בעיר של וובורן, מסצ'וסטס, פרבר ממש צפונית לבוסטון, צוות מהנדסים ומדענים במעילים לבנים בחנו ערימה מסודרת של מטילי פלדה בגודל לבנים, אפור מתכת-אקדח, על שולחן בתוך חלל מעבדה מואר ניאון.
מה שהם הסתכלו עליו היה אצווה של פלדה שנוצרה בשיטת ייצור חדשנית, כזו בוסטון מטאל, חברה שיצאה לפני עשור מ-MIT, התקווה תעצב מחדש באופן דרמטי את הדרך שבה הסגסוגת נוצרה במשך מאות שנים. על ידי שימוש בחשמל כדי להפריד ברזל מהעפרה שלה, החברה טוענת שהיא יכולה לייצר פלדה מבלי לשחרר פחמן דו חמצני, מה שמציע דרך לניקוי אחת התעשיות הגרועות בעולם לפליטת גזי חממה.
פלדה היא אחד החומרים התעשייתיים הפופולריים ביותר בעולם, שמשומה חיונית להנדסה ובנייה, עם יותר מ 2 מיליארדים טונות המיוצרות מדי שנה. השפע הזה, לעומת זאת, מגיע במחיר גבוה עבור סביבה. ייצור פלדה חשבונות עבור 7 לאחוזי 11 של פליטת גזי חממה עולמית, מה שהופך אותו לאחד המקורות התעשייתיים הגדולים ביותר של זיהום אטמוספרי. ובגלל שההפקה יכולה לעלות בשליש עד 2050, הנטל הסביבתי הזה עשוי לגדול.
זה מציב אתגר משמעותי להתמודדות עם משבר האקלים. האומות המאוחדות אומר קיצוץ משמעותי בפליטות הפחמן התעשייתי חיוני כדי לשמור על התחממות כדור הארץ מתחת לרף 1.5 מעלות צלזיוס שנקבע במסגרת הסכם האקלים של פריז 2015. כדי לעשות זאת, פליטות הפלדה ותעשיות כבדות אחרות יצטרכו לרדת ב-93% עד 2050, על פי הערכות על ידי סוכנות האנרגיה הבינלאומית.
מול לחץ הולך וגובר מצד ממשלות ומשקיעים להפחית את הפליטות, מספר יצרני פלדה - כולל יצרנים גדולים וסטארט-אפים - מתנסים בטכנולוגיות דלת פחמן המשתמשות במימן או בחשמל במקום בייצור מסורתי עתיר פחמן. חלק מהמאמצים הללו מתקרבים למציאות מסחרית.
"מה שאנחנו מדברים עליו הוא תעשייה עתירת הון ושונאת סיכונים שבה הפרעות הן נדירות ביותר", אמר כריס בטאיל, כלכלן אנרגיה ב-IDDRI, צוות חשיבה מחקר שבסיסו בפריז. לכן, הוא הוסיף, "זה מרגש" שכל כך הרבה קורה בבת אחת.
ובכל זאת, מומחים מסכימים כי שינוי תעשייה גלובלית שהתהפכה 2.5 טריליון דולרים בשנת 2017 ומעסיק יותר מ מיליון אנשי 6 ייקח מאמץ עצום. מעבר למכשולים המעשיים להגדלת התהליכים החדשים בזמן כדי להגיע ליעדי האקלים הגלובליים, יש חששות לגבי סין, שבה מיוצרת יותר ממחצית מפלדה בעולם ושתוכניותיה להפחתת פחמן במגזר הפלדה נותרו מעורפלות.
"זה בהחלט לא פתרון קל לשחרר פחמן בתעשייה כזו", אמר בטאיל. "אבל אין ברירה. עתידו של המגזר - ושל האקלים שלנו - תלוי בדיוק בזה".
________
ייצור פלדה מודרני כרוך מספר שלבי ייצור. לרוב, עפרות ברזל נכתשות והופכות לסינטר (מוצק גס) או לכדוריות. בנפרד אופים פחם ומומרים בקולה. לאחר מכן מערבבים את העפרה והקוק עם אבן גיר ומוכנסים לכבשן פיצוץ גדול שבו זרימה של אוויר חם במיוחד מוכנסת מלמטה. תחת טמפרטורות גבוהות, הקוקס נשרף והתערובת מייצרת ברזל נוזלי, המכונה ברזל חזיר או ברזל כבשנים. לאחר מכן החומר המותך נכנס לכבשן חמצן, שם הוא מפוצץ בחמצן טהור דרך לונס מקורר במים, אשר מאלץ את הפחמן להשאיר פלדה גולמית כתוצר סופי.
שיטה זו, שעליה רשמה לראשונה המהנדס האנגלי הנרי בסמר בשנות ה-1850 של המאה ה-XNUMX, מפיקה פליטת פחמן דו חמצני בדרכים שונות. ראשית, התגובות הכימיות בכבשן הפיצוץ גורמות לפליטות, שכן פחמן שנלכד בקוקס ובאבן גיר נקשר עם חמצן באוויר ליצירת פחמן דו חמצני כתוצר לוואי. בנוסף, דלקים מאובנים נשרפים בדרך כלל כדי לחמם את תנור הפיצוץ ולהפעיל מפעלי סינטה ופולטורים, כמו גם תנורי קוק, הפולטים פחמן דו חמצני בתהליך.
עד 70 אחוז של הפלדה בעולם מיוצרת בדרך זו, מייצרת כמעט שני טון של פחמן דו חמצני עבור כל טון פלדה המיוצרת. ה הנותרים 30 אחוזים כמעט הכל מיוצר באמצעות תנורי קשת חשמליים, המשתמשים בזרם חשמלי כדי להמיס פלדה - ברובה גרוטאות ממוחזרות - ויש להם פליטת CO2 נמוכה בהרבה מאשר תנורי פיצוץ.
אבל בגלל ההיצע המצומצם של גרוטאות, לא ניתן לענות על כל הביקוש העתידי בדרך זו, אמר ג'פרי ריסמן, מנהל תכניות בתעשייה וראש תחום הדוגמנות בחברת מדיניות האנרגיה והאקלים Energy Innovation בסן פרנסיסקו. עם המדיניות הנכונה, מיחזור יכול לספק עד 45 אחוז מהביקוש העולמי ב-2050, אמר. "השאר יספקו על ידי חישול פלדה ראשונית על בסיס עפרות, שממנו מגיעות רוב הפליטות."
אז "אם תעשיית הפלדה רצינית" לגבי ההתחייבויות האקלימיות שלה, הוא הוסיף, "היא תצטרך לעצב מחדש באופן יסודי את הדרך שבה החומר עשוי - ולעשות זאת די מהר".
________
טכנולוגיה חלופית אחת שנבדקת מחליפה את הקוקס במימן. בשוודיה, היבריט- מיזם משותף בין יצרנית הפלדה SSAB, ספקית האנרגיה Vattenfall, ו-LKAB, יצרנית עפרות ברזל - מבצעת פיילוט בתהליך שמטרתו ליישם מחדש מערכת קיימת הנקראת ברזל מופחת ישיר. התהליך משתמש בקוקס מדלקים מאובנים כדי להפיק חמצן מכדוריות עפרות ברזל, ומותיר כדורית ברזל נקבובית הנקראת ברזל ספוג.
שיטת Hybrit במקום זאת מחלצת את החמצן באמצעות גז מימן נטול מאובנים. הגז נוצר באמצעות אלקטרוליזה, טכניקה המשתמשת בזרם חשמלי - במקרה זה, ממקור אנרגיה נטול מאובנים - כדי להפריד מים למימן ולחמצן. (הכי מימן טהור היום עשוי עם מתאן, אשר מייצר CO2 כאשר הוא נשרף.) הברזל הספוג שנוצר לאחר מכן נכנס לתוך תנור קשת חשמלי, שם הוא בסופו של דבר מזוקק לפלדה. התהליך משחרר רק אדי מים כתוצר לוואי.
"הטכנולוגיה הזו ידועה כבר זמן מה, אבל היא נעשתה רק במעבדה עד כה", אמר מיקאל נורדלנדר, ראש תחום הפחמן בתעשייה ב-Vattenfall. "מה שאנחנו עושים כאן זה לראות אם זה יכול לעבוד ברמה התעשייתית".
באוגוסט האחרון הגיעה Hybrit לנקודת המוצא הראשונה שלה: SSAB, המייצרת ומוכרת את המוצר הסופי, סיפקה אצווה ראשונה של פלדה נטולת מאובנים ליצרנית הרכב וולוו, שהשתמש בו באבות טיפוס של רכבים. היא גם מתכננת מפעל לייצור בקנה מידה מסחרי, שאותו היא שואפת להשלים עד 2026.
מיזם שוודי נוסף, H2 Green Steel, מפתח מפעל פלדה מימן בקנה מידה מסחרי דומה בעזרת 105 מיליון דולר שגויסו ממשקיעים פרטיים וחברות כולל מרצדס-בנץ, סקניה וקרן IMAS, ארגון הקשור לאיקאה. החברה תוכניות להתחיל בייצור עד 2024 ולייצר 5 מיליון טונות של פלדה אפס פליטה מדי שנה עד סוף העשור. חברות אחרות הבודקות ייצור פלדה מונעת במימן כוללות ArcelorMittal, ThyssenKrupp, ו Salzgitter AG בגרמניה; פוסקו בדרום קוריאה; ו Voestalpine באוסטריה.
ניתן להשתמש בחשמל גם להפחתת עפרות ברזל. בוסטון מתכת, למשל, פיתחה תהליך שנקרא אלקטרוליזה של תחמוצת מותכת, שבו זרם עובר בתא המכיל עפרות ברזל. כאשר החשמל עובר בין שני קצוות התא ומחמם את העפרה, חמצן מבעבע (וניתן לאסוף אותו), בעוד שעפרות ברזל מצטמצמות לברזל נוזלי שמתאגרף בתחתית התא ונופח מעת לעת. לאחר מכן מערבבים את הברזל המטוהר עם פחמן ומרכיבים אחרים.
"מה שאנחנו עושים זה בעצם להחליף פחמן לחשמל כגורם מפחית", הסביר אדם ראוורדינק, סגן נשיא בכיר לפיתוח עסקי של החברה. "זה מאפשר לנו לייצר פלדה איכותית מאוד תוך שימוש בהרבה פחות אנרגיה ובפחות שלבים מייצור פלדה רגיל". כל עוד הכוח מגיע ממקורות נטולי מאובנים, הוא הוסיף, התהליך אינו מייצר פליטת פחמן.
לדבריו, החברה, שמפעילה כיום שלושה קווי פיילוט במתקן שלה בובורן, פועלת להביא את תפיסת המעבדה שלה לשוק, באמצעות 50 מיליון דולר גיוס בשנה שעברה מקבוצת משקיעים הכוללת Breakthrough Energy Ventures, בגיבוי ביל גייטס, ויצרנית הרכב הגרמנית BMW. מפעל הדגמה בקנה מידה מסחרי צפוי לפעול עד 2025.
"אני מרגיש שלכל הפתרונות האלה יש את מקומם, בהתאם למיקום, זמינות המשאבים והמוצר הממוקד", אמר סרידהאר סיאתארמן, פרופסור למדעי החומרים והנדסת החומרים באוניברסיטת אריזונה סטייט. "עם זאת, אני לא חושב שכרגע מישהו לבדו ייתן לך כדור כסף כדי לענות על הדרישה."
"למימן יש קצת התחלה בהתבסס על מערכת מבוססת והוא גם קדימה בתחום המסחור", אמר Bataille, כלכלן האנרגיה של IDDRI. "אבל השגת תעשיית פלדה עם אפס נטו תיקח יותר מסלולים ללא פחמן, אז אני חושב שיהיה מספיק מקום בשוק עבור כולם בסופו של דבר."
________
למרות שנראה שתהליכי ייצור פלדה ירוקים יותר צוברים תאוצה, נותרו מספר אתגרים רציניים להתמודד איתם. העיקרי ביניהם הוא ההתרחבות המסיבית בתשתיות אנרגיה מתחדשת שתגרום מעבר כלל תעשייתי לשיטות חדשות אלו, אמר תומס קוך בלנק, מנהל בכיר בעמותה המבוססת על קולורדו. מכון רוקי מאונטיין. הוא מעריך שהעולם יצטרך עד פי שלושה ממקורות אנרגיית השמש והרוח המותקנים כיום כדי לחשמל את ייצור הפלדה העיקרי הקיים.
מחסום נוסף הוא עלות. מעבר לחשמל או מימן ידרוש כמויות עצומות של הוצאות הון כדי להקים מפעלים חדשים ולתקן מפעלים ישנים. במקרה של שיטת המימן הנקי, תג המחיר לפלדה יעלה בעיקר מכיוון שיצרני הפלדה ממוקמים קרוב לפחם קוקינג בעלות נמוכה ולא למימן בעלות נמוכה, ציין קוך בלנק. "עלויות מוקדמות אלה יעלו את המחיר הן של הפלדה והן של המוצרים הסופיים, לפחות בהתחלה."
לדברי ריסמן, האנליסט בסן פרנסיסקו, חקיקה הן בצד ההיצע והן בצד הביקוש עשויה לסייע בקיזוז העלויות הגבוהות הללו ולעודד השקעה רבה יותר בטכנולוגיות ירוקות יותר. ממשלות, אמר, יכולות לתמרץ את השימוש בפלדה דלת פחמן לבנייה ותשתיות על ידי דרישה לפרויקטים במימון המדינה להשתמש בגרסאות דלת פחמן של חומרי בנייה ייעודיים. הם יכולים גם לאכוף מדיניות שמייקרה את הקנייה ממדינות שבהן הכללים לגבי פליטות פחות מחמירים. זה יעזור ליצרנים מקומיים "להישאר תחרותיים" כאשר השוק לפלדה נקייה "גדל ותהליכי ייצור חדשים משיגים יתרונות לגודל", אמר ריסמן.
אולי המחסום הגדול ביותר הוא סין, שם כאחוז 90 של ייצור פלדה מושגת באמצעות תנורי פיצוץ. בספטמבר 2020 הנשיא שי ג'ינפינג הודיע שהמדינה שואפת להפוך לניטרלית פחמן עד 2060. במטרה להפחית את הזיהום ממפעלי פלדה מקומיים, אשר מהווים בערך 15 אחוז מפליטת הפחמן הכוללת של המדינה, גם בייג'ין התחייבה לכך להשיג את שיא פליטת הפלדה עד 2030. למרות זאת, 18 פרויקטים חדשים של תנורים הוכרזו בסין רק בששת החודשים הראשונים של 2021, פי לקבוצת המחקר בהלסינקי המרכז למחקר על אנרגיה ואוויר נקי.
פלדה היא אחת התעשיות החשובות והמאתגרות ביותר להפחתת פחמן, אמר ריסמן, ולכן תיאום עולמי עליה יעזור מאוד.
בחזרה בבוסטון, ראוורדינק, שסקר את קווי המפעל של בוסטון מתכת, הסכים. "זה אתגר פנטסטי שאנחנו עומדים מולו", אמר. אבל, הוא הוסיף, "אנחנו מראים שפתרונות קיימים - ועובדים".
מאמר זה פורסם במקור ב Undark. קרא את מאמר מקורי.
תמונת אשראי: Třinecké železárny / Wikimedia Commons
