في المدينة في مدينة ووبورن ، ماساتشوستس ، إحدى ضواحي شمال بوسطن ، قام كادر من المهندسين والعلماء يرتدون المعاطف البيضاء بفحص كومة منظمة من سبائك الفولاذ ذات اللون الرمادي الداكن ، بحجم الطوب ، على مكتب داخل مساحة مختبر مضاءة بالنيون.
ما كانوا يبحثون عنه هو مجموعة من الفولاذ تم إنشاؤها باستخدام طريقة تصنيع مبتكرة ، وهي طريقة بوسطن ميتال، وهي شركة انبثقت عن معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا قبل عقد من الزمن ، وتأمل في إعادة تشكيل الطريقة التي صنعت بها السبيكة لقرون. باستخدام الكهرباء لفصل الحديد عن خامه ، تدعي الشركة أنها تستطيع صنع الفولاذ دون إطلاق ثاني أكسيد الكربون ، مما يوفر طريقًا لتنظيف واحدة من أسوأ الصناعات في العالم لانبعاثات غازات الاحتباس الحراري.
يعتبر الفولاذ أحد أكثر المواد الصناعية شهرة في العالم ، حيث يعد أحد المدخلات الأساسية للهندسة والبناء ، حيث يحتوي على أكثر من 2 مليار طن ينتج سنويا. ومع ذلك ، فإن هذه الوفرة تأتي بسعر باهظ لـ بيئة. حسابات صناعة الصلب ل 7 في المئة 11 من انبعاثات غازات الاحتباس الحراري العالمية ، مما يجعلها واحدة من أكبر المصادر الصناعية لتلوث الغلاف الجوي. ولأن الإنتاج ممكن ترتفع بحلول عام 2050 ، يمكن أن ينمو هذا العبء البيئي.
وهذا يشكل تحديا كبيرا لمواجهة أزمة المناخ. الامم المتحدة يقول يعد خفض انبعاثات الكربون الصناعية بشكل كبير أمرًا ضروريًا للحفاظ على الاحترار العالمي تحت علامة 1.5 درجة مئوية المنصوص عليها في اتفاقية باريس للمناخ لعام 2015. للقيام بذلك ، يجب أن تنخفض الانبعاثات من الصلب والصناعات الثقيلة الأخرى بنسبة 93 في المائة بحلول عام 2050 ، وفقًا لـ تقديرات من وكالة الطاقة الدولية.
في مواجهة الضغط المتصاعد من الحكومات والمستثمرين لتقليل الانبعاثات ، يقوم عدد من صانعي الصلب - بما في ذلك كبار المنتجين والشركات الناشئة - بتجربة تقنيات منخفضة الكربون تستخدم الهيدروجين أو الكهرباء بدلاً من التصنيع التقليدي كثيف الكربون. بعض هذه الجهود تقترب من الواقع التجاري.
قال كريس باتاي ، خبير اقتصادي الطاقة في IDDRI ، وهو مركز أبحاث مقره باريس: "ما نتحدث عنه هو صناعة كثيفة رأس المال وتتجنب المخاطر حيث يكون الاضطراب نادرًا للغاية". لذلك ، أضاف ، "إنه أمر مثير" أن هناك الكثير مما يحدث في نفس الوقت.
لا يزال الخبراء يتفقون على أن تحول الصناعة العالمية التي انقلبت التي تزيد قيمتها عن 2.5 تريليون دولار. في عام 2017 وتوظف أكثر من 6 مليون شخص سيأخذ مجهودًا هائلاً. إلى جانب العقبات العملية أمام توسيع نطاق العمليات الجديدة في الوقت المناسب للوصول إلى أهداف المناخ العالمي ، هناك مخاوف بشأن الصين ، حيث يتم تصنيع أكثر من نصف الفولاذ في العالم والتي لا تزال خططها لإزالة الكربون من قطاع الصلب غامضة.
قال باتاي: "إنه بالتأكيد ليس حلاً سهلاً لإزالة الكربون من صناعة مثل هذه". "لكن ليس هناك خيار. يعتمد مستقبل القطاع - ومستقبل مناخنا - على ذلك بالضبط ".
________
تتضمن صناعة الصلب الحديثة عدة مراحل إنتاج. في الغالب ، يتم سحق خام الحديد وتحويله إلى لبيد (صلب خشن) أو كريات. بشكل منفصل ، يتم خبز الفحم وتحويله إلى فحم الكوك. ثم يتم خلط الخام وفحم الكوك مع الحجر الجيري وإدخالهما في فرن صهر كبير حيث يتم إدخال تدفق هواء شديد الحرارة من القاع. تحت درجات الحرارة المرتفعة ، يحترق فحم الكوك وينتج الخليط الحديد السائل ، المعروف باسم الحديد الخام أو حديد الفرن العالي. ثم تدخل المادة المنصهرة في فرن الأكسجين ، حيث يتم نفخها بالأكسجين النقي من خلال رمح مبرد بالماء ، مما يفرض على الكربون ترك الفولاذ الخام كمنتج نهائي.
هذه الطريقة ، التي حصل عليها المهندس الإنجليزي هنري بسمر براءة اختراع لأول مرة في خمسينيات القرن التاسع عشر ، تنتج انبعاثات ثاني أكسيد الكربون بطرق مختلفة. أولاً ، تؤدي التفاعلات الكيميائية في الفرن العالي إلى انبعاثات ، حيث يرتبط الكربون المحتجز في فحم الكوك والحجر الجيري بالأكسجين في الهواء لتكوين ثاني أكسيد الكربون كمنتج ثانوي. بالإضافة إلى ذلك ، يتم حرق الوقود الأحفوري عادةً لتسخين الفرن العالي ولتشغيل مصانع التلبيد والتكوير ، وكذلك أفران فحم الكوك ، مما يؤدي إلى انبعاث ثاني أكسيد الكربون في هذه العملية.
بقدر 70 في المئة من الصلب في العالم يتم إنتاجه بهذه الطريقة ، وتوليد ما يقرب من طنين من ثاني أكسيد الكربون لكل طن من الصلب المنتج. ال 30 في المئة المتبقية يتم تصنيعها كلها تقريبًا من خلال أفران القوس الكهربائي ، والتي تستخدم تيارًا كهربائيًا لصهر الفولاذ - الخردة المعاد تدويرها إلى حد كبير - ولها انبعاثات ثاني أكسيد الكربون أقل بكثير من الأفران العالية.
قال جيفري ريسمان ، مدير برنامج الصناعة ورئيس النمذجة في شركة سياسة الطاقة والمناخ إنرجي إنوفيشن ، ومقرها سان فرانسيسكو ، إنه بسبب العرض المحدود للخردة ، لا يمكن تلبية كل الطلب المستقبلي بهذه الطريقة. وقال إنه مع السياسات الصحيحة المعمول بها ، يمكن أن توفر إعادة التدوير ما يصل إلى 45 في المائة من الطلب العالمي في عام 2050. "سيتم إرضاء الباقي من خلال تشكيل الصلب الأساسي القائم على الركاز ، حيث تأتي معظم الانبعاثات."
لذا ، "إذا كانت صناعة الصلب جادة" بشأن التزاماتها المتعلقة بالمناخ ، كما أضاف ، "فسيتعين عليها إعادة تشكيل الطريقة التي تُصنع بها المواد بشكل أساسي - والقيام بذلك بسرعة إلى حد ما".
________
تحل إحدى التقنيات البديلة التي يتم اختبارها محل فحم الكوك بالهيدروجين. في السويد، الهجين- مشروع مشترك بين مصنع الصلب SSAB ومورد الطاقة Vattenfall و LKAB ، منتج خام الحديد - يقوم بتجربة عملية تهدف إلى إعادة توظيف نظام قائم يسمى الحديد المختزل المباشر. تستخدم العملية فحم الكوك من الوقود الأحفوري لاستخراج الأكسجين من كريات خام الحديد ، مما يترك حبيبات حديد مسامية تسمى الحديد الإسفنجي.
بدلاً من ذلك ، تستخرج طريقة Hybrit الأكسجين باستخدام غاز الهيدروجين الخالي من الأحافير. يتم إنشاء الغاز من خلال التحليل الكهربائي ، وهي تقنية تستخدم تيارًا كهربائيًا - في هذه الحالة ، من مصدر طاقة خالٍ من الأحافير - لفصل الماء إلى هيدروجين وأكسجين. (معظم الهيدروجين النقي اليوم يرصد مع الميثان ، الذي ينتج ثاني أكسيد الكربون عند الاحتراق.) ثم ينتقل الحديد الإسفنجي الناتج إلى فرن القوس الكهربائي ، حيث يتم تكريره في النهاية إلى الفولاذ. تطلق العملية بخار الماء فقط كمنتج ثانوي.
قال ميكائيل نوردلاندر ، رئيس صناعة إزالة الكربون في Vattenfall: "هذه التكنولوجيا معروفة منذ فترة ، ولكن تم إجراؤها في المختبر فقط حتى الآن". "ما نقوم به هنا هو معرفة ما إذا كان يمكن أن يعمل على [] المستوى الصناعي."
في أغسطس الماضي ، وصلت Hybrit إلى أولى مراحلها: SSAB ، التي تنتج وتبيع المنتج النهائي ، قامت بتسليم الدفعة الأولى من الفولاذ الخالي من الأحافير إلى شركة صناعة السيارات فولفو ، التي استخدمتها في النماذج الأولية للمركبة. كما أنها تخطط لإنشاء مصنع للإنتاج التجاري ، والذي يهدف إلى استكماله بحلول عام 2026.
مشروع سويدي آخر ، H2 Green Steel ، يطور مصنعًا مشابهًا لصلب الهيدروجين على نطاق تجاري بمساعدة 105 ملايين دولار تم جمعها من مستثمرين وشركات خاصة بما في ذلك Mercedes-Benz و Scania و IMAS Foundation ، وهي منظمة مرتبطة بـ Ikea. الشركة خطط لبدء الإنتاج بحلول عام 2024 وإنتاج 5 ملايين طن من الفولاذ عديم الانبعاثات سنويًا بحلول نهاية العقد. تشمل الشركات الأخرى التي تختبر صناعة الصلب التي تعمل بالهيدروجين أرسيلور ميتال, كروبو سالزجيتر ايه جي في ألمانيا؛ بوسكو في كوريا الجنوبية؛ و VOESTALPINE في النمسا.
يمكن أيضًا استخدام الكهرباء لتقليل خام الحديد. على سبيل المثال ، طورت شركة Boston Metal عملية تسمى التحليل الكهربائي للأكسيد المنصهر ، حيث يتحرك التيار عبر خلية تحتوي على خام الحديد. عندما تنتقل الكهرباء بين طرفي الخلية وتسخن الخام ، يتصاعد الأكسجين (ويمكن تجميعه) ، بينما يتحول خام الحديد إلى حديد سائل يتجمع في قاع الخلية ويتم النقر عليه بشكل دوري. ثم يتم خلط الحديد المنقى مع الكربون ومكونات أخرى.
أوضح آدم راوردينك ، نائب الرئيس الأول لتطوير الأعمال في الشركة: "ما نفعله أساسًا هو مبادلة الكربون بالكهرباء كعامل اختزال". "هذا يسمح لنا بصنع فولاذ عالي الجودة باستخدام طاقة أقل وبخطوات أقل من صناعة الصلب التقليدية." وأضاف أنه طالما أن الطاقة تأتي من مصادر خالية من الأحافير ، فإن العملية لا تولد أي انبعاثات كربونية.
وقال إن الشركة ، التي تدير حاليًا ثلاثة خطوط تجريبية في منشأة Woburn التابعة لها ، تعمل على تقديم مفهومها المخبري إلى السوق ، باستخدام تم جمع 50 مليون دولار العام الماضي من مجموعة مستثمرين بما في ذلك Breakthrough Energy Ventures ، بدعم من Bill Gates ، وشركة BMW الألمانية لصناعة السيارات. من المتوقع أن يتم تشغيل مصنع تجريبي على نطاق تجاري بحلول عام 2025.
قال سريدهار سيتارامان ، أستاذ علوم وهندسة المواد في جامعة ولاية أريزونا: "أشعر أن كل هذه الحلول لها مكانها ، اعتمادًا على الموقع ، وتوافر الموارد ، والمنتج المستهدف". "ومع ذلك ، لا أعتقد في الوقت الحالي أن أي شخص بمفرده سيعطيك رصاصة فضية لتلبية الطلب."
قال باتاي ، الخبير الاقتصادي في مجال الطاقة في IDDRI: "يتمتع الهيدروجين قليلًا من السبق بالاستناد إلى نظام راسخ وهو أيضًا متقدم في مجال التسويق". "لكن تحقيق صناعة فولاذية خالية من الكربون سيتطلب المزيد من المسارات الخالية من الكربون ، لذلك أعتقد أنه سيكون هناك مساحة كافية في السوق لجميع هذه المسارات في النهاية."
________
على الرغم من أن عمليات صناعة الفولاذ الأكثر مراعاة للبيئة تكتسب زخمًا ، إلا أنه لا يزال هناك عدد من التحديات الخطيرة التي يجب مواجهتها. قال توماس كوتش بلانك ، المدير الأول في المنظمة غير الربحية ومقرها كولورادو ، إن أهمها هو التوسع الهائل في البنية التحتية للطاقة المتجددة الذي سيترتب عليه تحول على مستوى الصناعة إلى هذه الأساليب الجديدة. معهد روكي ماونتن. ويقدر أن العالم سيحتاج إلى ما يصل إلى ثلاثة أضعاف مصادر الطاقة الشمسية وطاقة الرياح المثبتة حاليًا لكهربة إنتاج الصلب الأساسي الحالي.
عائق آخر هو التكلفة. سيتطلب التحول إلى الكهرباء أو الهيدروجين مبالغ هائلة من الإنفاق الرأسمالي لبناء محطات جديدة وتعديل المحطات القديمة. في حالة طريقة الهيدروجين النظيف ، سيرتفع سعر الفولاذ إلى حد كبير لأن منتجي الصلب يقعون بالقرب من فحم الكوك منخفض التكلفة بدلاً من الهيدروجين منخفض التكلفة ، كما أشار كوخ بلانك. "من المرجح أن تؤدي هذه التكاليف الأولية إلى ارتفاع سعر كل من الفولاذ والمنتجات النهائية ، على الأقل في البداية."
وفقًا لريسمان ، المحلل في سان فرانسيسكو ، يمكن للتشريعات الخاصة بكل من جانب العرض والطلب أن تساعد في تعويض تلك التكاليف المرتفعة وتشجيع المزيد من الاستثمار في التقنيات الأكثر مراعاة للبيئة. وقال إن الحكومات يمكن أن تحفز استخدام الفولاذ منخفض الكربون للبناء والبنية التحتية من خلال مطالبة المشروعات التي تمولها الدولة باستخدام نسخ منخفضة الكربون من مواد البناء المخصصة. يمكنهم أيضًا فرض سياسات تجعل الشراء أكثر تكلفة من البلدان التي تكون فيها القواعد الخاصة بالانبعاثات أقل صرامة. وقال ريسمان إن ذلك سيساعد المنتجين المحليين على "البقاء في المنافسة" مع نمو سوق الصلب النظيف وتحقق عمليات الإنتاج الجديدة وفورات الحجم.
ربما تكون أكبر عائق في الطريق هي الصين ، حيث حول 90 في المئة يتم إنتاج الصلب باستخدام أفران الصهر. في سبتمبر 2020 ، الرئيس شي جين بينغ أعلن أن البلاد تهدف إلى أن تصبح محايدة للكربون بحلول عام 2060. في محاولة للحد من التلوث من مصانع الصلب المحلية ، والتي تمثل ما يقرب من 15 في المائة من إجمالي انبعاثات الكربون في البلاد ، تعهدت بكين أيضًا تحقيق ذروة انبعاثات الصلب بحلول عام 2030. ومع ذلك ، تم الإعلان عن 18 مشروعًا جديدًا للأفران العالية في الصين في الأشهر الستة الأولى من عام 2021 ، بالنسبة الى لمجموعة أبحاث مركز أبحاث الطاقة والهواء النظيف ومقرها هلسنكي.
قال ريسمان إن الصلب هو أحد أهم الصناعات وأكثرها تحديًا لإزالة الكربون ، لذا فإن التنسيق العالمي بشأنه سيساعد بشكل كبير.
بالعودة إلى بوسطن ، وافق راويردينك ، وهو يقوم بمسح خطوط مصنع بوسطن ميتال ، بهذا الرأي. قال "إنه تحد رائع نواجهه". لكنه أضاف: "نحن نظهر أن الحلول موجودة - وتعمل".
تم نشر هذه المقالة في الأصل Undark. إقرأ ال المقال الأصلي.
الصورة الائتمان: Třinecké železárny / ويكيميديا كومنز
