Ngành công nghiệp sản xuất thép hiện chiếm hơn 7% tổng lượng khí thải carbon dioxide trên toàn cầu. Tỷ lệ này được dự báo sẽ tiếp tục tăng trong những thập kỷ tới khi nhu cầu về thép ngày càng cao trong mọi lĩnh vực, từ năng lượng, giao thông vận tải đến xây dựng và thiết bị. Tuy nhiên, công nghệ hạt nhân có thể giúp đưa ngành sản xuất thép đi tới mức phát thải ròng khí carbon dioxide bằng 0 “Net Zero”.
Theo thống kê, hiện có khoảng 2 tỷ tấn thép được sản xuất trên toàn cầu mỗi năm. Theo Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IEA), nhu cầu về thép dự kiến sẽ tăng hơn 1/3 hiện nay vào năm 2050 và tập trung chủ yếu ở các nước đang phát triển. Hoạt động sản xuất này trải rộng khắp thế giới, bao gồm Ấn Độ, Nhật Bản và Mỹ, với phần lớn (1,033 triệu tấn) tập trung ở Trung Quốc. Mặc dù được sản xuất ở nhiều nơi khác nhau, nhưng hiện chỉ có hai phương pháp sản xuất thép chính được sử dụng theo là sản xuất sử dụng lò hồ quang điện (EAF) và sản xuất sử dụng lò nhiệt cao oxy cơ bản (BF-BOF). Cả hai phương pháp truyền thống này đều sử dụng nhiên liệu hóa thạch và phát thải tới 3,6 Gt lượng khí thải carbon dioxide (năm 2019).
Để đáp ứng với việc cắt giảm khí thải nhà kính và giảm chi phí môi trường, ngày càng có nhiều công ty/tổ chức quốc tế tìm cách khử carbon trong các quy trình công nghiệp, tiêu tốn nhiều chi phí và nguồn lực. Trong những năm trở lại đây, các nhà sản xuất đã nghiên cứu và phát triển quy trình sản xuất thep mới sử dụng phương pháp khử trực tiếp sắt, trong đó hydro phản ứng với quặng sắt mà không tan chảy, thải ra hơi nước mà không tạo ra carbon dioxide. Quy trình này trở thành mối quan tâm của các quốc gia phát triển và dần dự kiến sẽ thay thế các phương pháp truyền thống trong tương lai. Tất nhiên, một trong những thách thức lớn nhất mà ngành phải đối mặt là làm thế nào để khử cacbon và sản xuất thép “xanh” trong một thị trường cực kỳ cạnh tranh.
Sản lượng thép thô toàn cầu đạt 1,951 triệu tấn (Mt) năm 2021
Và đó là lúc hydro đóng vai trò quan trọng. Thép truyền thống được sản xuất trong lò cao sử dụng than cốc – một loại nhiên liệu có hàm lượng carbon cao được tạo ra bằng cách nung than mà không có không khí – làm nguồn nhiên liệu để nung các viên quặng sắt và hóa lỏng thành phần sắt nguyên chất. Điều này thải ra rất nhiều khí thải để làm cho sắt đủ nóng để nóng chảy (1.200°C) và trộn với phế liệu, luyện thành thép. Thay vào đó, phương pháp thép xanh sử dụng hydro để khử các viên sắt thành sắt xốp, sau đó có thể được xử lý để tạo thành thép. Quá trình này cũng được thực hiện ở nhiệt độ cao nhưng dưới nhiệt độ nóng chảy của sắt (800 – 1.200°C), tiết kiệm chi phí năng lượng. Và bằng cách sử dụng nhiên liệu không hóa thạch để tạo ra các viên sắt để biến sắt xốp và phế liệu thành thép, nhiên liệu hóa thạch có thể được loại bỏ khỏi quy trình, nhờ đó giảm đáng kể lượng khí thải.
Kỹ thuật sử dụng hydro hạt nhân trong sản xuất thép “xanh” (không phát thải khí carbon dioxide) tiêu tốn một lượng hydro rất lớn. Theo phương pháp truyền thống, hầu hết hydro đều được sản xuất từ nhiên liệu hóa thạch, vì vậy việc tìm ra lượng hydro cần thiết khử carbon sẽ là thách thức lớn nhất đối với ngành công nghiệp thép “xanh” này. Việc sản xuất hydro hạt nhân có thể là yếu tố thay đổi cuộc chơi thực sự cho ngành công nghiệp thép, vì năng lượng hạt nhân có khả năng cung cấp đủ nhiệt và duy trì bền vững để tạo ra lượng hydro cần thiết. Điều này góp phần vào việc phát triển năng lượng sạch, chuyển đổi công nghệ thân thiện môi trường.
Lò phản ứng hạt nhân kết hợp với cơ sở sản xuất hydro hạt nhân tạo lượng hydro dồi dào và hiệu quả được trang bị các thành phần và thiết bị thực hiện quá trình điện phân hoặc nhiệt hóa. Điện phân là quá trình sử dụng dòng điện một chiều để tạo ra sự phân tách các phân tử nước, tạo ra hydro và oxy cùng một lúc. Điện phân nước hoạt động ở nhiệt độ tương đối thấp, dưới 100oC, trong khi điện phân bằng hơi nước hoạt động ở nhiệt độ cao hơn nhiều, khoảng 700oC đến 800oC và cần ít điện hơn so với điện phân nước. Điện phân nước là quá trình sử dụng điện để tách hydro và oxy trong nước. Công nghệ này đã có sẵn trên thị trường trong nhiều thập kỷ qua. Điện phân ở nhiệt độ cao cũng theo nguyên lý tương tự nhưng sử dụng nước ở dạng hơi nước, giúp giảm lượng điện cần thiết.
Những tiến bộ trong công nghệ điện phân đã giúp việc sản xuất hydro hiệu quả hơn và ít tốn kém hơn trong các lò phản ứng hạt nhân truyền thống. Hiện đã có ít nhất một nhà máy điện hạt nhân của Hoa Kỳ ở Đảo Prairie, Minn., đang lắp đặt máy điện phân nhiệt độ cao và sử dụng nhiệt từ các lò phản ứng để giảm mức sử dụng điện, từ đó giảm chi phí sản xuất hydro hạt nhân. Quy trình nhiệt độ cao của máy điện phân oxit rắn có thể khai thác năng lượng nhiệt do các nhà máy điện hạt nhân cung cấp dưới dạng hơi nước. Vì chi phí điện chiếm phần lớn chi phí sản xuất hydro điện phân nên điều này mang lại giá trị kinh tế tốt nhất cho các nhà máy điện hạt nhân và nhà máy sản xuất hydro carbon thấp. Ở châu Âu, nhiều nhà sản xuất thép cũng đã có các cơ sở thí điểm và quy mô lớn để sản xuất thép xanh. Chỉ riêng nước Đức đã có ít nhất 7 dự án đang được triển khai, trong đó có ArcelorMittal và ThyssenKrupp, hai trong số 10 nhà sản xuất thép lớn nhất thế giới hiện nay.
Từ khóa: Hydro hạt nhân; công nghệ hạt nhân; Net Zero; sản xuất thép; carbon dioxide;
– CMD&DND –
