هیدروژن سبز در کوره فولاد؛ آینده‌ای بدون کربن

به گزارش گروه دانشگاه خبرگزاری دانشجو، کوره‌های بلند قدیمی، «ماشین‌های روشنایی روز» قدیمی که با کک کار می‌کنند، نمادی از میراث کربن فولاد هستند. امروزه، این بخش هنوز سالانه حدود ۲.۶ میلیارد تن CO₂ منتشر می‌کند - تقریباً هفت تا نه درصد از انتشار جهانی CO₂ - که فولاد را به یکی از بزرگترین آلاینده‌های صنعتی جهان تبدیل می‌کند.

 

این میراث ناشی از بیش از یک قرن متالورژی مبتنی بر زغال سنگ است. هر تن فولاد ساخته شده در کوره بلند سنتی تقریباً ۲.۳ تن CO₂ تولید می‌کند و به حدود ۷۷۰ کیلوگرم زغال کک نیاز دارد.

 

حتی با وجود رشد بازیافت فولاد (کوره‌های بلند مدرن اکنون حدود ۳۰ درصد از فولاد قراضه را استفاده می‌کنند و نرخ کلی بازیافت نزدیک به ۸۵ درصد است)، مقیاس عظیم این صنعت، آن را در کانون توجه آب و هوا نگه می‌دارد. طبق گزارش Worldsteel، هر تن فولاد بکر استخراج و ذوب شده حدود ۱.۸۹ تن CO₂ در سال ۲۰۲۰ منتشر کرده است.

 

تنها راه برای از بین بردن میراث کربن کوره‌های بلند دهه ۱۹۶۰، تغییر فرآیند‌های اصلی است، کاری که با مالیات‌های جدید کربن، الزامات سرمایه‌گذاران و خواسته‌های مشتریان، فوریت پیدا کرده است.

 

همانطور که یک نظرسنجی اخیر نشان می‌دهد، ۸۱ درصد از سرمایه‌گذاران اکنون موافقند که «فولاد سبز» را نمی‌توان با سوخت‌های فسیلی تولید کرد. بازار‌ها و نهاد‌های نظارتی در حال همگرایی بر سر اهداف سختی هستند: آژانس بین‌المللی انرژی می‌گوید فولاد باید تا سال ۲۰۳۰ تقریباً ۲۵ درصد از انتشار گاز‌های گلخانه‌ای را کاهش دهد تا در مسیر صفر خالص تا سال ۲۰۵۰ باقی بماند. به طور خلاصه، مهندسان امروزی با یک وظیفه بی‌سابقه رو‌به‌رو هستند: مهندسی مجدد فولادسازی برای کنار گذاشتن گذشته پرمصرف کک و زغال‌سنگ.

 

کوره‌های قوس الکتریکی و هیدروژن: جعبه ابزار نوظهور

 

جعبه ابزار فناوری برای فولاد کم کربن در حال مورد توجه قرار گرفتن است. کوره قوس الکتریکی (EAF) - که مدت‌ها در فولاد ثانویه (بازیافتی) مورد استفاده قرار می‌گرفت - اکنون برای تولید فولاد اولیه مورد استفاده قرار می‌گیرد و احیای مستقیم مبتنی بر هیدروژن به سرعت در حال افزایش است. در یک EAF، قوس‌های الکتریکی به جای سوزاندن کک، قراضه فولاد (و به طور فزاینده‌ای آهن اسفنجی) را ذوب می‌کنند.

 

این امر انتشار گاز‌های گلخانه‌ای را از سوختن سوخت در محل به منبع برق منتقل می‌کند - به این معنی که یک EAF که با انرژی‌های تجدیدپذیر کار می‌کند می‌تواند CO₂ را به طور چشمگیری کاهش دهد. در عمل، فولاد حاصل از EAF با سوخت قراضه تقریباً ۰.۶۷ تن CO₂ به ازای هر تن فولاد منتشر می‌کند، در مقایسه با ۲.۳ تن CO₂ برای یک کوره بلند. این یک کاهش ۷۱ درصدی در شدت CO₂ برای " پاک‌ترین مسیر مرسوم " است. با این حال، عرضه قراضه رشد EAF را محدود می‌کند: اکنون تنها حدود ۳۰ درصد از آهن از قراضه بازیافتی حاصل می‌شود، بنابراین مسیر‌های سنگ معدن خام هنوز باید وجود داشته باشند.

 

برای استخراج سنگ‌آهن خام بدون زغال‌سنگ، صنعت در حال استفاده از کوره‌های آهن احیای مستقیم (DRI) است. در یک کارخانه DRI، سنگ‌آهن به‌صورت شیمیایی در یک شفت عمودی به «آهن اسفنجی» (آهن احیای مستقیم) با استفاده از گاز کاهنده کاهش می‌یابد. به‌طور سنتی، این گاز، گاز طبیعی اصلاح‌شده بوده است، اما اکنون پروژه‌ها در حال تغییر به سمت هیدروژن هستند.

 

هیدروژن سبز (تولیدشده از طریق الکترولیز آب با استفاده از انرژی تجدیدپذیر) می‌تواند اکسیژن را از سنگ‌آهن جدا کند در حالی‌که به‌جای CO₂ بخار آب تولید می‌کند. سپس آهن اسفنجی در یک کوره قوس الکتریکی (EAF) ذوب می‌شود یا برای یک EAF به شکل آهن فشرده داغ (HBI) ارتقا می‌یابد. نکته مهم این است که مسیر‌های DRI–EAF تجهیزات تثبیت‌شده را با شیمی جدید ترکیب می‌کنند.

 

نقشه‌های راه جهانی نقش عظیمی برای H₂-DRI/EAF پیش‌بینی می‌کنند. IEA پیش‌بینی می‌کند که حدود ۴۴ درصد از تولید فولاد می‌تواند تا سال ۲۰۵۰ از DRI مبتنی بر هیدروژن استفاده کند، در حالی‌که سناریو‌های دیگر (مانند چشم‌انداز خالص صفر BloombergNEF) سهم H₂-DRI/EAF را در حدود ۶۴٪ فولاد اولیه تا میانه قرن قرار می‌دهند. در اصل، فولاد سبز از ترکیبی از بازیافت (EAF با قراضه) و مسیر‌های سبزتر آهن خام (H₂-DRI/EAF یا DRI با جذب کربن در مبدأ یا CCS) جاری خواهد شد.

 

یک تحلیل اخیر خاطرنشان می‌کند که EAF متداول به‌علاوه انرژی‌های تجدیدپذیر در حال حاضر کمترین گزینه CO₂ است، در حالی‌که H₂-DRI/EAF می‌تواند «ستاره عملکرد» برای فولاد تقریباً بدون کربن باشد—هرچند هنوز بدون حمایت گران است. در مقابل، یک مسیر موجود DRI گاز طبیعی + EAF وجود دارد: این روش \~۱.۶۵ tCO₂/t فولاد منتشر می‌کند، که انتشار را حدود ۲۹٪ در مقایسه با مسیر متداول کوره بلند-کوره اکسیژن پایه (BF-BOF) کاهش می‌دهد.

 

خود هیدروژن نیز در کانون توجه است. یک EAF همچنین می‌تواند هیدروژن (یا بیوگاز) را همراه با اکسیژن تزریق کند تا کربن‌زدایی را افزایش دهد. اما پیشرفت اصلی جایگزینی کربن به‌عنوان کاهنده آهن است. همان‌طور که یک گزارش Global Efficiency بیان می‌کند، گذار از «فولادسازی مبتنی بر زغال‌سنگ به استفاده از هیدروژن سبز در تولید آهن احیای مستقیم (H₂-DRI) نشان‌دهنده یک فرصت بزرگ برای تولید فولاد کم‌کربن است.

 

تولید H₂ کافی چالش مهندسی است: تقریباً ۵۰–۶۰ کیلوگرم H₂ برای هر تن فولاد لازم است (بر اساس هر تن DRI). این معادل حدود ۳۰۰–۶۰۰ مگاوات‌ساعت ظرفیت الکترولایزر به‌ازای هر تن فولاد سالانه است—که مقیاسی چندین برابر بزرگ‌تر از استفاده فعلی هیدروژن است.

 

بازیکنان چینی و اروپایی در حال ورود هستند—برای مثال، یک ائتلاف در مغولستان داخلی قصد دارد تا میانه دهه یک الکترولایزر ۱ گیگاواتی ایجاد کند. اگر هزینه الکترولایزر کاهش یابد (چین پیش‌بینی می‌کند هزینه H₂ سبز تا حدود ۲.۴ دلار/کیلوگرم تا ۲۰۳۰ کاهش یابد)، H₂-DRI/EAF حتی می‌تواند فولاد مبتنی بر زغال‌سنگ را پشت سر بگذارد.

 

 

تحلیل اخیر نشان می‌دهد که در حدود ۱.۵ دلار/کیلوگرم H₂ و یک قیمت کربن متعادل (\$۱۵/tCO₂)، H₂-DRI/EAF سبز به‌ازای هر تن ارزان‌تر از BF-BOF متداول می‌شود (حتی در مقایسه با قراضه-EAF). به‌طور خلاصه، در حالی‌که ترکیب EAF + DRI + H₂ سرمایه‌بر است، این مسیر امیدوارکننده‌ترین مسیری است که مهندسان برای فولاد تقریباً بدون انتشار می‌بینند.

 

در دویسبورگ آلمان، یک کارخانه فولاد دهه‌ها قدیمی در حال بازسازی سبز است. تا سال ۲۰۲۷، Thyssenkrupp Steel Europe قصد دارد یکی از نخستین کارخانه‌های بزرگ DRI مبتنی بر هیدروژن جهان را راه‌اندازی کند.

 

این طراحی شبیه یک جزیره کوره بلند مدرن است، با هاپر‌های ریلی برای سنگ‌آهن، ریفورمر‌های گاز، یک شفت DRI ۴۰ متری («برج») و کوره‌های الکتریکی پایین‌دست—اما به‌جای کک، از گاز کاهنده غنی از هیدروژن استفاده خواهد کرد. مهندسان Thyssenkrupp آن را «یکی از بزرگ‌ترین پروژه‌های کربن‌زدایی صنعتی جهان» توصیف می‌کنند.

 

در ظرفیت کامل، این کارخانه ۲.۵ میلیون تن آهن اسفنجی در سال تولید خواهد کرد و به حدود ۱۴۳،۰۰۰ تن هیدروژن نیاز دارد (در حدود ۲۲۰ مگاوات الکترولایزر که به‌طور مداوم کار می‌کند). آن هیدروژن از طریق خط لوله «شبکه اصلی» برنامه‌ریزی‌شده در راین-رور تأمین می‌شود؛ در عمل، H₂ سبز وارد کارخانه می‌شود.

 

نکته مهم این است که این پروژه نشان می‌دهد حتی کارخانه‌های عظیم یکپارچه نیز می‌توانند تغییر کنند. Thyssenkrupp تخمین می‌زند که این کارخانه به‌تنهایی سالانه ۳.۵ میلیون تن CO₂ در دویسبورگ کاهش خواهد داد—نزدیک به ۲۰ درصد از کل انتشار سایت و حدود ۵٪ از کل انتشار منطقه رور. یک سخنگوی شرکت تأکید می‌کند که «هیچ راهی جز کربن‌زدایی تولید فولاد با CO₂ بالا در بلندمدت وجود ندارد». آنها «متعهد به تحول سبز و تولید فولاد اقلیم‌خنثی تا ۲۰۴۵ باقی می‌مانند» و این کارخانه یک گام حیاتی اولیه است.

 

 

ساخت چنین کارخانه‌ای یک شاهکار مهندسی است. این نیازمند تخصص عمیق در حوزه‌های متعدد است: متالورژی برای کنترل شیمی فولاد بدون کک، مهندسی شیمی برای مدیریت کاهش دمای بالای H₂ و مهارت‌های برقی/مکانیکی برای یکپارچه‌سازی راکتور‌های جدید با کارخانه‌های موجود.

 

Thyssenkrupp گزارش می‌دهد که «کارخانه DR اولین در نوع خود است که با هیدروژن کار می‌کند، \ [بنابراین]مقدار زیادی تخصص لازم است»، و اینکه مهندسان متالورژی، مکانیک، شیمی، فرآیند و برق باید با هم کار کنند. اپراتور‌های اتاق کنترل و کارگران تعمیرکار نیاز به آموزش جدید در ایمنی هیدروژن و مجموعه‌های حسگر جدید خواهند داشت؛ شیمیدانان باید استخراج اکسیژن با H₂ به‌جای کربن را پایش کنند؛ و تیم‌های اتوماسیون باید ریفورمرها، حلقه‌های بازیافت و کوره‌ها را هماهنگ کنند. برنامه‌های اولیه پرسنلی واقعاً بر بازآموزی خدمه موجود تأکید دارد.

 

این شرکت در حال حاضر در حال بازسازی یک EAF برای ذوب آهن اسفنجی و افزودن کوره‌های تبدیلی جدید برای فولادسازی پایین‌دستی است، که همه برای شروع کار آماده می‌شوند هنگامی‌که هیدروژن وارد شود. به‌طور خلاصه، پروژه دویسبورگ هم یک کارخانه آزمایشی و هم یک نقشه‌راه است که نشان می‌دهد چگونه کارخانه‌های فولاد قدیمی می‌توانند جزایر کوره بلند را به هاب‌های چندفناوری مدرن تبدیل کنند.

 

الگوی جهانی: چه کسانی سریع حرکت می‌کنند، چه کسانی عقب می‌مانند

 

کربن‌زدایی فولاد در سراسر جهان ناهموار است. اروپای شمالی با سرعت جلو می‌رود: SSAB سوئد (مشارکت Hybrit) در حال حاضر یک H₂-DRI آزمایشی را اداره می‌کند و کارخانه فولاد Luleå را تا سال ۲۰۳۵ به هیدروژن تبدیل خواهد کرد و هدف دارد تا سال ۲۰۴۵ به فولاد بدون کربن برسد. فنلاند Outokumpu و آلمان Salzgitter برنامه‌های مشابهی اعلام کرده‌اند.

 

در چین، بزرگ‌ترین فولادساز جهان، سیاست مبهم‌تر است، اما ظرفیت عظیم است. دولت چین اهدافی برای ۵۰ درصد انرژی غیرفسیلی تا سال ۲۰۳۰ تعیین کرده و ساخت عظیم انرژی بادی/خورشیدی را آغاز کرده است، که امکان ایجاد کریدور‌های هیدروژن سبز را فراهم می‌کند. غول‌های داخلی (Baowu، HBIS و غیره) خطوط آزمایشی H₂-DRI می‌سازند (Baosteel برنامه دارد از سال ۲۰۲۶ با H₂ DRI کربن را ۵۰–۸۰٪ کاهش دهد). ائتلاف هیدروژن چین حتی هزینه H₂ سبز را ۲.۴۰ دلار/کیلوگرم تا سال ۲۰۳۰ پیش‌بینی می‌کند، که نشان می‌دهد کارخانه‌های چینی می‌توانند رقابتی باشند.

 

 

با وجود استفاده عظیم چین از زغال‌سنگ، انرژی‌های تجدیدپذیر محلی به‌علاوه تغییرات سیاستی پروژه‌ها را تحریک می‌کنند. برای مثال، بزرگ‌ترین سرمایه‌گذاری H₂ سبز جهان—یک الکترولایزر ۴.۵ میلیارد دلاری—در مغولستان داخلی اعلام شد. از سوی دیگر، استان‌هایی با تقاضای بالا (Hebei، Jiangsu) همچنان به کوره بلند وابسته‌اند. به‌طور کلی، چین قصد دارد انتشار CO₂ فولاد را تا ۲۰۳۰-۳۵ به اوج برساند، اما نقشه‌های راه دقیق بخش هنوز در حال شکل‌گیری هستند.

 

در هند، جایی که زغال‌سنگ کک حدود ۷۰ درصد فولادسازی را تشکیل می‌دهد، علاقه به هیدروژن در حال رشد است. تولیدکنندگان بزرگ اکنون در حال آزمایش آن هستند. در ژوئیه ۲۰۲۵، Jindal Steel پروژه‌ای برای افزودن ۴۵۰۰ تن/سال H₂ تجدیدپذیر به کارخانه ۱.۸ Mt DRI خود در Odisha اعلام کرد. این «فاز اول» خوراک هیدروژن به DRI کارخانه استفاده از زغال‌سنگ را حدود ۵۰ درصد کاهش خواهد داد و بازار اروپا را هدف قرار خواهد داد (با پیش‌بینی مالیات مرزی کربن اتحادیه اروپا).

 

Tata Steel و JSW Steel نیز شروع به ترکیب بیومتان/هیدروژن در کوره‌ها کرده‌اند. با این حال، سیاست ملی فولاد هند هنوز به‌شدت از رشد BF-BOF سنتی حمایت می‌کند. بدون تغییرات عمده سیاستی یا مشوق‌ها، کربن‌زدایی هند به این تغییرات تدریجی و CCUS آینده متکی خواهد بود.

 

در ایالات متحده و اتحادیه اروپا، سیاست‌های اقلیمی تغییر را تسریع می‌کنند. ایالات متحده قانون کاهش تورم (IRA) را در ۲۰۲۲ تصویب کرد و اعتبار مالیاتی برای هیدروژن پاک (تا ۳ دلار/کیلوگرم) و «محتوای داخلی» برای فولاد بدون کربن ارائه کرد. کارخانه‌های آمریکایی مانند Nucor (در حال حاضر یک رهبر EAF) و US Steel (برنامه‌ریزی برای بازسازی به H₂-DRI) از این حمایت بهره‌مند می‌شوند. بخش‌های خودرو و ساخت‌وساز، که مصرف‌کنندگان بزرگ فولاد هستند، نیز در حال فشار برای عرضه کم‌کربن هستند.

 

همان‌طور که ICCT اشاره می‌کند، خودروسازان حدود ۱۲ درصد از فولاد جهان را مصرف می‌کنند و شروع به الزام تعهدات «فولاد بدون فسیل» کرده‌اند. برای مثال، برخی خودروسازان اروپایی قول داده‌اند بخشی از فولاد سبز را خریداری کنند و به این ترتیب تقاضا را تثبیت کنند—و آنها محاسبه می‌کنند که این تنها هزینه خودرو را حداکثر ۱ درصد افزایش می‌دهد.

 

در اروپا، مکانیزم تنظیم مرزی کربن (CBAM) واردات فولاد با انتشار بالا را جریمه خواهد کرد و انگیزه بیشتری برای سرمایه‌گذاری کارخانه‌ها در سوئد، آلمان یا جا‌های دیگر در H₂-DRI/EAF فراهم می‌کند. استرالیا، با انرژی‌های تجدیدپذیر ارزان و سنگ‌آهن، در حال موقعیت‌یابی برای صادرات «آهن سبز» (HBI) به مناطق کم‌قراضه است. به‌طور خلاصه، جایی که مقررات و کشش بازار وجود دارد، مهندسان نظریه را به عمل تبدیل می‌کنند؛ جایی که وجود ندارد، کارخانه‌ها در معرض خطر گیر افتادن خواهند بود.

 

آیا فولاد سبز می‌تواند از نظر هزینه رقابت کند؟

 

اقتصاد همچنان سخت‌ترین مانع است. فولاد BF-BOF متداول در حال حاضر در اکثر مکان‌ها ارزان‌ترین است. داده‌های جهانی نشان می‌دهد که هزینه BF-BOF به‌طور متوسط حدود ۳۹۰–۴۰۰ دلار به‌ازای هر تن فولاد است (در درِ کارخانه). یک EAF مبتنی بر قراضه، به‌طور شگفت‌آور، کمی بالاتر است (\~۴۱۵ دلار/تن) به‌دلیل هزینه برق و جداسازی. یک مسیر DRI-EAF گاز طبیعی حدود ۴۵۵ دلار/تن هزینه دارد. در مقابل، H₂-DRI/EAF سبز اولیه در بیشتر مطالعات ۱۰۰–۲۰۰ دلار به‌ازای هر تن گران‌تر است. یک تحلیل نتیجه‌گیری می‌کند که «گذار به H₂-DRI سبز در ابتدا پرهزینه‌تر است و منجر به یک "حق بیمه سبز" روی فولاد می‌شود.

 

 

اما قیمت‌گذاری کربن و مشوق‌ها معادله را تغییر می‌دهند. مطالعات مهندسی نشان می‌دهد که با هزینه‌های کربن متعادل (مثلاً ۱۵–۳۰ دلار/تن CO₂)، و اگر H₂ تجدیدپذیر به ۱–۲ دلار/کیلوگرم برسد، مسیر‌های سبز می‌توانند با زغال‌سنگ برابری کنند یا آن را شکست دهند. برای مثال، Global Efficiency Intelligence دریافت که در \~۱.۵ دلار/کیلوگرم H₂ و ۱۵ دلار/تن CO₂، H₂-DRI/EAF سبز از BF-BOF پیشی می‌گیرد (که با احتساب کربن \~۵۳۹ دلار/تن است). حتی بدون قیمت‌گذاری کربن، برخی شرکت‌های فولاد سبز استراتژی‌های ترکیبی را هدف قرار داده‌اند: اعتبار صفرکربن برای هیدروژن مازاد (ایالات متحده ۳ دلار/کیلوگرم H₂ PTC ارائه می‌دهد) و فروش ممتاز برای «فولاد به‌عنوان خدمت» به خودروسازان برقی. از سوی دیگر، قیمت‌های فعلی بالای H₂ (اغلب >۵ دلار/کیلوگرم) هزینه‌ها را بالا نگه می‌دارند؛ سرمایه‌گذاری عمده وابسته به تولید مقیاس‌دار الکترولایزر است.

 

آنچه می‌تواند نشانه امیدوارکننده‌ای باشد این است که خوشه‌های نوآوری و R\&D شروع به پر کردن شکاف هزینه‌ها کرده‌اند. هزینه الکترولایزر در پنج سال گذشته حدود ۶۰ درصد کاهش یافته و پیش‌بینی می‌شود با مقیاس تولید همچنان کاهش یابد. مهندسان فولاد نیز در حال بررسی هم‌مکانی‌ها (مثلاً الکترولیز با انرژی بادی نزدیک) برای کاهش لجستیک هستند.

 

مشارکت‌های عمومی-خصوصی مانند Steelorbis آلمان یا Clean Hydrogen Hubs ایالات متحده (بخشی از IRA) هدف دارند تا پروژه‌های بزرگ را از ریسک دور کنند. به‌طور خلاصه، مشکل مرغ و تخم‌مرغ برق تجدیدپذیر پایین و هیدروژن ارزان باید حل شود تا فولاد سبز به جریان اصلی تبدیل شود. اما با سیاست درست—مالیات کربن، تعرفه‌های مرزی، خرید سبز—این معادله به‌طور فزاینده‌ای قابل حل به نظر می‌رسد.

 

در مجموع، تحول فولادسازی در حال انجام است. این تحول توسط یک الزام صنعتی، سیاست تشویق و تنبیه و تقاضای بازار از سوی مصرف‌کنندگان عمده هدایت می‌شود. برخی از کارخانه‌های قدیمی به دلیل وابستگی به زغال‌سنگ مورد انتقاد قرار گرفته‌اند، اما ورق در حال برگشت است. اگر مهندسان امروز بتوانند درس‌هایی را که از طرح‌های آزمایشی مانند دویسبورگ (و هایبریت سوئد، جیندال هند و غیره) گرفته‌اند، در مقیاس وسیع‌تری بیاموزند، این صنعت می‌تواند تا سال ۲۰۵۰ به تولید فولاد تقریباً صفر دست یابد. دهه‌های آینده مشخص خواهد کرد که آیا فولاد بدون کربن از وعده به واقعیت تبدیل می‌شود یا خیر.