Lợi thế và trở ngại của luyện kim hydro - Tham khảo các dự án ở nước Đức

Theo dõi KTMT trên

Tham khảo nhanh về luyện kim hydro trên thế giới:

Luyện kim hydro là một công nghệ dùng hydro thay vì carbon làm chất khử để giảm phát thải CO2. Luyện kim hydro có nhiều ứng dụng, chẳng hạn như sản xuất thép FIT (hydrogen flash ironmaking technology) bằng hydro ở Nhật, Mỹ, Bắc Âu, Đức, hay Trung Quốc.

Theo Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IEA), Thỏa thuận Paris và COP26 được thông qua năm 2015 và 2021 nhằm giảm thiểu sự nóng lên toàn cầu. Mục tiêu của các thỏa thuận này là hạn chế sự gia tăng nhiệt độ trung bình toàn cầu dưới 2°C trong thế kỷ 21 và giữ cho mức tăng nhiệt độ toàn cầu thấp hơn 1,5°C so với mức tiền công nghiệp. Để chuyển đổi năng lượng, các chính phủ ưu tiên phát triển và sử dụng năng lượng phi carbon, hoặc carbon thấp.

Năng lượng hydro, với các nguồn đa dạng, phát thải carbon thấp, hiệu suất cao và phạm vi ứng dụng rộng rãi, đã được coi là năng lượng sạch hứa hẹn nhất trong thế kỷ 21 và được nhiều quốc gia liệt kê trong triển khai chiến lược năng lượng quốc gia. Ý tưởng về việc khử quặng sắt bằng hydro bắt đầu từ năm 1999 và khái niệm về luyện kim hydro tiếp tục được triển khai và nhận được sự đồng thuận của cộng đồng toàn cầu. Từ 2018, người ta cho rằng, thế kỷ 21 là kỷ nguyên của hydro. Định nghĩa luyện kim hydro là một quá trình kim loại được tạo ra thông qua quá trình khử hydro thay vì khử carbon với tốc độ phản ứng cực nhanh và không phát thải. Luyện kim hydro chủ yếu bao gồm luyện gang bằng lò cao (BF) với việc bổ sung hydro và sản xuất sắt khử trực tiếp (DRI) bằng hydro.

Dự án hydro xanh trong luyện kim ở Đức:

Mới đây, chính phủ Đức thông báo cho biết, quốc gia này sẽ đầu tư 8 tỷ euro vào 62 dự án hydro quy mô lớn, bao gồm máy điện phân và cơ sở hạ tầng đường ống nhằm khử carbon trong ngành công nghiệp và biến Đức trở thành quốc gia dẫn đầu thế giới về công nghệ nhiên liệu tiên phong. Bộ Kinh tế và Giao thông Đức đã chọn 62 trong số 230 dự án quy mô lớn để nhận tài trợ của nhà nước.

Cơ sở hạ tầng được phân loại dựa trên quy định nêu trong Dự án quan trọng vì lợi ích chung châu Âu (IPCEI). Có nghĩa, chúng có thể nhận được tài trợ của chính phủ mà không cần phải tuân theo các quy tắc viện trợ nhà nước thường nghiêm ngặt của EU. “Chúng tôi muốn trở thành số một thế giới về công nghệ hydro, trong đó các ngành công nghiệp như thép và hóa chất là những ngành then chốt mà việc sử dụng nhiên liệu hydro có thể giúp giảm đáng kể lượng khí thải carbon. Các dự án này tập trung vào việc xây dựng máy điện phân và đường ống dẫn hydro. Riêng các nhà sản xuất thép lớn của Đức sẽ nhận được 2 tỷ Euro tiền tài trợ cho các dự án khử cacbon liên quan đến hydro” - Bộ trưởng Kinh tế Đức Peter Altmaier nhấn mạnh.

Hans Jürgen Kerkhoff - Chủ tịch Liên đoàn Thép Đức (WV Stahl) cho biết thêm: Các công ty cạnh tranh trên trường quốc tế phụ thuộc vào sự hỗ trợ chính trị cho các khoản đầu tư bảo vệ khí hậu để đóng góp quyết định vào việc đạt được các mục tiêu về khí hậu. Tại Đức, sản xuất thép có triển vọng hấp dẫn để cắt giảm lượng khí thải vì một tấn hydro carbon trung tính có thể ngăn chặn 26 tấn khí thải carbon trong quá trình sản xuất thép. Đây là một cột mốc quan trọng trên con đường sản xuất thép phù hợp với khí hậu và là một tín hiệu mạnh mẽ từ Chính phủ Đức.

Sản xuất hydro là một trọng tâm đầu tư của Đức, với các dự án được lựa chọn sẽ bổ sung thêm 2 gigawatt (GW) công suất máy điện phân. Chiến lược hydro của Đức dự kiến ​​sẽ đạt được 5 GW công suất máy điện phân vào năm 2030. Theo Theo tạp chí Khoáng sản, Luyện kim và Vật liệu Quốc tế (IJMMM): Đức hiện đang thực hiện nhiều dự án hydro xanh trong luyện kim, một số dự án dưới đây nằm trong số này:

1/ Dự án SALCOS của Salzgitter AG:

Vào năm 2019, Công ty sản xuất thép CO2 thấp Salzgitter (SALCOS) ở Lower Saxony, Đức đã được ra đời bởi liên danh Salzgitter AG và Tenova, dùng hydro làm chất khử trong quá trình luyện gang và giảm lượng khí thải CO2. Dự án này được thiết kế để từng bước chuyển đổi quy trình lò cao thông thường và sử dụng nhiều carbon sang quy trình khử sắt trực tiếp DRI trong lò hồ quang, sử dụng hydro dư thừa cho nhiều mục đích ứng dụng khác nhau.

Năm 2016, quy trình điện phân nhiệt độ cao Green Industrial Hydrogen (GrInHy) 1.0 được xây dựng. Đây là một quá trình điện phân thuận nghịch được sử dụng để sản xuất hydro và oxy. Sau đó, quy trình GrInHy 2.0 tiếp tục được ra đời năm 2019. Điểm đáng chú ý của GrInHy 2.0 là sử dụng nhiệt thải từ nhà máy thép để tạo ra hơi nước, được ứng dụng để tạo ra điện từ năng lượng tái tạo xanh. Sau đó, hydro được sản xuất thông qua quá trình điện phân nước ở nhiệt độ cao. Hydro có thể được sử dụng trong sản xuất DRI và các quy trình sản xuất thép sau này (chẳng hạn như khí khử để ủ cán nguội).

Với dự án SALCOS, Salzgitter AG đã và đang được cải tiến để sản xuất thép tiết kiệm tài nguyên nhất có thể. Nhà máy gần như tự chủ về năng lượng và tuần hoàn nguyên liệu để cho phép tái sử dụng nguyên liệu còn lại, cũng như các sản phẩm phụ trong công ty, hoặc trong các lĩnh vực khác. Kết quả là, công ty đã là một trong những nhà sản xuất thép hiệu quả nhất thế giới.

2/ Thay thế than bằng hydro của ThyssenKrupp Stahl AG:

ThyssenKrupp Stahl AG ở bang North Rhine - Westphalia (Đức) khởi xướng một dự án thay than bằng hydro làm chất khử trong lò cao để giảm, hoặc tránh hoàn toàn việc phát thải CO2 trong sản xuất thép ở Duisburg. Ở giai đoạn đầu, hydro được bơm đến lò cao số 9 thông qua một ống dẫn trong nhà máy thép Duisburg và dần dần được mở rộng lên tất cả 28 ống thổi. Công nghệ này sẽ được lắp đặt tại ba lò cao khác trong năm nay. Khi đó, lượng khí thải CO2 từ sản xuất thép sẽ giảm khoảng 20%​.

Theo Bộ trưởng Kinh tế và Kỹ thuật số North Rhine Westphalia, Giáo sư, tiến sĩ Andreas Pinkwart: Mục tiêu dài hạn của Thyssenkrupp Steel là giảm 80% lượng khí thải CO2 trong quá trình sản xuất thép vào năm 2050. Dự án được tài trợ theo sáng kiến ​​IN4climate.NR, bởi chính phủ tiểu bang và là cột mốc quan trọng trên con đường sản xuất thép thân thiện với khí hậu.

Dự án hydro trên lò cao ở Duisburg đi theo công nghệ đặc biệt, nên tránh được phát thải khí nhà kính. Ý tưởng này được thực hiện bằng cách thay thế một phần than cốc sử dụng làm chất khử trong lò cao bằng công nghệ phun hydro. “Với việc sử dụng hydro tại lò cao số 9, chúng tôi nhất quán trong việc chuyển đổi quy trình sản xuất để đạt mục tiêu sản xuất thép gần như không có CO2” - Arnd Köfler - Giám đốc sản xuất của ThyssenKrupp Stahl AG tiết lộ.

Trong những tháng đầu tiên của dự án, người ta sẽ tiến hành thử nghiệm cách dùng hydro của 1 trong 28 ống thổi trong lò cao. Đây là sáng kiến đổi mới và chưa được thực hiện cho đến thời điểm hiện nay trong ngành. Sau đó phân tích chính xác kết quả của giai đoạn thử nghiệm để chuyển đổi toàn bộ lò cao theo cách trên trong giai đoạn thứ hai của dự án. “Về mặt lý thuyết, khả năng giảm khoảng 20% ​​CO2 trong quá trình sản xuất là có thể. Hãng Air Liquide đảm nhận cấp hydro và công ty BFI là đối tác khoa học của dự án, chúng tôi rất an tâm” - Giám đốc Arnd Köfler nhấn mạnh thêm.

Lợi thếvàtrở ngại của luyện kim hydro:

Năng lượng từ nhiên liệu hóa thạch được ứng dụng để sản xuất hydro, chiếm hơn 95% lượng hydro trên thế giới. Về lâu dài, các công nghệ dựa trên năng lượng tái tạo sẽ trở thành nguồn bổ sung quan trọng cho sản xuất hydro để không phát thải carbon. Hiệu suất chuyển đổi của các công nghệ này vẫn còn tương đối thấp, nhưng sản xuất hydro từ năng lượng mặt trời được sử dụng như một quá trình tiếp nhiên liệu hydro tạm thời, bổ sung ở châu Âu và Nhật Bản. Với sự cải tiến của công nghệ CCS, sự kết hợp giữa sản xuất hydro từ khí hóa than và công nghệ CCS sẽ cung cấp một phương thức mới để sử dụng sạch và hiệu quả tài nguyên than. Sự kết hợp này cũng là hướng phát triển của sản xuất hydro cacbon thấp từ than đá.

Công nghệ lưu trữ hydro là một bước hạn chế để sử dụng hydro một cách hiệu quả. Hiện nay, các phương pháp lưu trữ hydro chủ yếu bao gồm lưu trữ khí áp suất cao, hóa lỏng lạnh đông, lưu trữ hữu cơ và chất lỏng, lưu trữ vật liệu xốp. Đối với việc lưu trữ và vận chuyển năng lượng hydro quy mô lớn, mặc dù nhiều công nghệ đã được phát triển, nhưng các công nghệ khả thi nhất trong ngành là lưu trữ khí áp suất cao và lưu trữ hóa lỏng đông lạnh.

Về kỹ thuật, có một trở ngại cần giải quyết đó là các sự cố đối với lò đứng khí hóa than khi sản xuất dựa trên hydro tinh khiết. Kể từ khi sản xuất công nghiệp vào những năm 1980 ở Tây Âu, lò đứng khí hóa than sản xuất bằng hydro tinh khiết đã được coi là một hướng phát triển quan trọng của luyện kim hydro. Mặc dù nhiều chuyên gia luyện kim có thẩm quyền đã nhấn mạnh lợi ích của luyện kim hydro, giá trị công nghệ và kinh tế của lò đứng chạy bằng hydro tinh khiết vẫn cần được xem xét và thảo luận thêm.

Vì không có cacbon trong lò đứng dùng hydro tinh khiết, dẫn đến không thể bổ sung và chuyển hóa nhiệt. Trong một lò trục với hydro nguyên chất một lượng lớn nhiệt bị hấp thụ, và nhiệt độ bên trong lớp vật liệu giảm nhanh chóng. Kết quả, các phản ứng khử cần tiêu thụ nhiệt lượng cao bị giảm tốc độ. Do hydro nhẹ, cần tăng lượng hydro làm chất mang nhiệt để duy trì nhiệt độ. Ví dụ, khi áp suất ở đỉnh là 0,4 MPa, lượng hydro có nhiệt độ 900°C ít nhất phải là 2.600 m3/tấn sắt khử trực tiếp (DRI) để đáp ứng nhu cầu nhiệt của việc khử trong lò đứng. Nếu chất bổ sung hydro không thay đổi, sản lượng DRI thấp hơn một phần ba so với hiện tại, dẫn đến chi phí DRI tăng lên rất cao.

Trọng lượng riêng của hydro thấp và tỷ trọng của hydro chỉ bằng 1/20 của CO, kết quả là phân tử hydro đi vào nhanh chóng thoát ra ngoài. So với đường đi và hướng của hỗn hợp khí khử, đường đi của hydro trong lò thay đổi nhanh đến mức hydro không thể ở vùng nhiệt độ cao ở phần dưới cùng của lò đứng để hoàn thành nhiệm vụ khử các viên quặng sắt. Về mặt lý thuyết, các sản phẩm DRI cũng có thể đạt chỉ số thiết kế bằng cách duy trì hydro đi vào với áp suất trên 1 MPa và nhiệt độ trên 1.000°C. Tuy nhiên, hydro là một chất dễ cháy nổ. Nếu hệ thống lò đứng làm việc trong thời gian dài trong điều kiện nhiệt độ cao và áp suất cao thì không thể đảm bảo an toàn.

Hydro là một năng lượng thứ cấp đắt tiền. Khó có thể đạt được sản xuất DRI có lợi nhuận và thương mại hóa trong lò đứng với hydro tinh khiết. Hơn nữa, chi phí của một lò trục dùng hydro tinh khiết, bao gồm cả thiết bị, đầu tư và bảo trì, cao gần gấp đôi so với các lò trục khí hóa bằng than hiện nay. Hơn nữa, một lượng nhỏ CO được tìm thấy trong các lò đứng đang chạy của Midrex, HYL và PERED. Các phản ứng tỏa nhiệt và thu nhiệt được thực hiện đồng thời ở các phần khác nhau của lò; do đó, sự trao đổi nhiệt và các điều kiện nhiệt động lực học của nhiệt và truyền khối lượng trong lò đứng cần được cải thiện.

Tóm lại, tỷ lệ khử trực tiếp và hiệu quả sản xuất bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố, chẳng hạn như tỷ lệ hydro, nhiệt độ, áp suất, tỷ lệ sử dụng khí, thời gian tồn tại của quặng sắt, truyền nhiệt, truyền khối và thiết kế lò trục. Cần cải tiến công nghệ khí hóa than phát triển và công nghệ sản xuất, lưu trữ hydro trên cơ sở nguồn than dồi dào.

Với sự phát triển và thực hành sản xuất hydro quy mô lớn, kinh tế, không phát thải dựa trên năng lượng tái tạo, cũng như sự phát triển và công nghiệp hóa các thiết bị, công nghệ lưu trữ hydro, luyện kim hydro tinh khiết vẫn được xem là khả thi, triển vọng trong tương lai.

Theo các chuyên gia năng lượng công nghiệp nặng tại Viện Tài nguyên Thế giới (WRI): Xây dựng một ngành công nghiệp thép dựa trên hydro sẽ đòi hỏi chi tiêu đáng kể để không chỉ xây dựng các nhà máy mới mà còn sản xuất, vận chuyển và lưu trữ hydro xanh. Để các dự án này có hiệu quả kinh tế trong thế giới thép rẻ, giá hydro và điện tái tạo phải giảm đáng kể, trong khi giá carbon dioxide phải tăng lên.

Còn theo báo cáo của Công ty tư vấn quản lý toàn cầu McKinsey & Company: Sản xuất thép thông thường vẫn giữ được lợi thế về phí bằng tiền mặt. Tuy nhiên, kịch bản này sẽ thay đổi ngay khi giá hydro giảm, hoặc giá carbon dioxide tăng. “Theo logic này, sản xuất thép từ hydro nguyên chất dự kiến sẽ có tính cạnh tranh về chi phí bằng tiền từ năm 2030 đến năm 2040 ở châu Âu” - Báo cáo kết luận.

KHẮC NAM - CHUYÊN GIA TẠP CHÍ NĂNG LƯỢNG VIỆT NAM (THEO: EURACTIV/IUEC/CONVERSATION/VC/W3 - 7/2022)

Link tham khảo:

1/ https://www.euractiv.com/section/energy-environment/news/germany-to-invest-e8-bn-in-large-scale-hydrogen-projects/

2/ http://ijmmm.ustb.edu.cn/en/article/doi/10.1007/s12613-020-2021-4

3/ https://energyindustryreview.com/energy-efficiency/gkn-powder-metallurgy-establishes-new-business-unit-gkn-hydrogen/

4/ https://theconversation.com/green-steel-is-hailed-as-the-next-big-thing-in-australian-industry-heres-what-the-hype-is-all-about-160282

5/ https://www.voestalpine.com/group/en/media/press-releases/2019-11-11-h2future-worlds-largest-green-hydrogen-pilot-facility-successfully-commences-operation/

6/ https://w3.windfair.net/wind-energy/news/34553-salcos-steel-production-hydrogen-green-wind-farm-integrated-system-fraunhofer-research-salzgitter-ag-germany-project-vestas-turbine

Theo Tạp chí Năng lượng Việt Nam