هیدروژن سبز در حال تحول صنعت فولاد است، به عنوان راه‌حل اساسی برای کاهش کربن‌زایی در فولادسازی اولیه. فرآیند H2-DRI-EAF شامل استفاده از هیدروژن برای تولید آهن احیا شده مستقیم (DRI) است که در کوره قوس الکتریکی (EAF) برای تولید فولاد به کار می‌رود. طبق پیش‌بینی بلومبرگ NEF، تا سال ۲۰۵۰، ۶۴ درصد از تولید فولاد اولیه از روش H2-DRI-EAF خواهد بود. مابقی تولیدات از طریق کوره بلند-کوره اکسیژن پایه (BF-BOF) و فناوری‌های دیگر صورت می‌گیرد. به‌طور کلی، طبق آژانس بین‌المللی انرژی (IEA)، تا سال ۲۰۵۰، ۴۴ درصد از تولید آهن از فرآیندهای مبتنی بر هیدروژن خواهد بود و سایر فناوری‌ها از جمله CCS و الکترولیز مستقیم سنگ آهن نیز در میزان تولید آهن شرکت خواهند داشت.
در این مقاله از وبسایت کیلوتن، به بررسی روند تولید هیدروژن سبز و چالش های موجود در این زمینه وجود دارد می پردازیم.
دو چالش در مسیر فولاد سبز
استفاده از هیدروژن در فرآیند احیای مستقیم برای تولید فولاد کاهش کربن‌زایی را ممکن می‌سازد، اما با چالش‌هایی مواجه است که باید بر آنها غلبه شود. تامین عرضه کافی سنگ آهن با عیار مناسب برای فرآیند DR و ایجاد یک زنجیره ارزش پایدار برای تولید هیدروژن سبز، از جمله چالش‌های اساسی است. توسعه هیدروژن سبز نیازمند سرمایه‌گذاری بیشتر و افزایش ظرفیت الکترولیز در مقیاس گیگاوات است.
در حال حاضر، در میان پروژه‌های فولاد سبز در مقیاس تجاری، تنها H2 Green Steel طرح جامعی را ارائه کرده است که ظرفیت الکترولیزری بالاتر از ۷۰۰ مگاوات را برای تولید فولاد پیشنهاد می‌کند. این طرح به جای استفاده از گاز، مستقیما از هیدروژن به عنوان گاز کاهش‌دهنده استفاده می‌کند. شرکت Thyssenkrupp نیز در حال بررسی امکان برون‌سپاری تامین هیدروژن برای کارخانه خود در دویسبورگ، آلمان است و ترجیح می‌دهد به‌جای سرمایه‌گذاری مستقیم در زنجیره ارزش هیدروژن، قراردادهای تامین بلندمدت برای هیدروژن سبز و آبی از منابع داخلی و بین‌المللی را در نظر بگیرد.
مبع تامین انرژی هیدروژن سبز چیست؟
اقتصاد هیدروژنی با چالش‌هایی مانند ظرفیت محدود تولید الکترولیزورها و مصرف برق قابل توجه مواجه است که تامین انرژی تجدیدپذیر را به چالش می‌کشد.
برای حفظ کارکرد نیروگاه‌های احیای مستقیم مبتنی بر هیدروژن سبز در مقیاس بزرگ، باید تامین مداوم برق تجدیدپذیر در طول سال تضمین شود. تنوع منابع انرژی تجدیدپذیر، مانند خورشیدی و بادی، نیازمند افزایش ظرفیت و اجرای راه‌حل‌های ذخیره‌سازی انرژی برای تضمین عرضه مداوم انرژی است. این ضرورت به افزایش هزینه‌های سرمایه‌گذاری اولیه برای انرژی‌های تجدیدپذیر کمک می‌کند که می‌تواند هزینه‌های سرمایه‌گذاری (CAPEX) مورد نیاز برای تاسیسات فولادسازی را کاهش دهد.
طبق قانون به‌روز شده کاهش تورم دولت ایالات متحده (IRA)، اعتبار مالیاتی منحصرا برای پروژه‌های هیدروژنی در دسترس است که معیارهای خاصی را پوشش می‌دهند که سه عامل کلیدی را شامل می‌شوند. اولا، این پروژه باید شامل انرژی‌های تجدیدپذیر اختصاصی باشد که حداکثر ۳۶ ماه قبل از شروع تولید الکترولیز ساخته شوند (افزودن). دوم، انرژی‌های تجدیدپذیر و الکترولیزها باید در یک شبکه کار کنند (دسترسی به شبکه). سوم، پروژه باید دقیقا با تولید برق تجدیدپذیر از نظر زمان تولید (هماهنگی زمانی) هماهنگ باشد. الزامات جدید، توسعه‌دهندگان را وادار می‌کند تا نیروگاه‌های هیدروژن خود را با انرژی‌های تجدیدپذیر اختصاصی در نزدیکی خود بسازند.
هزینه تولید هیدروژن سبز
شورای هیدروژن گزارش داد که با وجود تعداد قابل توجهی از پروژه‌های اعلام شده با مجموع ظرفیت ۳۰۵ گیگاوات (GW) در خط لوله، تا دسامبر ۲۰۲۳ ظرفیت ترکیبی الکترولیز هیدروژن سبز تنها از ۱ گیگاوات فراتر رفته است. این میزان ظرفیت، پاسخگوی یک کارخانه فولاد با ظرفیت نزدیک به ۳ میلیون تن در سال می باشد. هرچند که هزینه‌های تولید هیدروژن تجدیدپذیر در حال حاضر بین ۴.۵ تا ۶.۵ دلار برای هر کیلوگرم است، اما انتظار می‌رود که تا سال ۲۰۳۰ این هزینه به ۲.۵ تا ۴.۰ دلار در هر کیلوگرم کاهش یابد. در حال حاضر، عدم اطمینان در مورد حمایت دولت و تورم باعث به تعویق انداختن تصمیمات سرمایه‌گذاری در برخی پروژه‌های هیدروژن سبز شده است، در حالی که وام‌دهندگان هنوز با شکاف قیمتی بین هزینه‌های تولید و نرخ مورد نظر مواجه هستند.
اولویت صنعت فولاد برای تولید هیدروژن سبز
تولید هیدروژن سبز با چالش‌هایی روبرو است، اما اولویت‌بندی ظرفیت‌های موجود برای صنعت‌هایی مانند فولاد که می‌توانند به کاهش قابل توجهی در انتشار کربن منجر شوند، بسیار حیاتی است. اندیشکده آلمانی Agora Industry تاکید دارد که فولاد به عنوان یکی از بخش‌های با بیشترین پتانسیل برای کاهش انتشار کربن در میان کاربردهای هیدروژن، بسیار مهم است. انتقال از زغال‌سنگ به هیدروژن در بخش فولاد، حتی در مواردی که برق‌رسانی مستقیم امکان‌پذیر نیست، مزایای بیشتری نسبت به انتقال از سایر سوخت‌های فسیلی مانند نفت و گاز به هیدروژن دارد.
موانع کاربرد هیدروژن سبز
توسعه‌دهندگان باید علاوه بر توزیع هیدروژن سبز در بخش‌های مختلف، به اولویت و پتانسیل کاهش کربن توجه ویژه‌ای داشته باشند. انتقال هیدروژن برای مسافت‌های طولانی، به خصوص برای پروژه‌های در حال توسعه در مناطقی مانند خاورمیانه و شمال آفریقا، ناکارآمد و هزینه‌بر است. به جای این، استفاده از هیدروژن در داخل کشور برای تولید آهن احیا شده با هیدروژن به عنوان راهکار ارجح توصیه می‌شود.
بعلاوه، برخی از فولادسازان تصمیم می‌گیرند فرآیند آهن‌سازی را به مناطقی با دسترسی به منابع انرژی مقرون‌به‌صرفه‌تر منتقل کنند و آهن خالص را به‌عنوان ماده اولیه به شکل آهن بریکت‌شده داغ (HBI) وارد کنند. این مفهوم جدید، جدایی آهن‌سازی از فرآیندهای فولادسازی را نشان می‌دهد. به عنوان مثال، POSCO در حال برنامه‌ریزی یک سرمایه‌گذاری ۱۲ میلیارد دلاری برای تولید HBI سبز در استرالیا است.
طرح‌هایی برای توسعه ۲ میلیون تن در سال HBI و ۰.۷ میلیون تن در سال گلوله سنگ آهن برای تایید زیست‌محیطی در اکتبر ۲۰۲۳ ارائه شده است.
استفاده از گاز به عنوان واسطه تولید
توسعه زنجیره ارزش هیدروژن سبز به طول مدت چندین سال ادامه خواهد داشت و این موضوع در طراحی اولیه بسیاری از پروژه‌های جدید آهن و فولاد سبز که برای استفاده از هیدروژن برنامه‌ریزی شده‌اند، منعکس شده است. اکثر این پروژه‌ها قرار است در ابتدا با استفاده از گاز طبیعی عملیات خود را آغاز کنند، به استثنای کشورهای شمال اروپا که از انرژی‌های تجدیدپذیر مقرون‌به‌صرفه مانند برق آبی بهره می‌برند و از هیچگونه وابستگی به گاز در آغاز کار معاف هستند.
شرکت Midrex، بزرگ‌ترین تولیدکننده نیروگاه‌های احیای مستقیم (DR)، انعطاف‌پذیری در فرآیند خود دارد که می‌تواند با نسبت‌های متفاوت هیدروژن در مخلوط گاز کاهنده عمل کند و این امکان را فراهم می‌کند که هر زمان که تولید هیدروژن سبز مقرون‌به‌صرفه شود، به طور تدریجی از گاز به هیدروژن مهاجرت کند.
شرکت‌های Tenova و Danieli، توسعه‌دهندگان مشترک فناوری Energiron DR، ادعا می‌کنند که تمامی نیروگاه‌های Energiron DRI آماده به استفاده از هیدروژن به عنوان گاز احیاکننده هستند و بدون نیاز به تغییرات عمده در تجهیزات، می‌توانند از هیدروژن استفاده کنند.
آزمایش‌هایی مانند افزایش سهم هیدروژن به ۶۰ درصد در آزمایشی که توسط HBIS انجام شد، قابلیت استفاده از مخلوط گاز در شفت‌های Energiron را برای کاهش انتشار کربن در فرآیند آهن‌سازی تایید می‌کند. در ماه می ۲۰۲۲، ArcelorMittal Long Products Canada با موفقیت آزمایش‌هایی انجام داد که در آنها گاز را با هیدروژن جایگزین کرد.
این روند نشان‌دهنده استراتژی‌های مرحله‌ای و انعطاف‌پذیر در استفاده از هیدروژن سبز است که به‌تدریج به جای گاز طبیعی می‌پردازد و به کاهش انتشار کربن در صنعت فولاد کمک می‌کند.
مسیرهای متفاوت تولید هیدروژن سبز
اظهارات پایانی COP28 بر ضرورت دوری از سوخت‌های فسیلی در سیستم‌های انرژی تاکید می‌کند و شروع فاز بندی این امر را نشان می‌دهد، که مسئولیت جمعی کشورها برای حذف سریع فعالیت‌های صنعتی مبتنی بر این سوخت‌ها را تاکید می‌کند، همچنین اهداف توافقنامه پاریس را تضمین می‌کند.
پیش‌بینی می‌شود که با پیشرفت فناوری الکترولیز، هزینه هیدروژن به طور قابل توجهی کاهش یابد و این امر می‌تواند منجر به تغییر به سمت استفاده گسترده از هیدروژن شود. با دور شدن از سوخت‌های فسیلی، عرضه جهانی گاز تا پایان دهه فعلی به شدت افزایش خواهد یافت.
در مناطقی که به ذخایر گاز دسترسی دارند، مانند استرالیای غربی، تامین گاز به دلیل محدودیت‌های عرضه چالش‌برانگیز است، با این حال منابع غنی گاز در خاورمیانه این منطقه را به یکی از قطب‌های مهم تولید آهن در طول تاریخ تبدیل کرده‌اند.
اروپا در حال کاهش اتکای خود به گاز است و اتحادیه اروپا قصد دارد تا سال ۲۰۳۰، ۴۲.۵ درصد از نیاز انرژی خود را از منابع تجدیدپذیر برآورده کند، در حالی که مفهوم استفاده از هیدروژن “آبی” در فولادسازی غیرمنطقی است، به دلیل عدم اثبات کارآمدی CCS و نرخ جذب پایین آن.
این تحولات نشان‌دهنده استراتژی‌های پیشرفته و مرحله‌ای در صنعت فولادسازی هستند که به‌تدریج از سوخت‌های فسیلی دور شده و به استفاده از منابع انرژی پاک و پایدار می‌پردازند.
بررسی مسیرهای کربن‌زدایی در صنعت فولاد
رشد زنجیره ارزش هیدروژن سبز یک فرآیند طولانی‌مدت است که در طراحی اولیه بسیاری از پروژه‌های جدید آهن و فولاد سبز، از نظر استراتژیک، مدنظر قرار گرفته است. اکثر این پروژه‌ها قرار است ابتدا از گاز طبیعی (NG) استفاده کنند، به استثنای کشورهای شمال اروپا که به انرژی‌های تجدیدپذیر از طریق برق آبی دسترسی دارند و از وابستگی به گاز معاف هستند.
شرکت Midrex، بزرگ‌ترین تولیدکننده نیروگاه‌های احیای مستقیم (DR)، انعطاف‌پذیری در فرآیند خود را ارائه می‌دهد که می‌تواند با نسبت‌های مختلف هیدروژن در مخلوط گاز کاهنده عمل کند، این امر اجازه انتقال تدریجی از گاز به هیدروژن را در صورت بهره‌وری مقرون به صرفه از هیدروژن سبز فراهم می‌کند.
شرکت‌های Tenova و Danieli، توسعه‌دهندگان مشترک فناوری Energiron DR، ادعا می‌کنند که تمامی نیروگاه‌های Energiron DRI آماده استفاده از هیدروژن به عنوان گاز احیاکننده هستند، بدون نیاز به تغییرات عمده در تجهیزات.
این تحولات نشان می‌دهند که صنعت فولاد سبز در حال انتقال به استفاده بیشتر از هیدروژن سبز است که این می‌تواند به کاهش وابستگی به سوخت‌های فسیلی و کاهش انتشارات کربن در این صنعت کمک کند.
