پایگاه تحلیلی خبری ایراسین، صنعت فولاد با مسئولیت تولید حدود ۷ تا ۹ درصد از کل انتشارات دیاکسید کربن جهانی، در نقطه عطف تاریخی خود قرار گرفته است. فشارهای زیستمحیطی و تعهدات اقلیمی کشورهای صنعتی، این صنعت را به سوی تحولی بنیادین سوق دادهاند. در این میان، دو رویکرد فناورانه به عنوان امیدبخشترین گزینهها برای دستیابی به فولادسازی بدون کربن شناخته شدهاند: احیای مستقیم با هیدروژن و الکترولیز اکسید مذاب! این تحلیل بر اساس یافتههای منتشر شده در معتبرترین ژورنالهای علمی، به بررسی عمیق مبانی علمی، چالشهای مهندسی و چشمانداز تجاریسازی این دو فناوری میپردازد.
مبانی علمی احیای هیدروژنی
احیای مستقیم با هیدروژن در واقع بازنگری مدرن در فرایندهای شناخته شده احیا-اکسایش است. تحقیقات Patisson و Mirgaux در ISIJ International نشان میدهد که جایگزینی هیدروژن به جای مونوکسید کربن، تغییری بنیادین در ترمودینامیک فرایند ایجاد میکند. در این فرایند، اکسید آهن با گاز هیدروژن واکنش میدهد و آهن خالص به همراه بخار آب تولید میشود. برخلاف احیای سنتی با کربن که گرمازا است و خود حرارت تولید میکند، این واکنش ماهیتی گرماگیر دارد و به تأمین مستمر انرژی خارجی نیاز دارد. این ویژگی چالشی اساسی در طراحی کورههای هیدروژنی محسوب میشود. در کورههای بلند سنتی، خود واکنشهای احیا حرارت لازم را تولید میکنند، اما در سیستمهای هیدروژنی باید معماری کاملاً متفاوتی برای انتقال حرارت و عایقبندی طراحی شود.
یافتههای Spreitzer و Schenk در Metallurgical and Materials Transactions B، بینش مهمی درباره رفتار میکروساختاری سنگ آهن در حضور هیدروژن ارائه میدهد. تصویربرداری سهبعدی و میکروسکوپ الکترونی روبشی نشان داده که هیدروژن شبکه تخلخلی منحصر به فردی در ساختار گندلههای آهن ایجاد میکند. این تخلخلها دو اثر متناقض دارند؛ از یک سو نفوذپذیری گاز را افزایش داده و سینتیک واکنش را تسریع میکنند، از سوی دیگر استحکام مکانیکی ساختار را کاهش میدهند. این پدیده که به «تولید غبار» معروف است، میتواند کارایی کل سیستم را تحت تأثیر قرار دهد و نیازمند طراحی سیستمهای پیچیده فیلتراسیون است.
پروژه HYBRIT سوئد، که توسط Pei و همکارانش مستند شده، اولین نمونه تجاریسازی موفق این فناوری در مقیاس نیمهصنعتی است. همکاری سهجانبه SSAB، LKAB و Vattenfall، زنجیره ارزش کاملی از تولید هیدروژن سبز تا فولاد نهایی را پیادهسازی کرده است. کلید موفقیت این پروژه، بهرهگیری از برق ارزان آبی سوئد برای تولید هیدروژن از طریق الکترولیز است که انتشار کربن را نزدیک به صفر میرساند. با وجود این موفقیت فنی، دادههای اقتصادی حاکی از افزایش ۲۰ تا ۳۰ درصدی هزینه تولید نسبت به روش کوره بلند است که هنوز مانعی برای گسترش وسیع این فناوری محسوب میشود.
انقلاب الکتروشیمیایی در فولادسازی
الکترولیز اکسید مذاب رویکردی رادیکالتر را پیشنهاد میکند که بنیان فلسفی تولید فولاد را تغییر میدهد. این فناوری که از تحقیقات پروفسور Donald Sadoway در MIT آغاز شد، فرایند تولید فولاد را از یک واکنش شیمیایی-حرارتی پیچیده به یک فرایند الکتروشیمیایی مستقیم ساده میکند. مقاله تاریخساز Allanore و همکاران در Nature سال ۲۰۱۳، امکان احیای مستقیم سنگ آهن مذاب در یک سلول الکتروشیمیایی را بدون نیاز به عامل احیاکننده خارجی اثبات کول الکتروشیمیایی را بدون نیاز به عامل احیاکننده خارجی اثبات کرد.
مکانیسم این فناوری بر جداسازی الکتروشیمیایی اکسیژن از آهن در دماهای بالا استوار است. در قطب منفی، یونهای آهن الکترون دریافت کرده و به فلز آهن تبدیل میشوند، در حالی که در قطب مثبت، یونهای اکسیژن الکترون از دست داده و گاز اکسیژن خالص آزاد میشود. سادگی ظاهری این فرایند نباید فریب دهد؛ چالش واقعی در طراحی الکترودهایی است که در دماهای بالای ۱۶۰۰ درجه سانتیگراد و در محیط بسیار خورنده اکسیدهای مذاب، پایداری خود را حفظ کنند. دستاورد اصلی تیم Sadoway، توسعه آندهای مقاوم بر پایه اکسیدهای فلزی است که عمر کاری قابل قبولی در این شرایط دارند.
تحلیل ترمودینامیکی Stettler و همکاران در Journal of The Electrochemical Society، تصویری شفاف از بازدهی انرژی این فرایند ارائه میدهد. بر خلاف تصور عمومی که الکترولیز را فرایندی انرژیبر میداند، محاسبات نشان میدهد حذف مراحل واسط متعدد همچون ککسازی، سینترینگ و کلوخهسازی، در نهایت به صرفهجویی قابل توجه در مصرف کل انرژی منجر میشود. در روش سنتی، بخش عمدهای از انرژی به صورت حرارت هدر میرود، اما در الکترولیز مذاب، تبدیل مستقیم انرژی الکتریکی به انرژی شیمیایی بازدهی بالاتری دارد، البته با فرض استفاده از برق تجدیدپذیر.
شرکت Boston Metal که محصول فرعی تحقیقات MIT است، اکنون در مسیر تجاریسازی این فناوری گام برمیدارد. نوآوری کلیدی این شرکت، طراحی کاتدهای مایع است که فولاد مذاب مستقیماً در آنها جمع شده و به صورت پیوسته تخلیه میشود. این رویکرد برخلاف روشهای الکترولیزی سنتی که دستهای هستند، امکان تولید پیوسته و یکپارچه را فراهم میآورد.
مقایسه سیستماتیک و واقعیتهای اقتصادی
مقالات مروری در Journal of Cleaner Production، چارچوبی جامع برای ارزیابی این فناوریها ارائه میدهند. از منظر سطح آمادگی فناوری، احیای هیدروژنی با چندین پروژه نمایشی و تجاری، جلوتر از الکترولیز مذاب است که هنوز در مراحل پایلوت قرار دارد. با این حال، پتانسیل بلندمدت الکترولیز مذاب برای حذف کامل انتشارات و سادهسازی چشمگیر فرایند، آن را به گزینهای استراتژیک برای آینده تبدیل میکند.
تحلیلهای اقتصادی نشان میدهد که هر دو روش در حال حاضر گرانتر از کوره بلند سنتی هستند، اما شکاف قیمتی با سرعت در حال کاهش است. افزایش قیمت کربن در بازارهای اروپا و کاهش هزینه برق تجدیدپذیر، معادله اقتصادی را به نفع فناوریهای سبز تغییر میدهد. پیشبینیها حاکی از آن است که احیای هیدروژنی تا سال ۲۰۳۵ میتواند به رقابتپذیری اقتصادی برسد، در حالی که الکترولیز مذاب ممکن است یک دهه بعد به این نقطه دست یابد.
انعطافپذیری با منابع انرژی، تفاوت مهم دیگر این دو فناوری است. احیای هیدروژنی به شدت به دسترسی به هیدروژن ارزان وابسته است که خود نیازمند برق یا گاز طبیعی است. در مقابل، الکترولیز مذاب مستقیماً از برق استفاده میکند و میتواند با نوسانات شبکههای تجدیدپذیر سازگار شود و حتی به عنوان مصرفکننده انعطافپذیر در مدیریت شبکه نقش ایفا کند.
آینده صنعت فولاد احتماالً ترکیبی از این فناوریها خواهد بود. در مناطق با دسترسی به هیدروژن ارزان، احیای هیدروژنی مناسبتر است، در حالی که نواحی با برق تجدیدپذیر فراوان میتوانند به الکترولیز مذاب روی آورند. تحقیقات جاری بر حل چالشهای باقیمانده متمرکز است، اما مسیر به سوی فولادسازی بدون کربن با وضوح ترسیم شده است.
نظر شما