Trong thành phố Woburn, Massachusetts, một vùng ngoại ô ngay phía bắc Boston, một cán bộ kỹ sư và nhà khoa học mặc áo khoác trắng đã kiểm tra một chồng thép có kích thước bằng gạch, màu xám kim loại có trật tự trên bàn làm việc bên trong không gian phòng thí nghiệm được chiếu sáng bằng đèn neon.
Những gì họ đang xem là một lô thép được tạo ra bằng phương pháp sản xuất sáng tạo, một phương pháp Kim loại Boston, một công ty tách ra từ MIT một thập kỷ trước, hy vọng sẽ định hình lại đáng kể cách thức chế tạo hợp kim trong nhiều thế kỷ. Bằng cách sử dụng điện để tách sắt khỏi quặng, công ty tuyên bố họ có thể sản xuất thép mà không thải ra carbon dioxide, mang lại một con đường làm sạch một trong những ngành công nghiệp phát thải khí nhà kính tồi tệ nhất thế giới.
Là nguyên liệu đầu vào thiết yếu cho kỹ thuật và xây dựng, thép là một trong những vật liệu công nghiệp phổ biến nhất trên thế giới, với hơn 2 tỷ tấn được sản xuất hàng năm. Sự phong phú này, tuy nhiên, đi kèm với một cái giá đắt đối với môi trường. Sản xuất thép chiếm 7% 11 phát thải khí nhà kính toàn cầu, làm cho nó trở thành một trong những nguồn công nghiệp gây ô nhiễm khí quyển lớn nhất. Và bởi vì sản xuất có thể nổi lên đến một phần ba vào năm 2050, gánh nặng môi trường này có thể tăng lên.
Điều đó đặt ra một thách thức đáng kể đối với việc giải quyết cuộc khủng hoảng khí hậu. Liên Hợp Quốc nói cắt giảm đáng kể lượng khí thải carbon công nghiệp là điều cần thiết để giữ cho sự nóng lên toàn cầu dưới mốc 1.5 độ C được đặt ra theo thỏa thuận khí hậu Paris năm 2015. Để làm như vậy, lượng khí thải từ thép và các ngành công nghiệp nặng khác sẽ phải giảm 93% vào năm 2050, theo dự toán của Cơ quan Năng lượng Quốc tế.
Đối mặt với áp lực ngày càng tăng từ các chính phủ và nhà đầu tư nhằm giảm lượng khí thải, một số nhà sản xuất thép - bao gồm cả các nhà sản xuất lớn và các công ty khởi nghiệp - đang thử nghiệm các công nghệ carbon thấp sử dụng hydro hoặc điện thay vì sản xuất truyền thống sử dụng nhiều carbon. Một số nỗ lực này đã gần đạt đến thực tế thương mại.
Chris Bataille, một nhà kinh tế năng lượng tại IDDRI, một tổ chức nghiên cứu có trụ sở tại Paris, cho biết: “Những gì chúng ta đang nói đến là một ngành công nghiệp sử dụng nhiều vốn, không thích rủi ro, nơi mà sự gián đoạn là cực kỳ hiếm. Do đó, anh ấy nói thêm, "thật thú vị" khi có quá nhiều thứ diễn ra cùng một lúc.
Tuy nhiên, các chuyên gia đồng ý rằng việc chuyển đổi một ngành công nghiệp toàn cầu đã thay đổi 2.5 $ nghìn tỷ vào năm 2017 và sử dụng nhiều hơn 6 triệu người sẽ mất rất nhiều nỗ lực. Ngoài những trở ngại thực tế trong việc mở rộng các quy trình mới trong thời gian đạt được các mục tiêu khí hậu toàn cầu, có những lo ngại về Trung Quốc, nơi sản xuất hơn một nửa lượng thép trên thế giới và kế hoạch khử cacbon của ngành thép vẫn còn mơ hồ.
Bataille nói: “Chắc chắn không phải là một giải pháp dễ dàng để khử cacbon trong một ngành công nghiệp như thế này. “Nhưng không có sự lựa chọn. Tương lai của ngành — và của khí hậu của chúng ta — chỉ phụ thuộc vào điều đó. ”
________
Sản xuất thép hiện đại liên quan đến một số công đoạn sản xuất. Thông thường, quặng sắt được nghiền nhỏ và biến thành quặng nung (dạng rắn thô) hoặc dạng viên. Riêng than đá được nung và chuyển thành than cốc. Quặng và than cốc sau đó được trộn với đá vôi và đưa vào một lò cao lớn, nơi một luồng không khí cực nóng được đưa vào từ phía dưới. Dưới nhiệt độ cao, than cốc cháy và hỗn hợp tạo ra gang lỏng, được gọi là gang hoặc gang lò cao. Vật liệu nóng chảy sau đó đi vào lò oxy, nơi nó được thổi oxy tinh khiết thông qua một ống dẫn làm mát bằng nước, loại bỏ carbon để lại thép thô như một sản phẩm cuối cùng.
Phương pháp này, được cấp bằng sáng chế đầu tiên bởi kỹ sư người Anh Henry Bessemer vào những năm 1850, tạo ra khí thải carbon-dioxide theo nhiều cách khác nhau. Đầu tiên, các phản ứng hóa học trong lò cao tạo ra khí thải, vì carbon bị giữ lại trong than cốc và đá vôi liên kết với oxy trong không khí để tạo ra carbon dioxide như một sản phẩm phụ. Ngoài ra, nhiên liệu hóa thạch thường được đốt để làm nóng lò cao và cung cấp năng lượng cho các nhà máy thiêu kết và tạo viên, cũng như các lò than cốc, thải ra carbon dioxide trong quá trình này.
Nhiều như 70 phần trăm thép của thế giới được sản xuất theo cách này, tạo ra gần hai tấn carbon dioxide cho mỗi tấn thép được sản xuất. Các còn lại 30 phần trăm hầu như tất cả đều được sản xuất thông qua các lò điện hồ quang, sử dụng dòng điện để nấu chảy thép - phần lớn là phế liệu được tái chế - và có phát thải CO2 thấp hơn nhiều hơn lò cao.
Nhưng do nguồn cung phế liệu hạn chế, không phải tất cả nhu cầu trong tương lai đều có thể được đáp ứng theo cách này, Jeffrey Rissman, giám đốc chương trình ngành và trưởng bộ phận mô hình của công ty chính sách năng lượng và khí hậu Energy Innovation có trụ sở tại San Francisco cho biết. Ông nói: Với các chính sách phù hợp, việc tái chế có thể cung cấp tới 45% nhu cầu toàn cầu vào năm 2050. “Phần còn lại sẽ được đáp ứng bằng cách rèn thép làm từ quặng nguyên sinh, đây là nơi phát sinh phần lớn lượng khí thải”.
Vì vậy, “nếu ngành công nghiệp thép nghiêm túc” về các cam kết khí hậu của mình, ông nói thêm, “về cơ bản nó sẽ phải định hình lại cách thức sản xuất vật liệu — và làm như vậy khá nhanh chóng”.
________
Một công nghệ thay thế đang được thử nghiệm là thay thế than cốc bằng hydro. Ở Thủy Điển, lai tạp—Một liên doanh giữa nhà sản xuất thép SSAB, nhà cung cấp năng lượng Vattenfall và LKAB, nhà sản xuất quặng sắt — đang thử nghiệm một quy trình nhằm mục đích tái sử dụng một hệ thống hiện có được gọi là sắt giảm trực tiếp. Quy trình này sử dụng than cốc từ nhiên liệu hóa thạch để chiết xuất oxy từ các viên quặng sắt, để lại một viên sắt xốp được gọi là sắt xốp.
Thay vào đó, phương pháp Hybrit chiết xuất oxy bằng cách sử dụng khí hydro không hóa thạch. Khí được tạo ra thông qua quá trình điện phân, một kỹ thuật sử dụng dòng điện — trong trường hợp này là từ một nguồn năng lượng không có hóa thạch — để tách nước thành hydro và oxy. (Hydro tinh khiết nhất bây giờ được thực hiện với mêtan, tạo ra CO2 khi bị đốt cháy.) Sắt xốp thu được sau đó được đưa vào lò điện hồ quang, nơi cuối cùng nó được tinh chế thành thép. Quá trình này chỉ giải phóng hơi nước như một sản phẩm phụ.
Mikael Nordlander, người đứng đầu ngành khử cacbon tại Vattenfall, cho biết: “Công nghệ này đã được biết đến từ lâu, nhưng nó mới chỉ được thực hiện trong phòng thí nghiệm. “Những gì chúng tôi đang làm ở đây là xem liệu nó có thể hoạt động ở [cấp] công nghiệp hay không.”
Tháng XNUMX năm ngoái, Hybrit đã đạt được cột mốc đầu tiên: SSAB, công ty sản xuất và bán sản phẩm cuối cùng, giao lô thép không hóa thạch đầu tiên đến nhà sản xuất ô tô Volvo, đã sử dụng nó trong các nguyên mẫu xe. Nó cũng đang lên kế hoạch xây dựng một nhà máy để sản xuất quy mô thương mại, mục tiêu sẽ hoàn thành vào năm 2026.
Một liên doanh khác của Thụy Điển, H2 Green Steel, đang phát triển một nhà máy thép hydro quy mô thương mại tương tự với sự giúp đỡ của 105 triệu đô la được huy động từ các nhà đầu tư tư nhân và các công ty bao gồm Mercedes-Benz, Scania và IMAS Foundation, một tổ chức liên kết với Ikea. Công ty kế hoạch bắt đầu sản xuất vào năm 2024 và sản xuất 5 triệu tấn thép không phát thải hàng năm vào cuối thập kỷ này. Các công ty khác đang thử nghiệm sản xuất thép chạy bằng hydro bao gồm ArcelorMittal, ThyssenKruppvà Salzgitter AG ở Đức; Posco ở Hàn Quốc; và VOESTALPINE ở Áo.
Điện cũng có thể được sử dụng để khử quặng sắt. Ví dụ, Boston Metal đã phát triển một quá trình được gọi là điện phân oxit nóng chảy, trong đó một dòng điện di chuyển qua một tế bào chứa quặng sắt. Khi dòng điện đi qua cả hai đầu của tế bào và làm quặng nóng lên, oxy sẽ nổi lên (và có thể được thu thập), trong khi quặng sắt bị khử thành sắt lỏng đọng lại ở đáy tế bào và được khai thác định kỳ. Sắt tinh khiết sau đó được trộn với cacbon và các thành phần khác.
Adam Rauwerdink, phó chủ tịch cấp cao về phát triển kinh doanh của công ty giải thích: “Những gì chúng tôi làm về cơ bản là hoán đổi carbon lấy điện như một chất khử. “Điều này cho phép chúng tôi sản xuất thép chất lượng cao bằng cách sử dụng ít năng lượng hơn và trong ít bước hơn so với sản xuất thép thông thường.” Ông nói thêm, miễn là nguồn điện đến từ các nguồn không có hóa thạch, quá trình này không tạo ra khí thải carbon.
Ông cho biết công ty, hiện đang điều hành ba dây chuyền thử nghiệm tại cơ sở Woburn, đang làm việc để đưa khái niệm phòng thí nghiệm của mình ra thị trường, sử dụng Đã huy động được 50 triệu đô la vào năm ngoái từ một nhóm nhà đầu tư bao gồm Breakthrough Energy Ventures, được Bill Gates hậu thuẫn và nhà sản xuất ô tô BMW của Đức. Một nhà máy trình diễn quy mô thương mại dự kiến sẽ đi vào hoạt động vào năm 2025.
Sridhar Seetharaman, giáo sư khoa học và kỹ thuật vật liệu tại Đại học Bang Arizona cho biết: “Tôi cảm thấy tất cả các giải pháp này đều có vị trí của chúng, tùy thuộc vào vị trí, nguồn tài nguyên sẵn có và sản phẩm được nhắm mục tiêu. "Tuy nhiên, tôi không nghĩ rằng bây giờ bất kỳ ai sẽ cung cấp cho bạn một viên đạn bạc để đáp ứng nhu cầu."
Bataille, nhà kinh tế năng lượng của IDDRI cho biết: “Hydro có một chút khởi đầu dựa trên một hệ thống đã được thiết lập và nó cũng đi trước trong quá trình thương mại hóa. “Nhưng đạt được một ngành công nghiệp thép không có ròng sẽ có nhiều con đường không có carbon hơn, vì vậy tôi nghĩ cuối cùng sẽ có đủ chỗ trên thị trường cho tất cả chúng.”
________
Mặc dù các quy trình sản xuất thép xanh hơn dường như đang đạt được đà phát triển, nhưng vẫn còn một số thách thức nghiêm trọng phải đối mặt. Thomas Koch Blank, hiệu trưởng cấp cao của tổ chức phi lợi nhuận có trụ sở tại Colorado, cho biết: Đứng đầu trong số đó là sự mở rộng lớn trong cơ sở hạ tầng năng lượng tái tạo mà sự chuyển dịch trong toàn ngành sang các phương pháp mới này sẽ kéo theo Học viện núi đá. Ông ước tính rằng thế giới sẽ cần gấp ba lần nguồn năng lượng mặt trời và năng lượng gió đang được lắp đặt hiện nay để điện khí hóa sản xuất thép sơ cấp hiện có.
Một rào cản khác là chi phí. Việc chuyển sang sử dụng điện hoặc hydro sẽ đòi hỏi lượng vốn đầu tư lớn để xây dựng các nhà máy mới và trang bị thêm các nhà máy cũ. Trong trường hợp của phương pháp hydro sạch, giá thép sẽ tăng phần lớn bởi vì các nhà sản xuất thép nằm gần than cốc giá rẻ hơn là hydro chi phí thấp, Koch Blank chỉ ra. “Những chi phí trả trước này có thể sẽ làm tăng giá cả thép và các sản phẩm cuối cùng, ít nhất là trong thời gian đầu.”
Theo Rissman, nhà phân tích ở San Francisco, luật pháp về cả cung và cầu có thể giúp bù đắp những chi phí cao hơn đó và khuyến khích đầu tư nhiều hơn vào các công nghệ xanh hơn. Ông nói, các chính phủ có thể khuyến khích việc sử dụng thép carbon thấp cho xây dựng và cơ sở hạ tầng bằng cách yêu cầu các dự án do nhà nước tài trợ sử dụng các phiên bản carbon thấp của vật liệu xây dựng được chỉ định. Họ cũng có thể thực thi các chính sách làm cho việc mua khí thải từ các quốc gia có quy định về phát thải ít nghiêm ngặt hơn. Điều đó sẽ giúp các nhà sản xuất trong nước “cạnh tranh” khi thị trường thép sạch “phát triển và các quy trình sản xuất mới đạt được hiệu quả kinh tế theo quy mô”, Rissman nói.
Có lẽ rào cản lớn nhất là Trung Quốc, nơi khoảng 90 phần trăm sản xuất thép đạt được bằng cách sử dụng lò cao. Vào tháng 2020 năm XNUMX, Chủ tịch Tập Cận Bình công bố rằng quốc gia này đặt mục tiêu trở thành trung hòa carbon vào năm 2060. Trong nỗ lực giảm thiểu ô nhiễm từ các nhà máy thép trong nước, chiếm khoảng 15 phần trăm về lượng khí thải carbon tổng thể của quốc gia, Bắc Kinh cũng đã cam kết đạt được mức phát thải thép cao nhất vào năm 2030. Mặc dù vậy, 18 dự án lò cao mới đã được công bố ở Trung Quốc chỉ trong sáu tháng đầu năm 2021, theo đến Trung tâm Nghiên cứu Năng lượng và Không khí Sạch của nhóm nghiên cứu có trụ sở tại Helsinki.
Rissman cho biết thép là một trong những ngành công nghiệp quan trọng và thách thức nhất để khử cacbon, vì vậy sự phối hợp toàn cầu về nó sẽ giúp ích rất nhiều.
Trở lại Boston, Rauwerdink, khảo sát dây chuyền nhà máy của Boston Metal, đã đồng ý. “Đó là một thử thách tuyệt vời mà chúng tôi phải đối mặt,” anh nói. Tuy nhiên, ông nói thêm, “Chúng tôi đang chứng minh rằng các giải pháp tồn tại — và hiệu quả.”
Bài viết này ban đầu được xuất bản vào Undark. Đọc ban đầu bài viết.
