Chuma Kijani

Takwimu sahihi za uzalishaji wa kila mwaka wa utengenezaji wa chuma duniani hutofautiana kati ya marejeleo kulingana na mwaka na mipaka ya mfumo inayozingatiwa. [1] inanukuu ripoti ya 2023 ya IEA World Energy Outlook kwamba utengenezaji wa chuma ulihusika na 8% ya CO₂ na 6% ya uzalishaji wa GHG katika mwaka uliotangulia. [4] inakadiria uzalishaji wa moja kwa moja wa chuma-na-iron kuwa GtCO₂ 2.6 mwaka 2019, sawa na 7% ya CO₂ ya mfumo-wa-nishati duniani. [3] inaweka sekta hii kwenye takriban 7-8% ya uzalishaji wa gesi-chafu unaosababishwa na binadamu kwa kutumia mpaka mpana zaidi wa sekta. Asilimia 8% kwenye script imechukuliwa hasa kutoka [1] lakini pia ni muhtasari uliorahisishwa wa makadirio haya yanayoingiliana.

Uzalishaji wa kaboni dioksidi kutoka sekta ya usafiri duniani mwaka 2024 ulifikia makadirio ya 9 GtCO₂, kati ya jumla inayokadiriwa ya 41.6 GtCO2 (yaani jumla ya uzalishaji wa CO₂ unaosababishwa na binadamu kutokana na matumizi ya mafuta ya kisukuku na LULUCF [matumizi ya ardhi, mabadiliko ya matumizi ya ardhi, na misitu], ukizingatia kisima cha ufyonzaji wa kaboni kinachotokana na saruji iliyotengenezwa na binadamu) ^[5,6]. Usafiri wa anga (ukiwemo wa kimataifa na wa ndani) ulichangia 9.9% iliyoripotiwa ya uzalishaji kutoka sekta ya usafiri, sawa na 2.14% ya uzalishaji wa kaboni duniani (chini kidogo ya tani bilioni moja za metri). Usafiri wa meli (ukiwemo wa kimataifa, wa ndani na uvuvi) ulichangia 10.67% iliyoripotiwa ya uzalishaji kutoka sekta ya usafiri, sawa na 2.31% ya uzalishaji wa kaboni duniani ^[5,6].

Ulinganisho wa awali kabla ya janga, ukitumia tafiti mahususi za usafiri wa anga na meli dhidi ya jumla ileile ya uzalishaji wa CO₂ duniani, unatoa njia muhimu ya kukagua makadirio haya ya 2024 na unapata matokeo yanayofanana kwa ujumla. Mwaka 2018, usafiri wa anga duniani ulitoa takriban 1,034 GtCO₂ ^[7], huku usafiri wa meli ukitoa takriban 1,056 GtCO₂ ^[8]. Kwa hiyo jumla ya uzalishaji ilikuwa takriban 2,090 GtCO₂. Ikilinganishwa na jumla ya Global Carbon Budget ya 42.5 GtCO₂ kwa mwaka huohuo ^[6], usafiri wa anga na meli kwa pamoja ulichangia takriban 4.92%. Hivyo, sehemu ya 8% ya uzalishaji kutoka sekta ya utengenezaji wa chuma ingekuwa takriban pointi 3.08 za asilimia juu zaidi, au mara 1.63 ya uzalishaji wa pamoja wa usafiri wa anga-na-meli. Hii inalinganisha CO₂ ya kila mwaka pekee na haijumuishi athari za ziada za ongezeko la joto zisizo za CO₂ kutoka kwa usafiri wa anga.

Wakati wa kuandika, hizi ndizo takwimu bora zaidi zinazopatikana za kulinganisha sekta moja kwa moja, zikitegemea kadiri iwezekanavyo vyanzo vya karibuni na vyenye mamlaka (k.m. uzalishaji wa meli uliotolewa na International Maritime Organization). Hata hivyo, ulinganisho kama huu unahitaji umakini, kwa sababu makadirio yaliyochapishwa yanaweza kujumuisha aina au makundi tofauti kidogo ya gesi chafu, shughuli na vyanzo vya uzalishaji.

Kwanza, tafiti tofauti zinaweza kuripoti CO₂ pekee, gesi chafu zote, au thamani za kaboni dioksidi-sawa (CO₂eq), ambazo hujumuisha gesi kama methane na nitrous oxide zikiwa zimepimwa kwa uwezo wao wa kusababisha ongezeko la joto duniani ikilinganishwa na ule wa CO₂. Vipimo hivi haviwezi kubadilishana au kulinganishwa moja kwa moja bila viwango vinavyolingana, na kuwasilisha kimoja badala ya kingine kunaweza kubadilisha kwa kiasi kikubwa sehemu inayoonekana ya uzalishaji wa sekta. Vyanzo, tafiti, na ripoti za mashirika mara nyingi hazielezi wazi mara moja ni kipimo gani mahususi (/aina ya kipimo cha uzalishaji) kimetumika, na mara kwa mara hutaja kimoja ilhali wanamaanisha kingine (k.m. kutaja ‘CO₂’ ilhali wanamaanisha ‘CO₂eq’).

Pili, uchaguzi wa msingi wa dunia ni muhimu: baadhi ya ulinganisho hufanywa dhidi ya CO₂ inayohusiana na nishati pekee, huku mingine ikijumuisha vyanzo vyote vinavyosababishwa na binadamu kama matumizi ya ardhi, mabadiliko ya matumizi ya ardhi, na misitu (LULUCF), jambo linaloamua kigawanyo na hivyo asilimia inayokokotolewa ya sekta.

Uzalishaji wa usafiri wa meli wa kimataifa hasa ni mgumu kufuatilia kwa sababu uzalishaji hutokea kwa kiasi kikubwa katika maji ya kimataifa. Kihistoria, data mara nyingi ilitoka kwenye mauzo ya mafuta ya bunker badala ya ufuatiliaji wa moja kwa moja wa shughuli za meli, na hivyo kuongeza kutokuwa na uhakika. Sasa IMO huunganisha mbinu za mauzo ya mafuta, shughuli za meli (uundaji wa AIS) na ugawaji wa safari, na makadirio yanaweza kutofautiana kulingana na mbinu zinazotumika. Hali kama hiyo pia huonekana kwenye data za usafiri wa anga. Pamoja na masuala yaliyotajwa hapo juu kuhusu uchapishaji wa takwimu, hili linaweza kufanya makadirio ya uzalishaji wa dunia yanayopatikana yatofautiane sana, hata yanapotokana na sekta/shughuli ileile.

Gt 1,892 za chuma huzalishwa kila mwaka, ambapo 52% hutumika kwenye ujenzi (Mt 983.84 za chuma).

[14] inaonyesha kwamba maeneo ya mijini duniani yalipanuka kwa km² 9 687 kwa mwaka kati ya 1985 na 2015. Hii ni sawa na (9687/365 =) km² 26,539 kwa siku.

Eneo la Manhattan ni km^2 A. 59.1: 59.1/26,539 = siku 2.2

Hata hivyo, inafaa kutambua kwamba kasi ya ukuaji wa sasa huenda ni kubwa zaidi. World Bank ^B inakadiria (kuanzia Aprili 2023) kwamba km² milioni 1.2 za maeneo mapya ya mijini yaliyojengwa zinatarajiwa kuongezwa duniani kufikia 2030. Hii ni sawa na wastani wa upanuzi wa miji duniani kote katika muongo mzima wa miaka ya 2020 wa takriban km² 120 000 kwa mwaka, km² 328.77 kwa siku au km² 13,698 kwa saa, sawa na kujengwa kwa eneo la Manhattan kila baada ya saa 4.

Ulinganisho zaidi unaweza kufanywa: Ikiwa Mt 983.84 za chuma hutumika kila mwaka kwenye ujenzi (tazama hapo juu), hii ni sawa na Mt 2.7 kwa siku. Kwa kulinganisha, Golden Gate Bridge huko San Francisco, Marekani, ina ~tani 75 000 za metriki za chuma ^C, ikimaanisha ~Golden Gate Bridge 36 zinaweza kujengwa kwa chuma cha ujenzi cha siku moja. Vinginevyo, Empire State Building ina ~tani 51 700 za metriki za chuma ^D,E, ikimaanisha ~Empire State Building 52.2 zinaweza kujengwa kwa chuma cha ujenzi cha siku moja.

^A Overview of New York City | NYMTC

^B Urban Development Overview | World Bank Group

^C Design & Construction Stats | Statistics & Data | Golden Gate

^D ASCE Metropolitan Section | Empire State Building

^E Empire State Building | World's Tallest Towers

94% ya madini yanayochimbwa ni madini ya chuma, na 98% ya madini ya chuma hutumika kutengeneza chuma. Kwa hiyo, 98% ya 94% ni sawa na 92%. Haya ni makadirio yaliyotokana na uzito, si takwimu iliyopimwa.

[39] inaonyesha uwezekano wa juu wa kupunguza uzalishaji kwa hadi 85%; hata hivyo hili huenda lisitumike kila mahali, na chanzo hakielezi wazi mipaka kamili ya mfumo kwa makadirio yake. Kwa vitendo, upunguzaji wa uzalishaji unaweza kutegemea sana sehemu ya chuma chakavu kwenye tanuru ya umeme ya arc, mchanganyiko wa umeme na upana wa mipaka mikubwa ya mfumo inayozingatiwa. Hata hivyo, WorldSteel ^F inaripoti tofauti kubwa zinazofanana kati ya njia za utengenezaji wa chuma zinazotegemea ore- na scrap-recycling-based: wastani wa kimataifa wa 2.34 tCO₂/t ya chuma ghafi kwa njia ya jadi ya blast-furnace/basic-oxygen-furnace, na 0.69 tCO₂/t kwa njia ya scrap-metal/electric-arc-furnace, sawa na upunguzaji wa wastani wa takriban 70.5%.

^F Ripoti ya viashiria vya uendelevu 2025 | World Steel Association

Uvujaji unamaanisha CO₂ kutoka kwenye eneo lililokusudiwa kuhifadhiwa - kupitia kisima, ufa wa kijiolojia, mpasuko au tabaka funiko la mwamba - na huenda ikaingia kwenye tabaka lingine la kijiolojia, maji ya chini ya ardhi, sakafu ya bahari au anga. Kushindwa kwa uhifadhi kunaweza kujumuisha uvujaji, lakini kunaweza pia kumaanisha shinikizo kubwa kupita kiasi, uhamaji usiotarajiwa au kupotea kwa uwezo wa kudunga gesi kunakofanya eneo lishindwe kufanya kazi kama ilivyokusudiwa bila lazima CO₂ kuingia angani. Hakuna kati ya haya yanayotarajiwa kutokea katika eneo lililochaguliwa na kusimamiwa vizuri. Kanuni za EU zinataka maeneo yanayopendekezwa yaonyeshe kuwa hakuna hatari kubwa ya uvujaji na yadumishe mipango ya ufuatiliaji na hatua za kurekebisha.

Kubadilisha ‘makaa ya mawe kwenye tanuru ya mlipuko’ kunamaanisha kubadilisha hatua yenyewe ya kawaida ya uchenjuaji katika tanuru ya mlipuko inayotumia makaa ya mawe kwa uchenjuaji wa moja kwa moja unaotumia gesi, ambao kwa kawaida hufanyika katika tanuru tofauti ya mlingoti/tanuru ya uchenjuaji wa moja kwa moja; haimaanishi kubadilisha gesi ya visukuku moja-kwa-moja ndani ya tanuru ileile ya mlipuko.

Mbinu nyingine za DRI hutofautiana sana katika kiwango cha uzalishaji wao. [60] inapendekeza kwamba DRI inayotumia makaa ya mawe inaweza kupunguza uzalishaji kwa 38% ikilinganishwa na njia ya jadi ya tanuru ya mlipuko/tanuru ya oksijeni ya msingi. Hata hivyo, gesi ya visukuku, yenye mchanganyiko wake wa kawaida wa CH₄, H₂, na CO, hupunguza uzalishaji kwa 61%. Kubadilisha gesi ya visukuku kabisa kwa H₂ kunaweza kupunguza uzalishaji kwa 97%. Hata hivyo, haya si makadirio ya jumla, na akiba halisi ya uzalishaji itategemea si tu kijenzi kikuu cha uchenjuaji kinachotumika kwenye mchakato, bali pia usanidi mwingine wa DRI, mchanganyiko wa nishati na mpaka wa mfumo. Ni muhimu kwamba uzalishaji kutoka kwenye njia ya kutengeneza H₂ kabla ya kutumika kutengeneza chuma haujajumuishwa kwenye makadirio ya hydrogen-DRI. Hidrojeni ya kijani hutumia umeme wa kaboni kidogo, lakini uzalishaji bado unaweza kujificha kwenye usafirishaji & miundombinu (tazama hapa chini). Licha ya gesi ya visukuku inayotumika kwenye DRI kutoa uzalishaji mdogo ikilinganishwa na makaa ya mawe, mafuta ya visukuku bado yanahusika hivyo uzalishaji hauwezi kuepukika.

Hidrojeni ya kijani huzalishwa kwa kutumia umeme mbadala kugawanya maji kuwa hidrojeni na oksijeni kupitia mchakato wa elektrolisisi. Hii huondoa uzalishaji unaotokana na kutengeneza hidrojeni kwa mafuta ya kisukuku. Hidrojeni inapoingia kwenye mchakato wa kutengeneza chuma katika hatua ya kupunguza madini ya chuma ili kutenganisha chuma na madini yake, huathiri oksidi za chuma kwenye madini na kuungana na oksijeni kutengeneza mvuke wa maji badala ya CO₂.

Hata hivyo, mchakato mpana zaidi unaweza bado kusababisha uzalishaji fulani. Uzalishaji huu wa moja kwa moja, unaohusiana, unaweza kutoka kwenye miundombinu inayotumika kuzalisha, kusafirisha na kuhifadhi hidrojeni ya kijani, au umeme unaotolewa kwenye gridi ambayo mchanganyiko wake wa nishati bado hauna kaboni kabisa. Kwa hiyo, kiuhalisia, hidrojeni inayoitwa ‘kijani’ huenda isizalishwe kila wakati kwa umeme mbadala pekee katika mchakato mzima.

Kwa hiyo chuma cha hidrojeni ya kijani kinaweza kukaribia sana uzalishaji sifuri, bila lazima kufikia sifuri kamili ya uzalishaji wa kaboni. Kwa uhalisia, chuma kinachotengenezwa kwa hidrojeni mbadala huzalisha takriban 0.08 kg CO₂ kwa kila kg ya chuma ^[67].

Hidrojeni ya buluu na kijivu zina uzalishaji unaohusiana ulio wazi zaidi. Hidrojeni ya kijivu kwa kawaida hutengenezwa kutoka gesi ya kisukuku kwa mchakato unaoitwa urekebishaji wa mvuke wa methani (SMR), ambao hutenganisha hidrojeni na methani katika mchanganyiko wa gesi ya kisukuku, na kuachilia CO₂. Hii kwa sasa ndiyo njia ya kawaida na ya bei nafuu zaidi ya kuzalisha hidrojeni. Hidrojeni ya buluu hutengenezwa kwa mchakato uleule wa msingi, lakini huunganishwa na teknolojia ya kukamata na kuhifadhi kaboni (CCS) ili kuzuia uzalishaji mwingi huo wa uzalishaji usitoroke kwenda angani. Kwa sababu mchakato wa kukamata kwa kawaida haukamati kila kitu, hidrojeni ya buluu bado huzalisha uzalishaji fulani angani.

Aina yoyote ya hidrojeni inapotumika kutenganisha chuma na madini yake, mmenyuko wa kupunguza wenyewe bado huzalisha maji pekee badala ya CO₂. Tofauti kuu iko kwenye uzalishaji wa awali uliotokea wakati hidrojeni ilipozalishwa mwanzo. Uzalishaji mdogo unaweza pia kubaki sehemu nyingine za mchakato wa kutengeneza chuma, ikiwemo kutoka umeme na kaboni inayotumika katika Tanuru ya Safu ya Umeme.

Kulingana na [67], chuma kinachotengenezwa kwa hidrojeni ya buluu huzalisha takriban 0.22 kg CO₂ kwa kila kg ya chuma, kwa kudhani kuwa 85% ya uzalishaji kutokana na kuzalisha hidrojeni unakamatwa. Hii ikilinganishwa na 1.87 kgCO₂ kwa chuma cha kawaida kinachotegemea makaa ya mawe na 0.38 kgCO₂ kwa chuma kinachotegemea makaa ya mawe kilichowekewa ukamataji wa kaboni, ambacho kiwango tofauti cha ukamataji cha 80% kinadhaniwa ^[67].

Zaidi ya 95% ya hidrojeni inayotumika duniani hutengenezwa kwa gesi ya kisukuku, hasa bila aina yoyote ya ukamataji wa kaboni. Hidrojeni hii ya kijivu ya kawaida ikitumiwa katika utengenezaji wa chuma cha DRI kinachotumia hidrojeni, [67] inakadiria uzalishaji wa takriban 0.7 kg CO₂ kwa kila kg ya chuma ^[67]. Hii ni chini sana kuliko uzalishaji wa kawaida wa chuma kinachotegemea makaa ya mawe, lakini ni juu zaidi kuliko ule wa chuma kinachotengenezwa kwa hidrojeni ya kijani.

Katika hesabu hizi, uzalishaji mwingi uliobaki ni ule uliotoroka CCS, kwa sababu haikamata CO₂ yote inayozalishwa wakati wa utengenezaji wa kawaida wa chuma au uzalishaji wa hidrojeni ya buluu.

Kwa hiyo, uwezekano wa kupunguza uzalishaji kwa zaidi ya 95% unaeleza njia bora zaidi ya DRI ya hidrojeni ya kijani badala ya matokeo ya jumla yanayotumika kwa kila aina ya chuma kinachotegemea hidrojeni ^[60,67]. [67] inakadiria takriban 0.08 kg CO₂ kwa kila kg ya chuma kwa hali yake ya hidrojeni mbadala; ikilinganishwa na 1.87 kgCO₂/kg kwa chuma cha kawaida kinachotegemea makaa ya mawe, hii ni punguzo la 95.7% ^[67]. Mwishowe, matokeo hutegemea uzalishaji wa hidrojeni, kiwango cha kaboni cha umeme, malighafi na mabaki ya chuma, pamoja na mipaka mipana ya uzalishaji/mfumo inayohusika.

Chuma si ayoni tupu: ni aloi ambayo kwa kawaida ina kiasi kidogo cha kaboni kinachodhibitiwa kwa makini, na hiyo husaidia kukipa sifa zinazohitajika. Kwa hiyo, hata hidrojeni inapochukua nafasi ya kaboni katika hatua ya kwanza ya kupunguza ayoni, kaboni kiasi bado huhitajika ayoni inapogeuzwa kuwa chuma.

Watengenezaji wa chuma pia hutumia kaboni kwa kazi kadhaa za kiufundi ndani ya Tanuru ya Tao la Umeme ambazo hazijaelezwa kwa kina kwenye filamu. Hizi ni pamoja na kurekebisha kiwango cha mwisho cha kaboni (ikiwemo kuongeza kaboni), kusaidia kuondoa oksijeni iliyobaki (uondoaji oksijeni) na kutengeneza slag (Chuma kinapoyeyuka, uchafu huelea juu na kutengeneza tabaka la taka kimiminika linaloitwa slag. Kuingiza kaboni kwenye mchanganyiko hugusana na madini ya ayoni na kuzalisha viputo vya gesi ya monoksidi kaboni, vinavyofanya slag itanuke na kuwa povu. Tabaka hili la povu la slag husaidia kulinda tanuru dhidi ya joto kali na kuboresha utendaji wa tanuru kwa kuhifadhi joto ndani ya metali iliyoyeyuka, na kupunguza nishati inayohitajika).

Chuma chakavu hutumika hasa kama chanzo kilichorejelewa cha ayoni na chuma kilichotengenezwa tayari (malighafi ya metali), badala ya kuchukua nafasi ya kaboni inayoongezwa kimakusudi, ingawa kaboni iliyomo tayari kwenye chuma chakavu huchangia usawa wa mwisho wa kaboni ndani ya tanuru. Kwa hiyo, utengenezaji wa chuma kwa EAF unaweza bado kuhitaji kuongezewa kaboni.

Mabaki ya taka za kibiolojia yanaweza kutoa chanzo cha ziada cha kaboni, lakini kwanza lazima yachakatwe kuwa biokaboni au biochar inayofaa. Plastiki taka zilizoandaliwa vizuri na matairi yaliyofika mwisho wa matumizi pia yanaweza kutumika kama mawakala wa kupunguza wenye kaboni au wa kufanya slag iwe povu, au kusaidia kutoa nishati, na hivyo kuchukua nafasi ya sehemu ya coke au makaa ya mawe ya kawaida ambayo yangeweza kutumika vinginevyo.

Hata hivyo, plastiki nyingi na sehemu kubwa ya kaboni kwenye matairi awali zilitokana na mafuta ya kisukuku, hivyo kuzitumia bado kunaweza kutoa CO₂ ya kisukuku. Kwa hiyo, faida kwa mazingira hutegemea taka inayotumika (muundo wa malighafi), jinsi inavyochakatwa (matibabu ya awali), kiasi cha kaboni mpya ya kisukuku iliyochimbwa (virgin) kinachochukuliwa nafasi, utendaji wa tanuru na sehemu gani za mzunguko wa maisha zinazingatiwa. Kutumia taka kunaweza kupunguza mahitaji ya kaboni ya kawaida ya kisukuku, lakini hakuifanyi moja kwa moja mchakato huu usiwe na kaboni.

Chuma kinachozalishwa kwa njia ya hidrojeni kinajaribiwa katika nchi mbalimbali:

[76] Ujerumani, [77] Austria, [78] Uholanzi, [79,80] Uingereza, [81] Korea Kusini