خودروها، لوازم خانگی، ساختمانها، پل ها و تقریبا هرآنچه که در طول روز با آن سروکار داریم بدون وجود فولاد قابل تصور نیست! اما فولاد برای تولید به زغال سنگ و انرژی زیادی نیاز دارد و در نتیجه جو را با CO۲ آلوده میکند. صنعت فولاد به عنوان یکی از آلایندهترین صنایع جهان، مسئول حدود 8 درصد انتشار CO2 در جهان است. از اینرو جهان تصمیم به تولید فولادی تحت عنوان “فولاد سبز” گرفته تا کمترین میزان آسیبهای زیست محیطی را درپی داشته باشد. با نزدیک کردن انتشار گازهای گلخانهای به صفر، فولادسازی پاک امکانپذیر میشود. این مسیر دارای چالشها و راهحلهای متفاوتی است. اما به هر جهت فولاد سبز آیندهی تولید فولاد در جهان است.
فولاد سبز به طور کلی یعنی فولادی که تولید آن اثر مخربی بر محیط زیست نداشته باشد.
حدود ۷۵ درصد فولاد هنوز در کوره بلند زغال سنگ ساخته میشود که مقادیر زیادی دی اکسید کربن را به جو میفرستد.
به گفته آژانس بینالمللی انرژی (IEA) برای دستیابی به اهداف اقلیمی جهان انتشار گازهای گلخانهای باید تا سال ۲۰۵۰، تقریبا ۵۰ درصد کاهش یابد و سپس به کاهش خود ادامه دهد. اما چگونه میتوان به این امر دست یافت؟
کوره قوس الکتریکی
استفاده از کوره قوس الکتریکی، یکی از راهحلهاست. این کورهها به تدریج جایگزین کورههای سنتی میشوند اما همیشه از منابع تجدیدپذیر تغذیه نمیشوند و بنابراین فولادی که تولید میکنند ممکن است همیشه سبز نباشد!
برخی از بزرگترین تولیدکنندگان جهان در حال برنامهریزی برای کاهش ردپای کربن خود با افزایش استفاده از کورههای قوس الکتریکی هستند. سازمان غیردولتی Global Energy Monitor میگوید که تغییر از کوره های بلند سنتی به کوره های قوس الکتریکی، پشت اهداف کربن زدایی است. این سازمان میگوید ۳۱ درصد از ظرفیت فولادسازی فعلی از کورههای الکتریکی استفاده میکنند اما فقط یک چهارم آنها از ظرفیت در حال توسعه این فناوری استفاده خواهند کرد. در آینده باید سرمایهگذاری در تجهیزات کوره بلند مبتنی بر زغال سنگ محدود یا متوقف شود. همچنین افزایش مقیاس این فناوری به مقادیر زیادی هیدروژن سبز یا آبی نیاز دارد که میتواند چالشبرانگیز باشد…
هیدروژن سبز
اساساً فولاد سبز تولید فولاد بدون استفاده از سوخت های فسیلی است و هیدروژن سبز راه حلی است که میتواند به کاهش ردپای کربن در صنعت فولاد کمک کند. هیدروژن وقتی میسوزد فقط آب ساطع میکند و اگر این هیدروژن از طریق الکترولیز فقط با استفاده از آب و برق تجدیدپذیر تولید شود، آنگاه کاملاً عاری از انتشار CO۲ است. این هیدروژن، اصطلاحا هیدروژن سبز نامیده میشود. اگر هیدروژن با استفاده از سوختهای فسیلی تولید شود یا از فناوریهای ذخیرهسازی کربن استفاده شود، میتواند کم کربن باشد که به آن “هیدروژن آبی” میگویند.
جذب و ذخیره کربن در زیر زمین (Carbon Capture and Storage)
جذب و ذخیره کربن دیاکسید در زیر زمین (CCS) یکی از امیدوارکنندهترین رویکردها برای کربنزدایی صنعت فولاد بهشمار میرود. هدف این است که کربن دی اکسید مستقیماً از جَو و از منابع صنعتی جذب شود و به تجهیزات ذخیره سازی ایمن در زیر زمین انتقال داده شود. جذب و ذخیره کربن پتانسیل قابل توجهی برای کاهش و حذف انتشار گازهای گلخانه ای دارد. صنعت فولادمیتواند از این فناوری برای کاهش انتشار گازهای گلخانه ای استفاده کند.
آژانس بینالمللی انرژی جذب و ذخیره کربن را یک گزینه پیشرفته و رقابتی برای کاهش چشمگیر انتشار CO2 میداند. با استفاده از این نوع فناوری، 75 تا 90 درصد انتشار گازهای گلخانه ای وارد جو نمیشود. هزینه های جذب و ذخیره CO2 در تولید فولاد از 60 تا 100 یورو به ازای هر تن CO2 متغیر است. این هزینه بسیار ارزان تر از راهحلهای مبتنی بر هیدروژن است که صدها یورو به ازای هر تن هزینهبر است. البته جذب و ذخیره کربن هنوز بهطور گسترده در فولادسازی استفاده نشده است زیرا از طرفی الزامی برای اجرای آن وجود ندارد و از طرفی خود کربن بازار فروش جذابی ندارد (قیمت کربن در اروپا حدود 85 یورو به ازای هر تن است).
نقش هیدروژن در کربنزدایی صنعت فولاد
هیدروژن سبز که با الکترولیز با استفاده از انرژی تجدیدپذیر مازاد تولید میشود، میتواند برای پاکسازی تقریباً دو سوم تولید جهانی فولاد که در حال حاضر به سوختهای فسیلی متکی است، استفاده شود. اما این فرآیند چگونه انجام میشود؟ و اصلا چرا از هیدروژن استفاده میکنیم؟
عنصر هیدروژن در سال 1746 میلادی توسط هنری کاوندیش کشف شد. هیدروژن اولین عنصر جدول تناوبی مندلیف و دارای عدد اتمی 1 است. این عنصر در دمای 25 درجه سانتیگراد در فشار یک اتمسفر با دریافت انرژی نهان تبخیر و فشار اتمسفر از حالت مایع به حالت گاز در خواهد آمد و سادهترین عنصر روی زمین است که فقط از یک پروتون و یک الکترون تشکیل شده است و میتواند مقداری انرژی قابل استفاده را ذخیره کند. هیدروژن در طبیعت به صورت خالص وجود ندارد و باید آن را از ترکیباتی که حاوی هیدروژن هستند مانند آب، گاز، نفت و … تولید نمود.
استفاده از گاز هیدروژن به جای انرژیهای فسیلی در ارتباط با تولید جهانی فولاد مراحل آزمایشی خود را طی کرده است و تا سال 2030 حدود 20 درصد فولاد خام دنیا با استفاده از انرژی گاز هیدروژن و بدون مصرف انرژی های فسیلی در جهان تولید خواهد شد. هیدروژن بهعلت کمی چگالی و سبکی وزن، چنانچه شرایط ایمنی کاملا رعایت گردد، بهترین سوخت هواپیما در سالهای آینده خواهد بود.
در واکنش شیمیایی سوختن گاز هیدروژن، از تمایل بیش از حد هیدروژن در ترکیب با اکسیژن میتوان برای احیای مستقیم اکسید آهن از هیدروژن استفاده کرد. همچنین ظرفیت گرمایی مولی گاز هیدروژن این قابلیت را دارد که بتوان از آن برای خنک کاری ژنراتورها استفاده نمود. از هیدروژن در تولید پیل سوختی هیدروژنی هم استفاده میشود. پیل سوختی اساساً وسیلهای است که سوخت (مانند هیدروژن، متانول، گاز طبیعی، بنزین و…) و اکسیدان (مانند هوا و اکسیژن) را به برق، آب و حرارت تبدیل میکند. این پیلها یک مبدل انرژی شیمیایی به الکتریکی هستند. معروفترین نوع پیل سوختی، پیل سوختی هیدروژنی است که در آن عکس عمل الکترولیز آب اتفاق میافتد و از واکنش هیدروژن با اکسیژن، آب، حرارت و الکتریسیته تولید میشود.
کاربرد پیل سوختی
1) حمل و نقل و وسایل نقلیه
2) تولید برق محلی: از گرمای تولیدی این نیروگاهها میتوان برای گرمایش و تولید بخار آب استفاده کرد.
3) در اتاقهای عمل: پس از قطع برق این پیل های سوختی فورا شروع به تولید برق مینمایند.
4) صنایع نظامی: در تانک ها ، زره پوش ها و خودروهای نظامی کاربرد زیادی دارند.
نتیجه این است که گاز هیدروژن حامل انرژی است، نه منبع انرژی!
الکترولیز آب
الکترولیز فرآیندی است که با استفاده از انرژی برق تجدیدپذیر مانند پیلهای سوختی از یک آند و یک کاتد تشکیل شدهاند که توسط یک الکترولیز از هم جدا میشوند. آب در آند واکنش میدهد و اکسیژن و هیدروژن یون هیدروژن با بار مثبت را تشکیل میدهد. الکترونها از طریق یک مدار خارجی جریان مییابند و هیدروژن به طور انتخابی به سمت کاتد حرکت میکند. در کاتد یونهای هیدروژن با الکترونهای مدار خارجی ترکیب میشوند و گاز هیدروژن را تشکیل میدهند.
ترکیب اکسیژن محیط با هیدروژن انرژی گرمایی بالایی تولید میکند. بنابراین برای مصرف در تمام صنایعی که به گرما نیاز دارند میتوان گاز هیدروژن را مصرف نمود. با الکترولیز آب بهوسیله برق تولیدی از انرژی خورشیدی، میتوان جهت مصارف مختلف صنعتی مخصوصا تولید فولاد سبز و انرژی مصرفی برای هواپیما، انرژی مصرفی انواع موشک، انرژی مصرفی وسایل حمل و نقل و… استفاده نمود.
تکنولوژی HYBRIT
HYBRIT مخفف Hydrogen Breakthrough Ironmaking Technology یک پروژه سرمایهگذاری مشترک بین شرکت SSAB، شرکت انرژی Vattenfall و گروه معدنی LKAB است که هر دو شرکت Vattenfall و LKAB متعلق به دولت سوئد هستند. ایده اصلی HYBRIT استفاده از هیدروژن ۱۰۰ درصد عاری از سوخت فسیلی به جای زغال سنگ و کک در تولید فولاد است چراکه تولید فولاد یکی از صنایعی است که برای بهبود انتشارات گازهای آلاینده و سایر معیارهای مرتبط آماده بهبود است. البته این چالشی بزرگ برای صنعت فولاد است.
بهگفته آژانس بینالمللی انرژی صنایع آهن و فولاد مسئول انتشار مستقیم ۲٫۶ گیگاتن دی اکسید کربن در سال است. در سال ۲۰۱۹ این رقم بیشتر از انتشار مستقیم بخشهایی مانند سیمان و مواد شیمیایی بود. همچنین بخش فولاد بزرگترین مصرف کننده صنعتی زغال سنگ است که حدود ۷۵ درصد از انرژی مورد نیاز خود را از آن تأمین میکند. پروژه HYBRIT برای پیشبرد هدف حذف انتشار کربن در تولید آهن و فولاد با استفاده از سوخت هیدروژنی غیر فسیلی ایجاد شده است.
تکنولوژی HYBRIT یک طرح نوآورانه برای جایگزینی زغال سنگ با هیدروژن در فرآیند تولید فولاد است که تنها فرآورده خروجی آن بخار آب است. HYBRIT آهن را با استفاده از گاز هیدروژن به عنوان عامل احیاء کننده اصلی تولید میکند. گاز هیدروژن توسط الکترولیز آب با استفاده از برق بدون سوخت فسیلی که در حال حاضر در سوئد استاندارد است، تولید میشود.
مسیر تولید مشابه فرآیندهای احیاء مستقیم است و تنها به جای انتشار دی اکسید کربن، هیدروژن با اکسیدهای آهن واکنش داده و آب تشکیل میشود. این پروژه شامل تولید هیدروژن بدون سوخت فسیلی از طریق یک نیروگاه الکترولیز آب است که از ظرفیت بالای باد و انرژی آبی در تولید برق منطقه استفاده میکند. علاوه بر این تولید فولاد با مبدلهای اکسیژن نیز به تدریج متوقف خواهد شد زیرا آهن اسفنجی برای ذوب در یک کوره قوس الکتریکی طراحی خواهد شد. در عکس زیر روند تولید فولاد با این تکنولوژی نشان داده شده است.
یکی از پارامترهای مهم برای تولید و استفاده مقرون به صرفه هیدروژن توانایی ذخیره آن است ذخیره هیدروژن فرصتی برای تثبیت سیستم انرژی پایدار با تولید هیدروژن زمانی که برق فراوان وجود دارد و استفاده از هیدروژن ذخیره شده زمانی که سیستم الکتریکی تحت فشار است فراهم میکند. این پروژه همچنین مسائلی در مورد انتخاب مواد و راه حلهایی برای ذخیره سازی ایمن زیرزمینی را حل کرده است. تاسیسات آزمایشی SSAB KAB و Vattenfall برای ذخیره سازی گاز هیدروژن بدون فسیل در حال حاضر در شهر Lulea سوئد در حال بهره برداری است. تأسیسات ذخیره سازی غار سنگی اولین در نوع خود در جهان برای ذخیره سازی گاز هیدروژن بدون سوخت فسیلی است. دوره آزمایشی دو ساله ی آن اکنون آغاز شده و تا سال ۲۰۲۴ ادامه خواهد داشت.
الکترولیز اکسید مذاب
تولیدکنندگان فولاد به خوبی میدانند که فولادسازی تا حد قابل توجهی باعث انتشار گازهای گلخانهای میشود. این موضوع باعث راهاندازی موجی از پروژههای فولاد سبز شد. همکاری معدنچی سوئدی LKAB و فولادساز SSAB بر روی پروژه HYBRIT و نوآوریهای تاتا استیل هند از جمله راهحلهایی برای بهبود کارایی کوره بلند است. اما بوستون متال که یک شرکت استارتآپی در ایالات متحده آمریکا است میگوید پروژههای «فولاد سبز» اغلب با چالشهای مشترکی روبرو هستند: دسترسی به انرژیهای تجدیدپذیر و سنگ آهن ممتاز!
بوستون متال از تکنیکی به نام الکترولیز اکسید مذاب (Molten Oxide Electrolysis یا به اختصار MOE) استفاده میکند تا حتی ریزدانه های سنگ آهن با عیار پایین و متوسط را مستقیماً به آهن مذاب با خلوص بالا تبدیل کند و میگوید این راهحل، امکان عرضه گستردهی مواد اولیه را فراهم کرده و از نوسان قیمت سنگهای معدنی میکاهد. همچنین این روش نیازی به تولید کک، فرآوری سنگ آهن، احیای کوره بلند و پالایش اولیه کوره اکسیژن ندارد.
روش MOE توسعه یافته توسط Boston Metal میتواند تمام استانداردهای کربن زدایی فنی را برآورده کند. با ادغام چندین فرآیند در یک فرآیند، MOE این پتانسیل را دارد که قیمت فولاد را تا حدود 15 درصد در مقایسه با قیمتهای جهانی فعلی فولاد تولید شده با زغال سنگ کاهش دهد. MOE، مانند ذوب آلومینیوم، در راکتورهای ماژولار کار میکند و میتوان ظرفیت تولید را صدهزارتن در سال افزایش داد. برخلاف فناوریهای دیگر در فولاد سبز در حال توسعه هستند، MOE با تمام درجات سنگ آهن سازگار است.
در سلول، یک آند بی اثر در یک الکترولیت با سنگ آهن غوطه ور است سپس برق رسانی میشود. هنگامی که سلول تا 1600 درجه سانتیگراد گرم میشود، لکترون ها پیوندهای موجود در سنگ آهن را میشکافند. نتیجه یک فلز مایع تمیز و با خلوص بالا است که مستقیماً به متالورژی فرستاده میشود و نیاز به گرم کردن مجدد ندارد!
این روش تکمرحلهای نیاز به فرآوری ثانویه فولاد را که منبع قابل توجهی برای انتشار CO2 است، حذف میکند و هیچ زبالهای تولید نمیکند و آن را به گزینهای جذاب برای کسانی که به دنبال جایگزینی ساده، مقیاس پذیر و کاملاً کربن زدا هستند، تبدیل میکند. با توجه به هزینه های گزاف ساخت کارخانه های جدید و حاشیه سود ناچیز این کالا، بخش فولاد در پذیرش فناوری های جدید کند است. اگر منتظر بمانیم تا صنعت فولاد به تنهایی MOE را پیش ببرد، ممکن است بیشتر از یک دهه طول بکشد تا به استقرار تجاری برسیم. از این رو کشورهای اتحادیه اروپا سرمایهگذاری قابل توجهی در راستای حمایت از تکنولوژیهای فولاد سبز کردهاند. بوستون متال برنامه دارد بعد از اعتبارسنجی این سلولِ نیمه صنعتی، احداث کارخانه و تولید خود را تا سال 2025 نهایی کند.
ضایعات فولادی، پلهی به سوی فولاد سبز
در مسیر گذار از فولادسازی سنتی، و درواقع قبل از رسیدن به هدف فولاد سبز، قراضه و ضایعات فولادی نقش پررنگی دارند. فولاد به طور کامل بازیافت میشود، پس برای مثال میتوان از قراضه در تولید ورق فولادی استفاده کرد…
هزینه تولید فولاد سبز
در مقیاس بالا، تولید هیدروژن بهعنوان سوخت اصلی برای تولید فولاد سبز، نیازمند میلیاردها دلار سرمایهگذاری در تولید برق تجدیدپذیر است که بخش مهمی از جاهطلبی اتحادیه اروپا برای رسیدن به انتشار خالص صفر تا سال 2050 است.
آرسلورمیتال، بزرگترین تولیدکننده فولاد اروپا گفت که کربن زدایی فعالیتهای خود در این قاره مطابق با اهداف اتحادیه اروپا میتواند تا 40 میلیارد دلار هزینه داشته باشد.
طبق برآورها، هزینه هیدروژن سبز باید درسالهای آینده بهطور قابل توجهی کاهش یابد و به زیر آستانه 2 دلار در هر کیلوگرم برسد. هزینههای غالب هیدروژن تولید شدهدر شمال غربی اروپا حدود 8 دلار به ازای هر کیلوگرم محاسبه شده که شامل هزینهی سرمایهگذاری نیز میشود. با این حال، هزینههای تولید درحال حاضر در جاهایی با منابع تجدیدپذیر فراوان، بسیار ارزانتر است. هزینه هیدروژن تولید شده در سواحل غربی ایالات متحده، با استفاده از نیروی باد و خورشید، 4/19 دلار در کیلوگرم محاسبه شده است.
هزینه تولید فولاد بدون سوخت فسیلی با توجه به قیمت برق، زغال سنگ و هزینه های ناشی از انتشار گازهای گلخانهای ۲۰ تا ۳۰ درصد گرانتر خواهد بود. اما با کاهش قیمت برق ناشی از استفاده سوختهای غیرفسیلی و افزایش بودجه جلوگیری از نشر گازهای گلخانهای توسط سیستم تجارت الکترونیکی اتحادیه اروپا (ETS)، فولاد بدون سوخت فسیلی در آینده رقابت تنگاتنگی با فولادهای معمول در بازار خواهد داشت هم از نظر قیمت تمام شده، هم از نظر کیفیت!
اتحادیه اروپا بیش از یک میلیارد یورو در هفت پروژه سرمایهگذاری نموده که طیف وسیعی از بخشهای مرتبط را پوشش میدهد تا صنعت و بخش انرژی اروپا را کربنزدایی کند. بخشهایی مانند مواد شیمیایی، فولاد، سیمان پالایشگاهها و تولید برق و حرارت و… پروژه HYBRIT هم از این حمایت مستثنا نیست و ۱۴۳ میلیون یورو از صندوق نوآوری اتحادیه اروپا دریافت کرده است.
تقاضای اولیه برای هیدروژن در سالهای قبل عمدتا جهت پالایش نفت، تولید آمونیاک و … بوده است چراکه از هیدروژن جهت تولید فرآوردههای سبک نفتی مثلا از مازوت (کراکینگ) استفاده میشود. هزینه هیدروژن تولید شده در ایالات متحده، با استفاده از نیروی باد و خورشید یکپارچه، 4.19 دلار در کیلوگرم محاسبه شده است. هدفگذاریهایی برای کاهش هزینه تولید هیدروژن انجام شده و پیشبینی میشود هزینه تولید انبوه آن تا سال 2030 کمتر از یک دلار در کیلوگرم شود.
فولاد سبز در ایران
تولید فولاد سبز در ایران تحول بزرگی است و میتواند تاثیر مثبتی در بازارهای داخلی و خارجی داشته باشد. هیدروژن سبز به دلیل قیمت تمام شده پایینتر، باعث افزایش بهرهوری و تولید فولاد میشود. ایران با وجود صنایع فولادی بزرگ و آلایندگیهای ناشی از این صنایع، باید درصدد به کارگیری راهکارهایی برای کاهش این آلودگیهای زیست محیطی برآید. بدون تردید، تولیدات با کیفیت به غیر از کمک به رفع مشکلات زیست محیطی، خریداران جهانی بیشتری هم خواهد داشت. این درحالی است که تجهیزات و دستگاههای قدیمی صنایع فولادی ایران، باعث تولیداتی میشود که با انتشار گازهای گلخانهای بیشتری همراه است.
امروزه نگرشهای مصرف کنندگان در حال تغییر است و افراد بیشتری از جایگزین های پایدار حمایت میکنند؛ به ویژه زمانی که نگرانیهای شدید در مورد تغییرات آب و هوایی در اولویت باشد. این میتواند یکی از محرکهای بازار فولاد برای سرمایه گذاری و تأمین فولاد سبز باشد ضمن اینکه در سطح جهانی به سویی حرکت میکنیم که به غیر از کیفیت و قیمت محصولات فولادی، روی خرید محصولات سبزتر سرمایهگذاری میکنند.
اینکه در ایران توقع تولید گسترده فولاد سبز را داشته باشیم کمی دور از تصور است چراکه کشورهای پیشرفته هم در حال حاضر در مسیری طولانی در رسیدن به هدف کربن صفر هستند اما آنچه اهمیت دارد آن است که بسیاری از این کشورها اقدامات خود را در این مسیر شروع کردهاند. در ایران به عنوان یکی از تولیدکنندگان فولاد و وجود گازهای گلخانهای فراوان ناشی از فولاد اقداماتی توسط برخی از مراکز مانند فولاد مبارکه در جهت تولید فولاد سبز انجام گرفته است اما هنوز در مراحل اولیه است و به تولید فولاد در سطح گسترده و پایدار نرسیده است.
یکی از راهکارهای مناسب در این زمینه ایجاد واحدهای پایلوت جوار کارگاهی به سرپرستی دانشگاهها، مراکز تحقیقاتی و شرکتهای دانشبنیان و با حمایت و پشتیبانی مالی و فنی شرکتهای فولادسازی است. از جمله مباحث کلان و اساسی در زمینه تولید فولاد سبز میتوان به احیاء مستقیم آهن با هیدروژن کاهش هزینه تولید هیدروژن سبز، الکترولیز سنگ آهن و روشهای نوین جذب، ذخیره سازی و استفاده از CO۲ اشاره نمود که میبایست در قالب پروژههای تحقیقاتی عملیاتی در واحدهای پایلوت جوار کارگاهی تعریف، اجرا و بررسی شوند.
کمک مراکز علمی کشور در زمینه اقتصادی نمودن و کاهش هزینه تولید هیدروژن سبز و رفع مشکلات عملیاتی فرایند استفاده از هیدروژن به جای گاز طبیعی و نیز کاهش هزینه تولید برق با استفاده از انرژیهای تجدیدپذیر میتواند بسیار گرهگشا باشد. بدون شک تعامل و همکاری سازنده صنعت و دانشگاه در این زمینه میتواند منجر به خلق فناوری در مقیاس آزمایشگاهی و نیمه صنعتی و درنهایت پیادهسازی آن در مقیاس صنعتی شود.