هیدروژن سبز: راه‌حل کربن‌زدایی صنعت فولاد ایران
چالش‌ها و فرصتها برای کاهش آلایندگی‌های صنعت فولاد
از سوی دیگر، تولید فولاد به‌طور سنتی بر پایه سوخت‌های فسیلی بوده است و این مسئله عامل اصلی آلودگی در فرآیندهای تولیدی این صنعت است. یکی از نوآوری‌های مهم در این زمینه استفاده از هیدروژن سبز به‌عنوان جایگزین سوخت‌های فسیلی در فرآیند تولید فولاد است. هیدروژن سبز، که از منابع انرژی تجدیدپذیر مانند انرژی خورشیدی و بادی تولید می‌شود، می‌تواند به‌عنوان یک راه‌حل موثر برای کاهش آلودگی و کربن‌زدایی از صنعت فولاد به‌کار گرفته شود.
مقاله «بررسی چالش کربن‌زدایی صنعت فولاد ایران به روش تولید فولاد با هیدروژن سبز» به بررسی چالش‌ها و راه‌حل‌های کربن‌زدایی صنعت فولاد ایران از طریق استفاده از هیدروژن سبز پرداخته و به‌ویژه به تحلیل ظرفیت‌های ایران اشاره کرده که در زیر به گزیده‌ای از این مطالعه اشاره خواهیم کرد.
صنعت فولاد و تاثیر آن بر تغییرات اقلیمی
صنعت فولاد یکی از صنایع سنگین است که همزمان با تولید محصولات فلزی مانند تیرآهن، میلگرد، ورق‌های فولادی و سایر محصولات فولادی، مقدار زیادی دی‌اکسید کربن تولید می‌کند. این صنعت به‌طور سنتی برای فرآیندهای تولید فولاد خود از سوخت‌های فسیلی، به‌ویژه زغال‌سنگ، گاز طبیعی و کک، استفاده کرده و در این فرآیندها گازهای گلخانه‌ای زیادی تولید می‌شود. طبق آمارهای جهانی، صنعت فولاد مسئول ۱۱ درصد از تولید جهانی دی‌اکسید کربن است که این میزان به‌ویژه از طریق فرآیندهای احیای سنگ آهن و ذوب فولاد به‌دست می‌آید.
در ایران نیز، این صنعت یکی از بزرگ‌ترین منابع تولید گازهای گلخانه‌ای است. در سال ۲۰۲۱، ایران بیش از ۲۸ میلیون تن تولید فولاد داشته است که این میزان تولید فولاد همراه با انتشار حدود ۶۹۰ میلیون تن دی‌اکسید کربن بوده است. این رقم نشان‌دهنده سهم عظیم این صنعت در آلایندگی‌ها و تاثیرات منفی آن بر تغییرات اقلیمی در کشور است.
فرآیندهای تولید فولاد و میزان انتشار دی‌اکسید کربن
صنعت فولاد از دو روش عمده برای تولید فولاد استفاده می‌کند که هرکدام دارای میزان متفاوتی از تولید دی‌اکسید کربن هستند:
۱- کوره بلند: در این روش، سنگ آهن با استفاده از کک (زغال‌سنگ مشتق‌شده) و گاز طبیعی احیا می‌شود. این فرآیند به‌دلیل استفاده از سوخت‌های فسیلی یکی از آلاینده‌ترین روش‌ها در صنعت فولاد است. به‌طور متوسط، برای تولید هر تن فولاد، حدود دو تن دی‌اکسید کربن تولید می‌شود. در این روش علاوه بر سوختن کک، از گاز طبیعی به‌عنوان عامل احیاکننده نیز استفاده می‌شود که باعث تولید مقادیر زیادی دی‌اکسید کربن می‌شود.
۲- کوره قوس الکتریکی: در این روش، از قراضه فولادی برای تولید فولاد و از برق به‌عنوان منبع انرژی برای ذوب قراضه‌ها استفاده می‌شود. این روش به‌طور نسبی آلایندگی کمتری نسبت به کوره بلند دارد. بااین‌حال، بسته به منبع تامین برق، همچنان ممکن است تولید دی‌اکسید کربن بالایی داشته باشد. اگر برق مصرفی از منابع فسیلی تامین شود، این روش همچنان موجب تولید گازهای گلخانه‌ای خواهد شد.
این دو روش به‌طور کلی سهم بزرگی از آلایندگی‌های صنعتی را به خود اختصاص می‌دهند و برای رسیدن به اهداف کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای نیاز به تغییرات اساسی دارند.
هیدروژن سبز: جایگزینی برای سوخت‌های فسیلی در صنعت فولاد
هیدروژن سبز به‌عنوان یکی از روش‌های نوین برای کربن‌زدایی از صنعت فولاد مطرح شده است. هیدروژن سبز به هیدروژنی اطلاق می‌شود که از منابع انرژی تجدیدپذیر مانند انرژی خورشیدی، بادی یا هیدرودینامیک تولید می‌شود. این فرآیند از طریق الکترولیز آب انجام می‌شود، جایی که انرژی الکتریکی از منابع تجدیدپذیر برای تجزیه آب به اکسیژن و هیدروژن استفاده می‌شود.
در صنعت فولاد، هیدروژن سبز می‌تواند به‌عنوان جایگزینی برای گاز طبیعی در فرآیند احیای سنگ آهن استفاده شود. در این روش، هیدروژن به‌جای کک و گاز طبیعی وارد کوره‌های تولید فولاد می‌شود و به‌طور مستقیم در واکنش‌های احیا استفاده می‌شود. نتیجه این فرآیند، تولید فولادی است که هیچ‌گونه دی‌اکسید کربنی تولید نمی‌کند. این ویژگی هیدروژن سبز به‌ویژه در کشورهایی که انرژی‌های تجدیدپذیر در دسترس دارند، می‌تواند به‌عنوان یک روش موثر برای کاهش آلودگی‌های صنعتی عمل کند.
چالش‌های تولید هیدروژن سبز در ایران
با وجود ظرفیت‌های بالای ایران در زمینه تولید انرژی‌های تجدیدپذیر، به‌ویژه انرژی خورشیدی و بادی، تولید هیدروژن سبز در مقیاس صنعتی با چالش‌هایی روبه‌رو است. یکی از اصلی‌ترین مشکلات، نیاز به مقادیر زیادی انرژی برای تولید هیدروژن سبز است. برای تولید هر کیلوگرم هیدروژن سبز به‌طور متوسط ۵۰ تا ۶۰ کیلووات ساعت برق از منابع تجدیدپذیر نیاز است. این بدین معناست که ایران باید زیرساخت‌های انرژی تجدیدپذیر خود را به‌طور چشمگیری گسترش دهد تا بتواند انرژی لازم برای تولید هیدروژن سبز را تامین کند.
علاوه بر این، یکی دیگر از چالش‌ها تامین زیرساخت‌های مناسب برای تولید و انتقال هیدروژن سبز است. ایران نیاز دارد تا واحدهای تولید هیدروژن سبز را در مناطق مناسب و با منابع تجدیدپذیر احداث کند. همچنین، سیستم‌های انتقال و ذخیره‌سازی هیدروژن نیز باید توسعه یابند تا امکان انتقال هیدروژن تولیدشده به مناطق مختلف فراهم شود.
نمونه‌های جهانی
در سطح جهانی، استفاده از هیدروژن سبز یکی از راه‌حل‌های اصلی برای کربن‌زدایی صنعت فولاد و سایر صنایع سنگین در حال توسعه است. بسیاری از کشورهای پیشرفته در حال سرمایه‌گذاری‌های کلان در زمینه تحقیق و توسعه این فناوری هستند. برخی از این کشورها پروژه‌های آزمایشی و تجاری موفقی را به اجرا درآورده‌اند که می‌تواند الگوی مناسبی برای سایر کشورها، از جمله ایران، باشد. در اینجا به برخی از مهم‌ترین پیشرفت‌های جهانی در زمینه استفاده از هیدروژن سبز در صنعت فولاد پرداخته شده است.
۱- پروژه HYBRIT در سوئد: یکی از پیشرفته‌ترین و معروف‌ترین پروژه‌ها در زمینه استفاده از هیدروژن سبز برای تولید فولاد در جهان، پروژهHYBRIT در سوئد است. این پروژه به‌عنوان یک همکاری بین شرکت فولاد SSAB، شرکت انرژی Vattenfall و شرکت معدنی LKAB راه‌اندازی شده است. هدف اصلی این پروژه، تولید فولاد بدون کربن و با استفاده از هیدروژن سبز است. در این پروژه، هیدروژن سبز به‌جای کک به‌عنوان ماده احیاکننده در فرآیند تولید فولاد وارد کوره‌ها می‌شود.
در فرآیندHYBRIT، هیدروژن سبز از الکترولیز آب که از طریق انرژی‌های تجدیدپذیر مانند انرژی خورشیدی و بادی تامین می‌شود، تولید می‌شود. این فرآیند به‌طور کلی باعث تولید فولاد بدون انتشار دی‌اکسید کربن می‌شود. در ابتدا، این پروژه تنها به‌طور آزمایشی در مقیاس کوچک انجام شد، اما در سال‌های اخیر شرکت‌ها شروع به گسترش این فناوری در مقیاس‌های بزرگ‌تر کرده‌اند. اولین محموله فولاد هیدروژنی از این پروژه در سال ۲۰۲۰ تولید شد که به‌طور کامل از هیدروژن سبز به‌جای سوخت‌های فسیلی استفاده کرده بود.
پروژه HYBRIT نه‌تنها نشان‌دهنده پتانسیل بالای هیدروژن سبز در کاهش آلایندگی‌های صنعت فولاد است، بلکه به‌عنوان اولین پروژه تجاری در جهان که به‌طور جدی به تولید فولاد بدون کربن پرداخته، یک الگوی موفق در صنعت فولاد جهانی شناخته می‌شود. این پروژه سوئدی اکنون در حال گسترش است و هدف نهایی آن این است که تا سال ۲۰۴۵ تولید فولاد با استفاده از هیدروژن سبز به‌طور کامل در سوئد پیاده‌سازی شود.
۲- پروژه H۲FUTURE در اتریش: پروژه H۲FUTURE یکی دیگر از پروژه‌های مهم در زمینه تولید فولاد با استفاده از هیدروژن سبز است که در اتریش در حال اجراست. این پروژه، که از سوی شرکت فولاد Voestalpine و با همکاری شرکای بین‌المللی نظیر Siemens و Verbund (شرکت تامین‌کننده انرژی) توسعه یافته است، به‌دنبال کاهش آلایندگی‌ها در صنعت فولاد، به‌ویژه در فرآیند تولید فولاد از طریق جایگزینی گاز طبیعی با هیدروژن سبز است. این پروژه به‌طور خاص بر روی تولید هیدروژن سبز از منابع تجدیدپذیر متمرکز است و هدف آن بررسی ظرفیت هیدروژن در تولید فولاد و دیگر محصولات صنعتی است. به‌طور دقیق‌تر، در پروژه H۲FUTURE، هیدروژن سبز تولیدشده از انرژی خورشیدی و بادی به‌عنوان سوخت در کوره‌های فولاد استفاده می‌شود تا فرآیند احیای سنگ آهن به‌طور کامل بدون تولید دی‌اکسید کربن انجام شود. این پروژه همچنین در نظر دارد که ظرفیت‌های تولید هیدروژن را در مقیاس بزرگ‌تر گسترش دهد و به دنبال ارتقای استفاده از هیدروژن سبز در سایر صنایع نیز هست.
۳- پروژه THYSSENKRUPP در آلمان: در آلمان، شرکت فولاد Thyssenkrupp یکی از پیشروترین شرکت‌ها در استفاده از هیدروژن سبز در صنعت فولاد است. این شرکت در حال توسعه فناوری «Hybrit» (نه با پروژه HYBRIT در سوئد، بلکه یک فناوری متفاوت) برای تولید فولاد کربن‌خنثی است. در این پروژه،Thyssenkrupp از هیدروژن سبز به‌عنوان جایگزینی برای گاز طبیعی و کک در فرآیند احیای سنگ آهن استفاده می‌کند. این فرآیند به‌طور ویژه بر روی استفاده از هیدروژن به‌جای کک تمرکز دارد که یکی از بزرگ‌ترین منابع تولید دی‌اکسید کربن در تولید فولاد است.
شرکت Thyssenkrupp در تلاش است تا با به‌کارگیری این فناوری، فولاد کربن‌خنثی تولید کند. این پروژه همچنین نشان می‌دهد که چگونه می‌توان از هیدروژن سبز در مقیاس‌های صنعتی و بزرگ در فرآیندهای تولیدی استفاده کرد. آلمان به‌عنوان یکی از کشورهای پیشرو در زمینه استفاده از هیدروژن سبز در صنایع سنگین، نقشی مهم در تحقیقات و توسعه این فناوری دارد و به‌طور مستمر در حال بهبود و گسترش آن است.
۴- پروژه H۲Steel در فرانسه: فرانسه نیز در زمینه استفاده از هیدروژن سبز در صنعت فولاد پیشرو است. پروژه H۲Steel در این کشور با هدف کاهش کربن در فرآیندهای فولادسازی، به‌ویژه احیای سنگ آهن، در حال اجراست. این پروژه به‌طور خاص بر استفاده از هیدروژن سبز در کوره‌های فولاد تمرکز دارد و از هیدروژن تولیدشده از منابع تجدیدپذیر برای فرآیندهای احیاء سنگ آهن استفاده می‌کند.
این پروژه که از سوی چندین شرکت صنعتی و تحقیقاتی فرانسوی راه‌اندازی شده است، به‌دنبال افزایش بهره‌وری انرژی و کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای است. H۲Steel به‌عنوان یکی از پروژه‌های پیشرو در این زمینه، توجه جهانی را به استفاده از هیدروژن در صنعت فولاد جلب کرده است.
آینده صنعت
صنعت فولاد ایران در حال حاضر با چالش‌های زیادی در زمینه کربن‌زدایی و کاهش آلایندگی‌ها مواجه است. این صنعت، به دلیل استفاده گسترده از سوخت‌های فسیلی در فرآیندهای تولیدی خود، سهم قابل‌توجهی در تولید گازهای گلخانه‌ای دارد که این موضوع در شرایط کنونی، به یکی از دغدغه‌های اصلی زیست‌محیطی تبدیل شده است. برای مقابله با این چالش‌ها و دستیابی به اهداف زیست‌محیطی جهانی، استفاده از هیدروژن سبز به‌عنوان یکی از روش‌های نوین و موثر برای کربن‌زدایی از صنعت فولاد پیشنهاد می‌شود. هیدروژن سبز، که از منابع انرژی تجدیدپذیر مانند انرژی خورشیدی و بادی تولید می‌شود، می‌تواند جایگزین سوخت‌های فسیلی در فرآیندهای تولید فولاد شود و تولید فولادی کربن‌خنثی را ممکن کند.
اما برای موفقیت در این زمینه، ایران نیازمند تحولی گسترده در زیرساخت‌های انرژی تجدیدپذیر خود است. یکی از اولین گام‌ها برای این تحول، سرمایه‌گذاری در توسعه انرژی‌های تجدیدپذیر، به‌ویژه انرژی خورشیدی و بادی است. ایران با توجه به موقعیت جغرافیایی خود و برخورداری از منابع غنی انرژی خورشیدی و بادی، پتانسیل بالایی برای تولید انرژی پاک دارد. این انرژی می‌تواند به‌عنوان منبع اصلی برای تولید هیدروژن سبز استفاده شود. به‌ویژه در مناطق جنوبی و مرکزی ایران که تابش خورشید بالاست، نصب پنل‌های خورشیدی و توربین‌های بادی می‌تواند بخش عمده‌ای از نیاز انرژی مورد نیاز برای تولید هیدروژن سبز را تامین کند. علاوه بر این، ایران باید زیرساخت‌های لازم برای تولید هیدروژن سبز را در مقیاس صنعتی توسعه دهد. این زیرساخت‌ها شامل تاسیس واحدهای تولید هیدروژن سبز و سیستم‌های انتقال و ذخیره‌سازی هیدروژن است. به‌منظور استفاده گسترده از هیدروژن سبز در صنعت فولاد، نیاز به این زیرساخت‌ها در مناطقی که منابع انرژی تجدیدپذیر در دسترس هستند، احساس می‌شود.
در این راستا، همکاری بین‌المللی با کشورهای پیشرفته که در زمینه استفاده از هیدروژن سبز در صنعت فولاد پیشرفت‌های زیادی داشته‌اند، از اهمیت زیادی برخوردار است. این همکاری‌ها می‌تواند شامل انتقال دانش فنی، استفاده از تجربیات موفق و همچنین جذب سرمایه‌های خارجی برای راه‌اندازی پروژه‌های مشابه در ایران باشد. در کنار اینها، ایجاد مشوق‌های قانونی و اقتصادی نیز می‌تواند به تشویق تولیدکنندگان فولاد برای استفاده از هیدروژن سبز کمک کند. وضع قوانین حمایتی و مالیاتی برای کاهش هزینه‌های تولید و تسهیل فرآیندهای قانونی می‌تواند به جذب سرمایه‌گذاری در این حوزه کمک کند.
با بهره‌گیری از ظرفیت‌های داخلی و تجربیات جهانی، ایران می‌تواند به تولید فولاد کربن‌خنثی دست یابد و به یکی از پیشگامان صنعت فولاد سبز در جهان تبدیل شود. برای رسیدن به این هدف، ضروری است که تمام بخش‌های دولتی، خصوصی و علمی به‌طور مشترک برای پیاده‌سازی این راهکارها همکاری کنند.
