SIGMAS

زنجیره‌ی تامین فولاد سبز: چشم‌اندازی با چاشنی بهره‌وری

با اعمال سیاست‌های سخت‌گیرانه از سوی نهادهای بین‌المللی در مورد کنترل آلودگی هوا، صنایع مختلف برای کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای، خصوصا کربن‌ دی‌اکسید به تکاپو افتاده‌اند. در حال حاضر، صنعت فولاد یکی از سه تولیدکننده‌ی بزرگ کربن دی‌اکسید در جهان است. بنابراین، کارخانه‌های تولید فولاد، یکی از نامزدهای اصلی آغاز طرح کربن‌زدایی هستند.
با امضای توافق‌نامه‌ی پاریس در سال 2015، جهان نخستین واکنش جدی خود را در مقابل تغییرات محیط زیستی نشان داد. 190 کشور دنیا این توافق‌نامه را امضا کردند. در سال 2019، سازمان ملل اعلام کرد که بیش از 60 کشور، شامل انگلستان و کشورهای عضو اتحادیه‌ی اروپا (به جز لهستان)، متعهد شده‌اند که تا سال 2050، تولید کربن خود را تا حد قابل جذب توسط محیط زیست پایین بیاورند؛ وضعیتی که از آن تحت عنوان کربن-خنثی شدن یاد می‌شود. با این حال سه تولیدکننده‌ی اصلی کربن، یعنی چین، ایالات متحده و هند در این آمار جایی ندارند. علی ای حال، این توافق‌نامه‌ها، فشار را بر جامعه‌ی جهانی در جهت کربن‌زدایی افزایش داده است.
در سال 2018، به ازای تولید هر تن فولاد، 1.85 تن کربن دی‌اکسید تولید شده است. این رقم 8 درصد از کربن دی‌اکسید تولید شده در صنعت در جهان است. بنابراین، صنعت فولاد، زیر ذره‌بین سازمان‌های محیط زیستی قرار گرفته است. این فشارها، سه دلیل اصلی فراتر از عهدنامه‌ی پاریس دارد:
• تغییر نیازمندی‌های مشتریان و تقاضای فزاینده برای محصولات فولادی سبز: به طور مثال تویوتا و فولکس‌واگن اعلام کرده‌اند که قصد دارند کربن دی‌اکسید را از زنجیره‌ی تولید خود حذف کنند. این اقدام با حمایت جامعه‌ی جهانی مواجه شده است.
• قوانین سفت‌وسخت‌تر انتشار کربن: این قوانین به گونه‌ای است که در آینده، حتی واردات فولاد غیر سبز از کشورهایی که قوانین محیط زیستی سفت و سختی ندارند را با مالیات زیادی همراه کرده و عملا تولید و واردات فولاد غیرسبز را فاقد صرفه‌ی اقتصادی خواهد کرد.
• علاقه و توجه بیشتر سرمایه‌گذاران به پایداری (Sustainability): برای مثال گروه سرمایه‌گذاری Institutional Investors Group on Climate Change که بیش از 250 سرمایه‌گذار و بیش از 30 تریلیون دلار دارایی تحت مالکیت دارد، نسبت به حمایت از کربن‌زدایی از فولاد، واکنش مثبت نشان داده است.

به این ترتیب اگر شرکت‌ها به تولید فولاد به شیوه‌ی فعلی ادامه دهند، در خطر کاهش ارزش در آینده قرار خواهند گرفت. بنابراین تولید فولاد سبز باید یک اولویت اساسی برای شرکت‌ها تلقی شود. نکته‌ی مهم دیگر آن است که سرمایه‌گذاری برای این کار، حدود 10 تا 15 سال طول خواهد کشید، مبلغ سرمایه‌گذاری عظیم است و علاوه بر این، ظرفیت کم تامین‌کنندگان این تکنولوژی نیز به چالش‌های این کار می‌افزاید. بنابراین مسئله‌ی پیش‌رو اصلا مسئله‌ی ساده‌ای نیست و باید با دانش، صبر و خردورزی مورد بررسی قرار گیرد.
همچنین باید دقت داشت که برای تولید اقتصادی فولاد سبز، باید به شاخص‌های بهره‌وری نگاه ویژه‌ای داشت. درغیر این صورت تولید این فولاد اقتصادی نخواهد بود. این افزایش بهره‌وری باید در تمام سطوح زنجیره‌ی تامین فولاد سبز اتفاق بیفتد. در این نوشتار سعی می‌کنیم مراحل مختلف زنجیره‌ی تامین فولاد سبز را در محک مقایسه با فولاد سنتی قرار دهیم و راهکارهایی برای افزایش بهره‌وری در هر یک از این مراحل ارائه کنیم.

سطح مختلف زنجیره‌ی تامین فولاد

در شکل زیر، سطوح مختلف زنجیره‌ی تامین فولاد، هم فولاد سنتی و هم فولاد سبز آمده است. در ادامه‌ی این پست، به بررسی این مراحل خواهیم پرداخت.

مرحله‌ی اول: معدن

در این مرحله، سنگ آهن از معادن آهن استخراج شده و به عنوان ورودی به مراحل بعد داده می‌شود. معادن سنگ آهن مدتهاست که مورد بهره‌برداری قرار می‌گیرند. اما سوال اینجاست که چگونه می‌توان بهره‌وری را در این معادن بالا برد.
مکنزی در دو گزارش سال‌های 2015 و 2016 خود، به موضوع بهره‌وری در معادن پرداخته است. نکته‌ی جالب مورد اشاره در این گزارش‌ها آن است که در دهه‌ی 2000 میلادی، زمانی که تقاضای مواد معدنی با رشد چشمگیری مواجه شده بود، شرکت‌های معدنی در صدد برآمدند تا تولید خود را به سرعت افزایش دهند و از این موقعیت بادآورده نهایت استفاده را ببرند. این افزایش سریع تولید بدون در نظر گرفتن بهره‌وری صورت گرفت. در نتیجه طرح‌هایی با هزینه‌ی زیاد برای رسیدن به اندکی افزایش تولید اجرا می‌شدند. وقتی این رشد تقاضا فروکش کرد، بهره‌وری شرکت‌ها نسبت به قبل به شدت کاهش یافته بود. پروژه‌های نیمه‌کاره، تجهیزات بلااستفاده و نیروی کار زیاد، باعث شده بود در مقابل دارایی‌ها و هزینه‌های قابل توجه، خروجی کار آنچنان بالا نباشد. این مسئله همچنان در بسیاری از شرکت‌های معدنی وجود دارد. سوال اینجاست که چگونه می‌توان بهره‌وری این شرکت‌ها را مجددا افزایش داد.
قبل از پاسخ به این سوال، مفهوم بهره‌وری در معادن را باید به دقت تعریف کرد. افزایش بهره‌وری در عام‌ترین مفهوم خود به معنای گرفتن بیشترین خروجی از کمترین ورودی است. اما در این تعریف، منظور از ورودی، آن دسته از ورودی‌هاییست که توسط مدیریت قابل کنترل هستند. تعداد کارکنان معدن یکی از این ورودی‌هاست. اما تغییرات زمین‌شناختی و کاهش کمیت و کیفیت سنگ آهن با عمیق‌تر شدن معدن، مواردی اجتناب‌ناپذیر و خارج از کنترل مدیریت هستند. از این رو در نظر گرفتن مقدار سنگ‌آهن استخراج شده به عنوان صورت کسر بهره‌وری، باعث به وجود آمدن یک روند نزولی همیشگی در بهره‌وری خواهد شد که طبیعتا صحیح نیست. از این رو باید از شاخص‌های صحیح برای محاسبه‌ی بهره‌وری معدن استفاده کرد. یکی از این شاخص‌ها که توسط مکنزی معرفی شده است، MineLens است که فقط عوامل قابل کنترل را به عنوان ورودی در نظر می‌گیرد.
حال می‌توان به سوال مطرح شده فکرد کرد. بهره‌وری معادن چگونه افزایش می‌یابد؟ سه راه حلی که مکنزی پیشنهاد می‌دهد به شرح زیر است:
• استفاده از سیستم‌های عامل مدیریتی موثر در معادن: منظور از سیستم عامل مدیریتی، ابزاری اجرایی برای چرخه‌ی PDCA (Plan-Do-Check-Act) است. به کمک این ابزار، شفافیت بیشتری در عملکرد عملیات دیده خواهد شد و شاخص تعریف‌شده برای بهره‌وری هر لحظه پایش شده و اقدامات لازم برای بهبود آن صورت خواهد گرفت. استفاده از این ابزار به این دلیل مهم است که افزایش بهره‌وری را تبدیل به یک “اولویت” می‌کند.
• اولویت دادن به بهبود عملیاتی و افزایش توانایی‌ها: بهبود عملیاتی، به تمرکز مستمر بر کاهش هزینه‌ها و افزایش خروجی اطلاق می‌شود. برای رسیدن به این مهم، تمرکز بالایی بر حذف هر گونه هدررفت منابع، کاهش تغییرپذیری فرآیندها و افزایش بهره‌وری دارایی‌ها مورد نیاز است.
آنچه برای رسیدن به موارد فوق مورد نیاز است، استعداد کارکنان و توانایی‌های آنها است. بنابراین باید روی این موارد سرمایه‌گذاری کرد.
• تمرکز بر نوآوری: یکی از راهکارهای رسیدن به بهره‌وری بالاتر، تکیه بر نوآوری و ایده‌های جدید است. به طور مثال، در عصر دیجیتال، برخی شرکت‌ها که بر داده‌کاوی تمرکز دارند، می‌توانند از داده‌های معدن استفاده کرده، و پیش‌بینی کنند که هر کدام از تجهیزات و ماشین‌آلات چه زمانی خراب خواهند شد. این کار از به وجود آمدن هزینه‌های بزرگ و نیز وقفه در انجام وظایف جلوگیری خواهد کرد.
مکنزی همچنین در گزارشی که در سال 2021، با عنوان رسیدن به معدن بدون کربن منتشر کرده است، بر این نکته تاکید کرده است که برخی ماشین‌آلات که انتشار گاز CO2 ندارند (مانند یدک‌کش‌های الکتریکی شارژشونده با پانتوگراف)، اگرچه نسبت به یدک‌کش‌های دیزلی امروزی قیمت بیشتری دارند اما هزینه‌ی کل مالکیت (TCO) آنها کمتر است. یعنی اگر علاوه بر هزینه‌ی خرید، به هزینه‌های دیگری همچون هزینه‌ی تعمیرات و نگهداری، و هزینه‌ی سوخت نیز توجه کنیم، یدک‌کش‌‌های برقی حتی به‌صرفه‌تر از یدک‌کش‌های دیزلی هستند. این بدین معناست که حرکت در این مسیر سبز، در برخی موارد نه تنها به نفع محیط زیست است، بلکه از نظر اقتصادی نیز به نفع شرکت‌ها خواهد بود.
بنابر آنچه گفته شد، در جهت افزایش بهره‌وری، در شرایطی که سبز بودن خروجی یکی از رئوس اهداف است، باید فناوری‌های سبزی که هم‌اکنون به‌صرفه هستند را خریداری کرد و با دقت و مطالعه، روی فناوری‌های نوظهور سرمایه‌گذاری کرد. به علاوه بایستی با بازیگران مختلف زنجیره‌ی تامین، نهایت همکاری را داشت.

مرحله‌ی دوم: گندله‌سازی

در این مرحله، سنگ‌آهن استخراج شده در مرحله‌ی قبل، فشرده شده و به شکل گلوله‌های کوچکی موسوم به گندله (Pellet) در می‌آید. این عمل، خواص شیمیایی بهتری به خروجی می‌دهد و آن را برای استفاده در کوره در مرحله‌ی بعد آماده می‌کند.
اگر انرژی مصرفی در این کار را از منابع تجدیدپذیر تامین کنیم، انتشار CO2 نخواهیم داشت. در نتیجه برای افزایش بهره‌وری در این سطح از زنجیره‌ی تامین فولاد سبز، نیاز به انتخاب درست منابع تجدیدپذیر خواهیم داشت. در این مورد در ادامه‌ی مقاله توضیحات بیشتری ارائه خواهیم کرد.

مرحله‌ی سوم: تولید آهن (احیا)

خروجی مرحله‌ی قبل، یعنی گندله‌های آهن، عملا شامل اکسیدهای آهن (و نه خود آهن) است. به عبارت دقیق‌تر، ترکیب عمده‌ای که در گندله‌های آهن دیده می‌شود، هماتیت (Fe2O3) است و برای رسیدن به خود آهن (Fe) باید اکسیژن را از آن زدود. به این کار احیای سنگ آهن گفته می‌شود. این فرآیند می‌تواند به کمک زغال سنگ و یا گاز طبیعی در کوره انجام بگیرد. روش دیگر انجام این کار، استفاده از هیدروژن است. خروجی اصلی هر کدام از این سه روش، آهن اسفنجی (Pig Iron) یا آهن احیای مستقیم (DRI) نام دارد. اما تفاوت این روش‌ها در خروجی‌های دیگری است که تولید می‌کنند. در احیا به کمک زغال سنگ یا گاز طبیعی باز هم ترکیبات کربن‌دار مانند CO2 تولید می‌شود، اما در احیا به کمک هیدروژن، ماده‌ی جانبی تولیدشده آب (H2O) است. بنابراین قدم بعدی برای سبز کردن فولاد، استفاده از هیدروژن در مرحله‌ی احیا است.

باید دقت داشت که هیدروژنی که برای احیای فولاد استفاده می‌شود، خود باید به کمک انرژی‌های تجدیدپذیر به دست آمده باشد. در صورت استفاده از سوخت فسیلی، فولاد به دست آمده کماکان سبز نخواهد بود. برای تولید هیدروژن، عموما از الکترولیز آب به کمک انرژی‌های تجدیدپذیر از جمله انرژی بادی و انرژی خورشیدی بهره گرفته می‌شود.

خروجی مرحله‌ی احیا، یا به صورت داغ (HDRI) به مرحله‌ی بعد (تولید فولاد) داده می‌شود و یا به صورت سرد (HBI). اگر خروجی به صورت داغ باشد، در واقع دو مرحله‌ی احیا و تولید فولاد، باید بدون وقفه و پشت سرهم انجام گیرند. این کار می‌تواند از نظر مصرف انرژی در کارخانه به‌صرفه‌تر باشد. اما اگر خروجی به شکل سرد به مرحله‌ی بعد داده شود، عملا می‌توان دو فرآیند احیا و تولید فولاد را جدا از هم در نظر گرفت. این کار نیز مزایای دیگری از جمله امکان برون‌سپاری مرحله‌ی احیا را به همراه خود دارد.

اما سوال اینجاست که با توجه به اصول بهره‌وری، انتخاب بین HDRI و HBI را باید چگونه انجام داد. مکنزی در گزارش سال 2022 خود سعی می‌کند به این سوال پاسخ دهد. بر طبق تجربه‌ی این شرکت، برای بالابردن بهره‌وری کارخانه‌های تولید فولاد سبز، باید به موارد زیر دقت کرد:

  • هزینه و در دسترس‌بودن منابع انرژی تجدیدپذیر برای تولید هیدروژن. همانطور که گفته شد، تولید هیدروژن نیازمند منابع انرژی تجدیدپذیر است، وگر نه فولاد تولید شده فولاد بدون کربن نخواهد بود. اما تقاضای منابع تجدیدپذیر برای این مرحله از چرخه‌ی تولید فولاد اصلا کم نیست. به طور مثال، کشور آلمان برای آنکه بتواند به برنامه‌ریزی خود در سال 2030 برای احیای آهن برسد، باید 6 درصد از منابع انرژی تجدیدپذیر خود را در این سال به این کار اختصاص دهد. این عدد در مورد سوئد 16 درصد است. عدم قطعیت در تقاضای کل برای منابع تجدیدپذیر در آینده، لزوم دقت در برنامه‌ریزی و تحلیل سناریوها را خاطرنشان می‌کند.
  • صرفه‌جویی انجام‌شده در اثر یکپارچه کردن فرآیندهای احیا و تولید فولاد. استفاده از HBI سرد، نسبت به استفاده از HDRI در تولید فولاد، 100 تا 150 کیلووات‌ساعت انرژی بیشتر برای تن گندله می‌طلبد. بنابراین از این جنبه، HDRI دست بالاتر را دارد.
  • هزینه‌ی حمل و نقل و سردکردن. شرکت‌های فولادی برای تحلیل بهتر گزینه‌ها، باید هزینه‌ی بریکت‌کردن و حمل و نقل HBI را نیز در نظر بگیرند.

در مجموع می‌توان گفت که هزینه‌ی نسبی هیدروژن، اصلی‌ترین عامل در انتخاب بین تولید HDRI به صورت درون‌کارخانه‌ای، یا برون‌سپاری تولید HBI است. سایر عوامل موثر، به ترتیب شامل هزینه‌های حمل و نقل و لجستیک، گرمادهی مجدد، بریکت‌کردن و هزینه‌ی ضایعات است.

مرحله‌ی چهارم: تولید فولاد

هدف از این مرحله، کم کردن کربن موجود در آهن اسفنجی مذاب در مرحله‌ی قبل و تبدیل آن به فولاد است. برای تولید فولاد، معمولا از دو روش کوره‌ی اکسیژن قلیایی (BOF) و کوره‌ی قوس الکتریکی (EAF) استفاده می‌شود.
در کوره‌ی اکسیژن قلیایی (BOF)، مواد دریاقتی از مرحله‌ی قبل، یعنی HDRI تولیدی در کوره‌ی بلند، با مقداری فولاد بازیافتی (قراضه) در یک کوره ترکیب می‌شود. با دمش مافوق صوت اکسیژن به این ترکیب، کربن موجود در آهن اسفنجی مذاب تبدیل به CO و CO2 می‌شود و دما را به شدت بالا می‌برد؛ به طوری که قراضه ذوب می‌شود. با این کار کربن موجود کم می‌شود و مواد شیمیایی ناخواسته‌ی دیگر نیز حذف و تبدیل به سرباره می‌شوند. همانگونه که مشخص است، در این فرآِیند نیز انتشارات کربن وجود دارد. این انتشارات هم ناشی از منبع انرژی و هم ناشی از خروجی کوره است.
در کوره‌ی قوس الکتریکی، از انرژی برق برای ذوب کردن محتوای کوره استفاده می‌شود. این روش نسبت به روش قبل، از نظر مصرف انرژی به‌صرفه‌تر است. اگر در این مرحله نیز، به جای استفاده از سوخت‌های فسیلی برای تولید برق، از منابع انرژی تجدیدپذیر استفاده کنیم، فولادی که به دست می‌آید در نهایت یک فولاد سبز خواهد بود.
در اینجا نیز برای افزایش بهره‌وری، توصیه‌ی مکنزی آن است که شرکت‌های فولادی، بهترین راهبرد(ها) را در منبع‌یابی خود به کار گیرند. پیش‌بینی و انتخاب درست و اقتصادی منبع انرژی تجدیدپذیر، می‌تواند هزینه‌های این مرحله را به شدت کاهش داده، و یک مزیت رقابتی بزرگ برای شرکت ایجاد کند.

جمع‌بندی

در این نوشتار به بررسی زنجیره‌ی تامین فولاد سبز پرداخته شد. در هر سطح از این زنجیره، اقداماتی را می‌توان برای افزایش بهره‌وری و گرفتن بیشترین خروجی‌ها از کمترین ورودی‌ها انجام داد. مهم‌ترین تغییر در سطوح این زنجیره، نسبت به زنجیره‌ی تامین فولاد غیر سبز، استفاده از هیدروژن به عنوان عامل احیاست که می‌تواند انتشارات کربنی را به شدت کاهش دهد. در شرایطی که نهادهای بین‌المللی فشارهای زیادی روی صنایع، برای کم کردن انتشارات کربنی اعمال می‌کنند، روی آوردن به فولاد سبز، به شکلی اقتصادی، در راس برنامه‌های بسیاری از شرکت‌های تولید فولاد خواهد بود. امری که در کشور ما نیز باید با جدیت بیشتری دنبال شود.