فولاد سبز

رقم دقیق انتشار سالانه فولادسازی جهانی بسته به سال و مرزهای سیستم در نظر گرفته‌شده، بین منابع فرق دارد. [1] به گزارش چشم‌انداز انرژی جهان IEA در سال ۲۰۲۳ اشاره می‌کند که فولادسازی در سال پیش از آن مسئول ۸٪ از انتشار CO₂ و ۶٪ از انتشار گازهای گلخانه‌ای بوده است. [4] انتشار مستقیم آهن و فولاد را در سال ۲۰۱۹ برابر با ۲٫۶ GtCO₂ برآورد می‌کند، معادل ۷٪ از CO₂ سیستم انرژی جهان. [3] با استفاده از مرز گسترده‌تر صنعت، سهم این صنعت را حدود ۷-۸٪ از انتشار گازهای گلخانه‌ای انسانی می‌داند. رقم ۸٪ در متن اصلی عمدتاً از [1] گرفته شده، اما یک نمای کلی گرد شده از این برآوردهای هم‌پوشان هم هست.

انتشار دی‌اکسید کربن تولیدشده توسط بخش حمل‌ونقل در سراسر جهان در سال ۲۰۲۴، از مجموع برآوردی ۴۱٫۶ GtCO2 (یعنی کل انتشار انسانی CO₂ از مصرف سوخت‌های فسیلی و LULUCF [کاربری زمین، تغییر کاربری زمین و جنگل‌داری]، با در نظر گرفتن جذب کربناته‌شدن سیمانِ ساخته بشر) ^[5,6]، به حدود ۹ GtCO₂ رسید. هوانوردی (شامل پروازهای بین‌المللی و داخلی) ۹٫۹٪ از انتشار بخش حمل‌ونقل را تشکیل می‌داد که برابر با ۲٫۱۴٪ از انتشار جهانی کربن بود (کمی کمتر از یک میلیارد تن متریک). کشتیرانی (شامل بین‌المللی، داخلی و ماهیگیری) ۱۰٫۶۷٪ از انتشار بخش حمل‌ونقل را تشکیل می‌داد که برابر با ۲٫۳۱٪ از انتشار جهانی کربن بود ^[5,6].

یک مقایسه پیشین از پیش از همه‌گیری، که از پژوهش‌های اختصاصی هوانوردی و کشتیرانی در برابر همان مجموع انتشار جهانی CO₂ استفاده می‌کند، بررسی متقابل مفیدی برای این برآورد ۲۰۲۴ فراهم می‌کند و نتیجه‌ای تقریباً مشابه می‌دهد. در سال ۲۰۱۸، هوانوردی جهانی حدود ۱٫۰۳۴ GtCO₂ منتشر کرد ^[7]، در حالی که کشتیرانی حدود ۱٫۰۵۶ GtCO₂ منتشر کرد ^[8]. پس انتشار ترکیبی حدود ۲٫۰۹۰ GtCO₂ بود. در مقایسه با مجموع ۴۲٫۵ GtCO₂ بودجه جهانی کربن برای همان سال ^[6]، هوانوردی و کشتیرانی روی‌هم حدود ۴٫۹۲٪ را تشکیل می‌دادند. بنابراین سهم ۸٪ از انتشار بخش فولادسازی حدود ۳٫۰۸ واحد درصد بیشتر، یا ۱٫۶۳ برابر انتشار ترکیبی هوانوردی-کشتیرانی خواهد بود. این مقایسه فقط CO₂ سالانه را در نظر می‌گیرد و اثرات گرمایش اضافیِ غیر-CO₂ هوانوردی را شامل نمی‌شود.

در زمان نگارش، این‌ها بهترین ارقام موجود برای مقایسه مستقیم بخش‌ها هستند و تا جای ممکن از منابع تازه و معتبر استفاده شده است (مثلاً انتشار کشتیرانی که سازمان بین‌المللی دریانوردی ارائه می‌کند). اما چنین مقایسه‌هایی نیاز به دقت دارند، چون برآوردهای منتشرشده ممکن است گونه‌ها یا دسته‌های کمی متفاوتی از گازهای گلخانه‌ای، فعالیت‌ها و منابع انتشار را پوشش دهند.

اول، پژوهش‌های مختلف ممکن است فقط CO₂، همه گازهای گلخانه‌ای، یا مقادیر معادل دی‌اکسید کربن (CO₂eq) را گزارش کنند که گازهایی مثل متان و اکسید نیتروژن را بر پایه پتانسیل گرمایش جهانی‌شان نسبت به CO₂ وزن‌دهی می‌کنند. این معیارها بدون استانداردسازی یکسان، قابل جایگزینی یا مقایسه مستقیم نیستند و ارائه یکی در برابر دیگری می‌تواند سهم ظاهری انتشار یک بخش را به‌طور چشمگیری تغییر دهد. منابع، پژوهش‌ها و گزارش‌های سازمانی اغلب فوراً روشن نمی‌کنند که از کدام معیار مشخص (/نوع سنجش انتشار) استفاده شده است، و مرتب یکی را می‌نویسند در حالی که در واقع منظورشان دیگری است (مثلاً نوشتن «CO₂» وقتی منظورشان «CO₂eq» است).

دوم، انتخاب مبنای جهانی مهم است: بعضی مقایسه‌ها فقط در برابر CO₂ مرتبط با انرژی انجام می‌شوند، در حالی که بعضی دیگر همه منابع انسانی مثل کاربری زمین، تغییر کاربری زمین و جنگل‌داری (LULUCF) را در بر می‌گیرند، که مخرج کسر و در نتیجه درصد محاسبه‌شده بخش را تعیین می‌کند.

ردیابی انتشار کشتیرانی بین‌المللی به‌ویژه سخت است، چون انتشارها بیشتر در آب‌های بین‌المللی رخ می‌دهند. از نظر تاریخی، داده‌ها اغلب از فروش سوخت بانکر می‌آمدند، نه از پایش مستقیم فعالیت کشتی‌ها، و همین عدم‌قطعیت بیشتری ایجاد می‌کرد. IMO حالا روش‌های فروش سوخت، فعالیت کشتی‌ها (مدل‌سازی AIS) و تخصیص سفر را با هم ترکیب می‌کند، و برآوردها بسته به روش‌های استفاده‌شده می‌توانند فرق کنند. داستان مشابهی را در داده‌های هوانوردی هم می‌شود دید. همراه با مشکلات گفته‌شده در انتشار ارقام، این موضوع می‌تواند باعث شود برآوردهای جهانیِ موجود از انتشار، حتی وقتی بر یک بخش/فعالیت یکسان تکیه دارند، دامنه زیادی داشته باشند.

۱٫۸۹۲ Gt فولاد هر سال تولید می‌شود که ۵۲٪ آن در ساخت‌وساز استفاده می‌شود (۹۸۳٫۸۴ Mt فولاد).

[14] نشان می‌دهد که گستره شهری جهان بین سال‌های ۱۹۸۵ تا ۲۰۱۵ سالانه ۹٬۶۸۷ km² گسترش یافته است. این برابر است با (۹۶۸۷/۳۶۵ =) ۲۶٫۵۳۹ km² در روز.

مساحت منهتن ۵۹٫۱ km^2 A. است: ۵۹٫۱/۲۶٫۵۳۹ = ۲٫۲ روز

با این حال، بد نیست بدانیم که نرخ رشد فعلی شاید حتی سریع‌تر باشد. بانک جهانی ^B برآورد می‌کند (تا آوریل ۲۰۲۳) که انتظار می‌رود تا سال ۲۰۳۰، ۱٫۲ میلیون km² منطقه شهری ساخته‌شده جدید به جهان اضافه شود. این برابر است با میانگین نرخ سالانه گسترش شهری در کل دهه ۲۰۲۰، حدود ۱۲۰٬۰۰۰ km² در سال، ۳۲۸٫۷۷ km² در روز یا ۱۳٫۶۹۸ km² در ساعت، یعنی هر ۴ ساعت مساحتی به اندازه منهتن ساخته شود.

مقایسه‌های بیشتری هم می‌شود کرد: اگر سالانه ۹۸۳٫۸۴ Mt فولاد در ساخت‌وساز استفاده شود (بالا را ببینید)، این برابر با ۲٫۷ Mt در روز است. در مقایسه، پل گلدن گیت در سان‌فرانسیسکو، آمریکا، حدود ۷۵٬۰۰۰ تن متریک فولاد دارد ^C، یعنی با فولاد روزانه ساخت‌وساز می‌شود حدود ۳۶ پل گلدن گیت ساخت. یا ساختمان امپایر استیت حدود ۵۱٬۷۰۰ تن متریک فولاد دارد ^D,E، یعنی با فولاد روزانه ساخت‌وساز می‌شود حدود ۵۲٫۲ ساختمان امپایر استیت ساخت.

^A مروری بر شهر نیویورک | NYMTC

^B مروری بر توسعه شهری | گروه بانک جهانی

^C آمار طراحی & ساخت | آمار و داده‌ها | گلدن گیت

^D بخش شهری ASCE | ساختمان امپایر استیت

^E ساختمان امپایر استیت | بلندترین برج‌های جهان

۹۴٪ از سنگ معدن استخراج‌شده، سنگ آهن است و ۹۸٪ از سنگ آهن برای تولید فولاد استفاده می‌شود. پس ۹۸٪ از ۹۴٪ برابر با ۹۲٪ است. این یک برآورد محاسبه‌شده بر پایه جرم است، نه یک آمار اندازه‌گیری‌شده.

[39] حداکثر کاهش بالقوه انتشار تا ۸۵٪ را ارائه می‌کند؛ با این حال، شاید این رقم همه‌جا قابل اجرا نباشد و منبع هم مرز کامل سیستم را برای برآوردش روشن مشخص نمی‌کند. در عمل، میزان صرفه‌جویی در انتشار می‌تواند خیلی به سهم قراضه در کوره قوس الکتریکی، ترکیب برق و گستردگی مرزهای سیستمِ وسیع‌ترِ در نظر گرفته‌شده بستگی داشته باشد. با این همه، WorldSteel ^F تفاوت‌های چشمگیر مشابهی را میان روش‌های فولادسازی بر پایه سنگ‌آهن و بازیافت قراضه گزارش می‌کند: میانگین جهانی ۲٫۳۴ tCO₂/t فولاد خام برای روش سنتی کوره بلند/کوره اکسیژن پایه، و ۰٫۶۹ tCO₂/t برای روش قراضه فلزی/کوره قوس الکتریکی، که معادل کاهش میانگین حدود ۷۰٫۵٪ است.

^F گزارش شاخص‌های پایداری ۲۰۲۵ | انجمن جهانی فولاد

نشت یعنی فرار CO₂ از محل مهار در نظر گرفته‌شده - از راه چاه، گسل، شکستگی یا سنگ پوش - و رسیدن احتمالی آن به یک سازند زمین‌شناسی دیگر، آب زیرزمینی، بستر دریا یا جو. خرابی ذخیره‌سازی می‌تواند شامل نشت باشد، اما می‌تواند به فشار بیش‌ازحد، جابه‌جایی غیرمنتظره یا از دست رفتن قابلیت تزریق هم اشاره کند که مانع کار کردن محل طبق انتظار می‌شود، بدون اینکه لزوماً CO₂ را وارد جو کند. هیچ‌کدام در محلی که درست انتخاب و مدیریت شده باشد، نتیجه‌ای مورد انتظار نیستند. قوانین اتحادیه اروپا از محل‌های پیشنهادی می‌خواهند نشان دهند که خطر نشت قابل‌توجهی ندارند و برنامه‌های پایش و اقدام اصلاحی را حفظ کنند.

منظور از «جایگزین کردن زغال‌سنگ در کوره بلند» این است که خودِ مرحله کاهشِ معمولِ کوره بلندِ زغال‌سنگ-پایه با کاهش مستقیمِ گاز-پایه جایگزین شود، که معمولاً در یک کوره شفتی/کوره کاهش مستقیم جدا انجام می‌شود؛ منظور جایگزینی یک-به-یک گاز فسیلی در همان کوره بلند نیست.

روش‌های دیگر DRI از نظر میزان انتشارشان خیلی فرق دارند. [60] نشان می‌دهد که DRI زغال‌سنگ-پایه می‌تواند نسبت به روش سنتی کوره بلند/کوره اکسیژن-پایه، انتشار را ۳۸٪ کم کند. اما گاز فسیلی، با ترکیب معمول CH₄، H₂ و CO، انتشار را ۶۱٪ کم می‌کند. جایگزین کردن کامل گاز فسیلی با H₂ می‌تواند انتشار را ۹۷٪ کم کند. با این حال، این‌ها برآوردهای همگانی نیستند و میزان دقیق کاهش انتشار نه‌فقط به عامل کاهنده اصلیِ فرایند، بلکه به بقیه پیکربندی DRI، ترکیب انرژی و مرز سیستم هم بستگی دارد. نکته مهم اینکه، انتشارهای ناشی از روش تولید H₂ پیش از استفاده در فولادسازی، در برآوردهای هیدروژن-DRI حساب نشده‌اند. هیدروژن سبز از برق کم‌کربن استفاده می‌کند، اما ممکن است انتشارها همچنان در حمل‌ونقل و زیرساخت نهفته باشند (پایین را ببینید). با اینکه استفاده از گاز فسیلی در DRI نسبت به زغال‌سنگ انتشار کمتری دارد، سوخت‌های فسیلی هنوز در کارند، پس انتشار اجتناب‌ناپذیر است.

هیدروژن سبز با استفاده از برق تجدیدپذیر برای شکستن آب به هیدروژن و اکسیژن، در فرایندی به نام الکترولیز تولید می‌شود. این کار انتشارهای ناشی از تولید هیدروژن از سوخت‌های فسیلی را حذف می‌کند. وقتی هیدروژن در مرحله کاهش آهن وارد فرایند فولادسازی می‌شود تا آهن را از سنگ معدن جدا کند، با اکسیدهای آهن در سنگ معدن واکنش می‌دهد و به‌جای CO₂ با اکسیژن ترکیب شده و بخار آب تولید می‌کند.

با این حال، فرایند گسترده‌تر ممکن است هنوز هم مقداری انتشار ایجاد کند. این انتشارهای غیرمستقیم و مرتبط می‌توانند از زیرساخت‌های استفاده‌شده برای تولید، حمل‌ونقل و ذخیره‌سازی هیدروژن سبز، یا از برقی بیایند که از شبکه‌ای گرفته می‌شود که ترکیب انرژی‌اش هنوز کاملاً بدون کربن نیست. بنابراین در عمل، هیدروژنی که «سبز» توصیف می‌شود شاید همیشه در تمام فرایند فقط با برق تجدیدپذیر تولید نشده باشد.

پس فولاد با هیدروژن سبز می‌تواند خیلی به انتشار صفر نزدیک شود، بی‌آن‌که لزوماً به انتشار مطلقاً صفر کربن برسد. در واقع، فولادی که با هیدروژن تجدیدپذیر ساخته می‌شود، به‌ازای هر کیلوگرم فولاد حدود ۰٫۰۸ کیلوگرم CO₂ تولید می‌کند ^[67].

هیدروژن آبی و خاکستری انتشارهای مرتبط مشخص‌تری دارند. هیدروژن خاکستری معمولاً از گاز فسیلی و با فرایندی به نام ریفرمینگ بخار متان (SMR) تولید می‌شود که هیدروژن را از متان در مخلوط گاز فسیلی جدا می‌کند و CO₂ آزاد می‌کند. این در حال حاضر رایج‌ترین و ارزان‌ترین روش تولید هیدروژن است. هیدروژن آبی با همان فرایند پایه ساخته می‌شود، اما با فناوری جذب و ذخیره کربن (CCS) ترکیب می‌شود تا نگذارد بیشتر این انتشارهای تولید وارد جو شوند. چون فرایند جذب معمولاً همه‌چیز را نمی‌گیرد، هیدروژن آبی همچنان مقداری انتشار جوی تولید می‌کند.

وقتی هرکدام از این شکل‌های هیدروژن برای جدا کردن آهن از سنگ معدن آن استفاده شوند، خود واکنش کاهش همچنان فقط به‌جای CO₂ آب تولید می‌کند. تفاوت اصلی در انتشارهای بالادستی است که پیش‌تر، هنگام تولید اولیه هیدروژن، ایجاد شده‌اند. انتشارهای کوچک‌تر ممکن است در بخش‌های دیگر فرایند فولادسازی هم باقی بمانند، از جمله از برق و کربن مصرفی در کوره قوس الکتریکی.

طبق [67]، فولادی که با هیدروژن آبی ساخته می‌شود، با فرض جذب ۸۵٪ از انتشارهای تولید هیدروژن، به‌ازای هر کیلوگرم فولاد حدود ۰٫۲۲ کیلوگرم CO₂ تولید می‌کند. این مقدار در مقایسه با ۱٫۸۷ کیلوگرم CO₂ برای فولاد معمولی زغال‌سنگی و ۰٫۳۸ کیلوگرم CO₂ برای فولاد زغال‌سنگی مجهز به جذب کربن است، که برای آن نرخ جذب جداگانه ۸۰٪ فرض شده است ^[67].

بیش از ۹۵٪ هیدروژن مصرفی جهان با گاز فسیلی ساخته می‌شود، که بیشترش بدون هیچ شکلی از جذب کربن است. اگر این هیدروژن خاکستری معمولی در فولادسازی DRI مبتنی بر هیدروژن استفاده شود، [67] انتشار را حدود ۰٫۷ کیلوگرم CO₂ به‌ازای هر کیلوگرم فولاد برآورد می‌کند ^[67]. این مقدار به‌طور چشمگیری کمتر از تولید معمول فولاد زغال‌سنگی است، اما خیلی بیشتر از فولادی است که با هیدروژن سبز ساخته می‌شود.

در این محاسبات، بیشتر انتشارهای باقی‌مانده همان‌هایی هستند که از CCS فرار کرده‌اند، چون این فناوری همه CO₂ تولیدشده در فولادسازی معمولی یا تولید هیدروژن آبی را جذب نمی‌کند.

بنابراین صرفه‌جویی بالقوه انتشارِ بیش از ۹۵٪، یک مسیر DRI با هیدروژن سبز در بهترین حالت را توصیف می‌کند، نه نتیجه‌ای همگانی که برای هر شکل از فولاد مبتنی بر هیدروژن صدق کند ^[60,67]. [67] برای حالت هیدروژن تجدیدپذیر خود حدود ۰٫۰۸ کیلوگرم CO₂ به‌ازای هر کیلوگرم فولاد برآورد می‌کند؛ در مقایسه با ۱٫۸۷ کیلوگرم CO₂/کیلوگرم برای فولاد معمولی زغال‌سنگی، این برابر با کاهشی ۹۵٫۷٪ است ^[67]. در نهایت، نتیجه به تولید هیدروژن، شدت کربن برق، مواد اولیه و ورودی‌های قراضه، و مرزهای گسترده‌تر انتشار/سیستم بستگی دارد.

فولاد آهن خالص نیست: آلیاژی است که معمولاً مقدار کمی کربنِ با دقت کنترل‌شده دارد، و همین به آن ویژگی‌های لازم را می‌دهد. در نتیجه، حتی وقتی در مرحله نخستِ کاهش-آهن، هیدروژن جای کربن را می‌گیرد، هنگام تبدیل آهن به فولاد باز هم مقداری کربن لازم است.

فولادسازها در یک کوره قوس الکتریکی برای چند کار فنی دیگر هم از کربن استفاده می‌کنند که در متن با جزئیات توضیح داده نشده‌اند. این کارها شامل تنظیم مقدار نهایی کربن (از جمله کربن‌دهی)، کمک به حذف اکسیژن باقی‌مانده (اکسیژن‌زدایی) و تشکیل سرباره است (وقتی فولاد ذوب می‌شود، ناخالصی‌ها روی سطح می‌آیند و لایه‌ای مایع از پسماند به نام سرباره می‌سازند. تزریق کربن به مخلوط با سنگ‌آهن واکنش می‌دهد و حباب‌های گاز مونوکسید کربن تولید می‌کند، که باعث می‌شود سرباره به کف تبدیل شود. این لایه کف‌مانند سرباره با نگه داشتن گرما در فلز مذاب، به محافظت کوره در برابر حرارت شدید کمک می‌کند و با کم کردن انرژی لازم، عملکرد کوره را بهتر می‌کند).

قراضه فولاد در درجه اول منبع بازیافتی آهن و فولاد آماده (خوراک فلزی) است، نه جایگزینی برای افزودن هدفمند کربن، هرچند کربنی که از قبل در ترکیب قراضه وجود دارد به تعادل نهایی کربن کوره کمک می‌کند. بنابراین فولادسازی با EAF ممکن است همچنان به افزودن کربن بیشتر نیاز داشته باشد.

باقی‌مانده پسماندهای زیستی می‌توانند یک منبع اضافی کربن باشند، اما اول باید به شکل مناسبی از زیست‌کربن یا بیوچار فرآوری شوند. پلاستیک‌های پسماندی و لاستیک‌های پایان-عمر که به‌درستی آماده شده‌اند هم می‌توانند به‌عنوان عامل کاهنده کربنی یا کف‌کننده سرباره عمل کنند یا به تأمین انرژی کمک کنند، و بخشی از کک یا زغال‌سنگ معمولی را که در غیر این صورت استفاده می‌شد جایگزین کنند.

با این حال، بیشتر پلاستیک‌ها و بخش بزرگی از کربن موجود در لاستیک‌ها در اصل از سوخت‌های فسیلی آمده‌اند، پس استفاده از آن‌ها همچنان می‌تواند CO₂ فسیلی آزاد کند. پس سود زیست‌محیطی به نوع پسماند استفاده‌شده (ترکیب خوراک)، شیوه فرآوری آن (پیش‌تصفیه)، میزان کربن فسیلی تازه استخراج‌شده (بکر) که جایگزین می‌کند، عملکرد کوره و بخش‌هایی از چرخه عمر که در نظر گرفته می‌شوند بستگی دارد. استفاده از پسماند می‌تواند تقاضا برای کربن فسیلی معمولی را کم کند، اما خودبه‌خود فرایند را صفر-کربن نمی‌کند.

فولادی که با روش هیدروژن تولید می‌شود، در کشورهای مختلفی در حال آزمایش است:

[76] آلمان، [77] اتریش، [78] هلند، [79,80] بریتانیا، [81] کره جنوبی