فولاد سبز چیست؟

صنعت فولاد عامل مهمی در اقتصاد جهانی است. فولاد سبز تقریبا در هر جنبه ای از زندگی روزمره ما یافت می شود. از ساختمان ها وپل ها گرفته تا وسایل نقلیه و وسایل الکتریکی. اما تولید سنتی فولاد و فلز اغلب با انتشار قابل توجه گازهای گلخانه ای و مصرف منابع طبیعی همراه است. (جهت مطالعه بیشتر به فولاد دمشقی مراجعه نمایید)

به عنوان بخشی از تلاش جهانی برای کربن زدایی صنعت, واژه فولاد سبز نقش کلیدی ایفا می کند. فولاد سبز چیست؟ نماینده تحول پایدار صنعت فولاد است که هدف آن کاهش شدید اثرات زیست محیطی تولید فولاد سنتی است.  (جهت مطالعه بیشتر به بزرگترین تولیدکنندگان فولاد جهان مراجعه نمایید)

اساسا فولاد سبز تولید فولاد بدون استفاده از سوخت های فسیلی است.

به اصطلاح هیدروژن سبز راه حلی است که می تواند به کاهش ردپای کربن صنعت فولاد کمک کند.

هیدروژن وقتی می سوزد فقط آب ساطع می کند. طبق گفته گروه صنایع سنگین میتسوبیشی اگر هیدروژن از طریق الکترولیز فقط با استفاده از آب و الکتریسیته تجدید پذیر تولید شود. آنگاه کاملا عاری از انتشار Co2‌ است. به گفته MHI‌ اگر هیدروژن با استفاده از سوخت های فسیلی و فناوری های جذب,‌ استفاده و ذخیره سازی کربن CCUS‌ تولید شود, می تواند کم کربن باشد. این به هیدروژن آبی معروف است. (جهت مطالعه بیشتر به فولاد چیست مراجعه نمایید)

کوره های قوس الکتریکی گزینه دیگری است. این کوره ها به تدریج جایگزین کوره های سنتی می شوند اما همیشه از منابع تجدید پذیر تغذیه نمی شوند و بنابراین فولادی که تولید می کنند ممکن است همیشه سبز نباشد.

فولاد سبز چیست؟ واژه ای در صنعت فولاد بوده است که در سال ۲۰۲۳ نیز به همین شکل باقی خواهد ماند. صنعت فولاد یکی از صنایع کربن فشرده در جهان است و حدود ۷ درصد از انتشار Co2 جهانی را تشکیل می دهد. (جهت مطالعه بیشتر به فولادهای آلیاژی مراجعه نمایید)

دو مفهوم برای طبقه بندی فولاد سبز وجود دارد:

مفهوم یک بعدی محصولات فولادی را به ۵ دسته از شروع تا اول جدا می کند. این طبقه بندی صرفا براساس کل PCF محصول فولادی از جمله انتشار آلاینده های بالادستی ۱و۲و۳ است. (جهت مطالعه بیشتر به تولید قطعات فولادی مراجعه نمایید)

در این مورد جبران کربن یا اعتبار را نمی پذیرد و به طور خاص بر اهمیت صدور گواهینامه خارجی تاکید می کند.

مقادیر آستانه بار کربن با ارزیابی روش های مختلف تولید و محدودیت های عملکرد مربوطه تعیین شد.

فدراسیون فولاد آلمان یک مفهوم دو بعدی منتشر کرد که ۵ برچسب برای فولاد سبز از A تا E تعریف می کند.

این برچسب گذاری مجموع PCF محصول فولادی شامل میزان انتشار ۱و۲و۳ بالا دست و سهم ضایعات فولادی مورد استفاده برای تولید محصول نهایی فولادی به گفته فدراسیون فولاد آلمان دلیل اصلی شامل کردن سهم قراضه,‌ معرفی مکانیزم کنترلی برای در دسترس بودن ضایعات فولادی است. (جهت مطالعه بیشتر به تحلیل قیمت آهن مراجعه نمایید)

منتقدان ممکن است این (اثر تنبیهی) را برای افزایش نرخ قراضه بنامند.

مزایا و معایب این دو مفهوم چیست؟

قابلیت اندازه گیری و مقایسه :

مفهوم یک بعدی برای درک آسان تر به نظر می رسد و مقایسه مستقیم بین محصولات فولادی را موثرتر می کند. مشکل این است که در مفهوم دو بعدی یک محصول فولادی با PCF‌ بالاتر اما سهم قراضه بالاتر دریافت کند. علاوه بر این نیاز به اندازه گیری سهم قراضه در سطح محصول,‌ پیچیدگی برچسب گذاری را از طریق مفهوم دو بعدی افزایش می دهد. (جهت مطالعه بیشتر به چگونه می توان استحکام فولاد را اندازه گیری کرد مراجعه فرمایید)

به طور کلی هر دو مفهوم در درجه اول بر کاهش PCF‌ محصول فولادی تمرکز دارند. با این حال در مفهوم دو بعدی افزایش نرخ ضایعات که به عنوان یک روش کاهش انتشار ساده و در عین حال موثر شناخته می شود. تا حدودی مجازات است. بنابراین کاهش سریعتر انتشار کوتاه مدت از طریق سهام قراضه بالاتر ممکن است تا حدی مانع شود در حالی که در سیستم یک بعدی به شدت ترویج می شود.

در دسترس بودن قراضه:

انتظار می رود عرضه در کوتاه مدت تا میان مدت افزایش یابد. اما نه با نرخ مورد نیاز برای پوشش کامل تقاضای آتی برای قراضه بنابراین معرفی یک مکانیسم کنترلی معقول به نظر می رسد و ممکن است به کاهش بیشتر افزایش قیمت مورد انتظار کمک کند. از این رو می توان انتظار داشت که مفهوم یک بعدی به شدت تقاضا و قیمت قراضه را افزایش دهد زیرا ساده ترین راه برای کاهش PCF‌ است.

انگیزه برای سرمایه گذاری های دیگر:

افزایش نرخ بازیافت به خودی خود برای حل چالش کربن زدایی در صنعت فولاد کافی نخواهد بود.

از یک طرف اثر تنبیهی برای افزایش نرخ قراضه در مفهوم دو بعدی ممکن است انگیزه های بیشتری برای سایر روش های کاهش (به عنوان مثال: تعدیل در مسیرهای تولید – تغییر در منابع انرژی یا تغییر به تامین کنندگان مواد خام پایدارتر) افزایش دهد.

از سوی دیگر مقادیر آستانه نسبتا بالا در نرخ های ضایعات پایین نیز ممکن است خللی باشد که به بازیگران معمولی اجازه می دهد با فناوری قدیمی به سود خود ادامه دهند. (جهت مطالعه بیشتر به فولاد تریپ مراجعه نمایید)

سه مسیر اصلی برای تولید فولاد سبز

کوره بلند BF BOF

گلوله های سنگ آهن و خوراک سینتر مواد خام حاوی آهن هستند. کک از زغال سنگ متالورژی منبع اصلی انرژی است. این عناصر و سنگ آهک از بالا وارد کوره بلند می شوند. در حالی که هوای گرم از پایین منفجر می شود. کک سوزان دمای ۲۰۰۰ درجه سانتیگراد ایجاد می کند و فلز داغ (آهن) را از مواد خام استخراج می کند. فلز داغ از طریق اکسیداسیون در یک کوره اکسیژن پایه (BOF) به فولاد سبز تبدیل می شود. (جهت مطالعه بیشتر به فولاد سمانتاسیون مراجعه نمایید)

اغلب مقداری قراضه اضافه می شود. سپس فولاد مایع حاصل ریخته گری می شود. تقریبا ۷۰ درصد از تولید فولاد در سراسر جهان را تشکیل می دهند. (جهت مطالعه به مشهورترین سازه های فلزی مراجعه نمایید)

استفاده از ضایعات با موانع اضافی همراه است, اما ضایعات قبل از گرم کردن, معمولا تا حدود ۸۰۰ درجه سانتیگراد, می تواند مقداری را که یک BOF‌ می تواند پردازش کند از حدود ۱۵ درصد به ۲۰ درصد افزایش دهد. افزودن فناوری هایی مانند مبدل دمنده پایین می تواند نرخ خراش را به ۳۰ تا ۵۰ درصد افزایش دهد و انتشار Co2‌ را تقریبا دو پنجم کاهش دهد.

کوره قوس الکتریکی (EAF)

اکثر آسیاب های EAF‌ از۱۰۰ درصد از قراضه به عنوان ورودی اصلی خود استفاده می کنند. در مناطق با قیمت رقابتی گاز, آهن کاهش یافته مستقیم (DRI) نیز ممکن است استفاده شود. برای آهن احیاء شده مستقیم,‌ سنگ آهن و گلوله ها را می توان در حالت جامد برای استفاده در EAF‌ احیا کرد. گاز طبیعی معمولا به عنوان کاهنده استفاده می شود. ضایعات یا آهن احیا شده مستقیم در EAF در حدود ۳۰۰۰ درجه سانتیگراد ذوب می شوند. الکترودهای گرافیت به عنوان یک قوس برای تبدیل انرژی الکتریکی به گرما عمل می کنند.

برای سازگاری با محیط زیست و ابزار تولید فولاد,‌ تغییر از مسیر سنتی BOF به فولادسازی برقی مبتنی بر قراضه می تواند کارخانه های فولادی (ضد آینده) باشد. این تغییر پیچیده است اما سرمایه گذاری در EAF‌ ها در حالی که به بهره برداری از دارایی های موجود در کارخانه ذوب ادامه می دهد,‌ به فولادسازان اجازه می دهد تا تغییرات لازم را در لجستیک کارخانه و حفظ ظرفیت ترتیب دهند.

خط ESP Arvedi ترکیب فرآیندهای ریخته گری و نورد باعث صرفه جویی قابل توجهی در انرژی در تولید فولاد سبز می شود.

آهن کاهش یافته مستقیم EAF

دو راه برای رسیدن به تولید فولاد سبز وجود دارد. اولین مورد فولاد تولیدی EAF‌ است که از ۱۰۰ درصد قراضه استفاده می کند و با انرژی های تجدید پذیر نیرو می گیرد. با توجه به مقدار محدود قراضه تولید فولاد سبز از این مسیر به طور طبیعی محدود است. دومین راه استفاده از H2‌ سبز به عنوان احیا کننده برای آهن احیا شده مستقیم در مسیر کوره قوس الکتریکی است (به کوره قوس الکتریکی مراجعه کنید) فراتر از آن جایگزین های دیگری برای کاهش پایدار آهن نیز در حال توسعه است.

نمایی از کارخانه استیلانول Lanza Tech در ArcelorMittal در بلژیک, کاهش انتشار گازهای گلخانه ای.

مقیاس پتانسیل کاهش انتشار CO2 مسیرهای مختلف فرآیند برای فولاد مایع

چرا همه فولادهای نمی توانند سبز باشند؟

برخی از بزرگترین تولید کنندگان جهان در حال برنامه ریزی برای کاهش ردپای کربن خود با افزایش استفاده از کوره های الکتریکی هستند. اما گزارش سازمان غیر دولتی می گوید که تغییر از کوره های بلند سنتی به کوره های قوس الکتریکی راکد است. و به طور قابل توجهی پشت اهداف کربن زدایی است.

این سازمان می گوید ۳۱ درصد از ظرفیت فعلی فولاد سازی از کوره های الکتریکی استفاده می کند. اما تنها ۲۸ درصد از ظرفیت در حال ساخت از این فناوری استفاده می کند. و گفت ما باید سرمایه گذاری در تجهیزات کوره بلند مبتنی بر زغال سنگ را متوقف کنیم و به سمت فولاد سازی کوره قوس الکتریکی سرعت دهیم. (جهت خرید و بررسی به قیمت تیرآهن مراجعه نمایید)

محلول هیدروژن نیز به موانع برخورد می کند.

مانع واقعی فولاد سبز به سادگی در دسترس بودن هیدروژن کم کربن است.

افزایش مقیاس این فناوری به مقادیر زیادی هیدروژن سبز یا آبی نیاز دارد.

مانع واقعی برای فولاد سبز به سادگی در دسترس بودن هیدروژن کم کربن است. هیدروژن آبی و سبز می تواند به کاهش یا حذف انتشار Co2‌ کمک کند. (جهت مطالعه بیشتر به فرآیند آلومینایزینگ در فولاد مراجعه نمایید)

هزینه فولاد سبز

به طور خلاصه تولید هیدروژن پاک در مقیاس نیازمند میلیاردها دلار سرمایه گذاری در تولید برق تجدید پذیر است.

اما همچنان بخش مهمی از جاه طلبی اتحادیه اروپا برای رسیدن به انتشار خالص صفر تا سال ۲۰۵۰ است.

طرح REPower Eu‌ آن هدفی را برای افزایش قابل ملاحظه استفاده از هیدروژن تجدید پذیر تا سال ۲۰۲۳ تعیین کرده است.

بزرگترین تولید کننده فولاد اروپا, آرسلورمیتال, به فایننشال تایمز گفت که کربن زدایی فعالیت های خود در این قاره مطابق با اهدف اتحادیه اروپا می تواند تا ۴۰ میلیارد دلار هزینه داشته باشد.

چین همچنین متعهد شده است تا سال ۲۰۶۰ به بی طرفی کربن دست یابد,‌ که مستلزم کاهش انتشار گازهای گلخانه ای از کارخانه های فولاد این کشور است که مسئول یک سوم کل آلودگی CO2 آن هستند. چین در حال حاضر نیمی از فولاد سبز جهان را تولید می کند.

چین بیشتر از کل جهان فولاد سبز تولید می کند.

مسیر صفر خالص

بر اساس گزارش آژانس بین المللی انرژی IEA و اگر دولت ها سیاست های درست را در پنج سال آینده اجرا کنند, ثروتمندترین اقتصادهای G7 جهان می توانند به بی طرفی کربن دست یابند. در گزارشی جدید,‌ آژانس بین المللی انرژی می گوید اقتصادهای G7‌ باید استفاده از فناوری های موقتی را که به طور قابل توجهی انتشار گازهای گلخانه ای را کاهش می دهند. به رسمیت بشناسند, حتی اگر آنها انتشار صفر در نظر گرفته نشوند. (جهت مطالعه بیشتر به تاثیر تکنولوژی بر قیمت فولاد مراجعه نمایید)

این دهه کلیدی برای تعیین مسیر بی طرفی آب و هوا است. وزیر فدرال آلمان در امور اقتصادی و اقدام اقلیمی گفت: به خصوص در بخش هایی که انتشار گازهای گلخانه ای زیاد است اما به سختی قابل کاهش است مانند فولاد و سیمان, ما باید روش های تولید را به طور اساسی تغییر دهیم.

به این دلیل که مزایای فولاد سبز بسیار زیاد است: به کاهش اثرات زیست محیطی صنعت فولاد کمک می کند, از تلاش ها برای مبارزه با تغییرات آب و هوایی حمایت می کند و مواد با کیفیت بالا برای ساخت و ساز,‌ حمل و نقل, انرژی های تجدید پذیر و سایر صنایع کلیدی فراهم می کند.

توسعه فولاد سبز گامی مهم به سوی آینده ای پایدار و سبزتر است. نشان می دهد که می توان محصولات با کیفیت و بدون آسیب رساندن به محیط زیست تولید کرد. فولاد سبز چیزی بیش از یک پیشرفت تکنولوژی است. (جهت مطالعه بیشتر به دنیای نانوتکنولوژی مراجعه نمایید)

یکی از ابتکارات جهانی که برای کربن زدایی بخش های صنعتی مانند فولاد کار می کند,‌ ائتلاف اولین محرکان مجمع جهانی اقتصاد است. در نشست سالانه مجمع در داووس امسال,‌ ائتلاف اعلام کرد که گسترش یافته است. به طوری که ۵۵ شرکت و ۹ کشور اکنون متعهد به خرید نسبتی از مواد صنعتی و حمل و نقل مورد نیاز خود را تامین کنندگانی که از نزدیک به صفر یا محلول های کربن صفر استفاده می کنند.

جهت مطالعه بیشتر به فولاد آلیاژی مراجعه فرمایید.