در راستای یک ابزار تصمیم‌گیری استراتژیک برای کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای در صنعت فولاد اتحادیه اروپا، تلاش برای ارائه تعریفی از مفهوم فولاد سبز
توافق پاریس در سال 2015 متعهد شده است که باید تا سال‌های 2050 تا 2070 انتشار گازهای گلخانه‌ای را در جهان به صفر برسیم. براساس اصل مشترک اما با مسئولیت‌های متفاوتی که در توافقنامه مربوط به کنوانسیون آب و هوا (UNFCCC) آمده است، کشورهای توسعه‌یافته باید این فرآیند را رهبری کنند و نرخ کاهش انتشار گاز را با سرعتی بالاتر از میانگین جهانی میسر کنند. تولید فولاد یکی از اصلی‌ترین دلایل انتشار گازهای گلخانه‌ای در سطح جهانی است و مسئول 5٪ از کل انتشار گاز در جهان می‌باشد. این صنعت همچنین یکی از دشوارترین بخش‌های اقتصادی برای کاهش کربن به دلیل رقابت شدید جهانی، وابستگی فرآیند تولید به کربن و نیاز به فناوری پیشرفته با هزینه‌های کاهش بالا و دوره‌های سرمایه‌گذاری بلندمدت است. به عبارت دیگر، صنعت فولاد با چالش‌های مهمی روبه‌رو است در راستای دستیابی به اهداف کاهش انتشار گاز که در توافق پاریس مقرر شده است.
در اروپا، مجموعه‌ای از فناوری‌ها به منظور توسعه فناوری‌های نوآورانه شناسایی شده است و انجام پروژه‌های تحقیقاتی متعددی به منظور دستیابی به این هدف در حال انجام است. دو استراتژی متمایز در بیشتر این پروژه‌ها دنبال می‌شود. اولین استراتژی شامل استفاده از سوخت‌های تجدیدپذیر مانند هیدروژن، برق و بیومس است، در حالیکه استراتژی دوم شامل ضبط نهایی CO2 است. موفقیت در تجاری‌سازی و گسترش این فناوری‌های «کم‌کربن» برای صنعت فولاد مستلزم حمایت عمومی قابل توجهی، به خصوص با توجه به زمان محدود مقرر شده طبق تهدید تغییرات آب و هوایی است.
تعیین قیمت کربن در بازار کربن «آزاد» به عنوان راه‌حل معمول برای کاهش انتشار گاز در پاسخ به سیاست‌های آب و هوا معرفی شده است. با این حال، تجربیات واقعی از توسعه انرژی تجدیدپذیر و نظریه نوآوری به قوت نشان می‌دهند که تعیین قیمت کربن باید با حمایت هدفمند و خاص با فناوری‌های جدید نوآورانه ترکیب شود تا بازار دنج و زودهنگام برای فناوری‌های نوآورانه جدید ایجاد شود. این مسئله به خصوص برای شرکت‌های فولاد صدق می‌کند که در معرض رقابت شدید جهانی هستند و تحت مقررات آب و هوایی مختلف در کشورهای مختلفی که در آنها فعالیت می‌کنند، قرار دارند.
فولاد نوآورانه و دوستدار آب و هوا با هزینه‌های تولید بیشتر نسبت به روند تجاری عادی همراه است و با مشکلات سیستمی دیگری، از جمله عدم وجود زیرساخت، عدم اعتماد جدی به سیاست‌های آب و هوایی در بلندمدت، ابهام‌های فنی و دانش ناکافی در بازار نیز روبرو می‌شود. تعیین قیمت کربن به تنهایی نمی‌تواند تمامی این معایب را رفع کند. یک سیاست فناورانه موثر باید حاوی همچنین افزایش عرضه و جذب تقاضا باشد.
سیستم تجارت انتشار گازهای گلخانه‌ای اتحادیه اروپا (EU ETS) در اصل نظارت بر انتشارCO2 در بخش فولاد در اتحادیه اروپا را بر عهده دارد. این سیستم 45٪ از انتشار گاز اتحادیه اروپا را پوشش می‌دهد و شامل همچنین بخش تولید برق و تمامی تاسیسات صنعتی بزرگ می‌شود. EU ETS سقف انتشار را تعیین کرده و تا سال 2030 به میزان منفی 40٪ کاهش می‌یابد با هدف برآوردشده برای کاهش به میزان منفی 80 تا 95٪ تا سال 2050 است. به منظور جلوگیری از عواقب منفی اجتماعی ناشی از قیمت کربن و هماهنگی با اهداف سیاست صنعتی، از چندین سیاست دیگر هم استفاده می‌شود. مهمترین این سیاست‌ها شامل تخصیص رایگان مجوزهای انتشار به منظور حفاظت از صنایع مصرف‌کننده انرژی در مقابل نشت کربن و سیاست‌های فناوری افزایش عرضه مختلفی مانند برنامه تحقیق و توسعهHorizon 2020 و ULCOS است.
با توجه به چالش‌هایی که فولاد نوآورانه و دوستدار آب و هوا با آن روبرو است، انتقال به فناوری‌های کم‌کربن به حمایت عمومی بالایی نیاز دارد. زمان محدود مقررشده طبق تهدید تغییرات آب و هوا به این معناست که این حمایت باید به زودی صورت گیرد. تعیین قیمت کربن به تنهایی نمی‌تواند تمامی معایبی که صنعت فولاد در این زمینه روبرو می‌شود را برطرف کند. یک سیاست فناورانه موثر باید حاوی همچنین افزایش عرضه و جذب تقاضا باشد. این موضوع به خصوص در مورد شرکت‌های فولادی که در کشورهای مختلفی که در آنها فعالیت می‌کنند و با رقابت شدید جهانی و مقررات آب و هوایی مختلف مواجه هستند، صدق می‌کند.
توسعه این فناوری‌های نوآورانه نیازمند مشارکت چندین نهاد ذینفع، از جمله سیاست‌گذاران، صنعت و مؤسسات تحقیقاتی است. همکاری بین این نهادها برای موفقیت موثر در تجاری‌سازی و گسترش فناوری‌های کم‌کربن برای صنعت فولاد ضروری است. انتقال به فناوری‌های کم‌کربن نیاز به سرمایه‌گذاری قابل توجهی دارد و حمایت عمومی در این زمینه امری بسیار حیاتی است.
انتقال موفق به فناوری‌های کم‌کربن نیاز به ایجاد بازار دنج و زودهنگام برای فناوری‌های نوآورانه دارد. این مساله تنها از طریق حمایت هدفمند و خاص به فناوری‌ها، به علاوه قیمت‌گذاری کربن قابل دستیابی است. صنعت فولاد با چندین مانع سیستمی، از جمله عدم وجود زیرساخت، عدم اعتماد به سیاست‌های آب و هوا در بلندمدت، ابهام‌های فنی و دانش بازار ناکافی مواجه است. این موانع باید از طریق یک سیاست فناورانه موثر که هم افزایش عرضه و هم جذب تقاضا را شامل می‌شود، مورد توجه قرار گیرند.
سیستم تجارت انتشار گازهای گلخانه‌ای اتحادیه اروپا (EU ETS) که در اصل نظارت بر انتشارCO2 در بخش فولاد در اتحادیه اروپا را بر عهده دارد، با چندین ابزار سیاستی دیگر تکمیل شده است. یکی از این ابزارها تخصیص رایگان مجوزهای انتشار به منظور حفاظت از صنعت مصرف‌کننده انرژی در برابر نشت کربن است. همچنین سیاست‌های مختلف فناوری افزایش عرضه مانند برنامه تحقیق و توسعهHorizon 2020 و ULCOS نیز برای هماهنگی با اهداف سیاست صنعتی در جریان است.
توسعه فناوری‌های کم‌کربن برای صنعت فولاد چالش پیچیده‌ای است که نیازمند مشارکت چندین نهاد وذینفع است. همکاری بین سیاست‌گذاران، صنعت و مؤسسات تحقیقاتی برای تجاری‌سازی و گسترش موفق این فناوری‌ها ضروری است. حمایت عمومی در این زمینه، به خصوص با توجه به زمان محدود مقرر شده طبق تهدید تغییرات آب و هوا ضروری است. یک سیاست فناوری موثر باید هم افزایش عرضه و هم جذب تقاضا را شامل شود تا بتوان موانع سیستمی موجود در صنعت فولاد را برطرف کرد.
تا سال 2010، تمرکز اصلی حکومت اقلیمی اتحادیه اروپا برای صنعت فولاد متمرکز بر کاهش‌های کوتاه‌مدت از راه اقدامات بهره‌وری انرژی و حفاظت در برابر نشت کربن بود. این رویکرد عمدتاً به حفظ ساختارهای صنعتی موجود به جای ترویج نوآوری و تغییر اختصاص داشت. با این حال، از زمان تصویب هدف کاهش مؤثر مشخص برای سال 2050، تمرکز حکومت اقلیمی اتحادیه اروپا برای صنعت فولاد به سمت حمایت از نوآوری و فناوری منتقل شده است.
طرح سال 2050 اتحادیه اروپا یک جدول زمانی دقیق برای تخریب کربن در تولید فولاد در اتحادیه اروپا ارائه کرده است. این باعث تحول چارچوب سیاستی به سمت حمایت از نوآوری و فناوری شده است که با توافق پاریس همخوانی بیشتری دارد. به تازگی، این کمیسیون حتی هدف بزرگتری از به صفر رساندن گازهای گلخانه‌ای تا سال 2050 تصویب کرده است. با وجود یک چارچوب سیاستی ابتدایی و منابع کافی برای تحقیق و توسعه و پروژه‌های نمایشی، هنوز نیاز به یک سیاست جذب تقاضا وجود دارد تا بازار دنج به زودی برای فولاد بدون انتشار کربن ایجاد شود.
ایجاد تقاضای پایدار برای فولاد سبز از اهمیت بی‌نظیری به منظور کاهش ریسک‌های مرتبط با سرمایه‌گذاری‌های اولیه در فناوری‌های نوآورانه برخوردار است. طرح جدید سال 2050 ترتیب عدم اطمینان بلندمدت را کاهش داده و گزینه‌های فناوری را تا به چند گزینه محدود کرده که توانایی به صفر رساندن گازهای گلخانه‌ای را دارند. بنابراین برای اتخاذ تصمیمات سرمایه‌گذاری کارآمد و جلب حمایت عمومی برای صنعت فولاد که با این هدف هماهنگ باشد و ایجاد قفل کربن را جلوگیری کند، امری ضروری است.
هدف این مقاله تجزیه و تحلیل پیامدهای هدف صفر گازهای گلخانه‌ای در سال 2050 برای سرمایه‌گذاری‌های آتی در صنعت فولاد اتحادیه اروپا است. روش‌شناسی ارائه شده در این مطالعه می‌تواند به عنوان ابزار تصمیم‌گیری برای سرمایه‌گذاری استراتژیک توسط صنعت و همچنین برای تعریف چیستی «فولاد سبز» و چه مواردی باید توسط سیاست پشتیبانی شود تا با اهداف اقلیمی هماهنگ باشد، استفاده شود. این روش بر اساس دیدگاه چرخه زندگی است و اهداف سال 2050 و مسیرهای فنی ممکن برای صنعت فولاد را به یکدیگر متصل می‌کند.
انتقال به روش‌های تولید فولاد در اتحادیه اروپا در حال حاضر در حال انجام است
تولید فولاد در بخش اروپایی در سال 2017 به میزان 168 میلیون تن بود، که متأسفانه منجر به انتشار 128 میلیون تن دی‌اکسید کربن (CO2) شد. مسیر کوره‌های انفجاری- کوره‌های اکسیژن اصلی مسئول 60٪ از مجموع فولاد تولیدی بود، در حالیکه 67 میلیون تن بازیافت مواد باقی‌مانده تولید شد. به علاوه، تنها یک کارخانه کاهش مستقیم در اتحادیه اروپا وجود داشت. متأسفانه، به دلیل اشباع تقاضا، پیش‌بینی می‌شود که تقاضای فولاد در اتحادیه اروپا در سال 2050 مشابه یا کمی پایین‌تر از سطح فعلی خواهد بود. با این حال، انتظار می‌رود تراکم مواد بازیافتی افزایش یابد و تا سال 2050 به 136 میلیون تن برسد. این موجب می‌شود که حجم تولید فولاد اولیه و ثانویه ممکن است تغییر کند، و تا سال 2050 تولید فولاد ثانویه به عنوان مسیر تولیدی اصلی غالب شود. این انتقال به سمت تولید بیشتر فولاد ثانویه نه تنها به دلیل افزایش مواد بازیافتی موجود است، بلکه همچنین به عنوان پیروی از سیاست اقتصاد مدور اتحادیه اروپا خواهد بود. به تطابق با روند کاهش تولید اصلی در اتحادیه اروپا، تعدادی از سایت‌های تولید فولاد اصلی اروپایی ممکن است به تولید فولاد ثانویه تبدیل شوند یا کارخانه‌های کوچک جدیدی تاسیس شوند و کارخانه‌های یکپارچه تعطیل شوند. با این حال، منتظر است که تولید فولاد اولیه هنوز به عنوان مسئول تولید 60 میلیون تن CO2 در سال 2050 با استفاده از فناوری‌های تولید کنونی باقی بماند. به علاوه، انتشارات مستقیم از فولاد ثانویه به مقدار 7 میلیون تن با روش‌های موجود خواهد بود. این نشان می‌دهد که نیاز به توسعه روش‌های جدید و نوآورانه برای تولید فولاد و کاهش مقدار CO2 منتشر شده است. صنعت فولاد بخش مهمی از اقتصاد اروپاست و باید اطمینان حاصل شود که پایدار باقی بماند. حرکت به سمت تولید فولاد ثانویه یک گام در جهت درست است، اما این تنها راه‌حل نیست. نیاز به تلاش مشترک برای سرمایه‌گذاری در تحقیق و توسعه برای ایجاد فناوری‌های جدیدی است که کمک به کاهش مقدار CO2 انتشاریافته در زمان تولید فولاد می‌کنند. به علاوه، اهمیت دارد که استفاده از فولاد بازیافتی را ترویج کرد و مصرف‌کنندگان را تشویق به انتخاب‌هایی کنید که دوستدار محیط زیست هستند.
مسیرهای پیش‌بینی شده برای تولید فولاد در حال حاضر تحت بررسی هستند
فرآیند تولید فولاد نیاز به رویکرد کاملی برای کربن‌زدایی دارد که شامل اجرای استراتژی‌های مختلفی از جمله کارآیی مواد، کاهش مصالح و بازیافت بیشینه می‌شود. پتانسیل تولید مواد کارآمد و استفاده از فولاد بسیار عظیم است و عمدتا بی‌استفاده باقی می‌ماند. با این حال، افزایش تقاضای جهانی برای فولاد نیازمند تولید اولیه است تا نیازهای جامعه رو به رشد را تامین کند. کوره بلند به عنوان مهمترین منبع انتشارات در زنجیره ارزش فولاد است و افزایش بیشتر کارآیی را در این زمینه محدود است. برای دستیابی به انتشارات خالص صفر، صنعت فولاد باید فرآیندهای تولید با انتشار کم یا صفر را به جای فرآیندهای تولید اولیه فعلی، به ویژه برای کوره‌های بلند، اتخاذ کند. اجرای این رویکردها مستلزم سرمایه‌گذاری، نوآوری و همکاری قابل توجه در سراسر زنجیره ارزش فولاد دارد. ما باید به همکاری بپردازیم تا راه‌حل‌های پایدار تولید فولاد توسعه دهیم که محیط زیست ما را حفاظت کنند و نیازهای جامعه را تامین کنند.
| مسیر تولید | شدت انتشار | انتشارات نسبی در مقابل کوره بلند |
| BF[22] | 1682 | 100 درصد |
| NG-DR[23] | 1020 | 61 درصد |
| scrap EAF without fossil fuels [22, 23] | زیر 100 | کمتر از 6 درصد |
| H-DR[24] | زیر 100 | کمتر از 6 درصد |
| Electrowinning | زیر 100 | کمتر از 6 درصد |
| BF CCS[25, 26] | 673 | 40 درصد |
| BF CCU | 673-1682 | 40-100 درصد |
| BF Bio[27] | 1009 | 60 درصد |
| BF BioCCS[28] | زیر 100 | کمتر از 6 درصد |
جدول 1 شدت انتشار روش‌های متنوع تولید فولاد را نشان می‌دهد. انتشارهای غیرمستقیم حذف شده‌اند و انتشار بازیافتی به ارزش صفر اختصاص یافته است، که به طور کامل در بخش 3 توضیح داده شده است. واحد اندازه‌گیری مورد استفاده، کیلوگرم دی‌اکسید کربن معادل بر تن فولاد (kgCO2eq/t فولاد) است.
جدول 1 فهرست جامعی از سطوح انتشار مرتبط با فرآیندهای مختلف تولید فولاد را که در ادبیات ثبت شده‌اند، ارائه می‌دهد. برای حفظ کوره بلند، نصب فناوری ذخیره‌سازی و مصرف دی‌اکسید کربن (CCS) جهت حذف انتشار گازهای گلخانه‌ای ضروری است. علاوه بر این، بخشی از تزریق ذغال سنگ باید با کربن زیست‌توده جایگزین شود که اثر کربن خالص صفر دارد تا کوره بلند به‌طور پایدار کار کند (BF CCS/CCU، BF Bio، BF BioCCS). به طور نظری ممکن است با جایگزینی تا 40٪ از مصرف ذغال سنگ با زیست‌توده و تکمیل آن با CCS در منابع اصلی انتشار، انتشارات صفر در کوره بلند داشته باشیم. کاهش مستقیم با گاز طبیعی (NG-DR) در ترکیب با کوره قوس الکتریکی (EAF) دارای اثر کربن به مراتب کمتری نسبت به کوره‌های بلند فعلی دارد. استفاده از هیدروژن تجدیدپذیر (H-DR) در کارخانه‌های کاهش مستقیم گزینه انتشار صفر را فراهم می‌کند. تنها انتشارهای باقی‌مانده در EAF از مصرف الکترود گرافیت، مصرف گاز طبیعی و مصرف کلسیم ناشی می‌شود. کاهش این انتشارات نیازمند تحقیق در زمینه مواد الکترود جدید و تفاله‌گیری شیشه‌ای است، اما چالش نوآوری به مراتب کوچکتر از آن برای تولید اولیه فولاد است.
تولید فولاد ثانویه در اثر بازیافت در کوره قوس الکتریکی EAF) ) با کاهش متناسب با انتشار کربن همراه است و این در صورتی است که انتشارهای غیرمستقیم از برق حذف شوند و گاز طبیعی با منابع حرارت تجدیدپذیر جایگزین شود. الکترووینینگ که امکان تولید مستقیم آهن در یک فرآیند الکترولیتیک را فراهم می‌کند، همچنین می‌تواند برای تولید فولاد استفاده شود وقتی با کوره قوس الکتریکی ادغام شود. باوجود اینکه الکترووینینگ از برق استفاده می‌کند، اما هنوز به مقیاس کامل و در یک سیستم تولید یکپارچه آزمایش نشده است. در حال حاضر یک کارخانه آزمایشی در اروپا فعال است و یک پروژه دیگر در ایالات متحده وارد مرحله نمایشی شده است. شکل 1 مسیرهای مختلفی را نشان می‌دهد که می‌توانند از مسیر %A