Στην πόλη του Woburn της Μασαχουσέτης, ένα προάστιο ακριβώς βόρεια της Βοστώνης, ένα κλιμάκιο μηχανικών και επιστημόνων με λευκά παλτά επιθεώρησαν μια τακτική στοίβα από ατσάλινα πλινθώματα σε μέγεθος τούβλου, γκρίζου πυροβόλου όπλου σε ένα γραφείο μέσα σε έναν φωτισμένο με νέον χώρο εργαστηρίου.
Αυτό που κοιτούσαν ήταν μια παρτίδα χάλυβα που δημιουργήθηκε χρησιμοποιώντας μια καινοτόμο μέθοδο κατασκευής, μια τέτοια Boston Metal, μια εταιρεία που ξεπήδησε πριν από μια δεκαετία από το MIT, ελπίζει ότι θα αναδιαμορφώσει δραματικά τον τρόπο κατασκευής του κράματος εδώ και αιώνες. Χρησιμοποιώντας ηλεκτρική ενέργεια για τον διαχωρισμό του σιδήρου από το μετάλλευμά της, η εταιρεία ισχυρίζεται ότι μπορεί να κατασκευάσει χάλυβα χωρίς να απελευθερώνει διοξείδιο του άνθρακα, προσφέροντας μια διαδρομή για τον καθαρισμό μιας από τις χειρότερες βιομηχανίες στον κόσμο για τις εκπομπές αερίων του θερμοκηπίου.
Βασικό στοιχείο για τη μηχανική και τις κατασκευές, ο χάλυβας είναι ένα από τα πιο δημοφιλή βιομηχανικά υλικά στον κόσμο, με περισσότερα από 2 δις τόνους που παράγονται ετησίως. Αυτή η αφθονία, ωστόσο, έχει μια απότομη τιμή για το θετική ατμόσφαιρα. λογαριασμοί χαλυβουργίας 7 να 11 τοις εκατό των παγκόσμιων εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου, καθιστώντας το μια από τις μεγαλύτερες βιομηχανικές πηγές ατμοσφαιρικής ρύπανσης. Και επειδή η παραγωγή μπορούσε αύξηση κατά το ένα τρίτο έως το 2050, αυτή η περιβαλλοντική επιβάρυνση θα μπορούσε να αυξηθεί.
Αυτό αποτελεί σημαντική πρόκληση για την αντιμετώπιση της κλιματικής κρίσης. Τα Ηνωμένα Έθνη λέει Η σημαντική μείωση των βιομηχανικών εκπομπών άνθρακα είναι απαραίτητη για τη διατήρηση της υπερθέρμανσης του πλανήτη κάτω από το όριο των 1.5 βαθμών Κελσίου που ορίζεται από τη συμφωνία του Παρισιού για το κλίμα του 2015. Για να γίνει αυτό, οι εκπομπές από χάλυβα και άλλες βαριές βιομηχανίες θα πρέπει να μειωθούν κατά 93 τοις εκατό έως το 2050, σύμφωνα με εκτιμήσεις από τον Διεθνή Οργανισμό Ενέργειας.
Αντιμετωπίζοντας την κλιμακούμενη πίεση από τις κυβερνήσεις και τους επενδυτές για μείωση των εκπομπών, μια σειρά από χαλυβουργίες - συμπεριλαμβανομένων τόσο μεγάλων παραγωγών όσο και νεοφυών επιχειρήσεων - πειραματίζονται με τεχνολογίες χαμηλών εκπομπών άνθρακα που χρησιμοποιούν υδρογόνο ή ηλεκτρική ενέργεια αντί της παραδοσιακής κατασκευής υψηλής έντασης άνθρακα. Ορισμένες από αυτές τις προσπάθειες πλησιάζουν την εμπορική πραγματικότητα.
«Αυτό για το οποίο μιλάμε είναι μια βιομηχανία έντασης κεφαλαίου, που αποστρέφεται τον κίνδυνο, όπου η διαταραχή είναι εξαιρετικά σπάνια», δήλωσε ο Chris Bataille, ενεργειακός οικονομολόγος στο IDDRI, μια ερευνητική δεξαμενή σκέψης με έδρα το Παρίσι. Ως εκ τούτου, πρόσθεσε, «είναι συναρπαστικό» που συμβαίνουν τόσα πολλά ταυτόχρονα.
Ωστόσο, οι ειδικοί συμφωνούν ότι η μετατροπή μιας παγκόσμιας βιομηχανίας που ανατράπηκε $ 2.5 τρισεκατομμύρια το 2017 και απασχολεί περισσότερους από 6 εκατομμύρια άνθρωποι θα χρειαστεί τεράστια προσπάθεια. Πέρα από τα πρακτικά εμπόδια για την έγκαιρη κλιμάκωση των νέων διαδικασιών για την επίτευξη των παγκόσμιων κλιματικών στόχων, υπάρχουν ανησυχίες για την Κίνα, όπου κατασκευάζεται πάνω από το ήμισυ του χάλυβα στον κόσμο και τα σχέδια της για απαλλαγή από τον άνθρακα στον τομέα του χάλυβα παραμένουν ασαφή.
«Σίγουρα δεν είναι εύκολη λύση η απαλλαγή από τον άνθρακα μιας βιομηχανίας όπως αυτή», είπε ο Bataille. «Αλλά δεν υπάρχει επιλογή. Το μέλλον του κλάδου —και του κλίματός μας— εξαρτάται ακριβώς από αυτό».
________
Η σύγχρονη χαλυβουργία περιλαμβάνει διάφορα στάδια παραγωγής. Συνηθέστερα, το σιδηρομετάλλευμα συνθλίβεται και μετατρέπεται σε πυροσυσσωμάτωση (ένα ακατέργαστο στερεό) ή σφαιρίδια. Ξεχωριστά, ο άνθρακας ψήνεται και μετατρέπεται σε οπτάνθρακα. Στη συνέχεια, το μετάλλευμα και ο οπτάνθρακας αναμιγνύονται με ασβεστόλιθο και τροφοδοτούνται σε μια μεγάλη υψικάμινο όπου εισάγεται μια ροή εξαιρετικά θερμού αέρα από τον πυθμένα. Κάτω από υψηλές θερμοκρασίες, το κοκ καίγεται και το μείγμα παράγει υγρό σίδηρο, γνωστό ως χυτοσίδηρος ή υψικάμινος. Το λιωμένο υλικό στη συνέχεια πηγαίνει σε έναν κλίβανο οξυγόνου, όπου ανατινάζεται με καθαρό οξυγόνο μέσω μιας υδρόψυκτης λόγχης, η οποία αναγκάζει τον άνθρακα να αφήσει τον ακατέργαστο χάλυβα ως τελικό προϊόν.
Αυτή η μέθοδος, που κατοχυρώθηκε για πρώτη φορά από τον Άγγλο μηχανικό Henry Bessemer τη δεκαετία του 1850, παράγει εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα με διαφορετικούς τρόπους. Πρώτον, οι χημικές αντιδράσεις στην υψικάμινο έχουν ως αποτέλεσμα εκπομπές, καθώς ο άνθρακας που παγιδεύεται σε οπτάνθρακα και ασβεστόλιθο συνδέεται με το οξυγόνο του αέρα για να δημιουργήσει διοξείδιο του άνθρακα ως υποπροϊόν. Επιπλέον, τα ορυκτά καύσιμα τυπικά καίγονται για τη θέρμανση της υψικάμινου και για την τροφοδοσία των μονάδων πυροσυσσωμάτωσης και σφαιροποίησης, καθώς και σε φούρνους οπτάνθρακα, εκπέμποντας διοξείδιο του άνθρακα κατά τη διαδικασία.
Έως και 70 τοις εκατό του παγκόσμιου χάλυβα παράγεται με αυτόν τον τρόπο, παράγοντας σχεδόν δύο τόνοι διοξειδίου του άνθρακα για κάθε τόνο χάλυβα που παράγεται. ο υπόλοιπο 30 τοις εκατό είναι σχεδόν όλα κατασκευασμένα μέσω κλιβάνων ηλεκτρικού τόξου, που χρησιμοποιούν ηλεκτρικό ρεύμα για να λιώσουν χάλυβα —σε μεγάλο βαθμό ανακυκλωμένο σκραπ— και έχουν πολύ χαμηλότερες εκπομπές CO2 παρά υψικάμινοι.
Όμως, λόγω της περιορισμένης προσφοράς σκραπ, δεν μπορεί να καλυφθεί όλη η μελλοντική ζήτηση με αυτόν τον τρόπο, δήλωσε ο Τζέφρι Ρίσμαν, διευθυντής βιομηχανικού προγράμματος και επικεφαλής μοντελοποίησης στην εταιρεία ενεργειακής και κλιματικής πολιτικής Energy Innovation με έδρα το Σαν Φρανσίσκο. Με τις σωστές πολιτικές που εφαρμόζονται, η ανακύκλωση θα μπορούσε να καλύψει έως και το 45 τοις εκατό της παγκόσμιας ζήτησης το 2050, είπε. «Τα υπόλοιπα θα ικανοποιηθούν με τη σφυρηλάτηση πρωτογενούς χάλυβα με βάση το μετάλλευμα, από όπου προέρχονται οι περισσότερες εκπομπές».
Έτσι, «αν η βιομηχανία χάλυβα είναι σοβαρή» σχετικά με τις δεσμεύσεις της για το κλίμα, πρόσθεσε, «θα πρέπει να αναδιαμορφώσει θεμελιωδώς τον τρόπο κατασκευής του υλικού — και να το κάνει αρκετά γρήγορα».
________
Μια εναλλακτική τεχνολογία που δοκιμάζεται αντικαθιστά το κοκ με υδρογόνο. Στη Σουηδία, Υβρίδιο—μια κοινοπραξία μεταξύ της χαλυβουργίας SSAB, του προμηθευτή ενέργειας Vattenfall, και της LKAB, μιας παραγωγού σιδηρομεταλλεύματος— εφαρμόζει πιλοτικά μια διαδικασία που στοχεύει να επαναχρησιμοποιήσει ένα υπάρχον σύστημα που ονομάζεται άμεσος μειωμένος σίδηρος. Η διαδικασία χρησιμοποιεί οπτάνθρακα από ορυκτά καύσιμα για την εξαγωγή οξυγόνου από σφαιρίδια σιδηρομεταλλεύματος, αφήνοντας ένα πορώδες σφαιρίδιο σιδήρου που ονομάζεται σπογγώδης σίδηρος.
Η μέθοδος Hybrit εξάγει το οξυγόνο χρησιμοποιώντας αέριο υδρογόνο χωρίς ορυκτά. Το αέριο δημιουργείται μέσω της ηλεκτρόλυσης, μιας τεχνικής που χρησιμοποιεί ηλεκτρικό ρεύμα —σε αυτή την περίπτωση, από πηγή ενέργειας χωρίς ορυκτά— για να διαχωρίσει το νερό σε υδρογόνο και οξυγόνο. (Το πιο καθαρό υδρογόνο σήμερα είναι φτιαγμένο με μεθάνιο, το οποίο παράγει CO2 όταν καίγεται.) Ο σπογγώδης σίδηρος που προκύπτει πηγαίνει σε έναν κλίβανο ηλεκτρικού τόξου, όπου τελικά εξευγενίζεται σε χάλυβα. Η διαδικασία απελευθερώνει μόνο υδρατμούς ως υποπροϊόν.
«Αυτή η τεχνολογία είναι γνωστή εδώ και λίγο καιρό, αλλά μέχρι στιγμής έχει γίνει μόνο στο εργαστήριο», δήλωσε ο Mikael Nordlander, επικεφαλής της βιομηχανίας απανθρακοποίησης στο Vattenfall. «Αυτό που κάνουμε εδώ είναι να δούμε αν μπορεί να λειτουργήσει σε [βιομηχανικό] επίπεδο».
Τον περασμένο Αύγουστο, η Hybrit έφτασε στην πρώτη της θέση: SSAB, η οποία παράγει και πουλά το τελικό προϊόν, παρέδωσε την πρώτη της παρτίδα χάλυβα χωρίς ορυκτά στην αυτοκινητοβιομηχανία Volvo, που το χρησιμοποιούσε σε πρωτότυπα οχημάτων. Σχεδιάζει επίσης μια μονάδα παραγωγής εμπορικής κλίμακας, την οποία σκοπεύει να ολοκληρώσει έως το 2026.
Μια άλλη σουηδική επιχείρηση, η H2 Green Steel, αναπτύσσει μια παρόμοια εμπορικής κλίμακας εργοστάσιο υδρογόνου χάλυβα με τη βοήθεια 105 εκατομμυρίων δολαρίων που συγκεντρώθηκαν από ιδιώτες επενδυτές και εταιρείες όπως η Mercedes-Benz, η Scania και το IMAS Foundation, ένας οργανισμός που συνδέεται με την Ikea. Η εταιρία φώναξε να ξεκινήσει την παραγωγή έως το 2024 και να παράγει 5 εκατομμύρια τόνους χάλυβα μηδενικών εκπομπών ετησίως μέχρι το τέλος της δεκαετίας. Άλλες εταιρείες που δοκιμάζουν την παραγωγή χάλυβα με υδρογόνο περιλαμβάνουν ArcelorMittal, ThyssenKrupp, να Salzgitter AG Στα γερμανικά; Posco στη Νότια Κορέα? και voestalpine στην Αυστρία.
Η ηλεκτρική ενέργεια μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για τη μείωση του σιδηρομεταλλεύματος. Η Boston Metal, για παράδειγμα, έχει αναπτύξει μια διαδικασία που ονομάζεται ηλεκτρόλυση λιωμένου οξειδίου, στην οποία ένα ρεύμα κινείται μέσα από μια κυψέλη που περιέχει σιδηρομετάλλευμα. Καθώς ο ηλεκτρισμός ταξιδεύει μεταξύ των δύο άκρων της κυψέλης και θερμαίνει το μετάλλευμα, το οξυγόνο δημιουργεί φυσαλίδες (και μπορεί να συλλεχθεί), ενώ το σιδηρομετάλλευμα μειώνεται σε υγρό σίδηρο που συγκεντρώνεται στο κάτω μέρος της κυψέλης και τροφοδοτείται περιοδικά. Στη συνέχεια, ο καθαρισμένος σίδηρος αναμιγνύεται με άνθρακα και άλλα συστατικά.
«Αυτό που κάνουμε είναι βασικά να ανταλλάσσουμε άνθρακα με ηλεκτρική ενέργεια ως αναγωγικό παράγοντα», εξήγησε ο Adam Rauwerdink, ανώτερος αντιπρόεδρος επιχειρηματικής ανάπτυξης της εταιρείας. «Αυτό μας επιτρέπει να κατασκευάζουμε χάλυβα πολύ υψηλής ποιότητας χρησιμοποιώντας πολύ λιγότερη ενέργεια και σε λιγότερα βήματα από τη συμβατική χαλυβουργία». Όσο η ενέργεια προέρχεται από πηγές χωρίς ορυκτά, πρόσθεσε, η διαδικασία δεν παράγει εκπομπές άνθρακα.
Είπε ότι η εταιρεία, η οποία τρέχει επί του παρόντος τρεις πιλοτικές γραμμές στις εγκαταστάσεις της στο Woburn, εργάζεται για να φέρει την ιδέα του εργαστηρίου της στην αγορά, χρησιμοποιώντας Συγκεντρώθηκαν 50 εκατομμύρια δολάρια πέρυσι από μια ομάδα επενδυτών, συμπεριλαμβανομένης της Breakthrough Energy Ventures, που υποστηρίζεται από τον Bill Gates, και της γερμανικής αυτοκινητοβιομηχανίας BMW. Ένα εργοστάσιο επίδειξης εμπορικής κλίμακας αναμένεται να τεθεί σε λειτουργία έως το 2025.
«Αισθάνομαι ότι όλες αυτές οι λύσεις έχουν τη θέση τους, ανάλογα με την τοποθεσία, τη διαθεσιμότητα των πόρων και το στοχευμένο προϊόν», δήλωσε ο Sridhar Seetharaman, καθηγητής επιστήμης και μηχανικής υλικών στο Πολιτειακό Πανεπιστήμιο της Αριζόνα. «Ωστόσο, δεν νομίζω ότι προς το παρόν κάποιος μόνος θα σας δώσει μια ασημένια σφαίρα για να καλύψετε τη ζήτηση».
«Το υδρογόνο έχει μια μικρή προοπτική που βασίζεται σε ένα καθιερωμένο σύστημα και είναι επίσης μπροστά στην εμπορευματοποίηση», δήλωσε ο Bataille, ο ενεργειακός οικονομολόγος IDDRI. «Αλλά η επίτευξη μιας βιομηχανίας χάλυβα καθαρού μηδενισμού θα απαιτήσει περισσότερα μονοπάτια χωρίς άνθρακα, οπότε πιστεύω ότι θα υπάρχει αρκετός χώρος στην αγορά για όλους στο τέλος».
________
Αν και οι πιο πράσινες διαδικασίες παραγωγής χάλυβα φαίνεται να κερδίζουν δυναμική, εξακολουθούν να υπάρχουν ορισμένες σοβαρές προκλήσεις που πρέπει να αντιμετωπίσουμε. Ο κύριος μεταξύ αυτών είναι η τεράστια επέκταση της υποδομής ανανεώσιμων πηγών ενέργειας που θα συνεπαγόταν μια στροφή σε όλη τη βιομηχανία σε αυτές τις νέες μεθόδους, δήλωσε ο Thomas Koch Blank, ανώτερος διευθυντής του μη κερδοσκοπικού οργανισμού που εδρεύει στο Κολοράντο. Ινστιτούτο Rocky Mountain. Εκτιμά ότι ο κόσμος θα χρειαζόταν έως και τρεις φορές τις εγκατεστημένες σήμερα ηλιακές και αιολικές πηγές ενέργειας για να ηλεκτροδοτήσει την υπάρχουσα πρωτογενή παραγωγή χάλυβα.
Ένα άλλο εμπόδιο είναι το κόστος. Η μετάβαση σε ηλεκτρική ενέργεια ή υδρογόνο θα απαιτούσε τεράστια ποσά κεφαλαιουχικών δαπανών για την ανέγερση νέων σταθμών και την εκ των υστέρων μετασκευή παλαιών. Στην περίπτωση της μεθόδου καθαρού υδρογόνου, η τιμή του χάλυβα θα αυξηθεί σε μεγάλο βαθμό επειδή οι παραγωγοί χάλυβα βρίσκονται κοντά σε άνθρακα οπτανθρακοποίησης χαμηλού κόστους και όχι σε υδρογόνο χαμηλού κόστους, επεσήμανε ο Koch Blank. «Αυτά τα αρχικά κόστη πιθανότατα θα ανεβάσουν την τιμή τόσο του χάλυβα όσο και των τελικών προϊόντων, τουλάχιστον στην αρχή».
Σύμφωνα με τον Rissman, τον αναλυτή στο Σαν Φρανσίσκο, η νομοθεσία τόσο για την πλευρά της προσφοράς όσο και της ζήτησης θα μπορούσε να συμβάλει στην αντιστάθμιση αυτών των υψηλότερων δαπανών και να ενθαρρύνει περισσότερες επενδύσεις σε πιο πράσινες τεχνολογίες. Οι κυβερνήσεις, είπε, θα μπορούσαν να δώσουν κίνητρα στη χρήση χάλυβα χαμηλής περιεκτικότητας σε άνθρακα για κτίρια και υποδομές απαιτώντας από τα έργα που χρηματοδοτούνται από το κράτος να χρησιμοποιούν εκδόσεις χαμηλών εκπομπών άνθρακα καθορισμένων δομικών υλικών. Θα μπορούσαν επίσης να επιβάλουν πολιτικές που καθιστούν ακριβότερη την αγορά από χώρες όπου οι κανόνες για τις εκπομπές είναι λιγότερο αυστηροί. Αυτό θα βοηθήσει τους εγχώριους παραγωγούς να «παραμείνουν ανταγωνιστικοί», καθώς η αγορά καθαρού χάλυβα «αναπτύσσεται και οι νέες διαδικασίες παραγωγής επιτυγχάνουν οικονομίες κλίμακας», είπε ο Rissman.
Ίσως το μεγαλύτερο εμπόδιο είναι η Κίνα, όπου περίπου τοις εκατό 90 η παραγωγή χάλυβα επιτυγχάνεται με τη χρήση υψικάμινων. Τον Σεπτέμβριο του 2020, ο Πρόεδρος Xi Jinping ανακοίνωσε ότι η χώρα στοχεύει να γίνει ουδέτερη από άνθρακα έως το 2060. Σε μια προσπάθεια να μειωθεί η ρύπανση από εγχώρια χαλυβουργεία, τα οποία αντιπροσωπεύουν περίπου το 15 τοις εκατό των συνολικών εκπομπών άνθρακα της χώρας, το Πεκίνο έχει επίσης δεσμευτεί να επίτευξη κορυφαίων εκπομπών χάλυβα έως το 2030. Παρόλα αυτά, 18 νέα έργα υψικάμινων ανακοινώθηκαν στην Κίνα μόλις το πρώτο εξάμηνο του 2021. σύμφωνα με στην ερευνητική ομάδα Κέντρο για την Έρευνα για την Ενέργεια και τον Καθαρό Αέρα με έδρα το Ελσίνκι.
Ο χάλυβας είναι μια από τις πιο σημαντικές και απαιτητικές βιομηχανίες για απαλλαγή από τις ανθρακούχες εκπομπές, είπε ο Rissman, οπότε ο παγκόσμιος συντονισμός σε αυτόν θα βοηθούσε πολύ.
Πίσω στη Βοστώνη, ο Rauwerdink, ερευνώντας τις εργοστασιακές γραμμές της Boston Metal, συμφώνησε. «Είναι μια φανταστική πρόκληση που αντιμετωπίζουμε», είπε. Αλλά, πρόσθεσε, «Δείχνουμε ότι υπάρχουν λύσεις — και λειτουργούν».
Αυτό το άρθρο δημοσιεύθηκε αρχικά στις Αποσυνδέστε. Διαβάστε το αρχικό άρθρο.
Image Credit: Třinecké železárny / Wikimedia Commons
