تولید کم‌کربن چگونه با تولید آهن‌های باکیفیت بالا هماهنگ می‌شود؟

اساس‌های تولید فولاد کم‌کربن در تولیدات باکیفیت

درک فناوری‌های تولید کم‌کربن در صنعت فولادسازی

تولیدکنندگان برتر آهن امروزه به سه رویکرد اصلی روی می‌آورند تا انتشارات خود را کاهش دهند. اولین مورد، جایگزینی کک با هیدروژن در فرآیند کاهش آهن است. آزمایش‌های اولیه نشان می‌دهد که این روش می‌تواند انتشارات را حدود ۹۵ درصد کاهش دهد که واقعاً قابل توجه است. سپس کوره‌های قوس الکتریکی هستند که با منابع انرژی تجدیدپذیر کار می‌کنند. این کوره‌ها معمولاً ۶۰ تا شاید حتی ۷۰ درصد کربن کمتری نسبت به کوره‌های قدیمی بلند تولید می‌کنند. تمام این روش‌ها کاملاً با اهداف کاهش کربن در سطح جهانی هماهنگ هستند. بازیگران بزرگ صنعت شروع به اختصاص حدود ۱۵ تا ۲۰ درصد از بودجه تحقیقات خود به مقیاس‌بندی این جایگزین‌های سبز کرده‌اند. این امر از منظر روند آینده محیط زیست کاملاً منطقی به نظر می‌رسد.

اصل: شدت کربن و ردپای کربن محصول (PCF) در کارهای آهنی باکیفیت

ردپای کربن تولید فولاد که بر حسب تن دی‌اکسید کربن در هر تن اندازه‌گیری می‌شود، امروزه اهمیت زیادی برای برندهای لوکسی دارد که به عناصر معماری یا قطعات خودرو نیاز دارند. این شرکت‌های درجه یک اکنون در تمام مراحل تولید، از استخراج مواد اولیه تا حمل و نقل کالاهای نهایی، ردپای کربن محصولات خود را زیر نظر دارند. به عنوان مثالی از این موضوع، مجسمه‌های فولاد ضدزنگ را می‌توان در نظر گرفت. وقتی این مجسمه‌ها با استفاده از فناوری آهن مستقیم کاهش‌یافته مبتنی بر هیدروژن ساخته می‌شوند، به طور معمول حدود ۱٫۸ تن انتشار کربن دارند. در مقایسه با روش‌های سنتی که همان مجسمه‌ها تقریباً ۶٫۲ تن انتشار کربن دارند، این تفاوت بسیار مهم است؛ به‌ویژه زمانی که برندهای لوکس می‌خواهند خود را به عنوان برندهایی پایدار و دوستدار محیط زیست با حفظ استانداردهای کیفی معرفی کنند.

تعریف و معنای فولاد سبز در بازارهای تخصصی و لوکس

فولاد سبز در اصل فولادی است که در تولید هر تن آن بیش از ۰٫۴ تن انتشار دی‌اکسید کربن وجود نداشته باشد، که این امر موجب کاهش حدود سه‌چهارم گازهای گلخانه‌ای در مقایسه با تولید معمولی فولاد می‌شود. صنایع لوکس شروع به استفاده از این ماده کرده‌اند، زیرا این فولاد هم مطابق با مقررات سخت‌گیرانه‌ای مانند مکانیسم تعدیل مرزی کربن اتحادیه اروپا است و هم برای مشتریانی که به پیامدهای زیست‌محیطی اهمیت می‌دهند جذابیت دارد. طبق یک مطالعه اخیر انجام‌شده توسط شرکت بِین و کمپانی در سال گذشته، تقریباً دو سوم مصرف‌کنندگان ثروتمند تمایل دارند برای محصولاتی که از فولاد سبز تأییدشده ساخته شده‌اند، هزینه بیشتری بپردازند و گاهی تا ۲۵ یا ۳۰ درصد بیش از گزینه‌های معمولی قیمت بپردازند. تمایل به پرداخت قیمت‌های بالاتر نشان‌دهنده اهمیت فزاینده پایداری در بخش‌های مختلف بازار است.

تولید فولاد مبتنی بر هیدروژن: مسیری به سوی کاهش کربن

کاهش آهن مبتنی بر هیدروژن: فناوری و مقیاس‌پذیری برای کاربردهای لوکس

فرآیند کاهش آهن با استفاده از گاز هیدروژن در حال جایگزینی کوره‌های قدیمی قوس الکتریکی مبتنی بر کک است. این روش جدید به جای استفاده از مواد غنی از کربن، از هیدروژن به عنوان عامل کاهنده اصلی بهره می‌برد. دلیل دوستدار محیط زیست بودن این روش چیست؟ خب، هنگامی که هیدروژن می‌سوزد، به جای تولید گازهای مضر CO₂ همانند روش‌های سنتی، تنها بخار آب پاکیزه به جو آزاد می‌شود. فناوری فعلی در واقع قادر است با استفاده از مخلوط‌های هیدروژن دماهایی بالاتر از ۱۰۰۰ درجه سانتی‌گراد را به دست آورد که برای تولید محصولات فولادی با کیفیت کافی است. نگاهی به اعداد واقعی ممکن است درک بهتری از موضوع فراهم کند. طبق تحقیقات اخیر آژانس انرژی بین‌المللی که سال گذشته منتشر شده است، تولید یک تن فولاد از طریق روش آهن مستقیم کاهش‌یافته (DRI) مبتنی بر هیدروژن تنها حدود ۰٫۰۴ تن انتشار CO₂ دارد. این عدد در مقایسه با حدود ۱٫۸ تن تولید شده توسط فرآیندهای متداول مبتنی بر زغال سنگ بسیار پایین‌تر است.

فرآیندهای آهن احیا شده مستقیم (DRI) با استفاده از هیدروژن: پتانسیل کاهش کربن

هنگامی که این سیستم‌ها با منابع انرژی تجدیدپذیر ترکیب می‌شوند، فرآیند آهن احیا شده مستقیم مبتنی بر هیدروژن، انتشار کربن در تولید اولیه فولاد را حدود ۹۰ تا ۹۵ درصد کاهش می‌دهد. گسترش گسترده این سیستم‌ها به چند عامل کلیدی بستگی دارد. اولاً، نیاز به هیدروژن سبز مقرون‌به‌صرفه در حدود ۲ تا ۳ دلار در کیلوگرم تا اوایل دهه ۲۰۳۰ وجود دارد. ثانیاً، بسیاری از واحدهای موجود DRI باید با زیرساخت‌هایی که قادر به کار با هیدروژن هستند، ارتقا یابند. و ثالثاً، تأمین سنگ آهن با خلوص بالاتر از ۶۷ درصد محتوای آهن برای اجرای موفقیت‌آمیز عملیات ضروری باقی می‌ماند. آزمایش‌های عملی در سراسر اروپا و برخی مناطق آسیا نیز نتایج امیدوارکننده‌ای نشان داده‌اند. این پروژه‌ها نشان می‌دهند که هرچند این فرآیند تمیزتر است، اما همچنان استانداردهای متالورژیکی لازم برای محصولات باکیفیت مانند نمای ساختمان‌ها و ابزارهای برش تخصصی که در آن‌ها یکپارچگی ماده از اهمیت حیاتی برخوردار است، حفظ می‌شود.

مطالعه موردی: پروژه HYBRIT در سوئد و پیامدهای آن برای صنعت آهن فاخر

اینیسیاتیو HYBRIT، که توسط یک کنسرسیوم سوئدی حمایت می‌شود، از سال 2021 فولاد بدون سوخت فسیلی را با استفاده از هیدروژن تولید شده از انرژی برق آبی تولید کرده است. دستاوردهای کلیدی شامل:

این مدل نشان می‌دهد که فولادسازی مبتنی بر هیدروژن می‌تواند به استانداردهای کیفی سفت و سخت بازارهای پیشرفته پاسخ دهد و در عین حال کاهش 95٪‌ای انتشار تا سال ۲۰۳۰.

کوره‌های قوس الکتریکی و اقتصاد دایره‌وار در صنعت آهن با کیفیت بالا

فناوری کوره قوس الکتریکی (EAF): کارایی و محدودیت‌ها در تولید کم‌کربن

کورهای قوس الکتریکی یا EAFs به‌طور فزاینده‌ای در تولید فولاد با ردپای کربنی پایین‌تر اهمیت دارند. این کورها در مقایسه با کورهای قدیمی بلند که به‌شدت به زغال‌سنگ وابسته‌اند، حدود ۷۵٪ از انتشار دی‌اکسید کربن را کاهش می‌دهند. این کورها با ذوب ضایعات فولادی بازیافتی به کمک برق کار می‌کنند که آنها را به‌ویژه برای شرکت‌هایی که می‌خواهند خود را به‌عنوان نهادهای مسئول محیط زیست معرفی کنند، جذاب می‌سازد. آنچه EAFها را متمایز می‌کند، انعطاف‌پذیری عملیاتی آنهاست که به تولیدکنندگان اجازه می‌دهد آلیاژها را دقیقاً مطابق نیاز خود تنظیم کنند. علاوه بر این، سیستم‌های اتوماتیک به کاهش مصرف غیرضروری انرژی در طول فرآیند تولید کمک می‌کنند. با این حال، پیش از اینکه استفاده گسترده‌ای از این کورها صورت گیرد، برخی چالش‌ها باید حل شوند. یافتن مواد ضایعاتی با کیفیت کافی همچنان مشکلی است و همچنین دسترسی مطمئن به منابع انرژی تجدیدپذیر لازم است. در مناطقی که تأمین برق سبز نوسان دارد، نتایج حاصل از این کورها نامنظم است، صرفاً به این دلیل که برق همیشه در زمان مورد نیاز در دسترس نیست.

روندها: تغییر از کوره‌های قوس الکتریکی به کوره‌های ذوب در مراکز تولید پیشرفته

تولیدکنندگان فولاد در سراسر اروپا و آمریکای شمالی امروزه به طور فزاینده‌ای در حال روی آوردن به کوره‌های قوس الکتریکی (EAF) هستند. چرا؟ دولت‌ها در حال تشدید نظارت بر انتشار کربن هستند و مشتریان هم می‌خواهند کالاهای لوکس آنها دوستدار محیط زیست باشند. بر اساس گزارش اخیری از بازار در سال گذشته، شاهد رشد حدود ۱۵ درصدی در استفاده از کوره‌های قوس الکتریکی در بازارهای پرمیوم بودیم، در حالی که کوره‌های قدیمی ذوب یکی پس از دیگری از کار بیرون می‌آیند. این تغییر از منظر اصول اقتصاد چرخشی منطقی به نظر می‌رسد. این کوره‌های الکتریکی معمولاً از حدود ۹۸ درصد مواد بازیافتی استفاده می‌کنند که این امر به طور قابل توجهی از استخراج منابع جدید می‌کاهد. البته راه‌اندازی چنین سیستم‌هایی هنوز هم هزینه‌های بسیار بالایی دارد، اما به آنچه در صنعت ساعت‌سازی سوئیس در حال وقوع است نگاه کنید که برندهای برتر اصرار دارند فولادی را بخرند که دارای گواهی‌نامه معتبر ردپای کربن باشد. برای بسیاری از شرکت‌ها، سبز شدن از طریق فناوری EAF دیگر فقط یک امتیاز اضافه نیست؛ بلکه به چیزی تبدیل شده است که اگر بخواهند رقابت‌پذیر بمانند، نمی‌توانند از آن اجتناب کنند.

استراتژی: ادغام بازیافت ضایعات و اصول اقتصاد چرخشی در زنجیره‌های تأمین

تولیدکنندگان برتر فولاد امروزه به طور فزاینده‌ای در حال پذیرش سیستم‌های حلقه‌بسته هستند. این فرآیند به این صورت کار می‌کند: ضایعات فولادی مصرف‌کننده جمع‌آوری شده، از طریق واحدهای پردازش عبور می‌کند و سپس دوباره به عملیات کوره قوس الکتریکی بازمی‌گردد. صنعت خودروسازی را به عنوان نمونه‌ای در نظر بگیرید. برخی از تأمین‌کنندگان درجه یک، زمانی که با بازیافت‌کنندگان تخصصی همکاری می‌کنند که قادر به تأمین ضایعات تمیز فولاد ضدزنگ از وسایل قدیمی خانگی و تجهیزات صنعتی هستند، حدود ۹۰ درصد نرخ استفاده مجدد را مدیریت می‌کنند. این شرکت‌ها سرمایه‌گذاری سنگینی در فناوری‌های پیشرفته جداسازی انجام می‌دهند، چرا که خلوص فولاد برای کاربردهای خاصی مانند قطعات هواپیما یا مواد ساختمانی لوکس بسیار مهم است. هنگامی که تولیدکنندگان شروع به تفکر درباره زنجیره تأمین خود از منظر اقتصاد دایره‌وار می‌کنند، نتایج واقعی مشاهده می‌شود. حجم پسماندهای دفن‌شده به شدت کاهش می‌یابد، هزینه‌های تولید حدوداً بین ۱۸ تا ۲۲ درصد کاهش می‌یابد و مهم‌تر از همه، الزامات گواهی‌های سبز را برآورده می‌کنند که مشتریان بازار لوکس امروزه به شدت به آن اهمیت می‌دهند.

ارزیابی عملکرد بهره‌وری انرژی و انتشارات در صنعت آهن‌سازی مدرن

امروزه تولیدکنندگان فولاد به‌دقت شاخص‌های بهره‌وری انرژی خود را پایش می‌کنند، از جمله مقدار انرژی مصرفی برای تولید هر تن فولاد (بر حسب گیگاژول بر تن) و میزان دی‌اکسید کربن منتشرشده در هر تن تولید. این معیارها به آن‌ها کمک می‌کنند تا تعهدات زیست‌محیطی خود را با تولید محصولات باکیفیتی که مشتریان انتظار دارند، متعادل کنند. بسیاری از کارخانجات پیشرو در تولید فولاد، سیستم‌های مبتنی بر استاندارد ISO 50001 را اتخاذ کرده‌اند که به کاهش هدررفت انرژی در فرآیندهای تولید کمک می‌کنند. همزمان، آن‌ها تمام انواع انتشارات را در دامنه‌های مختلف، از خروجی‌های مستقیم کارخانه تا تأثیرات غیرمستقیم زنجیره تأمین، نظارت می‌کنند. این رویکرد جامع، دید کاملی از ردپای کربن کل هر محصول فولادی تولیدشده فراهم می‌کند.

شاخص‌های بهره‌وری انرژی و انتشارات در تولید فولاد: پیگیری پیشرفت

صنعت فولاد از طریق بهینه‌سازی فرآیندها مانند بازیابی گرمای هدر رفته و کنترل احتراق مبتنی بر هوش مصنوعی، به بهبود عملکرد سالانه ۸ تا ۱۲ درصدی دست می‌یابد (ژو و همکاران، ۲۰۲۳). سیستم‌های ردیابی انتشار در زمان واقعی اکنون حسگرهای اینترنت اشیا (IoT) را با تأیید داده مبتنی بر بلاکچین ترکیب می‌کنند و به تولیدکنندگان برتر امکان می‌دهند تا ادعاهای خود درباره پایداری را برای خریداران دارای آگاهی زیست‌محیطی تأیید کنند.

نقطه داده: کاهش متوسط CO₂ به میزان ۶۰ تا ۷۰ درصد در فناوری قوس الکتریکی (EAF) نسبت به مسیرهای سنتی کوره بلند-کوره اکسیژنی (BF-BOF)

فناوری کوره قوس الکتریکی (EAF) فولاد باکیفیت بالا را با انتشار ۰٫۵ تا ۰٫۷ تن CO₂ در هر تن فولاد تولید می‌کند، در حالی که کوره‌های سنتی بلند ۱٫۸ تا ۲٫۲ تن CO₂ در هر تن فولاد انتشار می‌دهند. این کاهش متوسط ۶۳ درصدی انتشار، EAF را به مسیر ترجیحی برای تولید کم‌کربن در بازارهایی که به دنبال پایداری و دقت متالورژیکی هستند، تبدیل کرده است.

تحلیل تطبیقی: فولاد احیای مستقیم مبتنی بر هیدروژن در مقابل فولاد احیای مستقیم مبتنی بر زغال‌سنگ از نظر شدت کربن

فولاد احیای مستقیم مبتنی بر هیدروژن (H₂-DRI) بین ۰٫۰۴ تا ۰٫۰۸ تن دی‌اکسید کربن به ازای هر تن تولید، در مقایسه با ۱٫۲ تا ۱٫۵ تن دی‌اکسید کربن به ازای هر تن در فرآیندهای مبتنی بر زغال‌سنگ انتشار می‌دهد. ارزیابی چرخه حیات تطبیقی سال ۲۰۲۴ نشان می‌دهد که مسیرهای مبتنی بر هیدروژن شدت کربن را تا ۹۲٪ کاهش می‌دهند و در عین حال خلوص آهن (Fe) را در سطح ≥۹۹٫۵٪ برای کاربردهای لوکس حفظ می‌کنند. این شکاف باعث می‌شود تولیدکنندگان پیشرو علیرغم نیاز سرمایه‌گذاری اولیه (CAPEX) بالاتر، به سمت زیرساخت‌های آماده استفاده از هیدروژن حرکت کنند.

سودآوری اقتصادی و مزیت رقابتی فولاد سبز در بخش‌های لوکس

تحلیل محیط‌زیستی و اقتصادی فولاد کم‌کربن: هزینه‌ها و بازده سرمایه

تولید فولاد سبز نیاز به ۲۰ تا ۴۰ درصد سرمایه‌گذاری اولیه بیشتری نسبت به روش‌های معمول تولید فولاد دارد. اما بر اساس گزارش BCC Research در سال ۲۰۲۵، بازار این جایگزین سازگار با محیط زیست همچنان با سرعت بالایی حدود ۲۱٫۴ درصد در سال تا سال ۲۰۲۹ رشد می‌کند. چرا؟ زیرا خریداران در حال تغییر اولویت‌های خود هستند. به تولیدکنندگان خودرو و پیمانکاران بزرگ ساختمانی نگاه کنید که اکنون انتظار دارند تأمین‌کنندگان فولاد آن‌ها مجوزهای لازم برای نشان دادن انتشار کمتر را داشته باشند. واقعیت این است که تولید فولاد سبز هم مقرون به صرفه نیست. فرآیندهایی که از کاهش هیدروژن یا کوره‌های قوس الکتریکی استفاده می‌کنند، هزینه‌ای بین ۷۰۰ تا ۹۰۰ دلار آمریکا در هر تن دارند که حدود ۴۵ درصد بیشتر از روش‌های متعارف است. با این حال، شرکت‌هایی که زودتر وارد این حوزه شوند می‌توانند طبق گزارش Fastmarkets در سال ۲۰۲۵، ۱۲ تا ۱۸ درصد قیمت بیشتری برای محصول نهایی از مشتریان خود دریافت کنند. این تفاوت قیمت به جبران بخشی از هزینه‌های اولیه سرمایه‌گذاری کمک می‌کند.

پارادوکس صنعت: سرمایه‌گذاری بالای اولیه در مقابل ارزش برند بلندمدت در فولاد سبز

تولیدکنندگان در حال حاضر بین دو دامن قرار دارند: از یک سو هزینه‌ها و از سوی دیگر ساخت محصولی که برای دهه‌ها متمایز باشد. بر اساس یک نظرسنجی اخیر در سال 2025، حدود 8 از هر 10 معمار امروزه می‌خواهند ردپای کربن فولاد سازه‌ای که با آن کار می‌کنند را بدانند. این موضوع نشان می‌دهد که افرادی که تمایل به پرداخت هزینه‌های اضافی دارند، واقعاً به دنبال دریافت مهرهای سبز بر روی محصولات خود هستند. ذوب‌خانه‌های هوشمند با استفاده از معافیت‌های مالیاتی موجود در برنامه‌های سبز اتحادیه اروپا (برخی تا 30 درصد بازپرداخت دارند) و همکاری با شرکت‌های محلی انرژی تجدیدپذیر، راه‌حل‌هایی برای دور زدن این هزینه‌های اولیه پیدا کرده‌اند. این اقدامات به جلوگیری از افزایش شدید صورت‌حساب‌های ماهانه در آینده کمک می‌کند و در عین حال استانداردهای زیست‌محیطی را رعایت می‌کند.

پدیده: افزایش تقاضای جهانی برای فولاد سبز با کیفیت بالا و پایدار

پیش‌بینی‌های بازار نشان می‌دهد که بخش فولاد پایدار تا سال ۲۰۲۹ ممکن است به ارزش حدود ۱۹٫۴ میلیارد دلار برسد. شرکت‌های فعال در صنایع مختلف این پیش‌بینی‌ها را انجام می‌دهند، زیرا تعداد زیادی از شرکت‌ها تعهدات خود را برای رسیدن به صفر انتشار کربن اعلام کرده‌اند و دولت‌ها نیز به طور مداوم استانداردهای محیط‌زیستی خود را افزایش می‌دهند. به عنوان مثال، تولیدکنندگان خودروهای لوکس اکنون حدود ۲۲ درصد از هزینه‌های مواد خود را به گزینه‌های سازگار با محیط‌زیست اختصاص می‌دهند که در واقع سه برابر مقداری است که در سال ۲۰۲۰ هزینه می‌کردند. فولاد سبز با خواص مقاومت بالا به انتخاب اصلی برای ساخت شاسی خودروهای پریمیوم و آلیاژهای ویژه تبدیل شده است. اما مشکلی در این میان وجود دارد. جهان به سادگی به اندازه کافی فولاد سبز تولید نمی‌کند تا بتواند تقاضای رو به رشد را برآورده کند. در حال حاضر، تولید جهانی تنها حدود ۴ درصد از نیاز صنایع را در هر سال تأمین می‌کند و این امر باعث ایجاد گلوگاه‌های واقعی در گسترش عملیات تولیدی شده است.

‫سوالات متداول‬

فولاد سبز چیست؟

فولاد سبز، فولادی است که با کاهش قابل توجه انتشار کربن تولید شده و هدف آن این است که انتشار دی‌اکسید کربن بیش از ۰٫۴ تن به ازای هر تن تولید نشود.

تولید فولاد مبتنی بر هیدروژن چگونه انتشارات را کاهش می‌دهد؟

تولید مبتنی بر هیدروژن، مواد غنی از کربن را با هیدروژن جایگزین می‌کند و در نتیجه در فرآیند تولید فولاد، بجای انتشار دی‌اکسید کربن، بخار آب تولید می‌شود.

مزایای استفاده از کوره‌های قوس الکتریکی چیست؟

کوره‌های قوس الکتریکی با استفاده از برق برای ذوب ضایعات فولادی بازیافتی، انتشار کربن را در مقایسه با کوره‌های قدیسی حدود ۷۵٪ کاهش می‌دهند.

چرا فولاد سبز گران‌تر است؟

تولید فولاد سبز به دلیل روش‌های تولید سازگار با محیط زیست، هزینه‌های اولیه بالاتری دارد، اما با توجه به تقاضای رو به رشد مصرف‌کنندگان برای محصولات دوستدار محیط زیست، پتانسیل رشد قابل توجهی در بازار وجود دارد.

چالش‌های گسترش تولید فولاد مبتنی بر هیدروژن چیست؟

چالش‌ها شامل دسترسی به هیدروژن سبز ارزان‌قیمت، به‌روزرسانی زیرساخت‌ها و تأمین سنگ‌آهن با سطح خلوص بالا می‌شود.