Sản xuất thép xanh: Thách thức chi phí và năng lượng

Ngày 26 tháng 8 năm 2026
Annie Nguyễn

Ngành sản xuất thép là một trong những lĩnh vực khó giảm phát thải, tạo ra khoảng 2 tấn CO₂ cho mỗi tấn thép và chiếm khoảng 8% tổng lượng khí thải CO₂ toàn cầu. Dấu chân carbon qua ba giai đoạn sản xuất như sau: khai thác quặng sắt khoảng 0,25 tấn CO₂/tấn, khử quặng sắt khoảng 1,65 tấn CO₂/tấn, và nấu chảy thành thép khoảng 0,1 tấn CO₂/tấn.

Trong lò cao truyền thống, than cốc (C) cháy tạo ra carbon monoxide (CO), chất này loại bỏ oxy khỏi oxit sắt (Fe₂O₃), tạo ra sắt nóng chảy theo phản ứng: Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂. Sản xuất thép xanh bằng hydro thay thế than đá và than cốc bằng hydro xanh để loại bỏ oxy khỏi quặng sắt. Trong sản xuất thép dựa trên hydro, cụ thể là thông qua công nghệ Sắt khử trực tiếp (DRI) kết hợp với Lò hồ quang điện (EAF), hydro nguyên chất được sử dụng làm chất khử theo phản ứng: Fe₂O�3 + 3H₂ → 2Fe + 3H₂O.

Để sản xuất 1 tấn sắt bằng phương pháp khử trực tiếp dựa trên hydro (H₂-DRI) cần khoảng 60-90 kg hydro nguyên chất. Quy trình này thường sử dụng viên quặng sắt được chuẩn bị đặc biệt thay vì quặng sắt thô, và diễn ra ở trạng thái rắn ở nhiệt độ khoảng 600-950°C. Công ty khởi nghiệp Stegra của Thụy Điển là đơn vị tiên phong đang xây dựng nhà máy H₂-DRI tại Boden, Thụy Điển, với mục tiêu ban đầu sản xuất 2,5 triệu tấn thép xanh/năm và mở rộng lên 5 triệu tấn/năm vào năm 2030. Giai đoạn 1 cần khoảng 10 TWh điện, trong khi giai đoạn 2 cần khoảng 25 TWh, sử dụng năng lượng gió và thủy điện để sản xuất hydro xanh bằng điện phân nước với 740 MW điện phân kiềm.

Tuy nhiên, vấn đề nằm ở chi phí. Để sản xuất 1 kg hydro cần 50-70 kWh điện, 9 lít nước và một máy điện phân. Sản xuất thép xanh giá rẻ đòi hỏi hydro giá rẻ, đồng nghĩa với năng lượng tái tạo giá rẻ và máy điện phân tương đối rẻ. Một số nơi có quá ít nắng, gió hoặc nước để sản xuất với chi phí thấp, và chỉ số đo lường chính cho giới hạn này là hệ số công suất (capacity factor), ảnh hưởng đến Chi phí năng lượng san bằng (LCOE). Sử dụng năng lượng tái tạo với hệ số công suất thấp làm tăng giá hydro sản xuất do sử dụng máy điện phân đắt tiền kém hiệu quả, khiến chúng hoạt động không tải trong nhiều thời gian.

Máy điện phân PEM đắt hơn máy kiềm, nhưng sử dụng máy kiềm rẻ hơn thường bất lợi vì hiệu suất năng lượng thấp hơn và tính linh hoạt vận hành hạn chế. Năng lượng gió không thể dự đoán được và thủy điện không còn là nguồn điện đáng tin cậy do tác động của hạn hán. Kết quả là thép xanh đắt hơn thép hóa thạch từ 3 đến 5 lần, đặt ra câu hỏi lớn về tính khả thi. Sản xuất thép hydro giá rẻ cần năng lượng tái tạo có hệ số công suất rất cao, và rất khó tìm được nơi như vậy ở châu Âu.

Một góc nhìn khác cho rằng việc mô tả thép xanh đắt hơn 3-5 lần có thể quá bao quát. Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IEA) ước tính các nhà máy thương mại ban đầu sử dụng 100% hydro có chi phí cao hơn 50-140% so với chi phí BF-BOF, tùy thuộc vào khu vực. Các dự án châu Âu có thể kết hợp sản xuất năng lượng tái tạo, điện lưới carbon thấp và lưu trữ hydro. Ngoài ra, một yếu tố quan trọng bị thiếu trong bức tranh này là thép phế liệu. Sắt xốp (hoặc sắt tiền khử) chỉ là nguồn sắt thứ yếu, trong khi nguồn chính cần được tối đa hóa là thép phế liệu tái chế trong lò hồ quang điện, hoàn toàn không cần hydro.

Một giải pháp tiềm năng khác là sản xuất DRI và HBI ở các quốc gia có chi phí sản xuất hydro thấp như Brazil, Úc và Namibia, sau đó vận chuyển HBI đến các nước như Tây Bắc Âu để sử dụng cùng với phế liệu trong lò EAF. Công nghệ khí hóa siêu tới hạn phi tập trung cũng được đề xuất như một hướng tiếp cận thay thế, không phụ thuộc vào lưới điện, sử dụng chất thải địa phương để sản xuất khí giàu hydro ngay tại các khu công nghiệp.

Nhìn chung, thép xanh không chỉ là thách thức công nghệ mà còn là thách thức về hệ thống năng lượng. Năng lượng tái tạo dồi dào chi phí thấp, sản xuất hydro hiệu quả và cơ sở hạ tầng đáng tin cậy sẽ quyết định liệu thép không hóa thạch có thể mở rộng quy mô toàn cầu hay không.