướng tới khử hoàn toàn khí carbon (Bảng 1)

Phương pháp BOF chỉ giúp giảm thiểu lượng khí thải carbon mà không loại bỏ chúng hoàn toàn nên không thể là giải pháp lâu dài. Các chất khử sinh khối, thu hồi và sử dụng carbon chỉ khả thi ở một số khu vực nhất định hoặc vẫn đang trong giai đoạn phát triển ban đầu, do vậy việc áp dụng rộng rãi cũng không được tính đến. Do đo, các nhà máy theo phương pháp EAF sản xuất thép chất lượng cao sẽ tăng lên nhưng sẽ đòi hỏi đáp ứng được lượng phế liệu, cũng như lượng khí tự nhiên. Do đó, DRI/EAF sử dụng hydro hiện được coi là lựa chọn khả thi nhất và là giải pháp lâu dài để đạt được mục tiêu sản xuất thép trung hoà carbon.

II. Tại sao lại là Hydro?

Đây không phải là lần đầu tiên Hydro được biết đến như một giải pháp năng lượng cho tương lai. Quay trở lại lịch sử vào năm những năm 1970 của thế kỷ trước và đầu những năm 2000, khi giá dầu bất ổn, Hydro đã được ca ngợi và dự báo sẽ là nhiên liệu của tương lai. Và cho đến nay, khi công nghệ đã phát triển nhảy vọt cùng mục tiêu giảm phát thải ròng bằng không, Hydro dần nổi lên nắm giữ vai trò chính trong ngành Công nghiệp sản xuất nói chung và sản xuất thép nói riêng.

Cho đến nay, việc sử dụng hydro vẫn đang giới hạn ở một vài tình huống cụ thể, chẳng hạn như lọc dầu hay sản xuất amoniac. Tuy nhiên với việc các tổ chức, chính phủ ngày càng đầu tư cho các nguồn năng lượng tái tạo (điện gió và điện mặt trời) bên cạnh sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ hiện đại, do đó chi phí các thiết bị điện phân ngày càng giảm, dẫn đến sự giảm đáng kể trong chi phí sản xuất hydro xanh. Hơn nữa, để đáp ứng mục tiêu Net Zero vào năm 2050, chỉ có hydro xanh mới có thể cho phép khử hoàn toàn carbon trong quá trình sản xuất công nghiệp và Thép là một ví dụ điển hình.

III. Ứng dụng thực tế của Hydro trong sản xuất thép

Hiện nay, hydro được ứng dụng vào cả 2 phương pháp sản xuất thép gồm BOF và EAF. Đầu tiên, đối với lò cao thông thường (BOF) hydro được sử dụng làm vật liệu phun, thay thế cho than nghiền thành bột (PCI). Với cách thức này, hydro có thể giảm lượng khí thải carbon lên tới 20%. Tuy vậy, cách thức này không đem lại khả năng trung hoà carbon vì nguyên liệu sử dụng trong lò BOF vẫn là than cốc truyền thống.

Thứ hai, đây sẽ tương lai của ngành thép với việc hydro được sử dụng trong lò EAF làm chất khử thay thế để tạo ra DRI từ đó tạo ra thép thành phẩm. Việc sử dụng hydro trong phương pháp DRI/EAF cho phép sản xuất thép gần như không có carbon. Quy trình sản xuất thép theo phương pháp DRI/EAF dựa trên hydro bao gồm các bước sau:

1. Sản xuất Hydro xanh

Hydro xanh được sản xuất bằng cách điện phân nước trong một quy trình đòi hỏi lượng điện năng lớn. Với việc chi phí điện tái tạo ngày càng giảm, việc đáp ứng nguồn điện xanh để sản xuất hydro sẽ trở nên dễ dàng hơn đối với các nhà sản xuất thép.

2. Sản xuất DRI

Trong lò DRI, quặng sắt ở dạng viên, sau khi được khử trực tiếp bằng hydro, tại thành DRI. Việc khử trực tiếp bằng hydro này chỉ tạo ra nước (không tạo ra khí thải carbon).

3. Sản xuất thép thô sử dụng EAF.

Trong lò EAF, DRI được làm nóng và tan chảy cùng thép phế liệu để tạo ra thép thô. Với việc áp dụng các nguồn điện tái tạo cho việc vận hành, công đoạn sản xuất sẽ không gây phát thải.

IV. Vậy thách thức nào cho đang là rào cản cho việc sử dụng hydro xanh đối với ngành sản xuất Thép tại Việt Nam?

1. Sự thiếu hụt về nguồn cung hydro và điện tái tạo

• Thiếu cơ sở hạ tẩng xanh, phục vụ cho việc cung cấp điện tái tạo cho việc sản xuất hydro.
• Từ đó kéo theo chi phí sản xuất hydro xanh trong ngắn hạn có thể cao hơn.

2. Thị trường tiêu dùng trong ngắn hạn.

• Nhu cầu thép xanh thay đổi đối với từng khách hàng, từng thị trường và từng ngành.
• Nhu cầu thị trường trong ngắn hạn chưa bắt buộc khách hàng phải trả mức giá cao hơn đáng kể cho sản phẩm thép “cao cấp xanh” có hàm lượng carbon thấp hơn.
• Suy thoái kinh tế khiến thị trường tiếp tục phụ thuộc vào thép có hàm lượng carbon cao với chi phí thấp hơn.

3. Chi tiêu tài chính và vốn

• Cần chi phí vốn đầu tư cho tài sản, cơ sở vật chất rất cao.
• Tỷ suất lợi nhuận thấp, dẫn đến không đủ trang trải chi phí đầu tư.

4. Sự khan hiếm của nguyên liệu thô:

• Sự khan hiếm của quặng sắt chất lượng cao (hàm lượng Fe cao) dùng cho công nghệ DRI.
• Nguồn phế liệu thô chất lượng cao dùng cho EAF còn hiếm.

5. Mức độ trưởng thành về công nghệ.

• Có sự không đồng bộ giữa các công nghệ khử carbon giữa các nhà máy, đòi hỏi xây dựng lộ trình khử carbon đồng bộ.
• Thiếu kỹ năng và đào tạo về kỹ thuật sản xuất mới cùng hạ tầng CNTT và phần mềm chưa được đồng bộ theo công nghệ mới.

V. Sự hỗ trợ từ chính phủ sẽ là chìa khoá giúp hiện thực hoá tham vọng thép xanh.

Hiện tại chi phí để sản xuất thép xanh là rất lớn. Theo ước tính vào năm 2022 của Ngân hàng Barclays, chi phí sản xuất theo phương pháp DRI/EAF sử dụng hydro xanh sẽ tăng thêm khoảng 100USD/tấn thép sản xuất. Do đó, trong bối cảnh tương lai khi giá hydro ngày càng giảm, thép xanh sẽ không còn là xa vời đối với các doanh nghiệp sản xuất thép.

Chính vì vậy, sẽ cần có các khoản trợ cấp và ưu đãi vốn từ sớm của chính phủ để khuyến khích các doanh nghiệp đầu tư cho các dự án nâng cấp hạ tầng công nghệ sản xuất thép xanh, hướng đến các mục tiêu giảm phát thải và trung hoà carbon vào năm 2050.

Nguồn tham khảo
1. FPT Digital Research and Analytics
2. McKinsey 2020, Decarbonization challenge for steel.
3. McKinsey 2021, Tackling the challenge of decarbonizing steelmaking.
4. Barclays 2022, How the global steel industry can go green.
5. ING 2023, Hydrogen sparks change for the future of green steel production
6. McKinsey 2021, Green Hydrogen: an opportunity to create sustainable wealth in Brazil and the world
7. BCG 2022, Transforming the Steel Industry May Be the Ultimate Climate Challenge
8. Bain 2021, Five Imperatives to Thrive in a Hydrogen Future
9. Deloitte 2023, Steel – Pathways to decarbonization