ในเมือง ในเมืองวูเบิร์น รัฐแมสซาชูเซตส์ ชานเมืองทางเหนือของบอสตัน กลุ่มวิศวกรและนักวิทยาศาสตร์ในชุดขาวได้ตรวจสอบกองแท่งเหล็กสีเทากันเมทัลขนาดเท่าอิฐที่เป็นระเบียบบนโต๊ะในห้องแล็บที่มีแสงไฟนีออน
สิ่งที่พวกเขากำลังมองหาคือชุดเหล็กที่สร้างขึ้นโดยใช้วิธีการผลิตที่เป็นนวัตกรรมใหม่ ซึ่ง บอสตันเมทัลซึ่งเป็นบริษัทที่แยกตัวออกมาจาก MIT เมื่อสิบปีก่อน หวังว่าจะพลิกโฉมวิธีการทำโลหะผสมอย่างมากเป็นเวลาหลายศตวรรษ ด้วยการใช้ไฟฟ้าเพื่อแยกเหล็กออกจากแร่ บริษัทอ้างว่าสามารถผลิตเหล็กได้โดยไม่ปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ ซึ่งเป็นแนวทางในการทำความสะอาดอุตสาหกรรมที่ปล่อยก๊าซเรือนกระจกที่เลวร้ายที่สุดแห่งหนึ่งของโลก
ข้อมูลที่จำเป็นสำหรับงานวิศวกรรมและการก่อสร้าง เหล็กเป็นหนึ่งในวัสดุอุตสาหกรรมที่ได้รับความนิยมมากที่สุดในโลก โดยมีมากกว่า 2 พันล้าน ตันที่ผลิตได้ทุกปี อย่างไรก็ตาม ความอุดมสมบูรณ์นี้มาในราคาที่สูงลิ่วสำหรับ สิ่งแวดล้อม. บัญชีการผลิตเหล็กสำหรับ 7 เป็นร้อยละ 11 ของการปล่อยก๊าซเรือนกระจกทั่วโลก ทำให้เป็นแหล่งอุตสาหกรรมที่ใหญ่ที่สุดแห่งหนึ่งของมลพิษในบรรยากาศ และเนื่องจากการผลิตสามารถ ลุกขึ้น หนึ่งในสามภายในปี 2050 ภาระด้านสิ่งแวดล้อมนี้อาจเพิ่มขึ้น
นั่นถือเป็นความท้าทายที่สำคัญในการแก้ปัญหาวิกฤตสภาพภูมิอากาศ สหประชาชาติ พูดว่า การลดการปล่อยก๊าซคาร์บอนในอุตสาหกรรมอย่างมีนัยสำคัญเป็นสิ่งสำคัญในการรักษาภาวะโลกร้อนภายใต้เครื่องหมาย 1.5 องศาเซลเซียสที่กำหนดไว้ภายใต้ข้อตกลงด้านสภาพอากาศในปารีสปี 2015 ในการทำเช่นนั้น การปล่อยมลพิษจากเหล็กและอุตสาหกรรมหนักอื่นๆ จะต้องลดลงร้อยละ 93 ภายในปี 2050 ตามรายงานของ ประมาณการ โดยสำนักงานพลังงานระหว่างประเทศ
เมื่อเผชิญกับแรงกดดันที่เพิ่มขึ้นจากรัฐบาลและนักลงทุนในการลดการปล่อยมลพิษ ผู้ผลิตเหล็กจำนวนหนึ่ง—รวมทั้งผู้ผลิตรายใหญ่และสตาร์ทอัพ—กำลังทดลองใช้เทคโนโลยีคาร์บอนต่ำที่ใช้ไฮโดรเจนหรือไฟฟ้าแทนการผลิตแบบใช้คาร์บอนสูงแบบเดิมๆ ความพยายามเหล่านี้บางส่วนใกล้จะเป็นความจริงในเชิงพาณิชย์แล้ว
“สิ่งที่เรากำลังพูดถึงคืออุตสาหกรรมที่เน้นเงินทุนสูงและไม่ชอบความเสี่ยง ซึ่งการหยุดชะงักนั้นหายากมาก” Chris Bataille นักเศรษฐศาสตร์พลังงานที่ IDDRI หน่วยงานด้านความคิดในการวิจัยในปารีสกล่าว ดังนั้นเขาจึงเสริมว่า “มันน่าตื่นเต้น” ที่มีหลายอย่างเกิดขึ้นพร้อมกัน
ถึงกระนั้น ผู้เชี่ยวชาญต่างเห็นพ้องต้องกันว่าการเปลี่ยนแปลงอุตสาหกรรมระดับโลกที่พลิกผัน $ 2.5 ล้านล้าน ในปี 2017 และมีพนักงานมากกว่า 6 ล้านคน จะใช้ความพยายามอย่างมาก นอกเหนือจากอุปสรรคในทางปฏิบัติในการปรับขนาดกระบวนการใหม่ให้ทันเวลาเพื่อให้บรรลุเป้าหมายด้านสภาพอากาศโลก ยังมีความกังวลเกี่ยวกับจีนซึ่งผลิตเหล็กมากกว่าครึ่งของโลกและมีแผนที่จะแยกส่วนคาร์บอนออกจากอุตสาหกรรมเหล็กยังคงคลุมเครือ
“แน่นอนว่าไม่ใช่เรื่องง่ายที่จะกำจัดคาร์บอนให้กับอุตสาหกรรมแบบนี้” บาตายล์กล่าว “แต่ไม่มีทางเลือก อนาคตของภาคส่วนและสภาพภูมิอากาศของเรานั้นขึ้นอยู่กับสิ่งนั้น”
________
การผลิตเหล็กสมัยใหม่เกี่ยวข้องกับ หลายขั้นตอนการผลิต โดยทั่วไป แร่เหล็กจะถูกบดและเปลี่ยนเป็นซินเตอร์ (ของแข็งหยาบ) หรือเม็ด ถ่านหินถูกอบและแปลงเป็นโค้กแยกจากกัน แร่และโค้กจะถูกผสมกับหินปูนและป้อนเข้าเตาหลอมขนาดใหญ่ที่มีอากาศร้อนจัดไหลออกมาจากด้านล่าง ภายใต้อุณหภูมิสูง โค้กจะไหม้และส่วนผสมจะทำให้เกิดเหล็กเหลว เรียกว่า เหล็กหมู หรือ เหล็กเตาหลอม จากนั้นวัสดุที่หลอมเหลวจะเข้าไปในเตาเผาออกซิเจน ซึ่งจะถูกเป่าด้วยออกซิเจนบริสุทธิ์ผ่านแลนซ์ระบายความร้อนด้วยน้ำ ซึ่งบังคับให้คาร์บอนออกจากเหล็กดิบเป็นผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้าย
วิธีการนี้ ซึ่งได้รับการจดสิทธิบัตรครั้งแรกโดย Henry Bessemer วิศวกรชาวอังกฤษในทศวรรษ 1850 ทำให้เกิดการปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ในรูปแบบต่างๆ ประการแรก ปฏิกิริยาเคมีในเตาหลอมระเบิดส่งผลให้เกิดการปล่อยมลพิษ เนื่องจากคาร์บอนที่ติดอยู่ในโค้กและหินปูนจับกับออกซิเจนในอากาศเพื่อสร้างคาร์บอนไดออกไซด์เป็นผลพลอยได้ นอกจากนี้ โดยทั่วไปแล้ว เชื้อเพลิงฟอสซิลจะถูกเผาเพื่อให้ความร้อนแก่เตาถลุงเหล็ก และเพื่อให้พลังงานแก่โรงงานเผาผนึกและอัดเม็ด เช่นเดียวกับเตาถ่านโค้ก ซึ่งปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ในกระบวนการ
มากถึง 70 เปอร์เซ็นต์ ของเหล็กของโลกถูกผลิตขึ้นด้วยวิธีนี้ทำให้ คาร์บอนไดออกไซด์เกือบสองตัน ต่อตันเหล็กที่ผลิตได้ ดิ เหลือร้อยละ 30 เกือบทั้งหมดทำมาจากเตาอาร์คไฟฟ้า ซึ่งใช้กระแสไฟฟ้าในการหลอมเหล็ก—ส่วนใหญ่เป็นเศษเหล็กรีไซเคิล—และมี การปล่อย CO2 ต่ำกว่ามาก กว่าเตาหลอม
แต่เนื่องจากอุปทานเศษเหล็กมีจำกัด ความต้องการในอนาคตอาจไม่สามารถทำได้ด้วยวิธีนี้ทั้งหมด เจฟฟรีย์ ริสแมน ผู้อำนวยการโครงการอุตสาหกรรมและหัวหน้าฝ่ายการสร้างแบบจำลองของ Energy Innovation บริษัทนโยบายด้านพลังงานและสภาพอากาศในซานฟรานซิสโก กล่าว ด้วยนโยบายที่ถูกต้อง การรีไซเคิลสามารถจัดหาอุปสงค์ทั่วโลกได้ถึง 45 เปอร์เซ็นต์ในปี 2050 เขากล่าว “ส่วนที่เหลือจะพึงพอใจกับการหลอมเหล็กที่มีแร่เป็นองค์ประกอบหลัก ซึ่งเป็นที่มาของการปล่อยมลพิษส่วนใหญ่”
ดังนั้น “หากอุตสาหกรรมเหล็กจริงจัง” เกี่ยวกับพันธกรณีด้านสภาพอากาศ เขากล่าวเสริมว่า “จะต้องเปลี่ยนรูปแบบโดยพื้นฐานวิธีการทำวัสดุ—และทำอย่างรวดเร็วพอสมควร”
________
เทคโนโลยีทางเลือกหนึ่งที่กำลังทดสอบแทนที่โค้กด้วยไฮโดรเจน ในสวีเดน ไฮบริดซึ่งเป็นการร่วมทุนระหว่างผู้ผลิตเหล็ก SSAB ผู้จัดหาพลังงาน Vattenfall และ LKAB ผู้ผลิตแร่เหล็ก กำลังนำร่องกระบวนการที่มีจุดมุ่งหมายเพื่อนำระบบที่มีอยู่กลับมาใช้ใหม่ซึ่งเรียกว่าเหล็กลดปริมาณโดยตรง กระบวนการนี้ใช้โค้กจากเชื้อเพลิงฟอสซิลเพื่อดึงออกซิเจนจากเม็ดแร่เหล็ก ปล่อยให้เม็ดเหล็กมีรูพรุนที่เรียกว่าเหล็กฟองน้ำ
วิธี Hybrit จะสกัดออกซิเจนโดยใช้ก๊าซไฮโดรเจนที่ปราศจากฟอสซิล ก๊าซถูกสร้างขึ้นผ่านอิเล็กโทรลิซิส ซึ่งเป็นเทคนิคที่ใช้กระแสไฟฟ้า ในกรณีนี้ จากแหล่งพลังงานที่ปราศจากฟอสซิล เพื่อแยกน้ำออกเป็นไฮโดรเจนและออกซิเจน (ไฮโดรเจนบริสุทธิ์ที่สุด ในวันนี้ ทำ ด้วยก๊าซมีเทนซึ่งผลิต CO2 เมื่อถูกเผา) เหล็กฟองน้ำที่ได้จะเข้าไปในเตาอาร์คไฟฟ้า ซึ่งในที่สุด มันก็จะกลั่นเป็นเหล็ก กระบวนการนี้ปล่อยไอน้ำเป็นผลพลอยได้เท่านั้น
Mikael Nordlander หัวหน้าฝ่ายอุตสาหกรรม decarbonization ของ Vattenfall กล่าวว่า "เทคโนโลยีนี้เป็นที่รู้จักมาระยะหนึ่งแล้ว แต่เพิ่งทำในห้องปฏิบัติการเท่านั้น" “สิ่งที่เราทำที่นี่คือการดูว่ามันสามารถทำงานในระดับอุตสาหกรรม [the] ได้หรือไม่”
เมื่อเดือนสิงหาคมที่ผ่านมา บริษัท Hybrit ได้ก้าวสู่ความสำเร็จครั้งแรก: SSAB ซึ่งผลิตและจำหน่ายผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้าย ส่งมอบเหล็กไร้ฟอสซิลชุดแรก ให้กับผู้ผลิตรถยนต์วอลโว่ ซึ่งใช้ในรถต้นแบบ. นอกจากนี้ยังกำลังวางแผนสร้างโรงงานเพื่อการผลิตเชิงพาณิชย์ ซึ่งตั้งเป้าจะแล้วเสร็จภายในปี 2026
บริษัทร่วมทุนอีกแห่งในสวีเดนคือ H2 Green Steel กำลังพัฒนาโรงงานเหล็กไฮโดรเจนในเชิงพาณิชย์ที่คล้ายคลึงกัน โดยได้รับความช่วยเหลือจำนวน 105 ล้านดอลลาร์จากนักลงทุนเอกชนและบริษัทต่างๆ ซึ่งรวมถึง Mercedes-Benz, Scania และ IMAS Foundation ซึ่งเป็นองค์กรที่เชื่อมโยงกับ Ikea บริษัท แผน ที่จะเริ่มการผลิตภายในปี 2024 และผลิตเหล็กปลอดมลพิษจำนวน 5 ล้านตันต่อปีภายในสิ้นทศวรรษนี้ บริษัทอื่นๆ ที่ทำการทดสอบการผลิตเหล็กที่ใช้พลังงานไฮโดรเจน ได้แก่ ArcelorMittal, Thyssenkruppและ ซัลซ์กิทเทอร์ เอจี ในประเทศเยอรมนี Posco ในเกาหลีใต้ และ Voestalpine ในออสเตรีย
สามารถใช้ไฟฟ้าลดแร่เหล็กได้ ตัวอย่างเช่น Boston Metal ได้พัฒนากระบวนการที่เรียกว่าอิเล็กโทรไลซิสหลอมเหลวซึ่งกระแสจะเคลื่อนผ่านเซลล์ที่มีแร่เหล็ก ในขณะที่กระแสไฟฟ้าเดินทางระหว่างปลายทั้งสองของเซลล์และทำให้แร่ร้อนขึ้น ออกซิเจนจะเกิดฟองขึ้น (และสามารถเก็บสะสมได้) ในขณะที่แร่เหล็กจะถูกลดขนาดลงเป็นเหล็กเหลวที่สะสมอยู่ที่ก้นเซลล์และเคาะเป็นระยะ จากนั้นนำเหล็กบริสุทธิ์มาผสมกับคาร์บอนและส่วนผสมอื่นๆ
“สิ่งที่เราทำโดยทั่วไปคือการแลกเปลี่ยนคาร์บอนเป็นไฟฟ้าเป็นตัวรีดิวซ์” Adam Rauwerdink รองประธานอาวุโสฝ่ายพัฒนาธุรกิจของบริษัทกล่าว “สิ่งนี้ช่วยให้เราสามารถผลิตเหล็กคุณภาพสูงโดยใช้พลังงานน้อยกว่าและในขั้นตอนที่น้อยกว่าการผลิตเหล็กทั่วไป” เขาเสริมว่าตราบใดที่พลังงานมาจากแหล่งที่ปราศจากฟอสซิล กระบวนการนี้จะไม่ก่อให้เกิดการปล่อยคาร์บอน
เขากล่าวว่า บริษัท ซึ่งปัจจุบันดำเนินการนำร่องสามสายที่โรงงาน Woburn กำลังทำงานเพื่อนำแนวคิดห้องปฏิบัติการออกสู่ตลาดโดยใช้ ระดมทุนได้ 50 ล้านดอลลาร์ในปีที่แล้ว จากกลุ่มนักลงทุนซึ่งรวมถึง Breakthrough Energy Ventures ซึ่งได้รับการสนับสนุนจาก Bill Gates และ BMW ผู้ผลิตรถยนต์สัญชาติเยอรมัน โรงงานสาธิตในเชิงพาณิชย์คาดว่าจะเปิดดำเนินการได้ภายในปี 2025
Sridhar Seetharaman ศาสตราจารย์ด้านวัสดุศาสตร์และวิศวกรรมศาสตร์จากมหาวิทยาลัยแห่งรัฐแอริโซนากล่าวว่า "ฉันรู้สึกว่าโซลูชันทั้งหมดนี้มีที่ของมัน ขึ้นอยู่กับสถานที่ ความพร้อมใช้งานของทรัพยากร และผลิตภัณฑ์เป้าหมาย “แต่ตอนนี้ฉันไม่คิดว่าจะมีใครให้กระสุนเงินแก่คุณเพื่อตอบสนองความต้องการ”
“ไฮโดรเจนมีจุดเริ่มต้นเล็กๆ น้อยๆ โดยอิงจากระบบที่จัดตั้งขึ้น และมันยังนำหน้าในเชิงพาณิชย์ด้วย” Bataille นักเศรษฐศาสตร์พลังงาน IDDRI กล่าว “แต่การประสบความสำเร็จในอุตสาหกรรมเหล็กที่ไม่มีปริมาณสุทธิจะใช้เส้นทางที่ปลอดคาร์บอนมากขึ้น ดังนั้นฉันคิดว่าจะมีที่ว่างเพียงพอในตลาดสำหรับพวกเขาในท้ายที่สุด”
________
แม้ว่ากระบวนการผลิตเหล็กที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมดูเหมือนจะได้รับแรงผลักดัน แต่ก็ยังมีความท้าทายที่ร้ายแรงมากมายที่ต้องเผชิญ หัวหน้าในหมู่พวกเขาคือการขยายตัวครั้งใหญ่ในโครงสร้างพื้นฐานด้านพลังงานหมุนเวียนซึ่งการเปลี่ยนแปลงทั่วทั้งอุตสาหกรรมไปสู่วิธีการใหม่เหล่านี้จะนำมาซึ่งผล Thomas Koch Blank อาจารย์ใหญ่อาวุโสขององค์กรไม่แสวงหาผลกำไรในโคโลราโดกล่าว สถาบัน Rocky Mountain. เขาคาดการณ์ว่าโลกจะต้องใช้แหล่งพลังงานแสงอาทิตย์และพลังงานลมถึงสามเท่าเพื่อผลิตกระแสไฟฟ้าในการผลิตเหล็กขั้นปฐมภูมิที่มีอยู่
อุปสรรคอีกประการหนึ่งคือต้นทุน การเปลี่ยนไปใช้ไฟฟ้าหรือไฮโดรเจนจะต้องใช้เงินทุนจำนวนมหาศาลเพื่อสร้างโรงงานใหม่และปรับปรุงโรงงานเก่า ในกรณีของวิธีไฮโดรเจนสะอาด ป้ายราคาเหล็กจะเพิ่มขึ้นอย่างมาก เนื่องจากผู้ผลิตเหล็กตั้งอยู่ใกล้กับถ่านหินโค้กต้นทุนต่ำแทนที่จะเป็นไฮโดรเจนต้นทุนต่ำ “ค่าใช้จ่ายล่วงหน้าเหล่านี้น่าจะผลักดันราคาเหล็กและผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายให้สูงขึ้น อย่างน้อยก็ในช่วงเริ่มต้น”
ตามที่ Rissman นักวิเคราะห์ในซานฟรานซิสโกกล่าวว่าการออกกฎหมายทั้งด้านอุปทานและอุปสงค์สามารถช่วยชดเชยค่าใช้จ่ายที่สูงขึ้นเหล่านั้นและส่งเสริมการลงทุนในเทคโนโลยีที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมมากขึ้น เขากล่าวว่ารัฐบาลสามารถจูงใจให้ใช้เหล็กกล้าคาร์บอนต่ำสำหรับอาคารและโครงสร้างพื้นฐานโดยกำหนดให้โครงการที่ได้รับทุนสนับสนุนจากรัฐใช้วัสดุก่อสร้างที่กำหนดรุ่นคาร์บอนต่ำ พวกเขายังสามารถบังคับใช้นโยบายที่ทำให้การซื้อจากประเทศที่กฎระเบียบเกี่ยวกับการปล่อยมลพิษมีความเข้มงวดน้อยกว่า นั่นจะช่วยให้ผู้ผลิตในประเทศ “สามารถแข่งขันได้” ในขณะที่ตลาดเหล็กสะอาด “เติบโตขึ้นและกระบวนการผลิตใหม่สามารถประหยัดต่อขนาดได้” Rissman กล่าว
บางทีสิ่งกีดขวางบนถนนที่ใหญ่ที่สุดคือจีนซึ่ง เกี่ยวกับร้อยละ 90 ของการผลิตเหล็กทำได้โดยใช้เตาหลอม ในเดือนกันยายน 2020 ประธานาธิบดีสี จิ้นผิง ประกาศ ที่ประเทศตั้งเป้าที่จะปล่อยคาร์บอนให้เป็นกลางภายในปี 2060 เพื่อลดมลพิษจากโรงถลุงเหล็กในประเทศ ซึ่ง คิดเป็นประมาณ 15 เปอร์เซ็นต์ ของการปล่อยคาร์บอนโดยรวมของประเทศ ปักกิ่งยังได้ให้คำมั่นที่จะ บรรลุการปล่อยเหล็กสูงสุดภายในปี 2030. ถึงกระนั้นก็ตาม มีการประกาศโครงการเตาหลอมใหม่ 18 โครงการในประเทศจีนในช่วงหกเดือนแรกของปี 2021 ตาม ให้กับกลุ่มวิจัยในเฮลซิงกิ Center for Research on Energy and Clean Air
เหล็กกล้าเป็นหนึ่งในอุตสาหกรรมที่สำคัญและท้าทายที่สุดในการกำจัดคาร์บอน Rissman กล่าว ดังนั้นการประสานงานทั่วโลกในเรื่องดังกล่าวจะช่วยได้มาก
ย้อนกลับไปที่เมืองบอสตัน Rauwerdink ซึ่งสำรวจสายการผลิตของโรงงานของ Boston Metal ตกลงกัน “มันเป็นความท้าทายที่ยอดเยี่ยมที่เราต้องเผชิญ” เขากล่าว แต่เขาเสริมว่า "เรากำลังแสดงให้เห็นว่ามีวิธีแก้ปัญหาและใช้งานได้"
บทความนี้ถูกเผยแพร่เมื่อวันที่ Undark. อ่าน บทความต้นฉบับ.
เครดิตภาพ: Třinecké železárny / วิกิมีเดียคอมมอนส์
