ظرفیت‌ها و چالش‌های تولید فولاد سبز در منطقه منا (MENA)

به گزارش می‌متالز، حدود ۷ درصد از آلایندگی دی اکسید کربن (CO۲) در جهان را صنعت فولاد تولید می‌کند. اگر کل تولید CO۲ توسط شرکت‌های تولید کننده فولاد یک کشور فرض شود بعد از چین و آمریکا بیشترین آلایندگی دی اکسید کربن مربوط به کشور‌های تولید کننده فولاد است. با سخت گیرانه‌تر شدن قوانین مرتبط با آلودگی و مالیات‌های کربنی، حرکت به سمت تولید فولاد سبز برای بقای این صنعت و حضور در بازار‌های بین المللی ضروریست. استراتژی شرکت‌های مطرح خودرو ساز در اروپا جهت استفاده از فولاد سبز تا سال ۲۰۳۰ و همچنین قوانین بازدارنده صادرات فولاد به اروپا لزوم حرکت در راستای تولید فولاد سبز را دو چندان کرده است. در سالیان گذشته روش‌های مختلفی جهت کاهش میزان دی اکسید کربن مورد بررسی قرار گرفته است، اما استفاده از هیدروژن در تولید فولاد به عنوان یکی از اصلی‌ترین روش‌های حذف CO۲ معرفی شده است. در این روش سوخت فسیلی حذف و سایر منابع انرژی جایگزین می‌شود. استفاده از گاز هیدروژن در فرآیند احیای مستقیم (DRI) در کوره‌های قوس الکتریکی (EAF) و تامین انرژی الکتریکی کارخانه تولید فولاد از طریق انرژی‌های تجدید پذیر خورشیدی و بادی راه حل تولید فولاد سبز است. در این مقاله ضمن بررسی کشور‌های منطقه MENA به لحاظ تولید فولاد، پتانسیل‌ها و چالش‌های این منطقه جهت تولید فولاد سبز مورد بررسی قرار داده شود.

وضعیت تولید فولاد در منطقه MENA

در منطقه خاورمیانه و شمال آفریقا (MENA) عمده تولید فولاد با استفاده از روش احیای مستقیم است. در سال ۲۰۲۱، حدود ۵۰ درصد تولید فولاد جهان با استفاده از روش DRI در این منطقه تولید شده است. بدلیل کم بودن کک مناسب در این منطقه و وجود ذخایر گاز طبیعی مناسب تنها حدود ۳ درصد از فولاد در این منطقه با استفاده از روش‌های غیر از روش احیای مستقیم بوده است. همانطور که در شکل ۱ ملاحظه می‌شود ۵۵ میلیون تن تولید فولاد در این منطقه با روش احیای مستقیم است. ایران، عربستان سعودی و مصر بعنوان اصلی‌ترین تولید کنندگان در منطقه هستند که ۸۰ درصد تولید این منطقه را پوشش می‌دهند. در جدول ۲۰۲۱ میزان تولید فولاد خام در کشور‌های منطقه آورده شده است.

از آنجاییکه این کشور‌ها از روش احیای مستقیم برای تولید فولاد استفاده می‌کنند، یک گام نسبت به سایر کشور‌های جهان جلوتر برای تولید فولاد سبز هستند چرا که به جای استفاده از عامل احیای گاز، امکان استفاده از هیدروژن در تولید فولاد دارند.

شکل ۱- مقایسه میزان تولید فولاد با استفاده از روش احیای مستقیم در جهان

جدول ۱- میزان تولید فولاد خام و سهم روش‌های تولید در کشور‌های منطقه (میلیون تن)

Country Crude Steel Production Share of Electric Furnace (%) Share of Basic Oxygen Furnace (%) DRI Production*

Iran ۲۸.۵، ۹۰.۳، ۹.۷، ۳۱.۸۵

Saudi Arabia ۸.۷، ۱۰۰ – ۶.۱۳

Egypt ۱۰.۳، ۱۰۰ – ۵.۲۳

UAE ۳.۰، ۱۰۰ – ۳.۶۶

Algeria ۳.۵، ۸۷.۵ (۲۰۲۰) ۱۲.۵ (۲۰۲۰) ۳.۰۸

Oman ۲.۰، ۱۰۰ – ۱.۷۰

Bahrain ۰.۷، ۱۰۰ – ۱.۵۱

Libya ۰.۵، ۱۰۰ – ۰.۸۸

Qatar ۱.۲، ۱۰۰ – ۰.۷۹

Source: World Steel Association and Midrex*

ظرفیت تولید و صادرات فولاد سبز در منطقه MENA

بر اساس برنامه‌های آژانس بین المللی انرژی (IEA) در سال ۲۰۵۰ تولید فولاد جهان با استفاده از هیدروژن باید به ۳۹ درصد افزایش یابد. در حال حاضر حدود ۵ درصد فولاد جهان با استفاده از روش DRI-EAF تولید می‌شوند که این بیانگر آینده روشن استفاده از این تکنولوژی است بالاخص در منطقه MENA که مزیت گاز را دارند، می‌باشد.

بر مبنای گزارش IEA میزان تولید CO۲ در روش BF-BOF ۲/۲ تن به ازای هر تن تولید فولاد می‌باشد در حالیکه در روش DRI-EAF به ۴/۱ تن به ازای هر تن فولاد تقلیل می‌یابد. دلیل این موضوع هم وجود مولکول هیدروژن در گاز طبیعی است که در فرایند احیا استفاده می‌شود.

طبق توافقات انجام شده شرکت‌های خودرو ساز ولوو، مرسدس، بی ام و، ژنرال موتور و فولکس واگن تا سال ۲۰۳۰ از تولید کنندگان فولاد سبز ورق‌های مورد نیاز خود را خریداری خواهند کرد. در حالیست که از سال ۲۰۲۶، وارد کنندگان فولاد در اروپا ملزم به خرید فولاد از تولید کنندگانی هستند که لایسنس CBAM را دارا می‌باشند. اتحادیه اروپا قوانینی را تصویب کرده است که واردکنندگان فولاد به اروپا ملزم به ارایه گزارش میزان تولید CO۲ (بطور مستقیم و غیرمستقیم) را در فرایند تولید فولاد هستند. از آنجاییکه روش احیای مستقیم میزان تولید CO۲ کمتری دارد لذا زمینه صادرات از این منطقه بیشتر فراهم می‌باشد این موضوع زمانی اجرایی می‌شود که سرمایه گذاری‌های لازم جهت استفاده ار H۲ در فرایند تولید فولاد انجام پذیرد.

پتانسیل تولید هیدروژن در منطقه MENA با استفاده از انرژه‌های تجدید پذیر

طی ۱۰ سال گذشته هزینه تولید برق از خورشید کاهش ۸۵ درصدی داشته و از kwh/U$ ۳۸۱/۰ در سال ۲۰۱۰ به kwh/U$ ۰۵۷/۰ در سال ۲۰۲۰ کاهش یافته است. استفاده از انرژی‌های تجدید پذیر در تولید برق علی رغم اینکه منطقه MENA ظرفیت بالایی برای تولید برق از انرژی خورشید را دارد، ولی سهم این انرژی در تولیدات فولاد بسیار کم است. بر اساس گزارش بانک جهانی منطقه MENA بیشترین ظرفیت تولید برق با استفاده از انرژی خورشیدی را دارد. (شکل-۲)

شکل ۲- مقایسه پتانسیل تولید برق از منابع خورشیدی

بطور تقریبی هزینه سرمایه گذاری تولید انرژی الکتریکی از خورشید در سال ۲۰۲۰ در قطر به kwh/U$ ۰۱۵۷ /۰، در امارات kwh/U$ ۰۱۳۵/۰ و در عربستان kwh/U$ ۰۱۵۰/۰ کاهش یافته است. آژانس بین المللی انرژی‌های تجدید پذیر (IRENA) پیش بینی کرده است که این عدد در منطقه خاور میانه می‌تواند تا kwh/U$ ۰۱/۰ کاهش یابد. از طرفی طبق پیش بینی‌ها طی ۵ سال (۲۰۲۶-۲۰۲۱) ظرفیت تولید انرژی الکتریکی از خورشید در این منطقه از GW ۱۵ به Gw۳۲ افزایش خواهد یافت.

شکل ۳ وضعیت تولید انرژی در منطقه MENA در سال ۲۰۵۰ را نشان می‌دهد طبق این مطالعات GW ۳۳۴ انرژِی خورشیدی و GW ۸۳ انرژِی بادی در سال ۲۰۵۰ در این منطقه اضافه خواهد شد که سهم انرژی بادی از ۱ درصد به ۹ درصد و انرژی خورشیدی از ۲ درصد به ۲۴ درصد افزایش خواهد یافت.

شکل ۳- وضعیت تولید انرژی در منطقه MENA تا سال ۲۰۵۰

از بین تمام منابع انرژی پایدار هیدروژن بالاترین پتانسیل را در بخش‌های تولید حرارت، حمل و نقل، تولید انرژی و صنعت را دارد. با توجه به توسعه انتقال انرژی به سمت انرژی‌های نو، تولید هیدروژن بعنوان یکی از مهمترین سرمایه گذاری‌ها در بخش انرژی می‌باشد. IEA پیش بینی کرده است که در سال ۲۰۳۰ ظرفیت‌های نصب شده الکترولایزر به GW ۵۴ خواهد رسید و این عدد درخاورمیانه به GW ۳ خواهد رسید. (شکل ۴)

شکل ۴- ظرفیت‌های الکترولایزر‌ها تا سال ۲۰۳۰ براساس پلنت‌های نصب شده و برنامه ریزی شده

ظرفیت صادرات هیدروژن در منطقه MENA با توجه به مصرف کم داخلی بسیار بالاتر نسبت به سایر مناطق می‌باشد. طبق پیش بینی‌ها تا سال ۲۰۵۰ عربستان و مراکش به عنوان اصلی‌ترین تولید کنندگان هیدروژن در منطقه می‌باشند. در حال حاضر سرمایه گذاری‌های متعددی در منطقه خاورمیانه برای تولید هیدروژن انجام شده است. در سال ۲۰۲۶ عربستان صعودی برنامه بهره برداری از اولین پلنت تولید هیدروژن با ظرفیت ۶۵۰ تن در روز با سرمایه گذاری بالغ بر ۵ میلیارد دلار را دارد که در نوع خود یکی از بزرگترین‌ها در دنیا می‌باشد. انرژی این پلنت از نیروگاه‌های خورشیدی و بادی با ظرفیت ۴GW تولید می‌شود. در عین حال این کشور با هدف اینکه بزرگترین تولید کننده هیدروژن تا سال ۲۰۵۰ در دنیا شود سرمایه گذاری بالغ بر ۱۰ میلیارد دلاری برای تولید هیدروژن آبی (Blue Hydrogen) از مخازن گازی را انجام داده است.

در آگوست ۲۰۲۱ توافقنامه‌ای در امارات با حضور سرمایه گذاران بین المللی برای احداث اولین کارخانه فولاد سبز امضا شده است.

اولین سرمایه گذاری در بخش تولید هیدروژن در کشور مصر توسط Fortescue با احداث نیروگاه بادی و خورشیدی با ظرفیت ۹.۲ GW آغاز شده است.

علاوه بر این‌ها سرمایه گذاری‌های دیگری از طریق کنسرسیوم‌های مختلفی از کشور‌های هنگ کنگ و امارت، شرکت‌های نفت و گاز عمان و کویت با سرمایه گذاری‌های بیش از ۳۰ میلیارد دلار در حال انجام می‌باشد.

چرا فولاد سبزدر کانون توجه قرار دارد؟

دسترسی به منابع انرژی خورشیدی ارزان و زمین منطقه MENA را به یکی از مهمترین پتانسیل‌ها برای توسعه صنعت هیدروژن در آینده تبدیل کرده است.

برآورد‌ها نشان می‌دهد برای تولید ۴Mt فولاد سبز حداقل GW۳/۱ – ۲/۱ برق برای واحد الکترولایزر جهت تولید هیدروژن مورد نیاز می‌باشد.

در جدول ۲ مقایسه بین دو منطقه یکی در اروپا و دیگری در شمال آفریقا را جهت تغییر تکنولوژی از تولید فولاد بر اساس روش‌های معمولی به تولید فولاد بر اساس H۲DRI-EAF نشان می‌دهد. براساس این محاسبات تونس با توجه به دسترسی به منابع انرژی ارزان تجدیدپذیر ۳۱ درصد ظرفیت کمتر انرژی خورشید نسبت به رومانی نیاز دارد که این باعث کاهش هزینه‌های سرمایه گذاری در این منطقه می‌شود.

جدول ۲- مقایسه هزینه‌های تولید در کشور‌های تونس و رومانی و نمایش اثر موقعیت جغرافیایی در کاهش هزینه‌ها

Item Romania Tunisia

PV installed power (GW) ۶.۴، ۴.۴

PV LCOE (€/MWh) ۴۴، ۲۹

Electrolysis power (GW) ۴.۵، ۳.۳

Hydrogen LCOH (€/MWh) ۴، ۲.۹

Required storage (t) ۴۷,۰۰۰، ۲۰,۵۰۰

Storage cost (€/kg) ۰.۹، ۰.۳۶

H۲ delivery price (€/kg) ۵.۳، ۳.۷

Source: Hydrogen Europe, Steel from Solar Energy.

هزینه‌های تولید هیدروژن

هزینه تولید هیدروژن بعنوان یکی از گلوگاه‌ها در تولید فولاد سبز می‌باشد با این حال در حال حاضر هزینه تولید هیدروژن (green hydrogen) از روش الکترولیز پایین‌تر از تولید blue Hydrogen در منطقه خاورمیانه می‌باشد. در ژولای ۲۰۲۲ هزینه الکترولیز آلکالی (alkaline electrolysis) در قطر U$/kg ۵۹/۲، درعربستان سعودی U$/kg ۲/۳ در عمان U$/kg ۵۵/۳ و در امارات U$/kg ۱۴/۵ بوده است. این هزینه برای تولید هیدروژن با روش الکترولیز (PEM) Polymer Electrolyte Membrane حدود U$/kg ۱ بالاتر از تکنولوژی آلکالی می‌باشد. این درحالیست که هزینه تولید blue Hydrogen که با استفاده از تکنولوژی‌های SMR و CCR تولید می‌شود U$/kg ۷ درخاورمیانه می‌باشد.

شکل ۵- حدود برآورد هزینه تولید هیدروژن در جهان با توجه به دسترسی به انرژی‌های خورشیدی و روش‌های تولید هیدروژن

طبق پیش بینی Bloomberg NEF در سال ۲۰۵۰ با رسیدن قیمت تولید ا هیدروژن به زیر us/kg ۵/۱ استفاده از تکنولوژی H۲DRI-EAF کاملاً رقابت پذیر خواهد بود.

شکل ۶- پیش بینی قیمت تولید هیدروژن ۲۰۵۰ و اثر آن بر قیمت تولید فولاد

از طرف دیگر در منطقه MENA بدلیل وجود زیر ساخت‌های لازم جهت انتقال گاز، هزینه‌های انتقال و جابجای هیدروژن نیز کاهش می‌یابد و این نیز خود باعث کاهش هزینه‌های جابجایی می‌شود.

چالش‌های پیش رو در منطقه MENA برای تولید فولاد سبز

در منطقه MENA حجم بالایی از گندله با استفاده از ذخایر معدنی موجود در کشور‌ها تولید می‌شود. در این منطقه ایران به عنوان یکی از بزرگترین تولید کنندگان گندله می‌باشد. از جمله دیگر تولید کنندگان اصلی گندله در این منطقه کشور‌های بحرین و عمان می‌باشند. با توجه به ذخایر گازی ارزان در این منطقه شرکت‌های بزرگ معدنی سرمایه گذاری‌های کلانی در بخش تولید گندله و آهن اسفنجی در این منطقه انجام داده اند. از جمله این سرمایه گذاری‌ها می‌توان به سرمایه گذاری شرکت واله برزیل بعنوان یکی از بزرگترین تولید کنندگان سنگ آهن و گندله درجهان، در عمان نام برد که در سال ۲۰۲۱، MT ۲/۸ گندله تولید کرده است. اما نکته‌ای که حائز اهمیت است دسترسی به ذخایر معدنی مناسب برای تأمین خوراک پایدار برای این واحد‌های تولیدی در منطقه می‌باشد. برای دستیابی به اهداف سال ۲۰۵۰ تامین گندله مورد نیاز به عنوان یکی از چالش‌های اساسی می‌باشد. زیرا ذخایر معدنی به لحاظ عیاری رو به کاهش بوده و تامین خوراک با عیار مناسب یک مساله جدی می‌باشد.

حمایت دولت از پیوستن به توافقات بین المللی برخی از کشور‌های منطقه به موافقتنامه پاریس ملحق شده اند. عربستان سعودی یکی از این کشورهاست که برنامه حذف CO۲ در سال ۲۰۶۰ دارد. امارات متحده عربی که میزبان همایش COP۲۸ در سال ۲۰۲۳ می‌باشد اولین کشور در خاور میانه می‌باشد که برنامه کاهش تا ۲۰۵۰ را دارد و برنامه کاهش ۵/۲۳ درصدی تا پایان این دهه را دنبال می‌کند. عمان نیز تا ۲۰۵۰ و بحرین تا ۲۰۶۰ برنامه‌های حذف دی اکسید کربن را هدفگذاری کرده اند. ایران بعنوان بزرگترین تولید کننده آهن براساس تکنولوژی احیای مستقیم تا کنون به موافقتنامه پاریس ملحق نشده است.

یکی از مهمترین چالش‌ها در منطقه MENA در بخش دولت‌ها پشتیبانی و حمایت دولت‌ها می‌باشد. دولت‌ها ترجیح میدهند با استفاده از اعتبارات و تسهیلات بین المللی نسبت به اجرای طرح‌های فوق اقدام نمایند که این موضوع باعث کاهش سرعت سرمایه گذاری‌ها می‌شود.

برای دستیابی یک میلیون تن فولاد سبز بر مبنای تکنو لوژی H۲DRI -EAF مزرعه خورشیدی با ظرفیت GW ۱ سالیانه مورد نیاز است. همچنین برای تولید GW۱ بیش از ۸۰۰۰-۶۰۰۰ هکتار زمین نیاز است.

تأمین آب

علاوه بر مسایل تکنیکی برای استفاده از هیدروژن برای استفاده در DRI در مقیاس‌های بزرگ، مساله تامین گندله در آینده، سرمایه گذاری و توسعه نیروگاه‌های خورشیدی و تجدید پذیر و مساله مهم‌تر در منطقه MENA کمبود آب است.

۱۲ کشور از ۱۷ کشور منطقه MENA با کمبود جدی آب مواجه هستند. برای تولید یک کیلو گرم هیدروژن سبز از طریق انرژی خورشیدی kg۳۲ و از طریق باد Kg ۲۲ آب نیاز است. شکل ۷ مقایسه میزان مصرف آب در تولید هیدروژن با استفاده از منابع انرژی مختلف را نشان می‌دهد.

شکل ۷- مقایسه میزان مصرف آب در تولید هیدروژن با استفاده از منابع انرژی مختلف

به رغم مشکلات تصاعدی مصرف آب در الکترولیزها، ولی همچنان مصرف آب در الکترولیزر‌ها به مراتب پایین‌تر از سایر بخش‌ها می‌باشد. در سال ۲۰۵۰ مصرف آب در صنایع کشاورزی، صنعتی ۷۶۸/۷۶۹/۲ و در مصرف شهری ۴۶۴ میلیارد متر مکعب می‌باشد در حالیکه مصرف آب برای الکترولیز ۲۵ میلیارد متر مکعب می‌باشد با این حال با توجه به کمبود آب در منطقه MENA تامین این موضوع در MENA سخت می‌باشد. بیشترین حجم آب شیرین کن‌ها در منطقه MENA است. حدود ۵۰ درصد از آب شیرین کن‌های دنیا در این منطقه واقع شده است. آژانس انرژی (IEA) استفاده از آب شیرین کن برای تولید آب U$/kg ۰۲/۰ – ۰۱/۰ هزینه تولید هیدروژن را افزایش می‌دهد که این عدد بسیار ناچیز است. این افزایش هزینه در گزارش دیگری توسط IRENA حدود U$/kg ۰۵/۰ محاسبه شده است.

تولید فولاد سبز تنها یک راهکار ندارد

بدیهی است تنها یک راه حل برای تولید فولاد سبز وجود ندارد بلکه هر کشوری متناسب با ظرفیت‌های خود می‌تواند راه حل خود را جهت حذف دی اکسید کربن داشته باشد.

به رغم اینکه منطقه MENA، پتانسیل تولید هیدروژن را دارد و می‌تواند به عنوان اولین کشور‌ها در تولید فولاد سبز باشد، اما کشور‌های توسعه یافته پیشران در تولید فولاد سبز می‌باشند.

منطقه MENA ظرفیت تولید هیدروژن برای مصرف داخلی و همچنین صادرات آن را دارد.

مسأله تولید برق از محل انرژی‌های تجدید پذیر چالشی در منطقه MENA نیست، اما در برخی از کشور‌های منا این ظرفیت وجود ندارد.

منطقه MENA می‌تواند ۳۰ درصد از ظرفیت گاز طبیعی در تولید فولاد را با هیدروژن بدون اصلاحات اساسی در فرآیند تولید بکار گیرد و در فاز بعدی این رقم را به ۱۰۰ درصد ارتقا بخشد.

اگرچه مسأله تأمین خوراک سنگ آهن مناسب نه تنها در منطقه MENA بلکه در کل دنیا به عنوان یک مسأله جدی مطرح است.

در نهایت باید این نکته توجه شود که برای تولید ۱MT فولاد سبز نیاز به حداقل GW ۱ انرژی تجدید پذیر ۶۰۰۰-۸۰۰۰ هکتار زمین است.

علی رضا رحیم - مدیرعامل آهن و فولاد سرمد ابرکوه

منبع: دنیای معدن