Đánh giá vòng đời của các công trình kết cấu thép

Lượng carbon hàm chứa từ khâu sản xuất đến cổng nhà máy trong công trình kết cấu thép

Cường độ carbon trong sản xuất thép kết cấu: Trung bình toàn cầu và sự biến động theo khu vực (EU so với Trung Quốc)

Trên toàn thế giới, sản xuất thép kết cấu thải ra khoảng 1,8 tấn CO2 tương đương cho mỗi tấn thép được sản xuất, mặc dù mức độ cắt giảm phát thải carbon có sự chênh lệch lớn giữa các khu vực. Các nhà máy tại châu Âu thường đạt hiệu quả tốt hơn, với mức phát thải khoảng 1,4 tấn CO2e/tấn, nhờ nguồn điện sạch hơn và các quy định môi trường nghiêm ngặt — điều này giúp giảm phát thải của họ khoảng 22% so với mức trung bình toàn cầu. Tuy nhiên, tình hình ở Trung Quốc lại khá khác biệt: việc phụ thuộc chủ yếu vào than đá khiến mức phát thải vượt quá 2,0 tấn CO2e/tấn. Nguyên nhân là các cơ sở sản xuất tại Trung Quốc thường vận hành lò cao một cách liên tục và tích hợp rất ít năng lượng tái tạo vào hoạt động sản xuất. Những khác biệt này có tác động thực tế rõ rệt đến các công trình sử dụng kết cấu thép trong suốt toàn bộ vòng đời của chúng. Chỉ cần lựa chọn nơi cung cấp vật liệu cũng có thể tạo ra sự chênh lệch hơn 30% về tổng lượng khí nhà kính phát thải từ các dự án xây dựng.

Các tuyến đường EAF so với BF-BOF và hàm lượng phế liệu: Các yếu tố then chốt nhằm giảm lượng carbon hàm chứa trong kết cấu thép cho công trình xây dựng

Công nghệ Lò luyện thép hồ quang điện (EAF), hoạt động bằng kim loại phế liệu tái chế, là một trong những phương pháp hiệu quả nhất để giảm phát thải carbon khi sản xuất thép kết cấu. Các lò này phát thải khoảng 0,4 tấn CO2 tương đương trên mỗi tấn thép khi vận hành với hơn 90% nguyên liệu là phế liệu, mức này thấp hơn khoảng ba phần tư so với quy trình lò luyện oxy cơ bản truyền thống (BF-BOF). Bằng cách lựa chọn thép được sản xuất từ lò EAF—trong đó tỷ lệ phế liệu sử dụng đã được xác định rõ—các doanh nghiệp thực tế có thể giảm tổng lượng phát thải từ đầu đến cuối chuỗi sản xuất tới 1,2 tấn CO2 tương đương trên mỗi tấn thép được sản xuất. Việc thu gom vật liệu từ các tòa nhà cũ và các công trình khác đã ngừng hoạt động góp phần thúc đẩy mô hình kinh tế tuần hoàn. Tuy nhiên, những người làm việc trong lĩnh vực này cần lưu ý các vấn đề địa phương liên quan đến phân loại các loại phế liệu khác nhau, đảm bảo chất lượng đồng đều và xử lý các mạng lưới vận tải chưa luôn đạt tiêu chuẩn.

Độ tin cậy và tiêu chuẩn hóa dữ liệu Đánh giá vòng đời (LCA) cho công trình xây dựng kết cấu thép

Sự tuân thủ của Tài liệu công bố môi trường (EPD) với tiêu chuẩn BS EN 15804 và BS EN 15978: Những điểm mạnh và khoảng trống trong đánh giá công trình xây dựng kết cấu thép

Các Tuyên bố Sản phẩm Môi trường (EPD) theo tiêu chuẩn BS EN 15804 và BS EN 15978 cung cấp một phương pháp để báo cáo lượng carbon hàm chứa trong các kết cấu thép từ khâu khai thác nguyên liệu đến cổng nhà máy dưới dạng định dạng tiêu chuẩn. Các tiêu chuẩn này xác định rõ ranh giới về những yếu tố được tính vào, cách phân bổ tài nguyên và các tác động môi trường nào là quan trọng nhất, nhờ đó cho phép so sánh các sản phẩm và vật liệu khác nhau trên toàn bộ chuỗi cung ứng. Tuy nhiên, vẫn còn tồn tại một số vấn đề. Các EPD của châu Âu thường cho thấy dấu chân carbon thấp hơn từ 20 đến 30% so với mức toàn cầu do chúng giả định điều kiện năng lượng tại địa phương—điều không phản ánh đúng thực tế ở những khu vực khác. Các nhà sản xuất Trung Quốc, vốn chiếm tỷ lệ rất lớn trong sản xuất thép toàn cầu, thường không cung cấp thông tin chi tiết về nguồn gốc điện năng hoặc nhiên liệu sử dụng để vận hành nhà máy của họ. Dù các thay đổi năm 2023 đối với Quy tắc Thực hiện Chương trình (PCR) đã cải thiện cách tính toán vật liệu tái chế, nhưng dường như chưa có bên nào theo dõi đúng cách lượng phát thải từ vận chuyển. Bất kỳ ai làm việc với các tuyên bố này đều cần ghi nhớ rằng chúng chỉ là những điểm khởi đầu, chứ không phải bức tranh toàn diện. Việc áp dụng thực tế đòi hỏi phải bổ sung dữ liệu đã được xác minh về lưới điện khu vực và khoảng cách vận chuyển thực tế nhằm lấp đầy tất cả những khoảng trống mà hệ thống hiện hành chưa bao quát.

Tính nhất quán của nguồn dữ liệu: BRE, RICS, ICE và EPD của nhà sản xuất — những thách thức về tính minh bạch đối với các chuyên gia thực hành

Việc chuẩn hóa dữ liệu về lượng carbon hàm chứa trên toàn bộ các tiêu chuẩn tham chiếu của BRE, hướng dẫn của RICS, cơ sở dữ liệu ICE và EPD của nhà sản xuất vẫn là một rào cản dai dẳng đối với việc đánh giá công trình xây dựng có kết cấu thép một cách toàn diện và đáng tin cậy. Những bất đồng then chốt bao gồm:

• Phạm vi hệ thống : ICE chỉ báo cáo từ khâu khai thác nguyên liệu đến cổng nhà máy (cradle-to-gate), trong khi RICS yêu cầu báo cáo lượng carbon suốt vòng đời đầy đủ theo phạm vi A1–C4
• Hệ số carbon : Các bộ dữ liệu của BRE nhất quán cho kết quả cao hơn khoảng 15% so với EPD của nhà sản xuất đối với cùng một loại tiết diện thép
• Khoảng trống về tính minh bạch : Dưới 40% EPD được công bố công khai tiết lộ nguồn gốc hoặc lịch sử chế biến của phế liệu — làm mờ đi hiệu suất tái chế thực tế

Các khoảng trống trong dữ liệu buộc các chuyên gia phải tự xây dựng các quy trình điều chỉnh thủ công, thường phải xử lý từ năm đến bảy nguồn dữ liệu khác nhau cho mỗi dự án. Các nỗ lực như Cơ sở dữ liệu Sản phẩm Xây dựng (Construction Product Database) nhằm mang lại một số trật tự nhất định cho các tuyên bố này, nhưng hiện không có cách thực tế nào để kiểm soát việc nhập dữ liệu cơ bản. Khi các quy định không thống nhất và việc xác minh bởi bên thứ ba không bắt buộc, việc so sánh mức độ bền vững thực sự của các tòa nhà làm bằng thép chỉ khiến mọi chuyện trở nên rối rắm, bởi vì mỗi bên đều sử dụng các phương pháp khác nhau. Điều này khiến việc so sánh có ý nghĩa gần như bất khả thi nếu thiếu một cách tiếp cận chuẩn hóa trên toàn bộ hệ thống.

Hiệu suất cuối vòng đời và thực tế từ cội nguồn đến cội nguồn đối với công trình kết cấu thép

Những quan niệm sai lầm về tỷ lệ tái chế: Việc tái chế thép toàn cầu đạt trên 90% có thực sự mang lại lợi ích ròng về mặt đánh giá vòng đời (LCA) cho công trình kết cấu thép hay không?

Tỷ lệ tái chế toàn cầu thường được nhắc đến là trên 90% đối với thép che giấu một số thực tế khá phức tạp khi tiến hành đánh giá vòng đời cho các kết cấu thép. Điều mà nhiều người thường quên là con số này gộp chung các dòng thép khác nhau—chẳng hạn như vật liệu bao bì và bộ phận ô tô—với tỷ lệ tái chế thực tế của thép dùng trong kết cấu. Khi xem xét các con số thực tế, khoảng cách giữa các khu vực là khá lớn. Các nước phát triển thường đạt tỷ lệ tái chế thép kết cấu trên 95%, trong khi nhiều quốc gia đang phát triển lại gặp khó khăn với tỷ lệ tái chế dưới 60%, theo Hội đồng Tái chế Thép Toàn cầu năm ngoái. Và còn một điều nữa ít người đề cập: việc tái chế thép hoàn toàn không phải là quá trình trung hòa carbon. Việc nấu chảy các cấu kiện có lớp phủ dày, mạ kẽm hoặc hợp kim đặc biệt vẫn tiêu tốn khoảng 60% năng lượng so với sản xuất thép mới từ đầu. Ngoài ra, còn có những tổn thất sau khi công trình bị phá dỡ—đôi khi mất tới 15% khối lượng thép trong quá trình tháo dỡ—cộng thêm toàn bộ lượng khí thải phát sinh từ việc vận chuyển vật liệu tái chế đi quãng đường dài. Một số nghiên cứu đánh giá tác động môi trường hoàn toàn bỏ qua những yếu tố này và chỉ giả định quy trình tái chế hoàn hảo, không tốn năng lượng. Những mô hình đơn giản hóa như vậy thường phóng đại mức giảm phát thải carbon thực tế từ 20 đến 40 phần trăm.

Tái chế xuống cấp, hiệu ứng phản hồi năng lượng và các đánh đổi về ranh giới hệ thống trong việc sử dụng thép thứ cấp

Hiệu suất thực tế của các kết cấu thép khi tuân theo nguyên tắc từ cradle-to-cradle bị hạn chế chủ yếu do vật liệu suy giảm theo thời gian và các đánh giá vòng đời không bao quát đầy đủ mọi khía cạnh cần thiết. Khoảng 66% lượng thép được tái chế của chúng ta cuối cùng lại được chuyển thành các sản phẩm chất lượng thấp hơn, chẳng hạn như thanh thép cốt bê tông. Vì sao? Bởi vì mỗi lần thép được nấu chảy, tạp chất tích tụ ngày càng nhiều và bản thân cấu trúc kim loại bắt đầu xuất hiện hiện tượng mỏi. Khi điều này xảy ra, các nhà sản xuất buộc phải sản xuất thép nguyên sinh mới nhằm đáp ứng nhu cầu thị trường đối với các bộ phận kết cấu chịu lực cao, qua đó vô hiệu hóa toàn bộ lợi ích tiết kiệm năng lượng vốn có thể đạt được. Các phép tính tiêu chuẩn về tác động môi trường thường bỏ sót những khía cạnh quan trọng như những gì diễn ra trong quá trình phá dỡ công trình (hãy nghĩ đến lượng khí thải phát sinh từ việc cắt bằng mỏ hàn xì hoặc xử lý các lớp phủ nguy hiểm) và những công việc cần thực hiện sau khi tháo dỡ các tòa nhà (phun cát bề mặt, phủ lớp sơn mới). Những thiếu sót này khiến việc tái chế trông khả quan hơn thực tế. Do đó, nếu muốn xây dựng kết cấu thép thực sự bền vững, việc chỉ tập trung vào tỷ lệ thép được tái chế là chưa đủ. Điều quan trọng hơn cả là những lựa chọn thiết kế thông minh ngay từ giai đoạn đầu, bao gồm các phương pháp tháo dỡ dễ dàng, hệ thống liên kết mô-đun và việc xác định rõ các vật liệu có thể tái sử dụng ngay từ lần lắp đặt ban đầu.

So sánh hiệu suất carbon hàm chứa: Công trình kết cấu thép so với các hệ thống thay thế

Nghiên cứu điển hình văn phòng tại Vương quốc Anh: Khung thép so với bê tông cốt thép và gỗ khối dưới tiêu chuẩn BS EN 15978

Xem xét một dự án công trình văn phòng gần đây tại Vương quốc Anh được đánh giá theo tiêu chuẩn BS EN 15978 cho thấy rõ mức độ ảnh hưởng của việc lựa chọn hệ kết cấu đến lượng phát thải carbon. Khung thép đạt khoảng 20–30 kgCO₂ trên mỗi mét vuông. Mặc dù sản xuất thép đòi hỏi nhiều năng lượng, nhưng những kết cấu này lại có những ưu điểm như khả năng tái chế cao và cho phép gia công chính xác trong nhà máy. ₂các hệ thống bê tông cốt thép đạt mức dao động từ 25 đến 35 kgCO₂ trên mỗi mét vuông. Con số này thay đổi khá nhiều tùy thuộc vào loại xi măng được sử dụng cũng như việc có bổ sung các vật liệu phụ gia đặc biệt hay không. ₂tuy nhiên, giải pháp thực sự nổi bật là kết cấu gỗ khối sử dụng tấm CLT (gỗ dán chéo). Các kết cấu này đã kiểm soát được lượng phát thải ban đầu ở mức khoảng 10–15 kgCO₂ ₂và mỗi mét vuông nhờ cách cây cối tự nhiên lưu trữ carbon trong quá trình sinh trưởng. Tuy nhiên, ở đây cũng có một điểm cần lưu ý – lợi ích này chỉ phát huy tác dụng nếu gỗ được khai thác từ các khu rừng bền vững được chứng nhận đúng quy chuẩn và được vận chuyển mà không gây thêm tổn hại môi trường dọc đường.

Thép chắc chắn có một số ưu điểm nổi bật khi xây dựng nhanh, tạo ra ít chất thải hơn trong quá trình thi công và có thể tái chế được khi kết thúc vòng đời sử dụng. Những lợi ích này còn được nâng cao hơn nữa khi sử dụng vật liệu từ lò hồ quang điện (EAF) và áp dụng các phương pháp thiết kế nhằm tạo điều kiện thuận lợi cho việc tái sử dụng về sau. Ngược lại, gỗ cũng mang lại lợi thế về mặt carbon, nhưng chỉ khi rừng được quản lý một cách bền vững và gỗ được khai thác từ các nguồn gần đó. Kết luận cuối cùng? Không tồn tại một loại vật liệu duy nhất tốt nhất để giảm tác động carbon. Điều thực sự quan trọng là cách các loại vật liệu khác nhau phù hợp với từng tình huống cụ thể, xét trên các yếu tố như nguồn gốc xuất xứ, tuổi thọ công trình và khả năng tháo dỡ cũng như tái sử dụng các bộ phận ở giai đoạn sau trong vòng đời của chúng.

Câu hỏi thường gặp

Lượng carbon hàm chứa trong các công trình xây dựng bằng kết cấu thép là bao nhiêu?

Lượng carbon hàm chứa đề cập đến tổng lượng khí thải nhà kính phát sinh trong các giai đoạn sản xuất, vận chuyển và xử lý vật liệu xây dựng, bao gồm cả kết cấu thép.

Tại sao sản xuất thép lại có mức phát thải khác nhau ở châu Âu và Trung Quốc?

Các nhà máy ở châu Âu đạt được mức phát thải thấp hơn nhờ sử dụng nguồn năng lượng sạch hơn và tuân thủ các quy định môi trường nghiêm ngặt, trong khi các cơ sở tại Trung Quốc phụ thuộc nặng nề vào than đá, làm gia tăng dấu vết carbon của họ.

Sự khác biệt giữa lò luyện điện (EAF) và lò cao – lò chuyển đổi cơ bản (BF-BOF) trong sản xuất thép là gì?

Lò luyện điện (EAF) sử dụng phế liệu thép tái chế và có tác động môi trường sạch hơn đáng kể, phát thải ít carbon hơn so với quy trình truyền thống BF-BOF.

Tại sao Các Tuyên bố Sản phẩm Môi trường (EPD) lại quan trọng trong việc đánh giá kết cấu thép?

Các Tuyên bố Sản phẩm Môi trường (EPD) cung cấp thông tin tiêu chuẩn hóa về lượng carbon hàm chứa, hỗ trợ so sánh dấu vết carbon của các loại vật liệu khác nhau.