بزرگترین خروجی صنعت فولاد امروز کربن است – قسمت دوم

گروه رسانه‌ای پردازش- آژانس بین‌المللی انرژی (IEA) در گزارش اخیر خود خاطرنشان کرده است: “سال گذشته دوره‌ای از شتاب بی‌سابقه هیدروژن مشخص شد، که عمق جدیدی از شور و شوق سیاسی را با گستره‌ای از امکانات جدید در سراسر جهان ترکیب می‌کند.”

الکترولیز هیدروژنی با انرژی “سبز”

تا امروز، بیشتر هیدروژن برای مصارف صنعتی توسط ریفورمرهای متان بخار (SMR) تولید می‌شود. از آنجا که گاز طبیعی تغذیه کننده این ریفورمرها (متان- CH_۴) حاوی کربن است، هیدروژن “خاکستری” حاصل باعث انتشار مقدار قابل‌توجهی CO_۲ می‌شود. برای کربن‌زدایی کامل فرآیند، هیدروژن برای تولید آهن باید با الکترولیز آب و با استفاده از انرژی بدون سوخت فسیلی تولید شود.

     از سال ۲۰۰۰، بیش از ۲۳۰ پروژه هیدروژن-الکترولیز (هر دو بر اساس منابع انرژی تجدیدپذیر و همچنین منابع متعارف) در سراسر جهان به بهره‌برداری رسیده‌اند. اکثر آنها مانند پروژه H2Future در اروپا مستقر هستند. اما چندین مورد نیز در استرالیا، چین و قاره آمریکا آغاز یا اعلام شده است. تقریباً همه آنها در مقیاس کمتر از MW 10 بوده‌اند، اما یک نیروگاه MW 20 درحال‌حاضر در کانادا فعال است و اخیراً چندین پیشنهاد برای نیروگاه‌های بیش از MW 100 ارائه شده است.

سه فرآیند اصلی الکترولیز وجود دارد که همه آنها این موارد را ممکن می‌سازند: الکترولیز قلیایی، غشای تبادل پروتون (PEM) و الکترولیز بخار با دمای بالا. پیشرفته‌ترین تکنولوژی در این نقطه و یکی از جدیدترین پروژه‌های تولید هیدروژن، غشای تبادل پروتون یا PEM است (شکل۳). در این روشالکترودهایی به دو طرف یک غشای پلیمری جامد که به عنوان الکترولیتو به عنوان جداکننده عمل می‌کند تا از مخلوط شدن گازهای تولیدشده جلوگیری کند متصل می‌شوند.

یون‌های هیدروژن در آند تشکیل می‌شوند، از غشا عبور می‌کنند و با الکترون‌ها از کاتد برای تشکیل گاز هیدروژن ترکیب می‌شوند. الکترولایزر نوع PEM چند مزیت دارد: بسیار کارآمد است،دارای چگالی توان بالا است، و دارای محدوده عملیاتی دینامیکی گسترده است که به آن امکان می‌دهد مستقیماً به منابع تجدیدپذیر متصل شود زیرا می‌تواند به سرعت به تغییرات در منبع برق واکنش نشان دهد.

مدول‌ها در محدوده ۳ تا MW 100 قابل دسترس هستند و تا Nm³ ۲۰۰۰۰ (یا تقریباً ۲ تن) هیدروژن در ساعت تولید می‌کنند.

استفاده از هیدروژن در روش‌های اثبات شده تجاری احیامستقیم

هیدروژن (H_۲) از قبل بخشی ازمخلوط گازهای احیاکننده در فرآیندهای اصلی احیامستقیم بوده است، البته در کنار مونوکسید کربن (CO). این انعطاف‌پذیری فرآیندهای احیای مستقیم، راهی جاذبه‌دار برای صاحبان کارخانه فراهم می‌کند تا به تدریج به هیدروژن روی آورند و با کاهش قیمت‌ و افزایش عرضه هیدروژن، نسبت هیدروژن را در طول زمان بالا ببرند. هم‌چنین بر مقدار سرمایه‌گذاری جدید در کارخانه‌های احیای مستقیم تاکید می‌کند: در آینده مقررات انتشار گازهای گلخانه‌ای یا قیمت مواد خام هرچه که باشد، تکنولوژی احیای مستقیم حداکثر سازگاری را امکان‌پذیر می‌سازد.

هیدروژن و فرآیند میدرکس

کارخانه‌های احیای مستقیم میدرکس تقریبا ۶۰ درصد DRI جهان را تولید می‌کنند و بیش از ۳۰ سال است که توسط پرایمتالز تکنولوجیز در دسترس هستند. گاز احیائی عمدتاً مخلوطی از H_۲ و CO – از گاز طبیعی در یک ریفورمر ویژه CO_۲ تولید می‌شود. بدون هیچ تغییری در تجهیزات، این فرآیند امکان می‌دهد تا ۳۰ درصد از گاز طبیعی با هیدروژن جایگزین شود (شکل۴).

برای مثال، Nm³/h 60000 هیدروژن می‌تواند جایگزین Nm³/h20000 گاز طبیعی شود. با حداقل تغییرات در کارخانه، این نسبت می‌تواند به ۱۰۰ درصد برسد، حد آن توسط محتوای کربن مورد نیاز در محصول نهایی تعیین می‌شود. این فرآیند می‌تواند به راحتی با نوسانات نسبت افزودن هیدروژن همساز شود و به کارخانه امکان می‌دهد تا به تغییرات تامین هیدروژن که در هنگام تامین گاز حاصل از الکترولیز آب با انرژی‌های تجدیدپذیر مانند باد یا خورشید قابل انتظار است واکنش نشان دهد.

فرآیند میدرکس با ۱۰۰ درصد هیدروژن

اگر قرار است از هیدروژن به عنوان تنها احیاکننده استفاده شود (نوع میدرکس هیدروژنی)، ریفورمر گاز طبیعی را می‌توان با یک گرمکن گاز احیایی جایگزین کرد (شکل۵).هیدروژن در حین احیا به H_۲O تبدیل می‌شود و در اسکرابر گاز خروجی تقطیر می‌گردد. از آنجا که هیچ منبع CO در حلقه فرآیند وجود ندارد، نیازی به سیستم حذف CO_۲ نیست. این فرآیند تقریبا ً Nm³ ۶۵۰ هیدروژن به ازای هر تن DRI برای احیا مصرف می‌کند. علاوه بر این، به حدود Nm³ ۲۵۰ هیدروژن به ازای هر تن DRI برای حرارت نیاز دارد که می‌تواند با سایر منابع انرژی (برای مثال، انرژی برق) نیز سازگار شود. البته در صورت نیاز به بهره‌برداری انعطاف‌پذیر با هیدروژن (۰ تا ۱۰۰ درصد هیدروژن) و گاز طبیعی از ابتدا، می‌توان کارخانه را به گونه‌ای طراحی کرد که این نیاز را نیز برآورده کند.

نتیجه – انقلاب هیدروژنی “سبز”

برای اینکه یک تغییردهنده واقعی بازی بود، هیدروژن مصرفی در فرآیند تولید آهن‌ باید هیدروژن سبز تولید شده توسط الکترولیز آب و فقط با استفاده از انرژی بدون سوخت فسیلی باشد. تا به امروز، تولید هیدروژن از این طریق برای رقابتی بودن بیش از حد گران بوده است.اما این وضعیت در حال تغییر است،زیرا رونق منابع انرژی تجدیدپذیرمانند انرژی باد و خورشیدی، قیمت جهانی برق تولیدی آنها را کاهش می‌دهد و تکنولوژی جذب، مصرف و ذخیره‌سازی کربن (CCUS)، راهی برای ذخیره انرژی در زمان تولید مازاد برق، یعنی زمانی که باد می‌وزد یا تابش خورشید در زمان‌های کم تقاضا، ارائه می‌کند. ایجاد یک چارچوب سیاستی و انگیزه مالی برای بکارگیری هیدروژن بخش اساسی این تغییربه سمت آینده‌ای پایدارتر است آینده‌ای که به رهبران صنعت اعتماد به نفس سرمایه‌گذاری در پروژه‌های بلندمدت هیدروژن را می‌دهد.

     استفاده از هیدروژن برای کاهش انتشار کربن در تولید آهن و سایر فرآیندهای صنعتی ایده قدرتمندی است، اما در واقع ایده جدیدی نیست. رهبران صنعتی که اکنون در آستانه بازنشستگی هستند ممکن است آن را به وضوح از دوران دانشجویی خود به یادآورند. موارد اوج علاقه در دهه ۱۹۷۰ در خلال شوک‌های قیمت نفت، در دهه ۱۹۹۰ با نگرانی‌های اولیه در مورد تغییرات آب و هوا و در اوایل دهه ۲۰۰۰ در این مورد وجود داشت. هیچ یک از این تحولات به یک لحظه خط‌‌شکنی برای هیدروژن منتج نشد. اما، در این دوران ممکن است وضع متفاوت باشد.