الهيدروجين الاختيار الأفضل لمواجهة انبعاثات الكربون في صناعة الحديد والصلب
التكلفة هي التحدى الأكبر أمام توطين تكنولوجيا الفولاذ الأخضر المحايد مناخيًا
انبعاثات الكربون من إنتاج الحديد 2.3 جيجا طن سنويًا قد ترتفع إلى 2.8 جيجا طن بحلول 2050
يعتبر تصنيع الصلب العالمي مسؤولاً عن ربع انبعاثات ثاني أكسيد الكربون في القطاع الصناعي العالمي، كما أن إزالة الكربون من القطاع باستخدام الهيدروجين الأخضر هو الخيار الواعد، رغم أنه مكلف في البداية.
الصلب هو القطاع الصناعي الذي يصعب إزالة الكربون منه لأنه يعتمد بشكل كبير على كميات هائلة من الطاقة في كل مرحلة من مراحل إنتاجه ، من تعدين خام الحديد إلى تشغيل أفران الصهر.
كل طن من الفولاذ المنتج في عام 2018 يؤدي إلى متوسط انبعاثات 1.85 طن من ثاني أكسيد الكربون (CO2) ، وهو ما يعادل حوالي 8 % من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون في قطاع الطاقة العالمي وحوالي 25 ٪ من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون الصناعية ، وفقًا لجمعية الصلب العالمية.
يعتبر الفولاذ أيضًا أكبر مستهلك صناعي للفحم، حيث يوفر 75٪ من الطلب على الطاقة ، وفقًا لوكالة الطاقة الدولية (IEA).
قال بيل جيتس لرويترز مؤخرًا، إن قطاع التصنيع، وخاصة الصلب والأسمنت، كان من أكثر المجالات التي تثير القلق عند مناقشة صناعة إزالة الكربون، لا سيما أنه من المتوقع أن تستمر هذه القطاعات في النمو خلال العقود المقبلة في الوقت الذي حاولت فيه الشركات الحد من الانبعاثات.
تبلغ انبعاثات الكربون العالمية من إنتاج الحديد والصلب حاليًا حوالي 2.3 جيجا طن سنويًا، وتشير سيناريوهات العمل كالمعتاد إلى أن هذا قد يرتفع إلى 2.8 جيجا طن سنويًا بحلول عام 2050.
في أوروبا، ضرائب الكربون، على سبيل المثال من خلال نظام تجارة الانبعاثات (ETS) – أول سوق كربوني رئيسي في العالم – وآلية تعديل حدود الكربون (CBAM) – تعريفة الكربون المقترحة كجزء من الصفقة الخضراء الأوروبية – تزيد الضغط على بواعث كبيرة مثل الفولاذ لإيجاد مسار لإزالة الكربون.
قال كبير المتخصصين في نقل الطاقة في ناتاكسيس إيفان بافلوفيتش، خلال ندوة عبر الإنترنت لأحداث رويترز بعنوان” قطاعي الهيدروجين وصعوبة التراجع”، “ما ينشأ حاليًا في أوروبا من خلال تعزيز ETSوCBAM ، يضع صناعة الصلب في مرحلة من تاريخها حيث سيتعين عليها إزالة الكربون في مكان ما أو آخر، الهيدروجين هو خيار رئيسي لإزالة الكربون من انبعاثات صناعة الصلب”.
الخيارات المطروحة
تدرس شركات الصلب مجموعة متنوعة من الخيارات لتقليل انبعاثات الكربون، ولكن الجمع بين الخفض المباشر للحديد (DRI) ، وأفران القوس الكهربائي التي تعمل بالهيدروجين (بدلاً من أفران الصهر التي تعمل بالفحم)، وخردة المعادن تعتبر أكثر الخيارات قابلية للتطبيق تحقيق حل طويل الأجل لإنتاج الفولاذ الكربوني المحايد.
حاليًا، يتم تقليل الحديد المستخدم في عملية صناعة الصلب كيميائيًا من خام الحديد من خلال الوقود الأحفوري مثل الغاز الطبيعي والفحم.
يمكن للهيدروجين أيضًا القيام بهذه المهمة كعامل اختزال مساعد في فرن الأكسجين الأساسي للفرن العالي (BF-BOF) ، على الرغم من أن هذا ينتج أيضًا انبعاثات الكربون التي يجب التعامل معها من خلال تقنيات احتجاز الكربون ، أو كعامل اختزال وحيد في عملية المعروف بالاختزال المباشر للحديد (DRI)، ومع ذلك ، كما هو الحال مع العديد من حلول الهيدروجين الخضراء، فإن إيجاد مستويات هائلة من الكهرباء الخالية من الانبعاثات لإنتاجها لا يزال يمثل تحديًا.
وفقًا لوكالة الطاقة الدولية، المصدر الرئيسي لإنتاج الهيدروجين اليوم هو الغاز الطبيعي الذي يمثل حوالي ثلاثة أرباع إنتاج الهيدروجين العالمي السنوي المخصص لحوالي 70 مليون طن، يذهب حوالي 6%من الغاز الطبيعي العالمي، و 2% من الفحم العالمي نحو إنتاج الهيدروجين، بينما أقل من 0.1% من الهيدروجين العالمي المخصص يأتي من التحليل الكهربائي للماء.
تقول الوكالة الدولية للطاقة، إذا تم إنتاج كل إنتاج الهيدروجين المخصص حاليًا ، والذي يبلغ حوالي 70 مليون طن من خلال التحليل الكهربائي للماء وحده، فسوف يتطلب ذلك حوالي 3600 تيراواط ساعة، أي أكثر من توليد الكهرباء السنوي في دول الاتحاد الأوروبي البالغ عددها 27 دولة.
وعليه فاستبدال الوقود الأحفوري في عملية DRI بالطاقة المتجددة أو الهيدروجين لا يزال غير تنافسي من حيث التكلفة، فوفقا لدراسة الجدوى التي أجرتها شركة الصلب السويدية SSAB ، فإن الصلب الخالي من الأحافير ، نظرًا لسعر الكهرباء والفحم وانبعاثات ثاني أكسيد الكربون اليوم ، سيكون أكثر تكلفة بنسبة 20-30 ٪.
يفترض سيناريو التنمية المستدامة لوكالة الطاقة الدولية زيادة بنسبة 400٪ في الطلب في جميع أنحاء العالم على الهيدروجين النظيف حتى عام 2050 اعتبارًا من عام 2020 ، وهو مقياس سيتطلب مستويات ضخمة من الاستثمار.
وفي الوقت نفسه، هناك حاجة إلى ثلاثة أضعاف الهيدروجين لتزويد نفس كمية الطاقة مثل الغاز الطبيعي ، مما يعني أن خطوط أنابيب الغاز الحالية ستحتاج إلى إصلاح شامل إذا كانت ستحمل الهيدروجين، هناك حاجة لحوالي 9 لترات من الماء لإنتاج كيلوغرام واحد من الهيدروجين، وهي مشكلة محتملة في المناطق التي تعاني من شح المياه.
يقول المستشار ماكينزي في “مستقبل صناعة الصلب الأوروبية”: “سيتطلب اعتماد تقنيات منخفضة ثاني أكسيد الكربون استثمارات كبيرة – تصل إلى 100 مليار يورو بحلول عام 2050 ، من المنتجين الأوروبيين ، اعتمادًا على حجم المرافق الجديدة والمعدلة”.
“تحتاج صناعة الصلب الأوروبية إلى إجراء تغييرات تشغيلية قصيرة الأجل وتحركات إستراتيجية متوسطة إلى طويلة الأجل لبناء مستقبل قابل للحياة اقتصاديًا ومستدام بيئيًا. سيتطلب ذلك أن تكون صناعة الصلب وصانعي السياسات متوائمين ومستعدين للتعاون “.
تهدف شركة تيسين كروب للصلب الألمانية إلى أن تكون محايدة مناخياً بحلول عام 2045 ، وكهدف أولي ، تخطط لتقليل الانبعاثات من إنتاجها وعملياتها بنسبة 30٪ بحلول عام 2030 مقارنة بعام 2018. ومع ذلك ، فإن الشركة لا تتوهم كثيرًا عن التحديات المقبلة.
“يتطلب الفولاذ المحايد مناخيًا تغييرًا في التكنولوجيا ، والذي يجب أن ينتج عنه مرافق إنتاج جديدة وتوسيع البنية التحتية للهيدروجين. يتطلب هذا التغيير مليارات الدولارات من الاستثمار في مصانع جديدة وتحويل مواقع متكاملة. وهذا سيؤدي إلى زيادة كبيرة تقول ماري جاروني ، رئيسة إزالة الكربون في تيسين كروب للصلب: “تكاليف التشغيل في فترة انتقالية حتى يتم توسيع نطاق العمليات الجديدة”.
“ومع ذلك، من الواضح أيضًا أنه على المدى المتوسط إلى الطويل ، ستنخفض التكاليف ويجب أن يتحملها السوق بالكامل.”
يتم الشعور بالضغط على صانعي الصلب للابتعاد عن الوقود الأحفوري بشكل حاد بشكل خاص في أوروبا حيث لم تستثمر الشركات بشكل كبير في أفران القوس الكهربائي (EAF) التي تعمل بالطاقة الكهربائية مقارنة بالولايات المتحدة ، والتي تحولت بشكل مطرد إلى أفران القوس الكهربائي في السنوات القليلة الماضية عقودًا، والصين، حيث يعتمد التنظيم على المزيد من الخطوات الإضافية نحو صافي صفر في عام 2060.
في أوروبا، تضافرت أسعار الكربون التي تجاوزت التوقعات ، والطلب المتزايد على الفولاذ الأخضر من المستخدمين النهائيين مثل صناعة السيارات ، وعدد متزايد من الوافدين الجدد في الصناعة الذين يفتخرون بأحدث التقنيات ، لدفع صانعي الصلب التقليديين لوضع استراتيجيات للانتقال إلى البيئة الخضراء.
“في الأربعين عامًا الماضية أو نحو ذلك ، لم نشهد تقريبًا أي مصانع فولاذ جديدة في أوروبا والآن فجأة، هناك 20 مشروعًا على الطاولة.
ارتفعت أسعار الكربون في أوروبا إلى ما يقرب من 97 يورو للطن في فبراير، وبما أن مصنع الصلب المتكامل سينبعث منه ما يقرب من طنين من ثاني أكسيد الكربون لكل طن من الفولاذ، فإن تكلفة الكربون تمثل عبئًا ماليًا كبيرًا على الشركة المصنعة.
يقول ألكسندر فليشانديرل، رئيس حلول ECO في Primetals Technologies، المستخدمون النهائيون مستعدون أيضًا لدفع علاوة على المعادن الخضراء بينما تسعى العديد من الشركات الانتقالية للحصول على تمويل عام ، مثل صندوق الابتكار التابع للاتحاد الأوروبي ، ليس فقط لزيادة الإنفاق الرأسمالي، ولكن أيضًا لدعم تكاليف التشغيل المرتفعة عند استخدام الهيدروجين والطاقة المتجددة .
