Thép Xanh

Các số liệu chính xác về phát thải hằng năm của ngành sản xuất thép toàn cầu khác nhau giữa các tài liệu tham khảo, tùy theo năm và ranh giới hệ thống được xét. [1] trích báo cáo Triển vọng Năng lượng Thế giới 2023 của IEA, theo đó ngành sản xuất thép tạo ra 8% lượng phát thải CO₂ và 6% lượng phát thải khí nhà kính trong năm trước đó. [4] ước tính phát thải trực tiếp từ sắt và thép là 2,6 GtCO₂ vào năm 2019, tương đương 7% lượng CO₂ của hệ thống năng lượng toàn cầu. [3] ước tính ngành này chiếm khoảng 7-8% lượng phát thải khí nhà kính do con người gây ra khi dùng ranh giới ngành rộng hơn. Con số 8% trong kịch bản chủ yếu lấy từ [1] nhưng cũng là mức làm tròn để khái quát các ước tính chồng lấp này.

Lượng khí carbon dioxide do ngành giao thông vận tải toàn cầu thải ra năm 2024 ước tính đạt 9 GtCO₂, trên tổng số ước tính 41,6 GtCO2 (tức tổng phát thải CO₂ do con người gây ra từ việc dùng nhiên liệu hóa thạch và LULUCF [sử dụng đất, thay đổi sử dụng đất và lâm nghiệp], có tính cả bể hấp thụ carbonat hóa xi măng do con người tạo ra) ^[5,6]. Hàng không (gồm quốc tế và nội địa) được báo cáo chiếm 9,9% lượng phát thải của ngành giao thông vận tải, tương đương 2,14% lượng phát thải carbon toàn cầu (chỉ dưới một tỷ tấn). Vận tải biển (gồm quốc tế, nội địa và đánh bắt cá) được báo cáo chiếm 10,67% lượng phát thải của ngành giao thông vận tải, tương đương 2,31% lượng phát thải carbon toàn cầu ^[5,6].

Một so sánh trước đại dịch, dùng các nghiên cứu riêng về hàng không và vận tải biển so với cùng tổng phát thải CO₂ toàn cầu, là một cách kiểm tra chéo hữu ích cho ước tính năm 2024 này và cho ra kết quả khá tương tự. Năm 2018, hàng không toàn cầu thải khoảng 1,034 GtCO₂ ^[7], còn vận tải biển thải khoảng 1,056 GtCO₂ ^[8]. Vì vậy, tổng phát thải là khoảng 2,090 GtCO₂. So với tổng 42,5 GtCO₂ của Global Carbon Budget cho cùng năm đó ^[6], hàng không và vận tải biển cộng lại chiếm khoảng 4,92%. Vì vậy, phần 8% phát thải từ ngành sản xuất thép sẽ cao hơn khoảng 3,08 điểm phần trăm, hay gấp 1,63 lần lượng phát thải gộp của hàng không-vận tải biển. So sánh này chỉ tính CO₂ hằng năm và không gồm các tác động làm ấm thêm ngoài CO₂ của hàng không.

Tại thời điểm viết, đây là những số liệu tốt nhất hiện có để so sánh trực tiếp giữa các ngành, ưu tiên dùng các nguồn gần đây và đáng tin cậy khi có thể (ví dụ: phát thải vận tải biển do Tổ chức Hàng hải Quốc tế cung cấp). Tuy nhiên, các so sánh như vậy cần thận trọng, vì các ước tính được công bố có thể bao gồm những loại hoặc nhóm khí nhà kính, hoạt động và nguồn phát thải hơi khác nhau.

Trước hết, các nghiên cứu khác nhau có thể báo cáo riêng CO₂, toàn bộ khí nhà kính, hoặc giá trị tương đương carbon dioxide (CO₂eq), gồm các khí như methane và nitrous oxide được tính theo tiềm năng làm nóng toàn cầu so với CO₂. Những chỉ số này không thể thay thế hay so sánh trực tiếp với nhau nếu không được chuẩn hóa nhất quán, và việc dùng chỉ số này thay cho chỉ số kia có thể làm thay đổi đáng kể tỷ trọng phát thải nhìn thấy của một ngành. Các nguồn, nghiên cứu và báo cáo tổ chức thường không nói rõ ngay họ đã dùng chỉ số cụ thể nào (/loại thước đo phát thải), và thường ghi một chỉ số khi thực ra muốn nói chỉ số khác (ví dụ: ghi ‘CO₂’ khi họ muốn nói ‘CO₂eq’).

Thứ hai, việc chọn mốc toàn cầu rất quan trọng: một số so sánh chỉ dựa trên CO₂ liên quan đến năng lượng, trong khi số khác gồm mọi nguồn do con người gây ra như sử dụng đất, thay đổi sử dụng đất và lâm nghiệp (LULUCF), điều này quyết định mẫu số và vì thế là tỷ lệ phần trăm tính ra của ngành.

Đặc biệt, phát thải từ vận tải biển quốc tế rất khó theo dõi vì phần lớn xảy ra ở vùng biển quốc tế. Trước đây, dữ liệu thường dựa vào doanh số bán nhiên liệu bunker thay vì theo dõi trực tiếp hoạt động tàu thuyền, nên càng thêm bất định. IMO hiện kết hợp các phương pháp doanh số nhiên liệu, hoạt động tàu thuyền (mô hình AIS) và phân bổ hành trình, nên ước tính có thể khác nhau tùy phương pháp được dùng. Dữ liệu hàng không cũng có câu chuyện tương tự. Cùng với những vấn đề nêu trên khi công bố số liệu, điều này có thể khiến các ước tính phát thải toàn cầu hiện có chênh lệch đáng kể, ngay cả khi dựa trên cùng một ngành/hoạt động.

Mỗi năm sản xuất 1,892 Gt thép, trong đó 52% được dùng trong xây dựng (983,84 Mt thép).

[14] cho biết diện tích đô thị toàn cầu tăng thêm 9.687 km² mỗi năm trong giai đoạn 1985 đến 2015. Con số này tương đương với (9.687/365 =) 26,539 km² mỗi ngày.

Diện tích Manhattan là 59,1 km^2 A.: 59,1/26,539 = 2,2 ngày

Tuy vậy, cần lưu ý rằng tốc độ tăng hiện tại có thể còn nhanh hơn. Ngân hàng Thế giới ^B ước tính (tính đến tháng 4 năm 2023) rằng thế giới dự kiến sẽ có thêm 1,2 triệu km² diện tích đô thị xây mới vào năm 2030. Điều này tương đương với tốc độ mở rộng đô thị trung bình hằng năm trong cả thập niên 2020 là khoảng 120.000 km² mỗi năm, 328,77 km² mỗi ngày hoặc 13,698 km² mỗi giờ, tương đương với việc xây thêm diện tích bằng Manhattan cứ mỗi 4 giờ.

Có thể so sánh thêm: Nếu 983,84 Mt thép được dùng cho xây dựng mỗi năm (xem ở trên), thì tương đương 2,7 Mt mỗi ngày. Để so sánh, cầu Golden Gate ở San Francisco, Hoa Kỳ, chứa ~75.000 tấn thép ^C, tức là lượng thép xây dựng dùng trong một ngày có thể xây được ~36 cây cầu Golden Gate. Hoặc, tòa Empire State chứa ~51.700 tấn thép ^D,E, tức là lượng thép xây dựng dùng trong một ngày có thể xây được ~52,2 tòa Empire State.

^A Tổng quan về thành phố New York | NYMTC

^B Tổng quan về phát triển đô thị | Nhóm Ngân hàng Thế giới

^C Số liệu thiết kế & xây dựng | Thống kê & dữ liệu | Golden Gate

^D Chi hội đô thị ASCE | Tòa Empire State

^E Tòa Empire State | Những tòa tháp cao nhất thế giới

94% quặng được khai thác là quặng sắt và 98% quặng sắt được dùng để làm thép. Vì vậy, 98% của 94% bằng 92%. Đây là ước tính suy ra dựa trên khối lượng, không phải số liệu được đo trực tiếp.

[39] cho thấy mức giảm phát thải tiềm năng tối đa lên tới 85%; nhưng điều này có thể không áp dụng ở mọi nơi, và nguồn này không nêu rõ ranh giới hệ thống đầy đủ cho ước tính của mình. Trên thực tế, lượng phát thải giảm được có thể phụ thuộc nhiều vào tỷ lệ phế liệu trong lò hồ quang điện, cơ cấu nguồn điện và phạm vi ranh giới hệ thống rộng hơn được tính đến. Dù vậy, WorldSteel ^F cũng báo cáo chênh lệch lớn tương tự giữa các quy trình sản xuất thép dựa trên quặng- và tái chế phế liệu: mức trung bình toàn cầu là 2,34 tCO₂/t thép thô cho quy trình lò cao/lò thổi oxy cơ bản truyền thống, và 0,69 tCO₂/t cho quy trình phế liệu/lò hồ quang điện, tương đương mức giảm trung bình khoảng 70,5%.

^F Báo cáo chỉ số bền vững 2025 | Hiệp hội Thép Thế giới

Rò rỉ là khi CO₂ thoát khỏi nơi được lưu giữ - qua giếng khoan, đứt gãy, khe nứt hoặc lớp đá chắn - và có thể đi tới một tầng địa chất khác, nước ngầm, đáy biển hoặc khí quyển. Sự cố lưu trữ có thể bao gồm rò rỉ, nhưng cũng có thể là áp suất quá cao, di chuyển ngoài dự kiến hoặc mất khả năng bơm ép khiến địa điểm không thể vận hành như dự kiến mà không nhất thiết giải phóng CO₂ vào khí quyển. Cả hai đều không phải kết quả được dự kiến ở một địa điểm được chọn và quản lý đúng cách. Quy định của EU yêu cầu các địa điểm đề xuất phải chứng minh không có nguy cơ rò rỉ đáng kể và duy trì các kế hoạch giám sát cùng biện pháp khắc phục.

Việc thay thế ‘than trong lò cao’ là thay chính công đoạn hoàn nguyên bằng lò cao dùng than truyền thống bằng hoàn nguyên trực tiếp dùng khí, thường diễn ra trong một lò trục/lò hoàn nguyên trực tiếp riêng; chứ không phải thay khí hóa thạch theo kiểu một đổi một ngay trong cùng lò cao.

Các phương pháp DRI khác có mức phát thải rất khác nhau. [60] cho thấy DRI dùng than có thể giảm phát thải 38% so với phương pháp lò cao/lò thổi oxy cơ bản truyền thống. Tuy nhiên, khí hóa thạch, với hỗn hợp CH₄, H₂ và CO thường có, giảm phát thải 61%. Thay hoàn toàn khí hóa thạch bằng H₂ có thể giảm phát thải 97%. Tuy vậy, đây không phải các ước tính áp dụng cho mọi nơi, và mức giảm phát thải chính xác sẽ phụ thuộc không chỉ vào chất hoàn nguyên chính dùng trong quy trình, mà còn vào phần còn lại của cấu hình DRI, cơ cấu năng lượng và ranh giới hệ thống. Đáng chú ý, các ước tính DRI-hydro chưa tính phát thải từ cách sản xuất H₂ trước khi dùng để luyện thép. Hydro xanh dùng điện ít carbon, nhưng phát thải vẫn có thể nằm trong vận chuyển & hạ tầng (xem bên dưới). Dù dùng khí hóa thạch trong DRI thải ít hơn than, nhiên liệu hóa thạch vẫn có mặt nên phát thải là không tránh khỏi.

Hydro xanh được sản xuất bằng cách dùng điện tái tạo để tách nước thành hydro và oxy qua quá trình điện phân. Cách này loại bỏ phát thải từ việc sản xuất hydro bằng nhiên liệu hóa thạch. Khi hydro đi vào quy trình luyện thép ở giai đoạn hoàn nguyên sắt để tách sắt khỏi quặng, nó phản ứng với các oxit sắt trong quặng và kết hợp với oxy để tạo ra hơi nước thay vì CO₂.

Tuy vậy, cả quy trình vẫn có thể gây ra một phần phát thải. Những phát thải liên quan, gián tiếp này có thể đến từ hạ tầng dùng để sản xuất, vận chuyển và lưu trữ hydro xanh, hoặc từ điện lấy từ lưới điện có cơ cấu năng lượng chưa hoàn toàn không carbon. Vì thế trên thực tế, hydro được gọi là ‘xanh’ không phải lúc nào cũng được sản xuất chỉ bằng điện tái tạo trong toàn bộ quy trình.

Vì vậy, thép dùng hydro xanh có thể gần như không phát thải, nhưng không nhất thiết đạt mức phát thải carbon bằng 0 tuyệt đối. Trên thực tế, thép sản xuất bằng hydro tái tạo tạo ra khoảng 0,08 kg CO₂ trên mỗi kg thép ^[67].

Hydro xanh dương và hydro xám có các mức phát thải liên quan rõ ràng hơn. Hydro xám thường được sản xuất từ khí hóa thạch bằng một quy trình gọi là cải tạo methane bằng hơi nước (SMR), tách hydro khỏi methane trong hỗn hợp khí hóa thạch và thải ra CO₂. Đây hiện là cách phổ biến nhất và rẻ nhất để sản xuất hydro. Hydro xanh dương được tạo ra bằng cùng quy trình cơ bản, nhưng kết hợp với công nghệ thu giữ và lưu trữ carbon (CCS) để ngăn phần lớn phát thải sản xuất đó thoát vào khí quyển. Vì quá trình thu giữ thường không bắt được hết, hydro xanh dương vẫn tạo ra một phần phát thải vào khí quyển.

Khi một trong hai loại hydro được dùng để tách sắt khỏi quặng, bản thân phản ứng hoàn nguyên vẫn chỉ tạo ra nước thay vì CO₂. Khác biệt chính nằm ở lượng phát thải thượng nguồn tạo ra trước đó khi hydro được sản xuất ban đầu. Phát thải nhỏ hơn cũng có thể còn lại ở các phần khác của quy trình luyện thép, gồm cả từ điện và carbon dùng trong lò hồ quang điện.

Theo [67], thép sản xuất bằng hydro xanh dương tạo ra khoảng 0,22 kg CO₂ trên mỗi kg thép, với giả định 85% phát thải từ sản xuất hydro được thu giữ. Con số này so với 1,87 kg CO₂ đối với thép than truyền thống và 0,38 kg CO₂ đối với thép than có lắp hệ thống thu giữ carbon, trong đó giả định một tỷ lệ thu giữ riêng là 80% ^[67].

Hơn 95% hydro được sử dụng trên toàn cầu được sản xuất từ khí hóa thạch, phần lớn không có bất kỳ hình thức thu giữ carbon nào. Nếu hydro xám thông thường này được dùng trong luyện thép DRI dùng hydro, [67] ước tính phát thải khoảng 0,7 kg CO₂ trên mỗi kg thép ^[67]. Mức này thấp hơn đáng kể so với sản xuất thép than truyền thống, nhưng cao hơn nhiều so với thép sản xuất bằng hydro xanh.

Trong các tính toán này, phần lớn phát thải còn lại là lượng đã thoát khỏi CCS, vì công nghệ này không thu giữ toàn bộ CO₂ tạo ra trong quá trình luyện thép truyền thống hoặc sản xuất hydro xanh dương.

Vì vậy, tiềm năng giảm phát thải hơn 95% mô tả kịch bản DRI dùng hydro xanh tốt nhất, chứ không phải kết quả chung áp dụng cho mọi dạng thép dùng hydro ^[60,67]. [67] ước tính khoảng 0,08 kg CO₂ trên mỗi kg thép cho trường hợp dùng hydro tái tạo; so với 1,87 kg CO₂/kg của thép than truyền thống, mức này tương đương giảm 95,7% ^[67]. Cuối cùng, kết quả phụ thuộc vào cách sản xuất hydro, cường độ carbon của điện, đầu vào nguyên liệu thô và phế liệu, cùng các ranh giới phát thải/hệ thống liên quan.

Thép không phải sắt nguyên chất: nó là một hợp kim thường chứa một lượng nhỏ carbon được kiểm soát kỹ, giúp thép có được các tính chất cần thiết. Vì vậy, ngay cả khi hydro thay carbon ở giai đoạn đầu khử quặng thành sắt, vẫn cần một ít carbon khi sắt được biến thành thép.

Các nhà sản xuất thép cũng dùng carbon cho vài việc kỹ thuật trong Lò hồ quang điện (Electric Arc Furnace) mà kịch bản không nói chi tiết. Những việc này gồm điều chỉnh hàm lượng carbon cuối cùng (bao gồm thấm carbon), giúp loại bỏ lượng oxy còn lại (khử oxy) và tạo xỉ (Khi thép nóng chảy, tạp chất nổi lên trên và tạo thành một lớp chất thải lỏng gọi là xỉ. Bơm carbon vào hỗn hợp sẽ phản ứng với quặng sắt, tạo ra các bong bóng khí carbon monoxide, khiến xỉ nở thành bọt. Lớp xỉ bọt này giúp bảo vệ lò khỏi nhiệt độ cực cao và cải thiện hiệu suất lò bằng cách giữ nhiệt bên trong kim loại nóng chảy, giảm năng lượng cần thiết).

Thép phế liệu chủ yếu là nguồn sắt tái chế và thép đã được tạo sẵn (nguyên liệu kim loại), chứ không thay thế carbon được đưa vào có chủ đích, dù lượng carbon sẵn có trong thành phần của phế liệu vẫn góp phần vào cân bằng carbon cuối cùng của lò. Vì thế, sản xuất thép bằng EAF vẫn có thể cần bổ sung thêm carbon.

Phế phẩm sinh học có thể cung cấp thêm một nguồn carbon, nhưng trước hết chúng phải được xử lý thành dạng biocarbon hoặc than sinh học phù hợp. Nhựa phế thải và lốp xe hết vòng đời được xử lý đúng cách cũng có thể làm tác nhân khử chứa carbon hoặc tạo xỉ bọt, hay giúp cung cấp năng lượng, từ đó thay thế một phần coke hoặc than thông thường vốn sẽ được dùng.

Tuy nhiên, hầu hết nhựa và phần lớn carbon trong lốp xe ban đầu đều đến từ nhiên liệu hóa thạch, nên việc dùng chúng vẫn có thể thải ra CO₂ hóa thạch. Vì vậy, lợi ích môi trường phụ thuộc vào loại chất thải được dùng (thành phần nguyên liệu), cách xử lý (tiền xử lý), lượng carbon hóa thạch mới khai thác (nguyên sinh) mà nó thay thế, hiệu suất lò và những phần nào của vòng đời được tính đến. Dùng chất thải có thể giảm nhu cầu về carbon hóa thạch thông thường, nhưng không tự động khiến quy trình trở thành không carbon.

Thép sản xuất bằng phương pháp hydro đang được thử nghiệm ở nhiều nước:

[76] Đức, [77] Áo, [78] Hà Lan, [79,80] Anh, [81] Hàn Quốc