رقابت جهانی برای تولید فولاد سبز

در شهر ووبرن ماساچوست، ناحیه‌ای حومه‌ای واقع در شمال بوستون، کادری از مهندسان و دانشمندان با روپوش‌های سفید روی میز داخل فضایی آزمایشگاهی و با استفاده از نور نئون در حال بررسی و واکاوی دسته‌ای منظم از شمش‌های فولادی خاکستری به‌اندازه‌ی قطعه‌های آجر ساختمانی متداول بودند. سوژه‌ی مدنظر آن‌ها فولاد بود؛ اما فولادی که درمقایسه‌با فولادهای متداول یک تفاوت خاص داشت.

فولاد بررسی‌شده‌ی دانشمندان در ووبرن با استفاده از روشی نوآورانه ساخته شده بود؛ روشی که بوستون متال، شرکت جداشده از مرکز MIT، در‌حدود ده سال پیش ابداع کرده و پایه‌گذاران آن امیدوار‌‌‌ند که تکنیکشان بتواند شیوه‌ی ساخت آلیاژ را به‌طرز چشمگیری برای قرن‌های تغییر دهد.

دست‌اندرکاران این شرکت مدعی هستند که با استفاده از الکتریسیته برای جداسازی آهن از سنگ معدن، امکان ساخت فولاد بدون انتشار دی‌اکسید‌کربن را پیدا می‌کنند. اگر چنین تکنیکی واقعاً کارآمد باشد، باید از آن به‌عنوان راهی برای پاک‌سازی یکی از بدترین صنایع درزمینه‌ی انتشار گازهای گلخانه‌ای یاد کنیم.

فولاد که به‌عنوان نهاده‌ای ضروری برای مهندسی و ساخت‌و‌ساز در سراسر جهان برشمرده می‌شود، یکی از مواد صنعتی محبوب‌ در جهان معاصر است. بد نیست اشاره کنیم که سالانه بیش از ۲ میلیارد تن فولاد در گوشه‌وکنار دنیا تولید می‌شود. بااین‌حال، چنین حجم فراوانی از تولید فولاد بهای گزافی برای محیط‌زیست در پی داشته است. صنعت ساخت فولاد مسئول حدود ۷ تا ۱۱ درصد از انتشار گازهای گلخانه‌ای در جهان است و همین میزان از انتشار گازهای آلاینده صنعت فولاد را به یکی از منابع صنعتی بزرگ‌ آلودگی جوّ زمین تبدیل می‌کند.

ازآن‌‌جاکه ممکن است تا سال ۲۰۵۰ تولید فولاد در دنیا درمقایسه‌با میزان فعلی حدود ۳۰ درصد نیز بیشتر شود، می‌توان برآورد کرد که این بار زیست‌محیطی در دهه‌های آتی بیشتر هم و درنتیجه، سهم صنایع فولاد از درصد انتشار گازهای گلخانه‌ای در جوّ زمین بیشتر از مقدار کنونی خواهد شد.

مسئله‌ی مذکور مسئله‌ای مهم برای مقابله با بحران آب‌و‌هوا خواهد بود. بنابر اعلام سازمان ملل، کاهش چشمگیر انتشار کربن صنعتی برای حفظ گرمایش جهانی کمتر از سطح ۱/۵ درجه‌ی سانتی‌گراد تعیین‌شده در توافق‌نامه آب‌وهوای پاریس در سال ۲۰۱۵ ضروری است. براساس برآوردهای آژانس بین‌المللی انرژی، برای محقق‌کردن چنین هدفی، انتشار گازهای گلخانه‌ای ازطریق فولاد و سایر صنایع سنگین تا سال ۲۰۵۰ درمقایسه‌با مقادیر کنونی باید به‌میزان ۹۳ درصد کاهش یابد.

در میان بحبوحه‌ها و کشمکش‌های مختلف میان اهالی سیاست و فعالان بخش صنایع و فعالان زیست‌محیطی و فشارهای فزاینده‌ی دولت‌ها و سرمایه‌گذارها برای کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای، تعدادی از فولادسازان ازجمله برخی از تولیدکنندگان بزرگ و تعدادی از استارتاپ‌ها در حال انجام آزمایش‌هایی روی فناوری‌های کم‌کربن در صنعت خودشان هستند؛ فناوری‌هایی که به‌جای تولید سنتی متکی‌بر کربن فشرده، برای تولید فولاد از هیدروژن یا برق استفاده می‌کنند.

به‌نظر می‌رسد که اکنون برخی از این تلاش‌ها در حال نزدیک‌تر‌شدن به سطح تولید تجاری و کاربری در مقیاس انبوه هستند. کریس باتای، اقتصاددان انرژی در IDDRI اندیشکده‌ی تحقیقاتی مستقر در پاریس می‌گوید:

آنچه درباره‌اش صحبت می‌کنیم، صنعتی سرمایه‌بر و ریسک‌گریز است؛ صنعتی که رخ‌دادن شکست یا اختلال در آن بسیار نادر است. بنابراین، وقوع شمار زیادی از اتفاقات در یک زمان بسیار هیجان‌انگیز است.

بااین‌حال، کارشناسان توافق دارند که ایجاد تغییرات در چنین مقیاسی در صنعتی جهانی که در سال ۲۰۱۷ بیش از ۲/۵ تریلیون دلار درآمد و بیش از ۶ میلیون نفر نیروی کار در استخدام خود دارد، تلاش فراوانی می‌طلبد. فراتر از موانع عملی موجود در مسیر به‌نتیجه‌رسیدن به‌موقع فرایندهای جدید برای حصول اهداف جهانی آب‌و‌هوایی، نگرانی‌هایی درباره‌ی چین وجود دارد. چین جایی است که بیش از نیمی از فولاد جهان در آن ساخته می‌شود و برنامه‌هایشان برای کربن‌زدایی بخش فولاد مبهم است. باتای می‌گوید:

مطمئناً راه‌حل ساده‌ای برای کربن‌زدایی صنعتی مانند این در کار نیست؛ اما چاره‌ای نیست. آینده‌ی این بخش و آب‌وهوای ما به همین مسائل بستگی دارد.

فولادسازی مدرن شامل چندین مرحله‌ی تولید است. معمولاً سنگ آهن خُرد و به سینتر یا توده‌های درهم‌جوشیده‌ی فلز (جامد خشن) تبدیل می‌شود. به‌طور جداگانه و در فرایندهایی دیگر، زغال‌سنگ پخته‌ و به کک یا زغال‌سنگ سوخته تبدیل می‌شود. سپس، سنگ معدن و کک با سنگ آهک مخلوط و به کوره‌ی بلند و بزرگی وارد می‌شوند که در آن جریان هوای بسیار داغ از پایین جریان می‌یابد. زغال کک در دمای زیاد می‌سوزد و در‌ادامه از مخلوط موجود، آهن مایع به‌دست می‌آید؛ چیزی از آن با نام آهن خام یا آهن کوره‌ی بلند یاد می‌کنند.

در مرحله‌ی بعد، مواد مذاب به کوره‌ی اکسیژن منتقل می‌شوند و در این‌‌جا، مواد مذاب با اکسیژن خالص و از میان سیستم خنک‌سازی مبتنی‌بر آب عبور داده می‌شوند. این مرحله باعث جداسازی کربن از میان مخلوط می‌شود و محصول نهایی، یعنی فولاد را فراهم می‌کند. کربن مازاد خارج‌شده از مخلوط مذاب که موضوع بحث همین مقاله است، طبیعتاً وارد جوّ زمین می‌شود.

در دهه‌ی ۱۸۵۰، مهندس انگلیسی هنری بسمر، این روش را برای اولین‌بار ثبت کرد که به روش‌های مختلف باعث تولید و انتشار دی‌اکسید کربن می‌شود. در وهله‌ی نخست، واکنش‌های شیمیایی در کوره‌ی بلند به انتشار گازهای گلخانه‌ای منجر می‌شود.

درواقع، کربن به‌دام‌افتاده در کک و سنگ آهک با اکسیژن موجود در هوا پیوند می‌یابد و دی‌اکسید‌کربن را به‌عنوان محصول جانبی ایجاد می‌کند. علاوه‌بر‌این، سوخت‌های فسیلی معمولاً برای گرم‌کردن کوره‌ی بلند و نیروگاه‌های پخت و گندله‌سازی و کوره‌های کک سوزانده می‌شوند و در این فرایند نیز دی‌اکسید‌کربن تولید و وارد جوّ می‌شود.

حدود ۷۰ درصد از فولاد کل جهان ازطریق توضیح‌داده‌‌شده ساخته و به‌ازای هر تن فولاد تولید نزدیک به دو تن دی‌اکسید‌کربن تولید می‌شود. ۳۰ درصد باقی فولاد جهان نیز با کمی اغماض به‌کلی ازطریق کوره‌های قوس الکتریکی ساخته می‌شود. این کوره‌ها از جریان الکتریکی برای ذوب فولاد استفاده می‌کنند (ضایعات عمدتاً بازیافتی) و انتشار CO2 بسیار کمتری درمقایسه‌با کوره‌های بلند دارند.

جفری ریسمن، مدیر برنامه‌های صنعتی و رئیس بخش مدل‌سازی در Energy Innovation، شرکت مستقر در سان‌فرانسیسکو، یادآوری می‌کند که به‌دلیل عرضه‌ی محدود زباله‌های فولادی و ضایعات، نمی‌توان تمام تقاضاهای آینده را از این طریق برآورده کرد.

او ابراز امیدواری می‌کند که با اتخاذ سیاست‌های صحیح، بازیافت می‌تواند تا ۴۵ درصد از تقاضای جهانی را در سال ۲۰۵۰ تأمین کند. به‌اعتقاد ریسمن، بقیه‌ی نیاز فولاد هم می‌تواند با ریخته‌گری و ساخت فولاد مبتنی‌بر سنگ معدنی اولیه تأمین شود که بیشترین انتشار گازهای گلخانه‌ای از آن‌‌‌جا حاصل می‌شود. او می‌افزاید اگر صنعت فولاد درقبال تعهدات اقلیمی‌اش جدی باشد، باید اساساً نحوه‌ی ساخت مواد را تغییر دهد؛ آن‌هم با سرعت نسبتاً سریع.

یکی از فناوری‌های جایگزین در حال آزمایش کک را با هیدروژن جایگزین می‌کند. در سوئد نهاد سرمایه‌گذاری مشترکی به نام هیبریت (متشکل از شرکت فولادساز SSAB، تأمین‌کننده‌ی انرژی واتن‌فال و تولیدکننده‌ی سنگ آهن LKAB) در حال اجرای آزمایشی فرایندی هستند که هدف آن تغییر کاربری سیستم موجودی موسوم به آهن کاهش‌یافته‌ی مستقیم است. در این فرایند، از کک به‌دست‌آمده از سوخت‌های فسیلی برای استخراج اکسیژن از گلوله‌های سنگ آهن استفاده می‌شود و درنهایت، گلوله‌ی ‌آهن متخلخلی به نام آهن اسفنجی باقی می‌ماند.

در روش هیبریت، اکسیژن با استفاده از گاز هیدروژن و بدون اتکا به سوخت‌های فسیلی حاصل می‌شود و این گاز را ازطریق الکترولیز ایجاد می‌کنند. الکترولیز تکنیکی است که در آن از یک جریان الکتریکی (در این نمونه از منبع انرژی بدون سوخت فسیلی) برای تفکیک آب به هیدروژن و اکسیژن استفاده می‌شود.

درحال‌حاضر، بخش عمده‌ای از هیدروژن خالص با استفاده از گاز متان ساخته می‌شود و گاز متان با سوختن خود به تولید و انتشار دی‌اکسید‌کربن در جوّ زمین منجر می‌شود. آهن اسفنجی به‌دست‌آمده به کوره‌ی قوس الکتریکی می‌رود و درنهایت به فولاد تبدیل می‌شود. این فرایند فقط بخار آب را به‌عنوان محصول جانبی آزاد می‌کند.

مایکل نوردلندر، رئیس بخش کربن‌زدایی صنعت در واتن‌فال، اظهار می‌کند مدتی است که این فناوری برای سازندگان شناخته شده است؛ اما او تأکید می‌کند که ساخت فولاد با اتکا بر این روش تاکنون فقط در آزمایشگاه انجام شده است. حال آنان می‌خواهند دریابند که آیا روش پیشنهادی می‌تواند در سطح صنعتی هم گره‌گشا باشد یا خیر.

در تابستان سال گذشته، هیبریت به اولین نقطه‌ی هدف خود رسید. SSAB، مسئول تولید و فروش محصول نهایی، اولین دسته از فولادهای ساخته‌شده‌ی بدون استفاده از سوخت‌های فسیلی را به شرکت خودروساز ولوو تحویل داد و آنان نیز از این فولاد در نمونه‌های اولیه خودرویی خود استفاده کردند. همچنین، هیبریت در حال برنامه‌ریزی به‌منظور تکمیل و راه‌اندازی کارخانه‌ای برای تولید فولاد سبز در مقیاس تجاری است. آنان قصد دارند این کارخانه را تا سال ۲۰۲۶ کامل کنند.

تصویری از تولید فولاد در چین به روش سنتی

سرمایه‌گذاری دیگر سوئدی با نام H2 Green Steel در حال راه‌اندازی کارخانه‌ی فولاد هیدروژنی در مقیاس تجاری مشابه است. آنان این پروژه را با کمک ۱۰۵ میلیون دلاری که از سرمایه‌گذاران و شرکت‌های خصوصی، از‌جمله مرسدس بنز، اسکانیا، و بنیاد IMAS، سازمانی مرتبط با Ikea، جمع‌آوری شده است، اجرایی خواهند کرد.

این شرکت قصد دارد تا سال ۲۰۲۴ تولید خود را آغاز کند و تا پایان دهه‌ی جاری میلادی سالانه ۵ میلیون تن فولاد بدون آلایندگی تولید کند. شرکت‌های دیگری که در حال آزمایش فولادسازی با نیروی هیدروژنی هستند، عبارت‌اند از: تیسن‌کروپ، آرسلومیتال و سالزگیتر AG در آلمان، شرکتی به نام پوسکو در کره‌جنوبی و شرکت ووستال‌پاین در اتریش.

همچنین، می‌توان از برق برای فرایند کاهش سنگ آهن استفاده کرد. به‌عنوان مثال، بوستون متال فرایندی به نام الکترولیز اکسید مذاب ایجاد کرده است که در آن جریان الکتریکی از یک محفظه‌ی حاوی سنگ آهن عبور می‌کند. با تبدیل‌شدن (طی فرایند کاهش) سنگ آهن به آهن مایعی که در انتهای محفظه‌ای تجمع یافته و واردآمدن ضربات متناوب به آن با اتکا به حرکت‌کردن جریان الکتریسیته بین دو انتهای محفظه و گرم‌شدن سنگ معدن، اکسیژن موجود در آن به‌شکل‌ حباب‌هایی آزاد می‌شود و می‌توان آن را جمع آوری کرد. آهن خالص‌شده با کربن و سایر مواد مخلوط می‌شود.

آدام راووردینک، معاون ارشد توسعه‌ی کسب‌و‌کار شرکت، توضیح می‌دهد:

بنیان کار ما اساساً جایگزین ساختن کربن با برق به‌عنوان عاملی کاهنده است. چنین کاری به ما امکان می‌دهد تا با استفاده از انرژی کمتر و در مراحل کمتری درمقایسه‌با فولادسازی معمولی، فولادهای بسیار باکیفیتی بسازیم.

او می‌افزاید تا وقتی که انرژی موردنیاز از منابع بدون فسیل تأمین شود، فرایند مذکور هیچ کربنی تولید نخواهد کرد. راووردینک اشاره می‌کند که شرکتشان در‌حال‌حاضر سه خط آزمایشی را در تأسیسات ووبرن خود در دست اجرا دارد. آن‌ها با کمک بودجه‌ی ۵۰ میلیون دلاری که سال گذشته از گروهی از سرمایه‌گذاران از‌جمله Breakthrough Energy Ventures تحت‌حمایت بیل گیتس و خودروساز معروف آلمانی BMW جمع‌آوری شده بود، در تلاش هستند تا مفهوم آزمایشگاهی خود را به بازار ارائه دهند. انتظار می‌رود که آن‌ها بتوانند کارخانه‌ای نمایشی در مقیاس تجاری تا سال ۲۰۲۵ راه‌اندازی کنند.

سریدها سیثارسمن، استاد علم و مهندسی مواد در دانشگاه ایالتی آریزونا، بر این باور است که همه‌ی این راه‌حل‌ها بسته به موقعیت مکانی و دردسترس‌بودن منابع و محصول هدفمند، جایگاه خاص خود را دارند. بااین‌حال، وی تصریح می‌کند که فعلاً و با‌‌توجه‌‌‌به شرایط عملی حاکم بر صنعت فولاد و محدودیت‌های موجود، قرار نیست هیچ شرکت یا گروه خاصی بتواند راه‌حلی جادویی و همه‌شمول پیش روی جهانیان بگذارد. باتای، اقتصاددان انرژی از IDDRI، اشاره می‌کند:

هیدروژن براساس سیستمی تثبیت‌شده و پیشرو در‌زمینه‌ی تجاری‌سازی کار می‌کند؛ اما دستیابی به صنعت فولاد خالص صفر مسیرهای بدون کربن بیشتری را می‌طلبد؛ بنابراین فکر می‌کنم درنهایت فضای کافی در بازار برای همه‌ی آن‌ها وجود خواهد داشت.

اگرچه به‌نظر می‌رسد فرایندهای فولادسازی سبزتر در حال افزایش است، تعدادی مشکل جدی وجود دارد که باید با آن مقابله کرد. توماس کوخ بلنک، مدیر ارشد مؤسسه‌ی غیرانتفاعی راکی ​​ماونتین مستقر در کلرادو، اظهار می‌کند که مهم‌ترین مسئله موجود توسعه‌ی گسترده‌ی زیرساخت‌های انرژی تجدیدپذیر است؛ مسئله‌ای که تغییر صنعت فولاد و گذار آن به این روش‌های جدید مستلزمش خواهند بود. او تخمین می زند که جهان تا سه برابر ظرفیت منابع انرژی خورشیدی و بادی نصب‌شده‌ی کنونی برای تأمین برق فولاد کل جهان به الکتریسیته نیاز خواهد داشت.

مانع اساسی دیگر هزینه است. گذار به برق یا هیدروژن مستلزم هزینه‌های هنگفتی برای احداث تأسیسات جدید و نوین‌سازی تأسیسات قدیمی است. کوخ بلانک همچنین یادآوری می‌کند:

در روش هیدروژن تمیز، برچسب قیمت فولاد تا حد زیادی افزایش خواهد یافت؛ زیرا کارخانه‌های تولیدکنند‌ه‌ی فولاد اغلب در محل‌هایی نزدیک به منابع زغال‌سنگ مستقر شده‌اند و نه در مجاورت منابع هیدروژن ارزان‌قیمت. به‌تعبیری این کارخانه‌ها در بدو تأسیس خود و در مرحله‌ی امکان‌سنجی و انتخاب محل، مکان‌هایی برایشان انتخاب شده است که از حیث ترانزیتی و سایر هزینه‌ها، کمترین زحمت و هزینه را در مسیر تأمین و انتقال زغال سنگ‌های سنتی بر صاحبان کارخانه تحمیل کنند. تغییر در این هزینه‌های اولیه و نظمی که برای سالیان طولانی برپا بوده است، احتمالاً قیمت فولاد و محصولات نهایی را حداقل در ابتدا افزایش خواهد داد.

به‌گفته‌ی ریسمن، تحلیلگر ساکن سان‌فرانسیسکو، دولت‌ها می‌توانند در هر دو زمینه‌ی عرضه و تقاضای فولاد اقداماتی انجام دهند. او پیشنهاد می‌دهد که دولت‌ها می‌توانند با الزام پروژه‌های دولتی به استفاده از انواع کم‌کربن مصالح ساختمانی تعیین‌شده، استفاده از فولاد کم‌کربن را در ایجاد ساختمان‌ها و زیرساخت‌ها تشویق و ترویج کنند. آن‌ها می‌توانند سیاست‌هایی نیز اعمال کنند که برمبنای آن خرید از کشورهایی که قوانین مربوط به انتشار گازهای گلخانه‌ای را چندان سخت نمی‌گیرند، گران‌تر شود.

به‌باور ریسمن، این نوع دخالت دولت در اقتصاد به تولیدکنندگان داخلی کمک خواهد کرد تا رشد و پاگرفتن صنایع مبتنی‌بر تکنیک‌های جدید قیمت‌های خودشان را بتوانند «رقابتی» نگه دارند. شاید بزرگ‌ترین مانع پیش روی در این مسیر چین باشد؛ جایی که حدود ۹۰ درصد از تولید فولاد با استفاده از کوره‌های سنتی بلند انجام می‌شود. در سپتامبر ۲۰۲۰، شی‌جین پینگ، رئیس‌جمهور چین، اعلام کرده بود که این کشور قصد دارد تا سال ۲۰۶۰ به کشوری با میزان آلایندگی کربن صفر تبدیل شود.

افزون‌براین، پکن متعهد شده است در مسیر تلاش برای کاهش آلودگی کارخانه‌های فولاد داخلی‌اش که تقریباً ۱۵ درصد از کل انتشار کربن کشور را شامل می‌شود، سال ۲۰۳۰ را به‌عنوان نقطه‌ی اوج نمودار آلایندگی‌هایش در نظر بگیرد و پس از آن به‌سوی کاهش سطح آلایندگی‌ها گام بردارد. بااین‌حال و بنابر اعلام گروه تحقیقاتی مرکز تحقیقات انرژی و هوای پاک مستقر در هلسینکی، ۱۸ پروژه‌ی جدید مبتنی‌بر کوره‌ی بلند در شش ماه اول سال ۲۰۲۱ در چین آغاز به کار کرد.

ریسمن می‌گوید که فولاد یکی از صنایع مهم دنیا در مسیر سیاست کربن‌زدایی است؛ ازاین‌رو، هماهنگی جهانی در این مسیر کمک زیادی خواهد کرد. راووردینک نیز با بررسی خطوط کارخانه‌ی بوستون متال امیدوار شده است و اشاره می‌کند که مسیر پیش رو و هدف ما چالشی فوق‌العاده محسوب می‌شود. بااین‌حال، وی به عملکرد صنایع و دستاوردهای فنی هم خوش‌بین است و تصریح می‌کند که تلاش‌های گروه‌های پژوهشی نشان می‌دهند که راه‌حل‌های کارآمدی برای حل مسائل عظیم نیز وجود دارد.