SIGMAS

تولید آهن به کمک هیدروژن

احیا با هیدروژن

احیای مستقیم آهن، به فرآیند شیمیایی حذف اکسیژن از سنگ آهن در حالت جامد اطلاق می‌شود. آهنی که هم‌اکنون در تولید فولاد مورد استفاده قرار می‌گیرد، به کمک سوخت‌های فسیلی (عموما زغال‌سنگ و گاز طبیعی) احیا می‌شود.
در سنگ آهن، نه آهن خالص، بلکه ترکیبات آهن و اکسیژن وجود دارد. کربن با اکسیژن موجود در سنگ آهن واکنش می‌دهد و حاصل این واکنش، فلز آهن و یک گاز کربن‌دار است. شکل ساده‌شده‌ی این واکنش به صورت زیر است:
2Fe2O3 + 3C -> 4Fe + 3CO2
اما برای احیای سنگ آهن، می‌توان به جای کربن از هیدروژن استفاده کرد. در این صورت، گازی که تولید می‌شود بخار آب است. این واکنش را می‌توان به شکل زیر نمایش داد:
Fe2O3 + 3H2 -> 2Fe + 3H2O
FeO + H2 -> Fe + H2O

وضعیت فعلی تولید و استفاده از هیدروژن

گاز هیدروژن را می‌توان از سوخت‌هایی که درون خود مولکول هیدروژن دارند (مانند گاز طبیعی و زیست‌گاز) استحصال کرد. روش دیگر تولید هیدروژن، الکترولیز آب است. در حال حاضر، حدود 75 درصد از هیدروژن تولیدی در جهان، که مقدار کل آن 70 میلیون تن در سال است، از گاز طبیعی به دست می‌آید. هر ساله حدود 6 درصد از گاز طبیعی جهان، برای تولید هیدروژن استفاده می‌شود.
امرزه، کمتر از 0.1 درصد از هیدروژن تولیدی دنیا از الکترولیز آب حاصل می‌شود.

هیدروژن در صنعت فولاد سبز

در تولید آهن احیای مستقیم (DRI) با گاز طبیعی، هیدروژن نیز نقشی در احیا بازی می‌کند، اما این ایفای نقش در حضور کربن است. گازهای گلخانه‌ای تولیدشده در احیا به کمک گاز طبیعی، کمتر از گازهای گلخانه‌ای حاصل از احیا در کوره‌ی بلند است. امروزه به طور صنعتی از هیدروژن خالص برای احیای آهن استفاده نمی‌شود.
در حال حاضر، سه منبع اصلی هیدروژن وجود دارد. هیدروژن سبز، از طریق الکترولیز آب با انرژی‌های تجدیدپذیر حاصل می‌شود. هیدروژن آبی از سوخت‌های فسیلی، در کارخانه‌ای که امکان به دام انداختن کربن را دارد به دست می‌آید و هیدروژن خاکستری، همان هیدرژنی است که از سوخت‌های فسیلی، و بدون در نظر گرفتن ملاحظات آلایندگی تولید می‌شود. آژانس بین‌المللی انرژی (IEA) در نقشه‌ی راه فناوری 2020 خود اظهار کرده است که تحت سناریوی توسعه‌ی پایدار (SDS)، هیدروژن سبز در اواسط دهه‌ی 2030، به عنوان یک عامل احیای مهم و تجاری شناخته خواهد شد. مصرف این محصول تا سال 2050 به 12 میلیون تن در سال خواهد رسید. اگر چه این اعداد بیانگر توسعه‌ی سریع فناوری هستند، از مدل‌سازی IEA این‌گونه برداشت می‌شود که در سال 2050، زیر 8% کل فولاد جهان، به کمک هیدروژن الکترولیزشده به عنوان عامل اصلی احیا تولید خواهد شد.

وضعیت امروز فناوری

پروژه‌ی Quest شرکت Shell و پروژه‌ی شرکت Air Products در مجتمع Port Arthur، که به کمک دانشگاه MIT انجام شده‌اند، نمونه‌هایی از کارخانه‌های هیدروژن آبی هستند. بزرگترین کارخانه‌ی الکترولیز در دنیا در حال حاضر، یک واحد 10 مگاواتی است که در ژاپن واقع است. این واحد می‌تواند 1200 متر مکعب هیدروژن در ساعت تولید کند. همچنین قرار است به زودی کارخانه‌ای 100 مگاواتی در بندر هامبورگ ساخته شود.
شرکت‌های فولادی به دنبال استفاده از هیدروژن به انحای مختلف هستند.
شکل اول استفاده از هیدروژن، استفاده از آن به عنوان تنها عامل احیا و حذف تمام گازهای گلخانه‌ای از فرآیند تولید آهن است. تعدادی از تولیدکننده‌های فولاد این رهیافت را در دستور کار خود قرار داده‌اند. از جمله‌ پروژه‌های مهم این حوزه می‌توان به پروژه‌ی Hybrit (از سه شرکت SSAB، LKAB و Vattenfall) و پروژه‌ی پایلوت هامبورگ شرکت ArcelorMittal اشاره کرد. آژانس بین‌المللی انرژی، استفاده از هیدروژن به عنوان عامل احیا را در رسیدن به انتشار کربن مجموع-صفر بسیار مهم می‌داند و مقدار شاخص آماده‌بودن فناوری (TRL) را 5 برآورد کرده است. به این ترتیب، این تکنولوژی تا سال 2030 در دسترس قرار خواهد گرفت.
گروه دیگری از فولادسازان، از ترکیب هیدروژن و احیاکننده‌های فسیلی استفاده کرده، و این ترکیب را در فرآیندهای سنتی تولید فولاد (BF و DRI) به کار می‌گیرند، تا به این ترتیب، انتشار گازهای گلخانه‌ای را کاهش دهند. شرکت ThyssenKrupp، در حال تست استفاده از هیدروژن در یک کوره‌ی بلند است. این رهیافت در ژاپن و تحت عنوان پروژه‌ی COURSE50 نیز به کار گرفته شده است. آژانس بین‌المللی انرژی، TRL این فناوری را 7 تخمین زده است و آن را تا سال 2025 آماده‌ی پیاده‌سازی می‌داند.
شرکت‌های Tenova، Salzgitter و ThyssenKrupp در حال تست فناوری DRI مبتنی بر گاز طبیعی، با مقدار بالای هیدروژن ترکیب‌شده هستند. این فناوری دارای TRL 7 است و تا سال 2030 در دسترس خواهد بود. شرکت Voestalpine در پروژه‌ی SuSteel خود به دنبال استفاده از هیدروژن پلاسما برای احیای آهن است. در عین حال دانشگاه یوتا، تحقیقات روی فناوری Flash Ironmaking را آغاز کرده است. این فناوری هم اکنون در TRL 4 است. هیدروژن همچنین می‌تواند در فرآیندهای کمکی ساخت آهن مورد استفاده قرار بگیرد. مثلا می‌توان در کوره‌ی حرارت مجدد از هیدروژن به جای گاز طبیعی استفاده کرد.

چالش‌ها

توسعه

تحت سناریوی توسعه‌ی پایدار آژانس بین‌المللی انرژی، فناوری استفاده از هیدروژن حاصل از الکترولیز به عنوان عامل اصلی احیا، تا اواسط دهه‌ی 2030 به شکل تجاری مورد بهره‌برداری قرار خواهد گرفت و ظرفیت تولیدی آن تا سال 2050 به 12 میلیون تن در سال خواهد رسید. آژانس بین‌المللی انرژی همچنین پیش‌بینی کرده است که در سال 2050، بیشترین تقاضا برای استفاده از هیدروژن در فولادسازی مربوط به چین و هند خواهد بود.

دلیل این اتفاق، میزان بالای تولید فولاد در این کشورها و نیز دسترسی به منابع بزرگ انرژی‌های تجدیدپذیر است.

تولید سالانه‌ی هیدروژن هم‌اکنون حدود 70 میلیون تن در سال است که حدود 76 درصد آن از گاز طبیعی و 23 درصد آن از زغال سنگ استحصال می‌شود. سهم الکترولیز آب در این تولید کمتر از 0.1 درصد است. اگر قرار بود تمام هیدروژن تولیدی، با الکترولیز آب تولید شود، این کار نیاز به 3600 تراوات‌ساعت انرژی برق داشت. این رقم از کل تولید سالانه‌ی برق اتحادیه‌ی اروپا بیشتر است.

تحت سناریوی توسعه‌ی پایدار، تقاضای هیدروژن تا سال 2050به 287 میلیون تن خواهد رسید، که یک جهش 400 درصدی را نسبت به سال 2020 نشان می‌دهد. این امر یک چالش بزرگ توسعه را در پی خواهد داشت.

زیرساخت

با توجه به سبک بودن و کوچک بودن مولکول هیدروژن، انتقال آن یک چالش جدی است.
در حال حاضر حدود 5000 کیلومتر خط انتقال هیدروژن در جهان وجود دارد که در مقابل 3 میلیون کیلومتر خط انتقال گاز طبیعی رقم ناچیزی است. اگر قرار باشد در آینده، خطوط انتقال گاز طبیعی برای انتقال هیدروژن مورد استفاده قرار بگیرند، چالش‌هایی به وجود خواهد آمد. باید ابتدا مناسب‌بودن لوله‌های فعلی برای انتقال هیدروژن مورد ارزیابی قرار گیرد. همچنین، نشت هیدروژن به خلوص هیدروژن انتقالی نیز وابسته است.
چالش دیگر، حجم بالای مورد نیاز برای نگه‌داری هیدروژن است. این مسئله باعث نیاز به توسعه‌ی حجم انبارها و مخزن‌ها می‌شود.
علاوه بر این مسائل، برای تولید هر کیلوگرم هیدروژن از الکترولیز، به 9 لیتر آب نیاز است. این کار 8 کیلوگرم اکسیژن تولید می‌کند. مسئله‌ای که می‌تواند در مناطق کم آب یک چالش جدی قلمداد شود.

هزینه‌ها

آژانس بین‌المللی انرژی پیش‌بینی می‌کند که استفاده از روش‌های نوآورانه‌ی تولید آهن نسبت به روش‌های کنونی، بین 10 تا 50 درصد هزینه‌ی بیشتر خواهد داشت. این امر باعث کاهش قابل توجه حاشیه‌ی سود می‌شود. البته باید توجه داشت که طبق تحلیل این آژانس، هزینه‌ی تولید هیدروژن سبز تا سال 2030 می‌تواند 30 درصد کاهش پیدا کند. دلیل این امر، کاهش قیمت منابع تجدیدپذیر و تولید هیدروژن در مقیاس بالاتر است.

ایمنی

هیدروژن نیز مانند سایر حامل‌های انرژی، مسائل و چالش‌های ایمنی خاص خود را دارد. از جمله‌ی این مسائل می‌توان به نفوذ هیدروژن در مواد به دلیل کوچک‌بودن مولکول آن اشاره کرد. این مسئله می‌تواند استحکام برخی انواع آهن یا فولاد را پایین بیاورد. علاوه بر این، هیدروژن می‌تواند در اتصالات و درزهای کوچک، نشتی زیادی داشته باشد.
هیدروژن همچنین می‌تواند در بافت فولادی لوله‌های انتقال نفوذ کرده و باعث تردشدن آنها شود. فولاد ضدزنگ آستنیتی این مشکل را ندارد.
ایمنی، هم‌اکنون نیز یکی از مسائل اصلی مورد توجه فولادسازان است. این شرکت‌ها برای آنکه بتوانند در عصر استفاده از هیدروژن نیز، محیطی ایمن داشته باشند، باید برنامه‌های خود را در این راستا به‌روز کنند.

جمع‌بندی

در این نوشتار، وضعیت کنونی فناوری تولید آهن با کمک هیدروژن و نیز چشم‌انداز توسعه‌ی آن در آینده بررسی شد. آیا روند تولید هیدروژن می‌تواند سریعتر از پیش‌بینی‌ها پیش برود؟ پاسخ این سوال، به سرمایه‌گذاری دولت‌ها و شرکت‌های خصوصی روی تحقیق و توسعه و نیز عملکرد دانشگاه‌ها و مراکز آموزش عالی بستگی خواهد داشت.