در شهر در ووبرن، ماساچوست، حومه‌ای در شمال بوستون، کادری از مهندسان و دانشمندان با کت‌های سفید، دسته‌ای منظم از شمش‌های فولادی خاکستری به اندازه آجر را روی میز داخل یک فضای آزمایشگاهی با نور نئون بازرسی کردند.

چیزی که آنها به آن نگاه می کردند دسته ای از فولاد بود که با استفاده از یک روش ساخت نوآورانه ایجاد شد بوستون متالشرکتی که یک دهه پیش از MIT منشعب شد، امیدوار است که به طرز چشمگیری شیوه ساخت آلیاژ برای قرن ها را تغییر دهد. با استفاده از الکتریسیته برای جداسازی آهن از سنگ معدن خود، این شرکت ادعا می کند که می تواند بدون انتشار دی اکسید کربن، فولاد بسازد و راهی برای پاکسازی یکی از بدترین صنایع جهان برای انتشار گازهای گلخانه ای ارائه دهد.

یک ورودی ضروری برای مهندسی و ساخت و ساز، فولاد یکی از محبوب ترین مواد صنعتی در جهان است که با بیش از 2 میلیارد تن تولید سالانه با این حال، این فراوانی با قیمت گزافی همراه است محیط. حساب های فولادسازی برای 7 به 11 درصد انتشار جهانی گازهای گلخانه ای، آن را به یکی از بزرگترین منابع صنعتی آلودگی جو تبدیل می کند. و چون تولید می توانست بالا آمدن تا سال 2050 تا یک سوم، این بار زیست محیطی می تواند افزایش یابد.

این یک چالش مهم برای مقابله با بحران آب و هوا است. ملل متحد می گوید: کاهش قابل توجه انتشار کربن صنعتی برای حفظ گرمایش زمین زیر 1.5 درجه سانتیگراد تعیین شده در توافقنامه آب و هوایی پاریس در سال 2015 ضروری است. برای انجام این کار، انتشار گازهای گلخانه ای از فولاد و سایر صنایع سنگین باید تا سال 93 تا 2050 درصد کاهش یابد. تخمین می زند توسط آژانس بین المللی انرژی

در مواجهه با فشار فزاینده از سوی دولت‌ها و سرمایه‌گذاران برای کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای، تعدادی از فولادسازان - از جمله تولیدکنندگان بزرگ و استارت‌آپ‌ها - در حال آزمایش فناوری‌های کم کربن هستند که از هیدروژن یا الکتریسیته به جای تولید سنتی با کربن فشرده استفاده می‌کنند. برخی از این تلاش ها به واقعیت تجاری نزدیک می شوند.

کریس باتای، اقتصاددان انرژی در IDDRI، یک اندیشکده تحقیقاتی مستقر در پاریس، می‌گوید: «آنچه در مورد آن صحبت می‌کنیم یک صنعت سرمایه‌بر و ریسک‌گریز است که در آن اختلال بسیار نادر است. بنابراین، او افزود: «هیجان‌انگیز است» که در یک زمان اتفاقات زیادی در حال وقوع است.

با این حال، کارشناسان توافق دارند که تبدیل یک صنعت جهانی که تغییر کرده است 2.5 تریلیون دلار در سال 2017 و بیش از 6 میلیون نفر تلاش زیادی خواهد کرد فراتر از موانع عملی برای افزایش به موقع فرآیندهای جدید برای رسیدن به اهداف جهانی آب و هوا، نگرانی هایی در مورد چین وجود دارد، جایی که بیش از نیمی از فولاد جهان ساخته می شود و برنامه هایش برای کربن زدایی بخش فولاد مبهم است.

باتای گفت: «مطمئناً راه حل آسانی برای کربن زدایی صنعتی مانند این نیست. "اما چاره ای نیست. آینده این بخش - و آب و هوای ما - به همین بستگی دارد.

________

فولادسازی مدرن شامل چندین مرحله تولید معمولاً سنگ آهن خرد شده و به سینتر (جامد خشن) یا گلوله تبدیل می شود. به طور جداگانه، زغال سنگ پخته شده و به کک تبدیل می شود. سپس سنگ معدن و کک با سنگ آهک مخلوط شده و به یک کوره بلند بزرگ که در آن جریان هوای بسیار داغ از پایین وارد می شود، وارد می شود. در دمای بالا، کک می سوزد و مخلوط، آهن مایع تولید می کند که به آهن خام یا آهن کوره معروف است. سپس مواد مذاب به یک کوره اکسیژن می‌رود، جایی که با اکسیژن خالص از طریق لنس خنک‌شده با آب منفجر می‌شود، که کربن را مجبور می‌کند تا فولاد خام را به عنوان محصول نهایی باقی بگذارد.

این روش که برای اولین بار توسط مهندس انگلیسی هنری بسمر در دهه 1850 ثبت شد، انتشار دی اکسید کربن را به روش های مختلف تولید می کند. اول، واکنش های شیمیایی در کوره بلند منجر به انتشار گازهای گلخانه ای می شود، زیرا کربن به دام افتاده در کک و سنگ آهک با اکسیژن موجود در هوا متصل می شود تا دی اکسید کربن را به عنوان یک محصول جانبی ایجاد کند. علاوه بر این، سوخت‌های فسیلی معمولاً برای گرم کردن کوره بلند و نیروگاه‌های زینترینگ و گلوله‌سازی و همچنین کوره‌های کک سوزانده می‌شوند و در این فرآیند دی اکسید کربن منتشر می‌کنند.

به اندازه 70 درصد فولاد جهان از این طریق تولید می شود و تولید می شود نزدیک به دو تن دی اکسید کربن به ازای هر تن فولاد تولید شده را 30 درصد باقی مانده است تقریباً همگی از طریق کوره‌های قوس الکتریکی ساخته می‌شوند که از جریان الکتریکی برای ذوب فولاد (عمدتاً ضایعات بازیافتی) استفاده می‌کنند. انتشار CO2 بسیار کمتر نسبت به کوره بلند

جفری ریسمن، مدیر برنامه های صنعتی و رئیس مدل سازی در شرکت انرژی و اقلیم انرژی مستقر در سانفرانسیسکو، گفت: اما به دلیل عرضه محدود قراضه، نمی توان تمام تقاضاهای آینده را از این طریق برآورده کرد. او گفت که با اتخاذ سیاست های صحیح، بازیافت می تواند تا 45 درصد تقاضای جهانی را در سال 2050 تامین کند. مابقی با آهنگری فولاد مبتنی بر سنگ معدنی اولیه که بیشترین انتشار گازهای گلخانه ای از آنجا حاصل می شود، ارضا خواهند شد.

بنابراین، اگر صنعت فولاد در مورد تعهدات اقلیمی خود جدی باشد، او افزود: «باید اساساً نحوه ساخت مواد را تغییر دهد - و این کار را نسبتاً سریع انجام دهد.»

________

یکی از فناوری های جایگزین در حال آزمایش، کک را با هیدروژن جایگزین می کند. در سوئد، هیبریت- یک سرمایه گذاری مشترک بین فولادساز SSAB، تامین کننده انرژی Vattenfall، و LKAB، تولید کننده سنگ آهن، در حال اجرای آزمایشی فرآیندی است که هدف آن تغییر کاربری سیستم موجود به نام آهن کاهش یافته مستقیم است. در این فرآیند از کک از سوخت های فسیلی برای استخراج اکسیژن از گلوله های سنگ آهن استفاده می شود و گلوله آهن متخلخلی به نام آهن اسفنجی باقی می ماند.

روش Hybrit در عوض اکسیژن را با استفاده از گاز هیدروژن بدون فسیل استخراج می کند. این گاز از طریق الکترولیز ایجاد می شود، تکنیکی که از جریان الکتریکی – در این مورد، از یک منبع انرژی بدون فسیل – برای جداسازی آب به هیدروژن و اکسیژن استفاده می کند. (هیدروژن خالص ترین امروز ساخته شده با متان، که در هنگام سوزاندن CO2 تولید می کند.) آهن اسفنجی به دست آمده سپس به یک کوره قوس الکتریکی می رود، جایی که در نهایت به فولاد تبدیل می شود. این فرآیند تنها بخار آب را به عنوان محصول جانبی آزاد می کند.

میکائیل نوردلندر، رئیس بخش کربن زدایی صنعت در Vattenfall گفت: «این فناوری مدتی است که شناخته شده است، اما تاکنون فقط در آزمایشگاه انجام شده است. کاری که ما اینجا انجام می دهیم این است که ببینیم آیا می تواند در سطح صنعتی کار کند یا خیر.

در آگوست گذشته، Hybrit به اولین پست خود رسید: SSAB که محصول نهایی را تولید و به فروش می رساند. اولین دسته از فولاد بدون فسیل خود را تحویل داد به خودروساز ولوو، که از آن در نمونه های اولیه خودرو استفاده کرد. همچنین در حال برنامه ریزی یک کارخانه برای تولید در مقیاس تجاری است که قصد دارد تا سال 2026 تکمیل شود.

سرمایه‌گذاری دیگر سوئدی، H2 Green Steel، در حال توسعه یک کارخانه فولاد هیدروژنی در مقیاس تجاری مشابه با کمک 105 میلیون دلاری است که از سرمایه‌گذاران خصوصی و شرکت‌هایی از جمله مرسدس بنز، اسکانیا، و بنیاد IMAS، سازمانی مرتبط با Ikea، جمع‌آوری شده است. شرکت برنامه تا سال 2024 تولید خود را آغاز کرده و تا پایان این دهه سالانه 5 میلیون تن فولاد بدون آلایندگی تولید کند. شرکت های دیگری که فولادسازی با موتور هیدروژنی را آزمایش می کنند عبارتند از ArcelorMittal, تیسنکروپو Salzgitter AG در آلمان؛ پوسکو در کره جنوبی؛ و وستالپین در اتریش

همچنین می توان از برق برای کاهش سنگ آهن استفاده کرد. به عنوان مثال، بوستون متال فرآیندی به نام الکترولیز اکسید مذاب ایجاد کرده است که در آن جریانی از سلول حاوی سنگ آهن عبور می کند. همانطور که الکتریسیته بین هر دو انتهای سلول حرکت می کند و سنگ معدن را گرم می کند، اکسیژن حباب می شود (و می توان آن را جمع آوری کرد)، در حالی که سنگ آهن به آهن مایع تبدیل می شود که در انتهای سلول جمع می شود و به طور دوره ای ضربه می زند. سپس آهن خالص شده با کربن و سایر مواد مخلوط می شود.

آدام راووردینک، معاون ارشد توسعه کسب و کار شرکت توضیح داد: «کاری که ما انجام می دهیم اساساً تعویض کربن با برق به عنوان یک عامل کاهش دهنده است. این به ما این امکان را می دهد که با استفاده از انرژی کمتر و در مراحل کمتر نسبت به فولادسازی معمولی، فولاد بسیار باکیفیت بسازیم. او افزود تا زمانی که انرژی از منابع بدون فسیل تامین می شود، این فرآیند هیچ انتشار کربنی ایجاد نمی کند.

او گفت که این شرکت که در حال حاضر سه خط آزمایشی را در تاسیسات Woburn خود اجرا می کند، در تلاش است تا مفهوم آزمایشگاهی خود را به بازار عرضه کند. 50 میلیون دلار در سال گذشته جمع آوری شد از یک گروه سرمایه گذار شامل Breakthrough Energy Ventures، با حمایت بیل گیتس، و خودروساز آلمانی BMW. پیش بینی می شود که یک کارخانه نمایشی در مقیاس تجاری تا سال 2025 راه اندازی شود.

Sridhar Seetharaman، استاد علم و مهندسی مواد در دانشگاه ایالتی آریزونا، گفت: «من احساس می‌کنم همه این راه‌حل‌ها بسته به مکان، در دسترس بودن منابع و محصول هدف‌مند، جایگاه خود را دارند. با این حال فکر نمی‌کنم فعلاً کسی به تنهایی گلوله نقره‌ای به شما بدهد تا تقاضا را برآورده کنید.»

باتای، اقتصاددان انرژی IDDRI، گفت: «هیدروژن بر اساس یک سیستم تثبیت شده و همچنین در تجاری سازی پیشرو است. اما دستیابی به یک صنعت فولاد صفر خالص مسیرهای بدون کربن بیشتری را می طلبد، بنابراین فکر می کنم در نهایت فضای کافی در بازار برای همه آنها وجود خواهد داشت.

________

اگرچه به نظر می رسد فرآیندهای سبزتر ساخت فولاد در حال افزایش است، تعدادی از چالش های جدی برای مقابله با آن وجود دارد. توماس کوخ بلانک، مدیر ارشد سازمان غیرانتفاعی مستقر در کلرادو، گفت: مهمترین آنها گسترش عظیم زیرساخت های انرژی های تجدیدپذیر است که تغییر صنعت به این روش های جدید مستلزم آن است. موسسه راکی ​​کوه. او تخمین می زند که جهان تا سه برابر منابع انرژی خورشیدی و بادی نصب شده در حال حاضر برای برق رسانی به تولید اولیه فولاد موجود نیاز دارد.

مانع دیگر هزینه است. تغییر به برق یا هیدروژن مستلزم هزینه‌های هنگفتی برای احداث نیروگاه‌های جدید و مقاوم‌سازی نیروگاه‌های قدیمی است. Koch Blank خاطرنشان کرد: در مورد روش هیدروژن تمیز، برچسب قیمت فولاد تا حد زیادی افزایش می یابد زیرا تولیدکنندگان فولاد نزدیک به زغال سنگ کک ارزان قیمت هستند و نه هیدروژن ارزان قیمت. این هزینه‌های اولیه احتمالاً قیمت فولاد و محصولات نهایی را حداقل در ابتدا افزایش می‌دهد.»

به گفته Rissman، تحلیلگر در سانفرانسیسکو، قوانین در مورد عرضه و تقاضا می تواند به جبران این هزینه های بالاتر و تشویق سرمایه گذاری بیشتر در فناوری های سبزتر کمک کند. او گفت که دولت ها می توانند با الزام پروژه های دولتی به استفاده از نسخه های کم کربن مصالح ساختمانی تعیین شده، استفاده از فولاد کم کربن را برای ساختمان و زیرساخت تشویق کنند. آنها همچنین می‌توانند سیاست‌هایی را اعمال کنند که خرید از کشورهایی را که قوانین مربوط به انتشار گازهای گلخانه‌ای سخت‌تر هستند، گران‌تر می‌کند. ریسمن گفت که این به تولیدکنندگان داخلی کمک می‌کند تا «رقابتی بمانند» زیرا بازار فولاد پاک «رشد می‌کند و فرآیندهای تولید جدید به صرفه‌جویی در مقیاس دست می‌یابند».

شاید بزرگترین سد راه چین باشد، جایی که در مورد درصد 90 تولید فولاد با استفاده از کوره بلند به دست می آید. در سپتامبر 2020، رئیس جمهور شی جین پینگ اعلام کرد این کشور قصد دارد تا سال 2060 کربن خنثی شود. در تلاش برای کاهش آلودگی کارخانه های فولاد داخلی، که تقریباً 15 درصد را تشکیل می دهند پکن نیز متعهد شده است که از انتشار کل کربن کشور استفاده کند رسیدن به اوج انتشار فولاد تا سال 2030. با این وجود، 18 پروژه جدید کوره بلند در چین فقط در شش ماه اول سال 2021 اعلام شد. مطابق به گروه تحقیقاتی هلسینکی مرکز تحقیقات انرژی و هوای پاک.

ریسمن گفت که فولاد یکی از مهمترین و چالش برانگیزترین صنایع برای کربن زدایی است، بنابراین هماهنگی جهانی بر روی آن کمک زیادی خواهد کرد.

در بازگشت به بوستون، راووردینک، با بررسی خطوط کارخانه بوستون متال، موافقت کرد. او گفت: "این یک چالش فوق العاده است که ما در برابر آن قرار داریم." اما، او افزود، "ما نشان می دهیم که راه حل ها وجود دارد - و کار می کنند."

این مقاله در اصل در تاریخ منتشر شد Undark. دفعات بازدید: مقاله.

تصویر های اعتباری: Třinecké železárny / Wikimedia Commons