الفولاذ الأخضر

تختلف الأرقام الدقيقة للانبعاثات السنوية الناتجة عن صناعة الفولاذ عالميًا بين المراجع بحسب السنة وحدود النظام التي تؤخذ في الحسبان. [1] يشير إلى تقرير «توقعات الطاقة العالمية» الصادر عن الوكالة الدولية للطاقة عام 2023، والذي ذكر أن صناعة الفولاذ كانت مسؤولة عن 8% من انبعاثات CO₂ و6% من انبعاثات غازات الدفيئة في العام السابق. [4] يقدّر الانبعاثات المباشرة من الحديد والفولاذ بنحو 2.6 GtCO₂ في 2019، أي ما يعادل 7% من CO₂ الناتج عن نظام-الطاقة العالمي. [3] يضع القطاع عند نحو 7-8% من انبعاثات غازات-الدفيئة البشرية المنشأ باستخدام حدود أوسع للقطاع. يعتمد رقم 8% في النص أساسًا على [1] لكنه يقدم أيضًا لمحة مقربة عن هذه التقديرات المتداخلة.

بلغت انبعاثات ثاني أكسيد الكربون الناتجة عن قطاع النقل عالميًا في 2024 نحو 9 GtCO₂، من إجمالي تقديري قدره 41.6 GtCO2 (أي إجمالي انبعاثات CO₂ البشرية من استخدام الوقود الأحفوري وLULUCF [استخدام الأراضي، وتغير استخدام الأراضي، والحراجة]، مع احتساب امتصاص الكربون الناتج عن كربنة الأسمنت بفعل الإنسان) ^[5,6]. وشكّل الطيران (الدولي والمحلي) نسبة معلنة قدرها 9.9% من انبعاثات قطاع النقل، أي ما يعادل 2.14% من انبعاثات الكربون العالمية (أقل بقليل من مليار طن متري). وشكّل الشحن (الدولي والمحلي وصيد الأسماك) نسبة معلنة قدرها 10.67% من انبعاثات قطاع النقل، أي ما يعادل 2.31% من انبعاثات الكربون العالمية ^[5,6].

وتوفر مقارنة أقدم، قبل الجائحة، تستخدم دراسات مخصصة للطيران والشحن مقابل إجمالي انبعاثات CO₂ العالمية نفسه، مراجعة مفيدة لهذا التقدير لعام 2024 وتعطي نتيجة متشابهة عمومًا. ففي 2018، أطلق الطيران العالمي نحو 1.034 GtCO₂ ^[7]، بينما أطلق الشحن نحو 1.056 GtCO₂ ^[8]. لذلك بلغت الانبعاثات مجتمعة نحو 2.090 GtCO₂. وبالمقارنة مع إجمالي 42.5 GtCO₂ في ميزانية الكربون العالمية للسنة نفسها ^[6]، شكّل الطيران والشحن معًا نحو 4.92%. لذا فإن حصة قدرها 8% من الانبعاثات لقطاع صناعة الفولاذ ستكون أعلى بنحو 3.08 نقاط مئوية، أو تعادل 1.63 مرة انبعاثات الطيران-والشحن مجتمعة. وهذه المقارنة تشمل CO₂ السنوي فقط ولا تتضمن آثار الاحترار الإضافية للطيران غير الناتجة عن CO₂.

وقت الكتابة، تمثل هذه أفضل الأرقام المتاحة لمقارنة القطاعات مباشرة، بالاعتماد حيثما أمكن على مصادر حديثة وموثوقة (مثل انبعاثات الشحن التي توفرها المنظمة البحرية الدولية). لكن هذه المقارنات تحتاج إلى حذر، لأن التقديرات المنشورة قد تغطي أنواعًا أو فئات مختلفة قليلًا من غازات الدفيئة والأنشطة ومصادر الانبعاثات.

أولًا، قد تعرض دراسات مختلفة CO₂ وحده، أو كل غازات الدفيئة، أو قيم مكافئ ثاني أكسيد الكربون (CO₂eq)، التي تشمل غازات مثل الميثان وأكسيد النيتروز بعد ترجيحها بحسب قدرتها على الاحترار العالمي مقارنة بـ CO₂. ولا يمكن استبدال هذه المقاييس ببعضها أو مقارنتها مباشرة من دون توحيد ثابت للمعايير، وقد يؤدي عرض أحدها بدلًا من آخر إلى تغيير الحصة الظاهرة لانبعاثات القطاع بشكل كبير. وكثيرًا ما لا توضّح المصادر والدراسات وتقارير المنظمات فورًا أي مقياس محدد (/نوع مقياس الانبعاثات) استُخدم، وغالبًا ما تذكر مقياسًا بينما تقصد آخر (مثل ذكر ‘CO₂’ بينما المقصود ‘CO₂eq’).

ثانيًا، يهم اختيار خط الأساس العالمي: فبعض المقارنات تُجرى مقابل CO₂ المرتبط بالطاقة فقط، بينما تشمل أخرى كل المصادر البشرية مثل استخدام الأراضي، وتغير استخدام الأراضي، والحراجة (LULUCF)، وهو ما يحدد المقام وبالتالي النسبة المئوية المحسوبة للقطاع.

ومن الصعب خصوصًا تتبع انبعاثات الشحن الدولي لأن الانبعاثات تحدث في الغالب في المياه الدولية. وتاريخيًا، جاءت البيانات غالبًا من مبيعات وقود السفن بدلًا من المراقبة المباشرة لنشاط السفن، مما يضيف مزيدًا من عدم اليقين. وتجمع المنظمة البحرية الدولية الآن بين طرق مبيعات الوقود، ونشاط السفن (نمذجة AIS)، وتوزيع الرحلات، وقد تختلف التقديرات بحسب الطرق المستخدمة. ويمكن رؤية قصة مشابهة في بيانات الطيران أيضًا. ومع مشكلات نشر الأرقام المذكورة سابقًا، قد يجعل ذلك تقديرات الانبعاثات العالمية المتاحة متفاوتة بدرجة كبيرة، حتى عند استنادها إلى القطاع/النشاط نفسه.

يُنتَج 1.892 غيغاطن من الفولاذ سنويًا، يُستخدم 52% منها في البناء (983.84 مليون طن من الفولاذ).

تشير [14] إلى أن المساحة الحضرية العالمية توسعت بمقدار 9,687 كم² سنويًا بين 1985 و2015. وهذا يعادل (9687/365 =) 26.539 كم² يوميًا.

مساحة مانهاتن هي 59.1 كم^2 A.: 59.1/26.539 = 2.2 يوم

لكن يجدر التنبيه إلى أن معدل النمو الحالي قد يكون أسرع من ذلك. ويقدّر البنك الدولي ^B (اعتبارًا من أبريل 2023) أنه من المتوقع أن تُضاف 1.2 مليون كم² من المناطق الحضرية المبنية الجديدة إلى العالم بحلول 2030. وهذا يعادل متوسط معدل سنوي للتوسع الحضري خلال كامل عقد العشرينيات من القرن الحادي والعشرين يبلغ نحو 120,000 كم² سنويًا، أو 328.77 كم² يوميًا أو 13.698 كم² في الساعة، أي ما يعادل بناء مساحة مانهاتن كل 4 ساعات.

ويمكن إجراء مقارنات إضافية: إذا استُخدم 983.84 مليون طن من الفولاذ سنويًا في البناء (انظر أعلاه)، فهذا يعادل 2.7 مليون طن يوميًا. وللمقارنة، يحتوي جسر غولدن غيت في سان فرانسيسكو، الولايات المتحدة، على ~75,000 طن متري من الفولاذ ^C، ما يعني إمكانية بناء ~36 جسر غولدن غيت من فولاذ البناء اليومي. وللمقارنة أيضاً، يحتوي مبنى إمباير ستيت على ~51,700 طن متري من الفولاذ ^D,E، ما يعني إمكانية بناء ~52.2 مبنى إمباير ستيت من فولاذ البناء اليومي.

^A نظرة عامة على مدينة نيويورك | NYMTC

^B نظرة عامة على التنمية الحضرية | مجموعة البنك الدولي

^C إحصاءات التصميم والبناء | الإحصاءات والبيانات | غولدن غيت

^D قسم ASCE الحضري | مبنى إمباير ستيت

^E مبنى إمباير ستيت | أطول أبراج العالم

94% من الخام المستخرج هو خام الحديد، و98% من خام الحديد يُستخدم لصناعة الفولاذ. لذلك، فإن 98% من 94% تساوي 92%. هذا تقدير مشتق قائم على الكتلة، وليس إحصائية مقاسة.

[39] يقدّر خفضاً محتملاً أقصى للانبعاثات يصل إلى 85%؛ لكن قد لا ينطبق هذا في كل الحالات، ولا يحدد المصدر بوضوح حدود النظام الكاملة لتقديره. عملياً، قد يعتمد خفض الانبعاثات كثيراً على حصة الخردة المعدنية في فرن القوس الكهربائي، ومزيج الكهرباء، ومدى اتساع حدود النظام التي تؤخذ في الحسبان. ومع ذلك، يذكر WorldSteel ^F فروقاً كبيرة مشابهة بين مساري صناعة الفولاذ القائمين على الخام- وعلى إعادة تدوير الخردة: متوسط عالمي قدره ₂.34 tCO2/t من الفولاذ الخام للمسار التقليدي للفرن العالي/فرن الأكسجين القاعدي، و0.69 tCO₂/t لمسار الخردة المعدنية/فرن القوس الكهربائي، ما يعادل خفضاً متوسطاً بنحو 70.5%.

^F تقرير مؤشرات الاستدامة 2025 | الرابطة العالمية للصلب

التسرّب يعني تسرّب CO₂ من الاحتواء المقصود - عبر بئر أو صدع أو شق أو صخر غطائي - وقد يصل إلى تكوين جيولوجي آخر أو المياه الجوفية أو قاع البحر أو الغلاف الجوي. فشل التخزين قد يشمل التسرّب، لكنه قد يعني أيضاً ضغطاً مفرطاً أو انتقالاً غير متوقع أو فقدان قابلية الحقن، ما يمنع الموقع من العمل كما هو مقصود من دون أن يطلق بالضرورة CO₂ إلى الغلاف الجوي. لا يُتوقع أي منهما في موقع مختار ومُدار بشكل سليم. تتطلب قواعد الاتحاد الأوروبي من المواقع المقترحة إثبات عدم وجود خطر كبير للتسرّب والحفاظ على خطط للرصد والتدابير التصحيحية.

يشير استبدال «الفحم في الفرن العالي» إلى استبدال مرحلة الاختزال التقليدية نفسها في الفرن العالي المعتمدة على الفحم بالاختزال المباشر المعتمد على الغاز، والذي يحدث عادةً في فرن عمودي/فرن اختزال مباشر منفصل؛ ولا يعني إحلال الغاز الأحفوري محل الفحم بنسبة واحد إلى واحد داخل الفرن العالي نفسه.

تختلف طرق DRI الأخرى كثيراً في انبعاثاتها. [60] يشير إلى أن DRI المعتمد على الفحم يمكن أن يخفض الانبعاثات بنسبة 38% مقارنةً بطريقة الفرن العالي التقليدي/فرن الأكسجين القاعدي. لكن الغاز الأحفوري، بمزيجه المعتاد من CH₄ وH₂ وCO، يخفض الانبعاثات بنسبة 61%. ويمكن لاستبدال الغاز الأحفوري بـ H₂ بالكامل أن يخفض الانبعاثات بنسبة 97%. لكن هذه ليست تقديرات تنطبق في كل الحالات، إذ تعتمد وفورات الانبعاثات الدقيقة ليس فقط على عامل الاختزال الرئيسي المستخدم في العملية، بل أيضاً على بقية إعدادات DRI، ومزيج الطاقة وحدود النظام. ومن المهم أن انبعاثات طريقة إنتاج H₂ قبل استخدامه في صناعة الفولاذ لم تُدرج في تقديرات الهيدروجين-DRI. يستخدم الهيدروجين الأخضر كهرباء منخفضة الكربون، لكن قد تظل هناك انبعاثات كامنة في النقل والبنية التحتية (انظر أدناه). ورغم أن استخدام الغاز الأحفوري في DRI يطلق انبعاثات أقل مقارنةً بالفحم، يظل الوقود الأحفوري مستخدماً، لذا فالانبعاثات لا مفر منها.

يُنتَج الهيدروجين الأخضر باستخدام كهرباء متجددة لشطر الماء إلى هيدروجين وأكسجين عبر عملية التحليل الكهربائي. وهذا يلغي الانبعاثات الناتجة عن إنتاج الهيدروجين من الوقود الأحفوري. وعندما يدخل الهيدروجين في عملية صناعة الفولاذ عند مرحلة اختزال الحديد لفصل الحديد عن خامه، يتفاعل مع أكاسيد الحديد في الخام ويتحد مع الأكسجين لينتج بخار الماء بدلًا من CO₂.

لكن العملية الأوسع قد تسبّب بعض الانبعاثات. وقد تأتي هذه الانبعاثات غير المباشرة والمرتبطة من البنية التحتية المستخدمة في إنتاج الهيدروجين الأخضر ونقله وتخزينه، أو من كهرباء مأخوذة من شبكة لم يصبح مزيج طاقتها خاليًا تمامًا من الكربون بعد. لذلك، في الواقع، قد لا يُنتَج الهيدروجين الموصوف بأنه «أخضر» دائمًا باستخدام كهرباء متجددة فقط طوال العملية كلها.

لذلك يمكن لفولاذ الهيدروجين الأخضر أن يقترب كثيرًا من صفر انبعاثات، من دون أن يصل بالضرورة إلى صفر مطلق لانبعاثات الكربون. وفي الواقع، ينتج الفولاذ المصنوع باستخدام الهيدروجين المتجدد نحو 0.08 كغ CO₂ لكل كغ من الفولاذ ^[67].

للهيدروجين الأزرق والرمادي انبعاثات مرتبطة بهما أكثر وضوحًا. يُنتَج الهيدروجين الرمادي عمومًا من الغاز الأحفوري باستخدام عملية تُسمى إصلاح الميثان بالبخار (SMR)، التي تفصل الهيدروجين عن الميثان في خليط الغاز الأحفوري، وتطلق CO₂. وهذه حاليًا الطريقة الأكثر شيوعًا والأرخص لإنتاج الهيدروجين. ويُصنع الهيدروجين الأزرق بالعملية الأساسية نفسها، لكن مع تقنية احتجاز الكربون وتخزينه (CCS) لمنع معظم تلك الانبعاثات الناتجة عن الإنتاج من التسرب إلى الغلاف الجوي. ولأن عملية الاحتجاز لا تلتقط عادةً كل شيء، يظل الهيدروجين الأزرق ينتج بعض الانبعاثات الجوية.

عند استخدام أي من شكلي الهيدروجين لفصل الحديد عن خامه، يظل تفاعل الاختزال نفسه ينتج الماء فقط بدلًا من CO₂. ويكمن الفرق الرئيسي في الانبعاثات السابقة التي نشأت عند إنتاج الهيدروجين في البداية. وقد تبقى انبعاثات أقل في أماكن أخرى من عملية صناعة الفولاذ، بما فيها تلك الناتجة عن الكهرباء والكربون المستخدمين في فرن القوس الكهربائي.

وفقًا لـ [67]، ينتج الفولاذ المصنوع باستخدام الهيدروجين الأزرق نحو 0.22 كغ CO₂ لكل كغ فولاذ، بافتراض احتجاز 85% من الانبعاثات الناتجة عن إنتاج الهيدروجين. ويُقارن ذلك بـ1.87 كغCO₂ للفولاذ التقليدي المعتمد على الفحم و0.38 كغCO₂ للفولاذ المعتمد على الفحم والمزوّد باحتجاز الكربون نفسه، والذي يُفترض له معدل احتجاز منفصل قدره 80% ^[67].

أكثر من 95% من الهيدروجين المستخدم حول العالم يُصنع من الغاز الأحفوري، غالبًا من دون أي شكل من أشكال احتجاز الكربون. وإذا استُخدم هذا الهيدروجين الرمادي التقليدي في صناعة فولاذ DRI المعتمدة على الهيدروجين، يقدّر [67] الانبعاثات بنحو 0.7 كغ CO₂ لكل كغ فولاذ ^[67]. وهذا أقل بكثير من إنتاج الفولاذ التقليدي المعتمد على الفحم، لكنه أعلى بكثير من الفولاذ المصنوع باستخدام الهيدروجين الأخضر.

في هذه الحسابات، معظم الانبعاثات المتبقية هي تلك التي أفلتت من تقنية CCS، لأنها لا تلتقط كل CO₂ الناتج أثناء صناعة الفولاذ التقليدية أو إنتاج الهيدروجين الأزرق.

لذلك، فإن التوفير المحتمل في الانبعاثات الذي يزيد على 95% يصف أفضل سيناريو لمسار DRI بالهيدروجين الأخضر بدلًا من كونه نتيجة عامة تنطبق على كل أشكال الفولاذ المعتمد على الهيدروجين ^[60,67]. ويقدّر [67] نحو 0.08 كغ CO₂ لكل كغ فولاذ في حالة الهيدروجين المتجدد؛ وبالمقارنة مع 1.87 كغCO₂/كغ للفولاذ التقليدي المعتمد على الفحم، يعادل ذلك خفضًا قدره 95.7% ^[67]. وفي النهاية، تعتمد النتيجة على إنتاج الهيدروجين، وكثافة الكربون في الكهرباء، ومدخلات المواد الخام والخردة، وحدود الانبعاثات/النظام الأوسع المعنية.

الفولاذ ليس حديداً نقياً: بل هو سبيكة تحتوي عادةً على كمية صغيرة من الكربون، تُضبط بعناية وتساعد على منحه الخصائص المطلوبة. لذلك، حتى عندما يحل الهيدروجين محل الكربون في المرحلة الأولى لاختزال الحديد، تظل هناك حاجة إلى بعض الكربون عند تحويل الحديد إلى فولاذ.

يستخدم صانعو الفولاذ الكربون أيضاً في عدة مهام تقنية داخل فرن القوس الكهربائي لا يغطيها النص بالتفصيل. وتشمل هذه ضبط محتوى الكربون النهائي (بما في ذلك التكربن)، والمساعدة في إزالة الأكسجين المتبقي (نزع الأكسدة) وتكوين الخبث (عندما ينصهر الفولاذ، تطفو الشوائب إلى السطح وتكوّن طبقة نفايات سائلة تسمى الخبث. يؤدي حقن الكربون في الخليط إلى تفاعله مع خام الحديد وإنتاج فقاعات من غاز أول أكسيد الكربون، ما يجعل الخبث يتمدد ويتحول إلى رغوة. تساعد طبقة الخبث الرغوية هذه على حماية الفرن من الحرارة الشديدة وتحسن أداءه بحبس الحرارة داخل المعدن المنصهر، مما يقلل الطاقة اللازمة).

تعمل خردة الفولاذ أساساً كمصدر معاد تدويره للحديد والفولاذ الجاهز مسبقاً (مواد تغذية معدنية) بدلاً من أن تكون بديلاً عن إضافة الكربون المقصودة، رغم أن الكربون الموجود أصلاً في تركيبة الخردة يساهم في توازن الكربون النهائي للفرن. لذلك قد يظل إنتاج الفولاذ في فرن القوس الكهربائي بحاجة إلى إضافة كربون إضافي.

يمكن لبقايا النفايات ذات الأصل الحيوي أن توفر مصدراً إضافياً للكربون، لكن يجب أولاً معالجتها لتصبح شكلاً مناسباً من الكربون الحيوي أو الفحم الحيوي. كما يمكن للبلاستيكيات المحضّرة بشكل مناسب والإطارات المنتهية الصلاحية أن تعمل كعوامل اختزال كربونية أو لتكوين رغوة الخبث، أو أن تساعد في توفير الطاقة، فتسهم في استبدال بعض فحم الكوك أو الفحم التقليدي الذي كان سيُستخدم لولا ذلك.

لكن معظم البلاستيك وكثيراً من الكربون الموجود في الإطارات جاء أصلاً من الوقود الأحفوري، لذا قد يؤدي استخدامه إلى إطلاق CO₂ أحفوري. لذلك تعتمد الفائدة البيئية على مادة النفايات المستخدمة (تركيبة مواد التغذية)، وكيفية معالجتها (المعالجة المسبقة)، وكمية الكربون الأحفوري المستخرج حديثاً (البكر) الذي تحل محله، وأداء الفرن وأي أجزاء من دورة الحياة تُؤخذ في الحسبان. يمكن أن يقلل استخدام النفايات الطلب على الكربون الأحفوري التقليدي، لكنه لا يجعل العملية خالية من الكربون تلقائياً.

يجري تجريب إنتاج الفولاذ بطريقة الهيدروجين في عدة بلدان:

[76] ألمانيا، [77] النمسا، [78] هولندا، [79,80] المملكة المتحدة، [81] كوريا الجنوبية