بزرگترین خروجی صنعت فولاد امروز، فولاد نیست بلکه کربن است

قسمت اول

ترجمه: محمدحسین نشاطی

تولید آهن‌ و فولاد عامل حدود ۹ درصد از انتشار CO_۲ در جهان است. تغییر قاطع از احیاکننده‌های بر پایه کربن به جایگزین‌هایی هم‌چون هیدروژن تقریبا اجتناب‌ناپذیر است اما باید طی مراحلی انجام شود.

گروه رسانه‌ای پردازش – تقریباً ۱/۸ تن CO_۲ به ازای هر تن فولاد مذاب تولیدشده توسط مسیر هنوز غالب کوره بلند/کوره بازی اکسیژنی (BF/BOF) در اتمسفر آزاد می‌شود، عددی بر اساس محاسبات فرض شده ازBF  متوسط مدرن در حال کار در کشورهای اروپائی عضوOECD. هرچند، کارخانه‌های زیادی در سراسر جهان وجود دارند که دو تن یا بیشتر به ازای هر تن فولاد CO_۲ منتشر می‌کنند.

     این حقایق به سختی خبر خوبی برای تصمیم‌گیرندگان در صنعت هستند. اما آنها صرفا در حال شروع کار با دولت‌هاییدر سرتاسر جهان هستند که خود اکنون مشغول بررسی گزینه‌هایی برای دستیابی به کاهش گسترده انتشار گازهای گلخانه‌ای (GHG) الزام‌آور شده از پیمان آب‌وهوایی پاریس می‌باشند.

     از آنجا که برخی از این دولت‌ها برای رسیدن به هدف بلندپروازانه‌تر انتشار کربن صفر خالص تا سال ۲۰۵۰ تلاش می‌کنند، بررسی‌ها به ناچار افزایش می‌یابد و فشار بر تولیدکنندگان فولاد برای کاهش انتشار گازهایگلخانه‌ای به روش‌های شدیدی منجر می‌شود. طرح‌های تجارت آلاینده‌ها دارند به اجرا گذاشته می‌شوند و دامنه آنها گسترده‌تر می‌شود،مالیات‌های کربن در حال ظهورند ومصرف‌کنندگان بالاخرهنگرانی خود نسبت به ردپای کربن محصولات فولادی را نشان خواهند داد.

     تولیدکنندگان در برخی از نقاط جهان از قبل در حال لمس فشار دردناک قیمت کربن هستند. یک مثال بارز، رشد قیمت‌ها برای مقرری انتشار CO_۲ در اروپا می‌باشد، همانطورکه در شکل (۱) نشان داده شده است. در اواسط سال ۲۰۲۱، قیمت‌ها با نزدیک شدن به هشت تا ده برابر افزایش به اوج خود در یک دوره چهار ساله رسید. و آنها نزدیک به رکورد بالا باقی می‌مانند، زیرا طرح تجارت آلاینده‌های اتحادیه اروپا در سال ۲۰۲۱ وارد مرحله بعدی خود شد، که از این زمان اقدامات متعددی آغاز شده که به تدریج عرضه مقرری‌ها را بسته‌تر خواهد کرد.

     با پیش‌بینی چنین اقدامات نظارتی و فشارهای بازار، تولیدکنندگان فولاد در سراسر جهان در حال رقابت برای بکارگیری تکنولوژی‌های جدید با هدف کاهش شدت کربن در تولید آهن و فولاد هستند. صرفاً تغییر تولید آهن از کوره‌های بلند بر پایه زغال‌سنگ و کک به کارخانه‌های احیای مستقیم بر پایه گاز طبیعی کافی نخواهد بود. این صنعت نیاز به توسعه منابع دیگر انرژی بدون ردپای مستقیم کربن، از قبیل هیدروژن بر اساس انرژی‌های تجدیدپذیر در مقیاس تجاری و به روشی امکان‌پذیر از نظر اقتصادی دارد.

مقایسه مسیرهای تولید
     چنانکه شکل (۲) نشان می‌دهد، مسیر احیای مستقیم کوره قوس الکتریکی (DR-EAF)، با استفاده از گاز طبیعی در فرآیند DR، شدت کربن برای فولاد مذاب را در مقایسه با مسیر معمول BF/BOF بیش از ۵۰ درصد کاهش می‌دهد. با استفاده از هیدروژن “سبز” به جای گاز طبیعی، انتشار گازهای گلخانه‌ای را می‌توان ۹۰-۸۵ درصد کاهش داد.

     بیشتر انتشار GHG در این مسیر در واقع به تولید برق برای فرآیند EAF نسبت داده می‌شود. محاسبات برای شکل (۲) بر اساسضریب انتشار CO_۲  شبکه ۰/۲۲۶ کیلوگرم CO_۲ به ازای هر kWh می‌باشد، که مقدار میانگین برای EU-27 (27 کشور عضو اتحادیه اروپا) از سال ۲۰۱۹ است. با اعمال ضریب انتشار CO_۲  شبکه در سوئد (درحال‌حاضر ۰/۰۲۳ کیلوگرم CO_۲ به ازای هر kWh) انتشار گازهای گلخانه‌ای را صرفا به ۱۸۱ کیلوگرم CO_۲ به ازای هر تن کاهش می‌دهد، تقلیل شدید ۹۰ درصد در مقایسه با مسیر BF/BOF. از آنجا به بعد، تمام چیزی که مانع تولید آهن با انتشار کربن صفر واقعی می‌شود، تامین انرژی بدون سوخت فسیلی برای برق، حرارت و حمل‌ونقل خواهد بود.

تولید هیدروژن در مقیاس بزرگ

     نیازی به گفتن نیست، ایجاد یک منبع تامین هیدروژن که بتواند تولید آهن و فولاد را واقعاً عاری از انتشار کربن کند، یک چالش بزرگ خواهد بود. یکی از موانع اصلی، کل حجم هیدروژن مورد نیاز برای حمایت از افزایش مقیاس عظیم مصرف در صنعت است. مقداری که مصرف خواهد شد فوق‌العاده زیاد خواهد بود.

     تبدیل یک مجتمع فولاد یکپارچه معمول با تولید ۵ میلیون تن در سال از زغال‌سنگ و کک به هیدروژن به تامین حداقل Nm³ ۴۸۰۰۰۰ (معادل ۴۴ تن) هیدروژن در ساعت نیاز دارد. برای درک این موضوع، اکنون بزرگترین الکترولیزکننده غشای تبادل پروتون (PEM) در حال کار صرفا حدود Nm³ ۳۰۰۰ (یعنی ۰/۲۵ تن) هیدروژن در ساعت تولید می‌کند.

     نه تنها مقادیر زیادی هیدروژن اضافی برای تامین صنعت فولاد مورد نیاز است، بلکه باید هیدروژن مورد نیاز فرآیندهای جایگزین نیز تولید شود. درحال‌حاضر، حدود ۹۵ درصد هیدروژن “خاکستری” است، به این معنی که با استخراج گاز از سوخت‌های فسیلی تولید می‌شود. امکان استفاده از تکنولوژی جذب، مصرف و ذخیره کربن (CCUS) برای جلوگیری از انتشار گازهای گلخانه‌ای در اتمسفر، که به هیدروژن “آبی” منتج می‌شود، وجود دارد.

     اما این تنها زمانی از نظر اقتصادی منطقی است که حجم بالایی از CO_۲ در یک محل قابل جمع‌آوری باشد. و این کار فقطدر مناطق امن از لحاظ زمین‌شناسی برای ذخیره کردن کربن جذب شده، مانند زیر دریا یا اعماق زیر زمین امکان‌پذیر است.