Bối cảnh: Tại sao ngành thép là trọng tâm khử carbon?
Ngành luyện thép hiện đóng góp khoảng 7–8% lượng phát thải CO₂ toàn cầu, tương đương 2,6 tỷ tấn CO₂ mỗi năm — lớn hơn toàn bộ lượng phát thải của hầu hết các quốc gia. Tại Việt Nam, sản lượng thép đã vượt 30 triệu tấn/năm với Hòa Phát, Formosa và nhiều nhà máy khác vận hành chủ yếu theo công nghệ lò cao cổ điển.
Bài phân tích này so sánh hai con đường công nghệ: BF-BOF (quy trình lò cao–lò thổi oxy, đang thống trị 70% sản lượng thép thế giới) và H₂-EAF (hoàn nguyên trực tiếp bằng hydro + lò điện hồ quang, công nghệ đang được thương mại hóa từ 2030–2050). Chúng tôi lượng hóa từng công đoạn, phân tích độ nhạy với nguồn điện, và dựng lộ trình chuyển đổi thực tế.
So sánh phát thải theo từng công đoạn
Mỗi quy trình bao gồm nhiều bước nối tiếp, mỗi bước đốt nhiên liệu hoặc tiêu thụ điện theo cách khác nhau. Dưới đây là bản đồ đầy đủ các công đoạn và lượng CO₂ phát sinh ở từng bước:
🔥 BF-BOF — Lò cao & Lò thổi
💧 H₂-EAF — Hydro & Lò điện
Nguồn: IEA Iron & Steel Technology Roadmap 2023 · WorldSteel 2022
Tích lũy phát thải từng bước trong quy trình BF-BOF
Biểu đồ "thác nước" (waterfall) dưới đây cho thấy cách phát thải tích lũy qua mỗi công đoạn trong quy trình lò cao. Trục tung thể hiện giá trị tích lũy — nghĩa là sau khi hoàn thành mỗi bước, tổng phát thải đã đạt bao nhiêu.
C(coke) + O₂ → CO₂ # Đốt cháy tạo nhiệt
2C + O₂ → 2CO # Khí hoàn nguyên
Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂ # Hoàn nguyên quặng
# Kết quả: ~1.100 kg CO₂ / tCS chỉ từ lò cao
Ghi chú: Mỗi cột hiển thị đóng góp của công đoạn đó; đường nét đứt là giá trị tích lũy
Điểm đáng chú ý là sau khi hoàn thành ba công đoạn chuẩn bị (thiêu kết, vê viên, luyện coke), tổng phát thải mới chỉ ở mức 355 kg CO₂/tCS — tức 22% tổng số. Bước vào lò cao, con số này vọt lên 1.455 kg CO₂/tCS, thêm 1.100 kg chỉ trong một công đoạn. Đây là bằng chứng rõ ràng nhất cho thấy: không thể giảm đáng kể phát thải của BF-BOF nếu không loại bỏ lò cao.
Phân tích độ nhạy: H₂-EAF có thực sự xanh không?
Đây là câu hỏi quan trọng nhất về tính bền vững của thép hydro. Quy trình H₂-EAF chỉ thực sự "xanh" khi điện dùng để điện phân nước tạo H₂ và vận hành lò EAF đến từ nguồn tái tạo. Nếu điện vẫn từ than đá, lượng CO₂ vòng đời của H₂-EAF có thể còn cao hơn BF-BOF.
Tiêu thụ điện của quy trình H₂-EAF:
Vận hành EAF: 0,6 MWh / tCS # Nấu chảy DRI
TỔNG: 4,1 MWh / tCS
# CO₂ phát sinh = 4,1 MWh × GEF (g CO₂/kWh) / 1000
# GEF = Grid Emission Factor (hệ số phát thải điện lưới)
Điện tiêu thụ: 4,1 MWh/tCS · Phát thải cố định (vê viên + đúc): 34 kg CO₂/tCS
Lộ trình chuyển đổi 2024–2050: Ba kịch bản
Trong thực tế, không doanh nghiệp hay quốc gia nào chuyển ngay 100% sang H₂ xanh. Dưới đây là ba kịch bản được xây dựng theo phương pháp luận của IEA Net Zero Pathway:
Kịch bản A — Cải tiến dần
Tiếp tục dùng BF-BOF nhưng cải thiện hiệu suất năng lượng (~10%), không thay đổi công nghệ cốt lõi. Phù hợp với nhà máy đã đầu tư lớn vào lò cao. Đạt 1.400 kg CO₂/tCS vào 2050 — giảm chỉ 12,5% so với hiện tại.
Kịch bản B — Chuyển đổi dần
Pha trộn dần H₂ lam (từ khí đốt + thu hồi carbon CCS) rồi tiến tới H₂ xanh. Phù hợp với lộ trình thực tế của nhiều công ty thép lớn (ArcelorMittal, POSCO…). Đạt 115 kg CO₂/tCS vào 2050.
Kịch bản C — Chuyển đổi nhanh (Aggressive)
Nhảy thẳng sang H₂ xanh từ 2030, bỏ qua BF-BOF hoàn toàn. Kịch bản này phù hợp với các nhà máy mới xây hoặc các quốc gia có nguồn điện tái tạo dồi dào và quyết tâm chính trị mạnh (EU Carbon Border Adjustment Mechanism - CBAM). Đạt 115 kg CO₂/tCS từ năm 2045.
Nguồn: IEA Net Zero by 2050 Pathway · Mục tiêu Paris Agreement (−40% đến 2030, −90% đến 2050)
Đáng chú ý là H₂ lam (hydrogen từ khí đốt thiên nhiên có kèm thu hồi carbon CCS) đóng vai trò cầu nối quan trọng trong giai đoạn 2025–2035. Mặc dù vẫn phát thải khoảng ~400 kg CO₂/tCS do hiệu suất CCS không hoàn hảo (thường chỉ thu hồi 80–90% CO₂), đây là bước chuyển tiếp hợp lý về mặt kinh tế, cho phép ngành thép tích lũy kinh nghiệm vận hành DRI-H₂ trước khi phụ thuộc hoàn toàn vào điện tái tạo.
Rào cản kinh tế và chính sách hỗ trợ
Kỹ thuật đã sẵn sàng — rào cản lớn nhất của thép hydro hiện nay là chi phí. Khoảng cách giá thành giữa BF-BOF và H₂-EAF vẫn rất đáng kể ở thời điểm 2025:
Chênh lệch giá H₂ này dẫn đến chi phí thép tăng thêm 150–300 USD/tCS — tức tăng 10–20% giá thành thép. Để lấp khoảng cách này, các cơ chế chính sách đang được triển khai:
Carbon Tax: EU ETS hiện ~70–80 EUR/tCO₂ — khi lên 150+ EUR/tCO₂, H₂ xanh trở nên cạnh tranh hơn BF-BOF.
IRA (Mỹ): Hỗ trợ tới 3 USD/kg H₂ xanh trong 10 năm, kích thích đầu tư hạ tầng điện phân quy mô lớn.
Mục tiêu IEA 2030: Giá H₂ xanh cần giảm xuống 1–2 USD/kg để cạnh tranh không cần trợ cấp.
Kết luận kỹ thuật — Tóm tắt cho kỹ sư vật liệu
Tiềm năng giảm phát thải khi chuyển từ BF-BOF (1.600 kg CO₂/tCS) sang H₂-EAF (115 kg CO₂/tCS) với 100% điện tái tạo và H₂ xanh.
Lò cao chiếm 68,8% tổng phát thải của BF-BOF. Không thể đạt mục tiêu net-zero trong luyện thép mà không loại bỏ hoặc thay thế lò cao.
Ngưỡng hòa nhau GEF: H₂-EAF chỉ ít phát thải hơn BF-BOF khi hệ số phát thải điện lưới dưới 382 g CO₂/kWh. Điện than (~900 g/kWh) khiến H₂-EAF tệ hơn gấp đôi.
Cột mốc quyết định: IEA dự báo H₂ xanh đạt dưới 2 USD/kg vào 2030. Đây là điều kiện kinh tế để mở rộng quy mô thương mại H₂-EAF toàn cầu.
Đối với Việt Nam: việc chuyển đổi sang thép hydro đòi hỏi đồng thời (1) phát triển lưới điện tái tạo đủ công suất, (2) xây dựng hạ tầng hydro, và (3) cơ chế giá carbon nội địa. Ba điều kiện này cần được lên kế hoạch song song, không phải tuần tự.