تولید سبز- فولاد یکی از ارکان اصلی رشد و توسعه در جامعه امروزی است و به عنوان یکی از مهمترین مصالح مهندسی و ساختمانی در بسیاری از جنبه های زندگی ما حضور دارد. با این حال این صنعت در حال حاضر نیاز به مقابله با فشارهای فزاینذده برای کاهش ردپای کربن خود از هر دو دیدگاه زیست محیطی و اقتصادی دارد. در حال حاضر صنعت فولاد یکی از سه تولید کننده بزرگ دی اکسید کربن است. بنابراین کارخانه های فولاد نامزد درجه یک در صف کربن زدایی هستند. در حالی که صنعت باید خود را با این شرایط جدید تطبیق دهد، می تواند از این انطباق به عنوان فرصتی برای ادامه فعالیت در دراز مدت استفاده کند.
1- در سال 2015، زمانی که 190 کشور توافقنامه پاریس را پذیرفتند، واکنش جهانی به تهدید تغییرات آب و هوایی گامی رو به جلو برداشت. در سال 2019، سازمان ملل متحد اعلام کرد که بیش از 60 کشور - از جمله بریتانیا و اتحادیه اروپا (به استثنای لهستان) - تا سال 2050 به کربن صفرمتعهد شده اند، اگرچه سه انتشار دهنده اصلی کربن چین، هند و ایالات متحده هستند که در فهرست قرار نگرفتند. بعلاوه، برخی از کشورها نیز متعهد شدند که تولید کربن را به سطح پایین سالهای گذشته برسانند. این توافق ها با هم منجر به فشار فزاینده برای پیگیری کربن زدایی در تمام بخش های صنعتی شده است.
2- در حال حاضر و به طور متوسط برای تولید هر تن فولاد 1.85 تن دی اکسید کربن منتشر می شود که معادل حدود 8 درصد از انتشار دی اکسید کربن جهانی است. در نتیجه، فعالان بخش فولاد در سراسر جهان، و به ویژه در اروپا، به طور فزاینده ای با چالش کربن زدایی مواجه هستند. این چالش ناشی از سه تحول کلیدی است که فراتر از توافقنامه پاریس است:
اول-تغییر نیازهای مشتری و تقاضای فزاینده برای محصولات فولادی سازگار با محیط زیست. روندی که قبلاً در صنایع مختلف آغاز شده است، از جمله درصنعت خودروسازی که در آن سازندگانی مانند فولکس واگن یا تویوتا اهداف بلندپروازانه ای چون حذف انتشار کربن از کل زنجیره ارزش (از جمله تامین کنندگان آنها) و در نظر گرفتن چشم‌انداز چرخه عمر کامل در محصولات تولیدی خود را دارند.
دوم- تشدید هر چه بیشتر مقررات مربوط به انتشار کربن. این امر در اهداف کاهش دی اکسید کربن و همچنین افزایش قیمت انتشار دی اکسید کربن، همانگونه که در قرارداد اروپای سبز مشخص شده است آشکار می شود.
سوم- رشد سرمایه گذاران و علاقه عمومی به پایداری زیستی. به عنوان مثال، گروه سرمایه گذاران نهادی تغییرات آب و هوایی، یک شبکه جهانی با بیش از 250 سرمایه گذار و بیش از 30 تریلیون دلار دارایی تحت مدیریت است، انتظارات ازصنعت فولاد را برای محافظت از خود در برابر تغییرات آب و هوایی افزایش داده است. همزمان، شرکت های سرمایه گذاری جهانی تعهد خود را نسبت به توسعه کسب و کار مسئولانه محیطی و سرمایه گذاری پایدار مورد تأیید قرار داده است.
3- بر اساس برخی مطالعات اخیر تخمین زده می شود که صنعت فولاد جهانی ممکن است تا 14 درصد از ارزش بالقوه شرکت‌های فولادی را در صورتی که نتوانند تأثیرات زیست‌محیطی خود را کاهش دهند، از دست بدهند؛ در نتیجه، کربن زدایی باید اولویت اصلی برای رقابتی ماندن از نظر اقتصادی و حفظ مجوز فعالیت صنعت باشد. علاوه بر این، چرخه های طولانی و فرصت کمی را برای رسیدگی به چالش کربن زدایی عرضه می کند. اقدامات کربن زدایی مانند ایجاد یا تغییر شیوه تولید فولاد مبتنی بر هیدروژن (H2) را می توان در سایت های آینده یا تأسیسات موجود به مورداجرا درآورد.
4- فرصت اخیر مستلزم بازسازی تجهیزات موجود یا بازسازی کامل تأسیسات به منظور اجرای فرآیند تولید کربن زدایی است. مراحل بهینه برای کربن زدایی متفاوت و بسته به مواردی مانند امکان سنجی فنی، زیرساخت های موجود، تقاضاهای بازار، هزینه های عملیاتی (به عنوان مثال، قیمت برق تجدیدپذیر، قیمت قراضه) و محیط نظارتی است.
به هر ترتیب درآینده تولیدکنندگان فولاد نیاز به ارزیابی، ارزیابی و تصمیم گیری در مورد روشی از نظر فناوری و اقتصادی برای کاهش ردپای کربن خود دارند.
5- فولاد را می توان از طریق دو فرآیند اصلی تولید کرد: یا با استفاده از کوره بلند یکپارچه (BF) / وکوره اکسیژن پایه (BOF) یا کوره قوس الکتریکی. (EAF) در حالی که بازیگران این صنعت فولاد را از سنگ آهن تولید می کنند و به زغال سنگ به عنوان احیا کننده نیاز دارند، تولیدکنندگان EAF از ضایعات فولاد یا آهن (DRI) به عنوان ماده خام اصلی خود استفاده می کنند. از آنجایی که روش تولید غالب در اروپا، فرآیند BF/BOF متعارف و وابسته به زغال سنگ است، نیاز به ارزیابی فناوری‌های نوآورانه جایگزین برای کاهش انتشار دی اکسید کربن زیاد است. در واقع، تقریباً تمام تولیدکنندگان فولاد اروپایی در حال حاضر در حال توسعه استراتژی های کربن زدایی و راه اندازی کارخانه های آزمایشی برای ارزیابی فناوری های مختلف تولید هستند . این شامل: برنامه های بهره وری BF/BOF می شود. چنین برنامه‌هایی کارایی را بهبود می‌بخشند و یا ضایعات تولید را به روش‌های مختلف کاهش می‌دهند، به عنوان مثال: بهینه‌سازی ترکیب بار BF با به حداکثر رساندن محتوای آهن در مواد خام برای کاهش استفاده از زغال‌سنگ به عنوان یک کاهش‌دهندهو یا افزایش استفاده از تزریق سوخت از طریق تزریق زغال سنگ پودر شده (PCI)، گاز طبیعی، پلاستیک، زیست توده یا هیدروژن (به عنوان یک معرف اضافی در بالا) و یا استفاده از گاز کوره کک در BF به عنوان منبع انرژی، اینها برخی از گزینه ها هستند که ممکن است پتانسیل کاهش انتشار دی اکسید کربن را البته بدون حذف آن داشته باشند، اما همچنان تولید فولاد را بدون حذف کامل کربن ارائه نمی دهند.
در برخی موارد احیا کننده های زیست توده نیز در فرآیند کاهش گاز دی اکسید کربن موردتوجه قرار گرفته اند مانند شکر پخته شده از نیشکر یا اکالیپتوس پیرولیز شده به عنوان احیاکننده یا سوخت جایگزین استفاده می شود. به این ترتیب، در مناطقی که منبع زیست توده به میزان کافی در دسترس هست، مانند آمریکای جنوبی یا روسیه، می تواند در تولید فولاد سبز موثر باشد. این موارد در مناطق با جمعیت بالا و یا بارندگی کم موثر به نظر نمی رسد.
6- مورد دیگر جذب و استفاده از کربن تولید شده برای تولید فولاد است برای ایجاد محصولات جدید از جمله در صنایع شیمیایی مانند تولید آمونیاک یا بیواتانول. در حال حاضر، جذب کربن و استفاده از آن از نظر فناوری زودرس است و هنوز از نظر اقتصادی کارایی آن ثابت نشده است.
همچنین افزایش سهم EAF های مبتنی بر قراضه نیز می تواند مورد توجه قرار گیرد. این فرآیند جریان های ثانویه و بازیافت را با ذوب ضایعات بیشتر در EAF به حداکثر می رساند. تولیدکنندگان EAF سازگارتر با محیط زیست هستند و در برابر فراز و نشیب های تقاضا انعطاف پذیرتر بهنظر می رسند. با این حال، تغییر تولید فولاد مبتنی بر EAF مستلزم عرضه برق تجدیدپذیر در آینده به صورت تجاری و همچنین عرضه کافی ضایعات فولادی با کیفیت بالا است. ضایعات مرغوب برای تولید محصولات باکیفیت ضروری است که امروزه عمدتاً از طریق مسیر یکپارچه تولید می شود. اگر قراضه با کیفیت بالا در دسترس نباشد، ضایعات با کیفیت پایین را می توان با DRI مخلوط کرد تا از ورودی EAF با کیفیت بالا اطمینان حاصل شود.
7- افزایش سهم تولید فولاد مبتنی بر EAF نقش کلیدی در کربن زدایی صنعت فولاد خواهد داشت با این حال، این نقش به در دسترس بودن قراضه با کیفیت بالا بستگی دارد، بنابراین در مناطقی با عرضه ناکافی ضایعات با کیفیت بالا محدود می شود از این رو استفاده از فناوری های دیگر را ضروری می سازد. باید در نظر داشت که افزایش تقاضا برای قراضه با کیفیت بالا منجر به هزینه اضافی برای تولید فولاد مبتنی بر EAF خواهد شد.
8-انجام بهینه سازیRI وEAF نیز روشی دیگر برای کاهش تولید کربن محسوب می شود.این شیوه نیاز به افزایش استفاده از DRI در ترکیب با EAF دارد. کاهش مبتنی بر DRI نسبت به روش یکپارچه دی اکسید کربن کمتری منتشر می کند و تولید محصولات با کیفیت بالا را در EAF امکان پذیر می کند. محصولات با کیفیت بالا به بالاترین کیفیت ضایعات فولادی نیاز دارند. اگر قراضه محدود باشد، استفاده از DRI برای تضمین کیفیت های خاص ضروری است. تولید DRI به گاز طبیعی ارزان و در دسترس نیاز دارد. بنابراین، مناطق با قیمت گاز طبیعی پایین - خاورمیانه یا آمریکای شمالی - تولیدکنندگان بزرگ DRI هستند در حالی که این فرآیند در اروپا کمتر رایج است.
DRI و EAF با استفاده از هیدروژن نیز مورد توجه تولید کنندگان قراردارد. در این روش از DRI مبتنی بر هیدروژن سبز و قراضه در ترکیب با EAF استفاده می شود. این فرآیند سوخت های فسیلی را در مرحله تولید DRI با هیدروژن تولید شده با انرژی های تجدیدپذیر جایگزین می کند. این یک روش تولید اثبات شده فنی است که تولید فولاد تقریباً بدون انتشار را امکان پذیر می کند. همه بازیگران اصلی فولاد اروپا در حال حاضر در حال ساخت یا آزمایش فرآیندهای تولید فولاد مبتنی بر هیدروژن هستند، این آزمایش ها یا با استفاده از هیدروژن به عنوان جایگزین PCI یا با استفاده از احیای مستقیم مبتنی بر هیدروژن انجام می پذیرد. در این مرحله، توجه به این نکته مهم است که تولید فولاد مبتنی بر EAF به یک منبع DRI مبتنی بر هیدروژن کاملاً سبز نیاز دارد تا بتواند نیازهای فعلی مشتری را برآورده کرده و به معادله کربن صفردست یابد.
از آنجایی که برنامه های بهره وری BF/BOF تنها منجر به کاهش انتشار دی اکسید کربن می شود، بدون حذف کامل آنها، نمی توانند راه حل بلندمدتی در نظزر گرفته شوند. احیاکننده های زیست توده و استفاده از کربن فقط در مناطق خاصی امکان پذیر است یا هنوز در مراحل اولیه توسعه است از این منظر سهم EAF هایی که فولاد با کیفیت بالا تولید می کنند افزایش خواهد یافت، اما نیاز به در دسترس بودن قراضه و DRI وجود دارد. از این رو، اتخاذ رویکردی با ترکیب قراضه، DRI، و EAF با استفاده از هیدروژن در حال حاضر به عنوان مناسب ترین گزینه و راه حل بلندمدت برای دستیابی به تولید فولاد بدون کربن، به ویژه در اروپا در نظر گرفته می شود.
منبع: https://www.mckinsey.com/industries/metals-and-mining -for-steel
نویسندگان: کریستین هافمن، میشل ون هوی و بندیکت زئومر
ترجمه: تولید سبز
