چرخش سبز در صنعت فولاد

به گزارش می‌متالز، حفاظت از محیط‌زیست به مرور اهمیت بیشتری پیدا می‌کند و این واقعیت بر صنعت فولاد اثری غیرقابل کتمان دارد. تغییر فرآیند تولید از کوره بلند به احیای مستقیم و قوس الکتریکی یا استفاده حداکثری از هیدروژن از این قبیل موارد است. با روی کار آمدن بایدن این انتظار به صورت جدی وجود دارد که پیمان پاریس به صورت عملیاتی مورد توجه کشور‌ها قرار گرفته و هزینه انتشار مواد آلاینده اثری مستقیم بر شرایط تولید، به‌روزرسانی و سرمایه‌گذاری‌ها داشته باشد تا جایی که ارزش اقتصادی تولید در کوره بلند را با ابهامی جدی روبه‌رو کند. هرچه می‌گذرد این روند شتاب بیشتری به خود می‌گیرد تا جایی‌که می‌توان گفت در نقطه عطف صنعت فولاد قرار گرفته‌ایم و نیاز به آهن اسفنجی و مخصوصا HBI یا بریکت فولادی (از مواد اولیه پرعیار صنعت فولاد) تا سال ۲۰۵۰ به بیش از ۵۰۰ میلیون تن یعنی ۵برابر رقم فعلی افزایش خواهد یافت. این نکته به معنی مزیتی غیرقابل انکار برای سرمایه‌گذاری، تولید و صادرات این گروه‌های کالایی با محوریت HBI است که می‌تواند آینده جذابی را برای این صنایع رقم بزند. خلیل سجاد از محققان صنعت فولاد در گزارشی تفصیلی به این موارد پرداخته است که بخش‌هایی از آن را ملاحظه می‌کنید.

فاکتور قیمت در دورنمای صنعت فولاد

تحقیقات گسترده‌ای در همه زمینه‌های تولید و مصرف فولاد‌های پیشرفته، از ساختمان گرفته تا خودرو و زیرساخت‌ها در حال انجام است. در کنار همه این موارد باید در نظر داشت که هم‌اکنون ۲۵ میلیارد تن فولاد در جهان وجود دارد که با نرخ مشخصی در حال تبدیل شدن به قراضه است، به گونه‌ای که هم اکنون ۷۰۰ میلیون تن قراضه در سال تولید می‌شود که این عدد در سال ۲۰۵۰ به ۱۳۰۰ میلیون تن در سال می‌رسد.

در کنار همه این موارد، پارامتر اساسی «قیمت» است که تعیین کننده بسیاری از رخداد‌های آینده است، آن‌هم در شرایطی که هیچ ماده‌ای با گستره منابع طبیعی آهن و نیز وسعت استفاده فولاد در جهان وجود ندارد که بتواند با آن رقابت کند، بنابراین راهی جز استفاده از این حجم وسیع قراضه و تبدیل مجدد آن به فولاد وجود ندارد و روز‌به‌روز با پیشرفت تکنولوژی‌های فولادسازی، بر تنوع تولید فولاد‌های پیشرفته افزوده می‌شود و به طور قطع می‌توان گفت جایگزینی برای فولاد حداقل تا ۳۰ سال آینده وجود ندارد.

پیش‌بینی تقاضای فولاد در جهان

هم اکنون بیش از ۲۵ میلیارد تن فولاد به شکل‌های مختلف در جهان در حال استفاده است و بنابراین به طور متوسط به ازای هر نفر، ۳ تن فولاد وجود دارد، اما جهت پیش‌بینی آنچه تا سال ۲۰۵۰ در ارتباط با مصرف فولاد اتفاق خواهد افتاد، کشور‌ها لازم است به ۳ عامل اصلی تولید ناخالص داخلی، رشد جمعیت و نرخ شهرنشینی توجه ویژه کرد.

در سال ۲۰۵۰، اولین ۵ شهر پر جمعیت جهان در قاره‌های آسیا و آفریقا قرار خواهند گرفت و در انتهای قرن بیست و یکم، تمامی ۲۰ شهر پرجمعیت جهان در قاره‌های آسیا و آفریقا قرار خواهند داشت. نکته قابل توجه آنکه در میان این ۲۰ شهر، هیچ‌یک از شهر‌های چین قرار ندارد و در سال ۲۱۰۰ پرجمعیت‌ترین شهر جهان، لاگوس نیجریه با ۸۸ میلیون نفر جمعیت خواهد بود.

در سال ۲۰۵۰، از جمعیت ۱۰ میلیارد نفری جهان، ۳ میلیارد نفر در هند و چین زندگی خواهند کرد و مقدار فولاد در حال استفاده در این دو کشور به حداقل ۲۰ میلیارد تن خواهد رسید.

بر اساس پیش‌بینی‌های سازمان ملل، ۶۸ درصد از جمعیت جهان در سال ۲۰۵۰، در شهر‌ها زندگی می‌کنند، یعنی ۶ میلیارد و ۸۰۰میلیون نفر که اگر تعداد جمعیت شهرنشین هند و چین را که به ترتیب ۸۱۴ و ۱۰۵۰ میلیون نفر در سال ۲۰۵۰ است را از آن کم کنیم به عدد ۴ میلیارد و ۹۳۶ میلیون نفر می‌رسیم. به عبارت ساده‌تر به‌جز دو کشور هند و چین؛ ۷۱ درصد جمعیت جهان در سال ۲۰۵۰ شهرنشین خواهند بود. این در حالی است که GDP با درصد جمعیت شهرنشین نسبت مستقیم دارد و برای درصد شهرنشینی برابر ۷۱ درصد در سال ۲۰۵۰، متوسط GDP بر تعداد جمعیت کشور‌ها (به جز چین و هند) به ۱۵ هزار دلار خواهد رسید.

برآورد می‌شود؛ برای نسبت تولید ناخالص داخلی بر جمعیت (تولید ناخالص داخلی سرانه) برابر ۱۵هزار دلار، مقدار فولاد در حال استفاده به ۸ تن به ازای هر نفر می‌رسدکه اگر فقط ۵ میلیارد نفر جمعیت شهرنشین جهان (به جز هند وچین) در سال ۲۰۵۰ را در نظر بگیریم، ۴۰ میلیارد تن فولاد در جهان (به جز هند و چین) وجود خواهد داشت که با احتساب چین و هند، به عدد ۶۰‌میلیارد تن فولاد خواهیم رسید. این در حالی است که مصرف فولاد برای جوامع غیرشهری در نظر گرفته نشده است بنابراین در سال ۲۰۵۰ قطعا بیش از ۶۰ میلیارد تن فولاد در حال استفاده در جهان وجود خواهد داشت. با توجه به ۲۵میلیارد تن فولاد سال ۲۰۲۰به میزان۳۵میلیارد تن فولاد جدید بر اساس سنگ‌آهن باید تا سال ۲۰۵۰ تولید شود یعنی به طور متوسط، هر سال ۱۲۰۰ میلیون تن فولاد جدید نیاز است و این جدا از فولاد تولید شده توسط آهن قراضه خواهد بود.

نیاز به ۱۲۰۰ میلیون تن فولاد جدید (از سنگ‌آهن) به معنی ایجاد مخاطرات زیست‌محیطی جدیدی است که باید به دقت به آن توجه شود، آن‌هم در شرایطی که به صورت سنتی، هم‌اکنون غالب تولید فولاد از سنگ آهن از مصرف زغال‌سنگ حاصل می‌شود.

پیمان پاریس و آینده صنعت فولاد

پیمان پاریس در ارتباط با حفظ محیط‌زیست و کنترل میزان انتشار گاز‌های گلخانه‌ای و نیز کنترل گرمایش زمین، به عنوان مبنای کنترل محیط‌زیست از سال۲۰۲۰، لازم الاجرا شد.

متاسفانه با خروج آمریکا از این پیمان و با مشاهده رفتار کشور‌های مختلف، به روشنی مشخص می‌شود که گرچه در ظاهر، سایر کشور‌ها همچنان در پیمان مانده‌اند، اما عملکرد آن‌ها در انتشار گاز‌های گلخانه‌ای و عدم پیاده‌سازی مقررات سخت‌گیرانه پیمان، تفاوتی میان آن‌ها و آمریکا نگذاشته و به بیان دیگر انگار که در چند سال گذشته (مخصوصا قبل از شیوه ویروس کرونا) چیزی به نام پیمان پاریس وجود نداشته است.

انتخاب بایدن به ریاست جمهوری آمریکا، تمامی بی‌تفاوتی‌های گذشته را بر هم زد. امضای نخستین فرمان‌های بایدن در بازگشت به پیمان پاریس، تمامی سهل‌انگاری‌های گذشته همه کشور‌ها را با چالشی بزرگ مواجه خواهد کرد و اثراتی در همین ۳ ماه گذشته بر صنعت فولاد بر‌جای گذاشت. بر اساس پیمان پاریس، تا انتهای قرن حاضر، حداکثر افزایش درجه حرارت زمین نباید بیش از ۲ درجه از دمای دوران پیش صنعتی زیادتر شود و این مقرراتی به شدت سخت گیرانه است که به خصوص در صنعت فولاد، چالش‌های بزرگی را به همراه خواهد داشت. با توجه به آنکه صنعت فولاد باعث ایجاد ۸ درصد از کل آلودگی کره زمین است، بازیگران اصلی این صنعت به شدت تحت فشارند که انتشار کربن را کاهش دهند. موارد زیر به سرعت در حال انجام است:

تغییر نیاز‌های مشتری و هدایت آن به سمت استفاده از فولاد‌های دوستدار محیط‌زیست. این راهکار هم اکنون توسط بسیاری از صنایع به خصوص صنعت اتومبیل سازی آغاز شده است به عنوان مثال شرکت‌های تویوتا و فولکس واگن اعلام کرده‌اند که قصد دارند در تمام زنجیره تامین‌کنندگان خود، شرط تولید بدون کربن را الزامی کنند.

افزایش (قیمت) هزینه تولید کربن

هم‌اکنون ۷۲ درصد از مسیر تولید فولاد بر اساس روش کوره بلند - کنورتور انجام می‌شود و تنها ۲۸ درصد تولید بر اساس کوره قوس الکتریکی صورت می‌گیرد که در این میان سهم قراضه ۲۳ درصد و تنها ۵ درصد از کل تولید فولاد در جهان از روش احیای مستقیم انجام می‌شود.

روش کوره بلند و استفاده از زغال‌سنگ، قدیمی‌ترین روش تولید انبوه فولاد در جهان است. تا آنجا که هم اکنون واحد‌های کوره بلند با بیش از ۵۰ سال عمر، در جهان در حال بهره‌برداری است، در حالی که عمر مفید این واحد‌ها به پایان رسیده و برای ادامه مسیر تولید آن‌ها دو راه‌حل زیر متصور است:

بازسازی و به‌سازی کلی واحد‌های موجود و استفاده از تکنولوژی‌های جدید نظیر تزریق پودر زغال و CCUS و نیز استفاده از گاز‌های برگشتی

حذف واحد موجود و استفاده از تکنولوژی‌های جدیدتر نظیر احیای مستقیم

باید به این نکته توجه کرد که با ترکیب ۸۰ درصد آهن اسفنجی و ۲۰ درصد قراضه، میزان آلودگی زیست محیطی به ۵۰ درصد روش کوره بلند می‌رسد، اما در صورتی که میزان قراضه در این ترکیب به ۷۰ درصد برسد، میزان انتشار CO ۲ به کمتر از ۴۰ درصد روش کوره بلند خواهد رسید.

این در حالی است که میزان انتشار کربن در کوره‌های قوس با ۱۰۰ درصد شارژ قراضه به شدت کاهش یافته و به ۲۰ درصد کوره بلند می‌رسد، اما بر اساس تکنولوژی‌های موجود با توجه به میزان ناخالصی‌های همراه قراضه، در تکنولوژی‌های مرسوم اغلب تنها می‌توان به فولاد‌های سنتی ساختمانی رسید و به‌دست آوردن فولاد‌های ویژه در این حالت اگر غیرممکن نباشد؛ بسیار دشوار است و لازم است درصد مشخصی از DRI (آهن اسفنجی) یا HBI (بریکت) به همراه قراضه در کوره قوس شارژ شود.

پس لازم است ترکیبی از آهن اسفنجی و قراضه در کوره قوس شارژ شود تا به طور همزمان ضمن دست یافتن به فولاد‌های ویژه، میزان انتشار CO ۲ نیز در حد قابل قبول باقی بماند. به نظر می‌رسد که این ترکیب بهینه همان ۳۰ درصد آهن اسفنجی و ۷۰ درصد قراضه باشد.

باید به این نکته توجه کرد که تولید آهن اسفنجی در هند بر پایه زغال‌سنگ مرسوم بوده، ولی CO ۲ تولیدی آن حتی ۲۰ درصد بالاتر از کوره بلند است، بنابراین بسته‌شدن این قبیل واحد‌های تولیدی در آینده‌ای نه‌چندان دور را باید محتمل ارزیابی کرد.

با توجه به فعال شدن تعهدات پیمان پاریس، هزینه انتشار کربن به سرعت افزایش خواهد یافت، به گونه‌ای که اگر امروز این هزینه برابر با ۲۵ یورو در هر تن CO ۲ است، در سال ۲۰۲۶ این عدد به ۵۵ تا ۶۵ یورو و در سال ۲۰۵۰ به ۱۰۰تا ۱۵۰ یورو در هر تن CO ۲ می‌رسد بنابراین الزامات زیست‌محیطی اثر واقعی بر تولید فولاد برجای خواهد گذاشت.

جایگاه هیدروژن در آینده صنعت فولاد

استفاده از هیدروژن یکی از روش‌های نوین برای تولید فولاد است که شاید گسترش آن اغلب به دلیل کاهش مخاطرات زیست‌محیطی باشد، اما هیدروژنی که از الکترولیز آب به دست می‌آید به هیدروژن سبز معروف بوده و در صورت استفاده از انرژی خورشیدی برای تولید برق، می‌توان گفت که مخاطره‌ای برای محیط‌زیست ندارد. حتی استفاده از هیدروژن سبز در کوره بلند نیز حداکثر می‌تواند تا ۲۰ درصد، انتشار کربن را کاهش دهد. به این ترتیب به نظر می‌رسد از سال ۲۰۴۰، روش‌های بر مبنای هیدروژن جایگزین روش‌های سنتی تولید فولاد شود.

اتحادیه اروپا در تابستان ۲۰۲۰ اعلام کرد که تا سال ۲۰۵۰ به میزان ۴۷۰ میلیارد یورو بر روی هیدروژن سرمایه‌گذاری می‌کند که این نوید بخش تولید فولاد‌های بر اساس هیدروژن در آینده نزدیک است.

سازندگان بزرگ تجهیزات فولادسازی اروپا نظیر SMS آلمان و دانیلی ایتالیا، از هم‌اکنون کار بر روی فولادسازی بر اساس هیدروژن را شروع کرده‌اند. میتسوبیشی نیز هم اکنون یک واحد ساخت تجهیزات تولید هیدروژن را در نروژ خریداری کرده و در حال خرید سهام واحد‌های تولید هیدروژن در استرالیا و سایر نقاط دنیاست.

توسعه واحد‌های احیای مستقیم و کوره قوس

همه موارد گفته شده تا کنون، آینده صنعت فولاد جهان را در حذف تدریجی واحد‌های کوره بلند و کنورتور قدیمی و جایگزین کردن آن‌ها با واحد‌های احیای مستقیم و کوره قوس تصویر می‌کند. به طور متوسط، ۸۰ درصد از HBI تولید شده در جهان از روش میدرکس به‌دست می‌آید. با توجه به آنالیز گاز احیا در میدرکس، انتظار داریم DRI تولید شده با دمای بالاتری بتواند از رآکتور خارج شود و بنابراین میدرکس برای تولید HBI مناسب‌تر است. این موضوع البته به جهت نزدیکی تکنولوژی‌های میدرکس و PERED، برای واحد‌های PERED (نوعی از فرآیند احیای مستقیم) نیز صادق است. تنها در طول ۵ سال از ۲۰۱۵ تا ۲۰۱۹، ۵۰ درصد به تولیدات آهن اسفنجی در جهان اضافه شده است.

مسیر پیش روی ما

حداقل در ۳ نقطه جهان و براساس برنامه‌ریزی‌های صورت گرفته، واحد‌های قدیمی کوره بلند جای خود را به کوره‌های قوس و واحد‌های احیای مستقیم خواهد داد. چین با ۸۰۰ میلیون تن، اتحادیه اروپا با ۱۰۰ میلیون تن و کره جنوبی با ۵۰ میلیون تن (ظرفیت) تولید به روش کوره بلند در این دسته قرار می‌گیرند. حتی اگر نیمی از این واحد‌ها تا سال ۲۰۵۰ حذف شده و به EAF قوس تبدیل شوند، در آن صورت حجم HBI موردنیاز، چند برابر تولید فعلی جهان خواهد بود.

در کنار همه اینها، هند قرار دارد که با توجه به رشد تولید فولاد این کشور در طول ۳۰ سال آینده، پیش‌بینی می‌شود که در سال ۲۰۵۰ به حداقل ۴۰۰ میلیون تن فولاد در سال نیاز داشته باشد. این بدین معناست که ۴ برابر تولید فعلی هند در سال ۲۰۵۰ به فولاد نیاز دارد که این خود با توجه به نزدیکی ایران به هند و قیمت بسیار زیاد گاز طبیعی در هند، توجیه‌کننده احداث واحد‌های فراوان تولید HBI فقط به منظور تامین خوراک مورد نیاز آن کشور است.

به‌نظر می‌رسد که نیاز به آهن اسفنجی در جهان در سال ۲۰۵۰ به بیش از ۵۰۰ میلیون تن در سال برسد، یعنی نزدیک به ۵برابر تولید فعلی و روشن است که تا ارزان شدن انرژی تجدیدپذیر و ارزان شدن هیدروژن راه درازی باقی است. تا آن زمان راه حل پیش روی جهان، استفاده از HBI تولید شده در کشور‌هایی است که از مزیت گاز طبیعی ارزان‌قیمت استفاده می‌کنند که ایران در صدر لیست این کشورهاست.

کلام آخر اینکه، اکنون ما در نقطه عطف تولید فولاد در جهان قرار گرفته‌ایم و بهترین فرصت جهت سرمایه‌گذاری در احیای مستقیم و تولید HBI با هدف صادرات، امروز فراهم شده است.

برخی از ویژگی‌های تاثیرگذار فولاد در آینده‌پژوهی این صنعت

فولاد، بار‌ها و بار‌ها می‌تواند تا ۱۰۰ درصد بازیافت شود، بدون اینکه کیفیت آن پایین آید.

در میان تمام مواد ساختمانی، فولاد از بیشترین نسبت استحکام به وزن برخوردار است.

به‌طور متوسط، ۳۷ درصد از فولاد‌های جدید تولید شده، از بازیافت به‌دست آمده است که این میزان با توجه به افزایش روز افزون قراضه فولاد در جهان، در حال افزایش است.

در سال ۲۰۱۷ نزدیک به ۹/ ۵ درصد از درآمد صنعت فولاد صرف سرمایه‌گذاری‌های جدید و تحقیق و توسعه شده است.

۳۵۰۰ نوع مختلف فولاد در حال حاضر وجود دارد که ۷۵ درصد از آن، تا ۲۰ سال پیش وجود نداشت.

تکنولوژی‌هایی در حال توسعه‌اند که با استفاده از آنها، گاز فرآیند فولادسازی را می‌توان به متانول و اتانول تبدیل و از آن‌ها می‌توان در کاهش استفاده از سوخت فسیلی در بخش‌های دیگر نظیر حمل و نقل استفاده کرد.

در سال ۲۰۱۸ حدود ۶۳۰ میلیون تن از ضایعات فولاد، بازیافت شده که منجر به کاهش انتشار CO۲ در مقایسه با کوره بلند شده است.

فولاد‌های جدید با استحکام بالاتر و وزن کمتر در کاربرد‌های مختلف، بین ۲۵ تا ۴۰ درصد در کاهش وزن و افزایش استحکام کمک کرده اند که باعث کاهش آلودگی‌های زیست محیطی سایر صنایع مرتبط نیز شده است.

با استفاده از فولاد‌های خاص می‌توان ساختمان‌های بلند را با ۵۰ درصد فولاد کمتر نسبت به ۵۰ سال پیش ساخت.

در تحقیق صورت گرفته توسط آرسلور میتال، ساخت یک ساختمان ۸ طبقه با ۱۳ متر فاصله بین ستون‌ها، دو برابر سریع‌تر از یک ساختمان بتونی انجام می‌شود و ۲۴ درصد در هزینه ساخت کاهش داده می‌شود و فضای بیشتری جهت اقامت آماده می‌کند.

امروزه قدرت بدنه فلزی خودرو‌ها تا ۱۵۰۰ مگاپاسکال رسیده است که بیش از ۸ برابر مستحکم‌تر از ۵۰ سال گذشته است. امروزه بیش از ۵۰ درصد از بدنه خودرو‌ها از فولاد AHSS ساخته می‌شود.

تولید فولاد‌های AHSS، ۵ برابر نسبت به تولید آلومینیوم و فیبر کربن و ۷ برابر نسبت به تولید منیزیم، انتشار CO۲ کمتری دارد.

منبع: دنیای اقتصاد