Đất hiếm - ‘Chìa khóa’ chuyển đổi năng lượng và bài toán tự chủ công nghệ của Việt Nam

Hydrogen, Amoniac xanh - Tầm nhìn và lộ trình của TKV đến năm 2045 Trong bối cảnh chuyển dịch năng lượng toàn cầu và cam kết mạnh mẽ của Chính phủ Việt Nam về mục tiêu phát thải ròng bằng “0” (Net Zero) vào năm 2050, việc phát triển các nguồn năng lượng mới (như hydrogen và amoniac xanh) đã trở thành một yêu cầu cấp thiết đối với các tập đoàn công nghiệp nặng.

Vật liệu nền tảng của nền công nghiệp xanh - Ứng dụng cụ thể của từng nguyên tố:

Đất hiếm bao gồm 17 nguyên tố hóa học (15 nguyên tố nhóm Lanthanide cùng Yttrium và Scandium). Tên gọi là “hiếm” không hẳn, vì chúng khan hiếm trong lớp vỏ Trái Đất, mà bởi sự phân tán và mức độ phức tạp cao, tốn kém trong công nghệ chiết tách, tinh chế chúng thành từng nguyên tố riêng biệt, do các nguyên tố này có tính chất hóa học và vật lý gần như tương đồng.

Trong kỷ nguyên công nghiệp hiện đại, đất hiếm được giới khoa học mệnh danh là “vitamin” của nền kinh tế - là vật liệu cơ bản của nhiều ngành công nghệ cao. Các thiết bị công nghệ chỉ sử dụng một lượng nhỏ đất hiếm tính bằng gram, hoặc kilogram, nhưng đó lại là vật liệu cốt lõi quyết định hiệu suất, độ bền và khả năng thu nhỏ của thiết bị. Trong cuộc chuyển đổi năng lượng xanh hiện nay, vai trò của đất hiếm được phân bổ chuyên biệt vào ba nhóm ứng dụng chính:

Thứ nhất: Công nghiệp xe điện (EV) và năng lượng tái tạo. Đây là lĩnh vực tiêu thụ đất hiếm lớn nhất và có tốc độ tăng trưởng phi mã. Các nguyên tố nhóm nhẹ như Neodymium (Nd) và Praseodymium (Pr) là thành phần trọng yếu để chế tạo nam châm vĩnh cửu siêu cường (NdFeB).

Khác với nam châm thông thường, nam châm NdFeB tạo ra từ trường cực mạnh với kích thước rất nhỏ. Một chiếc ô tô điện cần khoảng 1 đến 3 kg nam châm này cho cụm động cơ. Đối với các tua bin điện gió, đặc biệt là tua bin gió ngoài khơi có công suất từ 10 MW đến 15 MW, bộ máy phát điện dẫn động trực tiếp cần tới hàng tấn nam châm vĩnh cửu.

Đặc biệt, để các động cơ này hoạt động ổn định ở nhiệt độ cao (lên tới 200 độ C) mà không bị mất từ tính, người ta bắt buộc phải pha thêm các nguyên tố đất hiếm nhóm nặng có giá trị cao là Dysprosium (Dy) và Terbium (Tb). Thiếu vắng bộ tứ Nd, Pr, Dy, Tb, thế giới gần như không thể sản xuất xe điện và tua bin gió với hiệu suất như hiện tại.

Thứ hai: Công nghệ tiết kiệm năng lượng. Các nguyên tố như Yttrium (Y), Europium (Eu) và Terbium (Tb) đóng vai trò là chất phát quang (phosphor) không thể thiếu trong công nghệ sản xuất bóng đèn LED chiếu sáng và màn hình tinh thể lỏng, thiết bị di động. Nhờ đất hiếm, bóng đèn LED có thể phát ra ánh sáng cường độ cao, nhưng lại tiêu thụ điện năng chỉ bằng một phần mười so với bóng đèn sợi đốt truyền thống, đóng góp to lớn vào việc giảm tải hệ thống điện toàn cầu.

Thứ ba: Công nghiệp quốc phòng và hàng không vũ trụ. Dù chiếm tỷ trọng nhỏ về sản lượng, nhưng đất hiếm như Samarium (Sm), Erbium (Er), Neodymium (Nd) lại mang tính sống còn đối với an ninh quốc gia của các cường quốc. Chúng được ứng dụng trong hệ thống laser dẫn đường, radar, hệ thống điều khiển tên lửa hành trình, thiết bị nhìn xuyên đêm và hợp kim vỏ máy bay tàng hình.

Cấu trúc chuỗi cung ứng toàn cầu và xu hướng đa dạng hóa nguồn cung:

Giá trị kinh tế của đất hiếm phụ thuộc rất lớn vào chuỗi cung ứng. Về mặt cấu trúc, quá trình chế biến đất hiếm được chia thành nhiều công đoạn khép kín và phức tạp: Khai thác quặng -> Tuyển khoáng (làm giàu quặng) -> Thủy luyện (phá vỡ cấu trúc quặng để chuyển thành dạng dung dịch) -> Phân chia và Tinh chế (chiết tách từng nguyên tố riêng biệt ra khỏi hỗn hợp) -> Luyện kim (chế tạo kim loại và hợp kim) -> Chế tạo vật liệu (sản xuất nam châm, bột huỳnh quang, vật liệu xúc tác, gốm sứ).

Điều đáng nói là phần lớn hệ lụy về ô nhiễm môi trường (hóa chất, chất thải phóng xạ) tập trung ở các khâu đầu (khai thác, tuyển khoáng, thủy luyện). Trong khi đó, 80% đến 90% biên độ lợi nhuận và giá trị gia tăng lại nằm ở khâu “hạ nguồn” - tức là công nghệ phân chia, tinh chế đạt độ tinh khiết cao (trên 99,9%) và công nghệ luyện kim, sản xuất nam châm.

Trong nhiều thập kỷ qua, bản đồ phân bổ năng lực chế biến đất hiếm toàn cầu có sự mất cân đối rõ rệt. Theo các báo cáo công khai từ Cơ quan Năng lượng Nguyên tử Quốc tế (IAEA) và Cục Khảo sát Địa chất Mỹ (USGS): Trung Quốc hiện là quốc gia sản xuất và tinh chế đất hiếm lớn nhất thế giới. Họ không chỉ cung cấp khoảng 60% sản lượng khai thác quặng thô, mà còn chiếm lĩnh khoảng 85% đến 90% công suất tinh chế đất hiếm và sản xuất nam châm toàn cầu.

Vào cuối năm 2023, Bộ Thương mại Trung Quốc đã ban hành quy định cập nhật danh mục công nghệ cấm và hạn chế xuất khẩu. Trong đó bao gồm công nghệ chiết tách, tinh chế đất hiếm, cũng như công nghệ sản xuất hợp kim và vật liệu nam châm. Thông tin này đã được các hãng thông tấn lớn và các chuyên gia kinh tế phân tích rộng rãi như một động thái bảo vệ lợi thế công nghệ nội địa của quốc gia này.

Trước thực tế cấu trúc chuỗi cung ứng tập trung vào một số ít quốc gia và rủi ro gián đoạn nguồn cung vật liệu thiết yếu, hàng loạt các nền kinh tế lớn như Mỹ, Liên minh châu Âu (thông qua Đạo luật Nguyên liệu thô trọng yếu - CRMA), Nhật Bản và Hàn Quốc đang đẩy mạnh chiến lược đa dạng hóa chuỗi cung ứng (China + 1). Các quốc gia này đang gia tăng đầu tư vào việc tìm kiếm đối tác mới và phục hồi năng lực chế biến nội địa.

Chính trong sự đứt gãy và tái cấu trúc chuỗi cung ứng toàn cầu này, Việt Nam nổi lên như một điểm sáng mang tính chiến lược. Với trữ lượng đất hiếm lớn, Việt Nam hoàn toàn có tiềm năng trở thành một mắt xích trọng yếu mới trong bản đồ đất hiếm thế giới.

Viện Công nghệ Xạ hiếm (trực thuộc Viện Năng lượng Nguyên tử Việt Nam - Bộ Khoa học và Công nghệ) là một trong những đơn vị nghiên cứu hàng đầu, đã có gần 40 năm nghiên cứu triển khai các đề tài nghiên cứu về quy trình chế biến đất hiếm.

Năng lực nghiên cứu nội sinh - Quá trình tiếp cận và làm chủ công nghệ của Việt Nam:

Cơ hội là rất lớn, nhưng định hướng xuyên suốt và bất di bất dịch của Đảng, Nhà nước và Chính phủ Việt Nam là: Kiên quyết không xuất khẩu quặng thô; khai thác khoáng sản phải đi đôi với bảo vệ môi trường, gắn chặt với chế biến sâu để tạo ra giá trị gia tăng tối đa cho nền kinh tế quốc dân.

Để thực hiện mục tiêu này, vai trò của nghiên cứu khoa học là nền tảng. Trong lĩnh vực này, Viện Công nghệ Xạ hiếm (trực thuộc Viện Năng lượng Nguyên tử Việt Nam - Bộ Khoa học và Công nghệ) là một trong những đơn vị nghiên cứu hàng đầu, đã có gần 40 năm nghiên cứu triển khai các đề tài nghiên cứu về quy trình chế biến đất hiếm. Cụ thể:

Thứ nhất: Tiếp cận làm chủ công nghệ thủy luyện. Quặng đất hiếm ở Việt Nam có đặc thù riêng biệt (chủ yếu là nhóm đất hiếm nhẹ; quặng bastnasit - mỏ Đông Pao, Nậm Xe, quặng monazit - trong sa khoáng). Các nhà khoa học của Viện Công nghệ Xạ hiếm đã nghiên cứu thành công các quy trình công nghệ thủy luyện tiên tiến (phân hủy nhiệt độ cao sử dụng axit/kiềm) để phá vỡ cấu trúc quặng tinh, loại bỏ tạp chất, xử lý chất thải phóng xạ và thu nhận tổng oxit đất hiếm (TREO) đạt tiêu chuẩn thương mại ở quy mô bán công nghiệp (pilot).

Thứ hai: Nghiên cứu công nghệ phân chia và tinh chế. Như đã phân tích, phân chia là công nghệ lõi của chuỗi giá trị đất hiếm. Việc tách các nguyên tố giống hệt nhau đòi hỏi một quá trình gọi là “chiết dung môi nhiều bậc”. Sơ đồ công nghệ này có thể cần tới hàng trăm bậc chiết nối tiếp nhau với sự kiểm soát thông số hóa lý cực kỳ tinh vi để tách từng nguyên tố đất hiếm ra khỏi nhau. Đội ngũ chuyên gia của Viện đã phát triển phần mềm tính toán, mô phỏng và vận hành thành công hệ thống chiết dung môi, có khả năng phân tách thành công các nguyên tố chiến lược như Neodymium (Nd), Praseodymium (Pr), Samarium (Sm), Dysprosium (Dy) đạt độ tinh khiết cao trên 99%. Đây là tiêu chuẩn bắt buộc để làm nguyên liệu đầu vào cho ngành sản xuất nam châm điện gió và xe điện.

Thứ ba: Kiểm soát và xử lý an toàn môi trường phóng xạ. Đây là điểm mấu chốt, là lợi thế đặc thù của Viện Năng lượng Nguyên tử Việt Nam. Hầu hết các mỏ đất hiếm trên thế giới và tại Việt Nam đều chứa các nguyên tố phóng xạ tự nhiên (chủ yếu là Uranium và Thorium). Quá trình chế biến đất hiếm, nếu không được kiểm soát sẽ giải phóng các chất phóng xạ này ra nguồn nước và đất đai, gây thảm họa sinh thái kéo dài hàng thế kỷ. Trên thực tế, nhiều quốc gia phát triển trước đây đã phải đóng cửa mỏ đất hiếm chính vì không giải được bài toán môi trường này.

Với vị thế là cơ quan nghiên cứu hàng đầu quốc gia về năng lượng nguyên tử và an toàn bức xạ, Viện Công nghệ Xạ hiếm đã thiết lập thành công các quy trình công nghệ thu hồi, cô lập và xử lý an toàn các đồng vị phóng xạ (U, Th) đi kèm trong quặng đất hiếm. Việc kiểm soát hoàn toàn chất thải phóng xạ ngay từ quy trình thủy luyện giúp hiện thực hóa khái niệm “khai thác và chế biến xanh” - điều kiện tiên quyết để các doanh nghiệp FDI công nghệ cao (từ Mỹ, Nhật Bản, châu Âu) có thể rót vốn đầu tư vào Việt Nam mà không vi phạm các tiêu chuẩn ESG (Môi trường - Xã hội - Quản trị) khắt khe của quốc tế.

Tầm nhìn chiến lược - Tự lực, tự cường để kiến tạo hệ sinh thái công nghiệp:

Việt Nam đang đứng trước cơ hội lớn để phát huy giá trị của tài nguyên khoáng sản phục vụ phát triển kinh tế. Tuy nhiên, khai thác tài nguyên sẽ không mang lại hiệu quả bền vững, nếu chỉ dừng ở việc xuất khẩu nguyên liệu thô và đánh đổi bằng môi trường.

Trên thực tế, công nghệ phân chia, tinh chế sâu đất hiếm và luyện kim chế tạo nam châm được các quốc gia sở hữu xem là bí mật công nghệ lõi. Việc các đối tác nước ngoài sẵn sàng chuyển giao toàn bộ những công nghệ nhạy cảm này là rất khó xảy ra. Do đó, bài toán đặt ra cho Việt Nam là phải phát huy tinh thần tự lực, tự cường, sớm triển khai đầu tư mạnh mẽ cho nghiên cứu công nghệ trong nước.

Chiến lược phát triển ngành công nghiệp đất hiếm của Việt Nam phải được đặt trên bệ phóng của khoa học và công nghệ. Những thành tựu nghiên cứu sâu rộng, bài bản của Viện Công nghệ Xạ hiếm trong nhiều năm qua chính là minh chứng sống động cho thấy: Trí tuệ Việt Nam hoàn toàn có khả năng hấp thụ, làm chủ và cùng phát triển các công nghệ tinh chế khoáng sản phức tạp nhất thế giới.

Sự tham gia nghiên cứu chuyên sâu của Viện Công nghệ Xạ hiếm và các cơ sở khoa học trong nước cung cấp cơ sở dữ liệu quan trọng giúp các cơ quan quản lý thẩm định được các dự án đầu tư nước ngoài, lựa chọn được các công nghệ tiên tiến, thân thiện với môi trường.

Quan trọng hơn, khi Việt Nam từng bước tự chủ được công nghệ chế biến sâu để tạo ra nguồn nguyên liệu oxit đất hiếm đạt chuẩn quốc tế, đó sẽ là thỏi nam châm thu hút chuỗi cung ứng. Thay vì chỉ bán nguyên liệu tinh, chúng ta có thể sử dụng chính nguồn nguyên liệu này làm lợi thế cạnh tranh. (Ví dụ có thể để mời gọi các tập đoàn công nghệ cao toàn cầu đến Việt Nam). Từ đó, định hướng dòng vốn FDI vào việc thiết lập các nhà máy sản xuất linh kiện điện tử, động cơ xe điện, thiết bị năng lượng tái tạo… hình thành một hệ sinh thái công nghiệp công nghệ cao, khép kín ngay tại nội địa.

Làm chủ công nghệ chế biến sâu đất hiếm không chỉ là lời giải cho bài toán kinh tế, mà là bước đi chiến lược bảo vệ an ninh năng lượng quốc gia, đưa Việt Nam bước lên nấc thang cao hơn trong chuỗi giá trị công nghệ toàn cầu, đóng góp xứng đáng vào hành trình kiến tạo một tương lai xanh bền vững.

Kỳ tới: Đất hiếm Việt Nam - Bài học quốc tế, lời giải công nghệ và bức tranh hệ sinh thái công nghiệp xanh

NGUYỄN THỤC PHƯƠNG, TRẦN CHÍ THÀNH