تكنولوجيا (HYBRIT)؛ نحو إنتاج فولاذ صديق للبيئة
الطبيعة والعلوم البيئية >>>> علم البيئة
Image: https://www.steel-360.com/stories/steel/application-refractory-steelmaking
تنبعث الغازات الدفيئة من إنتاج الطاقة المستخدمة في معالجة المواد المنتجة وتصنيعها في الصناعات الثقيلة، إضافةً إلى العمليات الكيمائية المتَّبعة في هذه الصناعات. ولفهم ذلك؛ يمكننا دراسة التفاعل الكيميائي الرئيسي في أثناء إنتاج الحديد؛ وهو نزع الأوكسجين في عمليةٍ تدعى "إرجاع الحديد"، إذ تنتِج هذه العمليةُ كمياتٍ هائلةً من ثنائي أكسيد الكربون منتجاً ثانوياً، ولطالما استُعِمل فيها الفحم الحجري، وكذلك تُستخدم هذه العملية في عديد من المعامل في أنحاء العالم (1).
في الوقت الحالي ومن أجل جعل الصناعات الثقيلة صديقة للبيئة أكثر؛ تستخدم طريقة التقاط ثنائي أكسيد الكربون وتخزينه، ولكن ما تزال هذه العملية موضع شكٍّ، وتشوبها بعض الصعوبات التقنية (1).
ماذا لو أوقفنا انبعاث ثنائي أكسيد الكربون من الأساس؟
السؤال الأهم المطروح هنا هو: ماذا لو أوقفنا انبعاث ثنائي أكسيد الكربون من الأساس؟
تُعدُّ صناعةُ الفولاذ وحدها مصدراً لقرابة 7٪ من انبعاثات ثنائي أكسيد الكربون العالمية، وقد نجحت الجهودُ في تخفيض الانبعاثات الناتجة عن هذه الصناعة من خلال تحسين التكنولوجيا الحالية، ولكنّها لم تصل إلى الكفاءة المثلى الممكنة بعد؛ إذ تبقى هذه كفاءة الأفران العالية المستعملة في هذه الطريقة ضمن الحدود النظرية؛ أي لا يمكن تطويرها أكثر مما تُوُصِّل إليه. ولذلك فإذا كنا نسعى إلى إلزام صناعة الفولاذ وتعزيزها لتحقيق أهداف الحدِّ من انبعاثات الغازات الدفيئة، فسيكون من الضروري ابتكار تحسينات جديدة على الطرائق المتَّبعة حالياً (2).
مساعٍ صناعيةٍ في طريق استدامة صناعة الفولاذ.
أطلقت ثلاث شركات سويدية -شركة التعدين السويدية (LKAB)، وشركة (SSAB) المتخصصة في معالجة المواد الخام وتصنيع الفولاذ، وشركة (Vattenfall) المتخصصة في توليد الطاقة- مشروعاً يهدف إلى تخفيف تأثير صناعة الفولاذ في السويد على المناخ؛ إذ أسَّست الشركات الثلاث معاً المشروعَ المشتركَ تحت اسم (هايبريت - HYBRIT) وهو اختصار لعبارة ( Hydrogen Breakthrough Ironmaking Technology) أي (تحسين تكنولوجيا صناعة الحديد عن طريق الهيدروجين) في عام 2017. والهدف من المشروع هو إيجاد تكنولوجيا لتصنيع الفولاذ لا تعتمد على الوقود الأحفوري بحلول عام 2035، وسيُمكِّن نجاحُ مشروع "هايبريت" من تقليل انبعاثات ثنائي أكسيد الكربون في السويد بنسبة 10%، وفي فنلندا بنسبة 7% (3).
يهدف مشروع "هايبريت" إلى أن يُستبدل بفحم الكوك (الذي يستخدم تقليدياً لصناعة الفولاذ من خاماته) الهيدروجين، ومن المفترض أن تكون العملية الناتجة فريدة من نوعها لتكون أول عمليةٍ لإنتاج الفولاذ خاليةٍ من الوقود الأحفوري وبلا أية انبعاثات كربونية (3).
وقد بدأ تخطيط أول معمل يعتمد هذه الطريقة في ربيع 2018، ليكون أول معمل تجريبي لإنتاج الفولاذ بلا وقود أحفوري. وبدأ البناء في شهر حزيران (يونيو) 2018 في مدينة لوليو شمال السويد (3).
تقسم مراحل تصميم عملية "هايبريت" إلى ثلاث مراحل:
الماء بدلاً من ثنائي أكسيد الكربون
تقوم الفكرة الجديدة على أن تُستبدل بتكنولوجيا الفرن العالي المستخدمة حالياً عمليةٌ تسمى الاختزال المباشر؛ وذلك عن طريق أن يُستبدل بفحم الكوك غازُ الهيدروجين الذي سينُتَج بالطرائق الكهربائية من مصادر طاقة خالية من المواد الأحفورية، وسيكون الناتج الثانوي لهذه العملية هو الماء العادي، وهو الذي يمكن معالجته لاحقاً لإنتاج كميات جديدة من غاز الهيدروجين (3).
يُعدُّ الاختزال المباشر بالهيدروجين (H-DR) للحديد الخام عمليةً شائعةً منذ فترة طويلة، ولكن لم يتزايد الاهتمام باعتمادها صناعياً إلا مؤخراً في أعقاب الخطط الحديثة لتخفيف البصمة الكربونية للاقتصاد العالمي وتوقُّع انخفاض أسعار الكهرباء على المدى الطويل.
ومن أجل تخفيف الانبعاثات الغازية في طريقة "هايبريت"؛ يجب إنتاج الهيدروجين المستخدم لمعالجة الخام بطرائق ذات بصمة كربونية منخفضة نسبياً، ويمكن ذلك إما بطريقة التحسين البخاري للغاز الطبيعي مع التقاط الكربون واحتجازه CCS، وإما بالطريقة الكهربائية التي تستخدم كهرباء مٌنتجة بطرائق صديقة للبيئة (2)
في عملية "هايبريت"؛ يُنتَج معدنُ الحديد باستخدام غاز الهيدروجين بوصفه عاملَ إرجاعٍ رئيسيٍّ في خلال التفاعل. ومسار الإنتاج في هذه العملية مشابه لمسار عملية الاختزال المباشر المستخدمة حالياً، باختلافٍ وحيدٍ هو غياب انبعاثات ثنائي أكسيد الكربون؛ إذ يتفاعل الهيدروجين مع أكاسيد الحديد لإنتاج الماء بدلاً من ثنائي أكسيد الكربون. ويجري إنتاج غاز الهيدروجين عن طريق التحليل الكهربائي للمياه باستخدام الكهرباء المُنتجة بطرائق غير أحفورية؛ أي من المصادر الصديقة للبيئة؛ وهي طرائق شائعة في السويد (4).
توضِّح المعادلة الآتية التفاعلَ النظري الأساسي في طريقة الاختزال المباشر للحديد بالهيدروجين؛ وهي العملية الأساسية في طريقة "هايبريت" (1):
Image: https://www.sei.org/perspectives/low-emission-steel-production-hybrit/
التفاعل الكيميائي الممثل للعملية الأساسية في طريقة "هايبريت"
يوضِّح الشكل الآتي الفرقَ بين مسار عملية تصنيع الفولاذ التقليدية بطريقة الفرن العالي (Blast furnace route) وعملية "هايبريت"
Image: https://www.eurelectric.org/media/3473/vatt-2.jpg
تُقسم العملية إلى ثلاث مراحل أساسية:
تبقى المشكلة هنا هي الحصول على غاز الهيدروجين؛ إذ إنه لا يتوفر على نحو حرٍّ. ويمكن إنتاجه بطرائق عدة، ولكن أكثر طريقة صديقة للبيئة هي استخدام الكهرباء لفصل الهيدروجين من الماء، وتتطلب هذه العملية كميات هائلة من الكهرباء؛ لذلك يجب توليد الكهرباء بطريقة تصدر كميات قليلة جداً من الكربون لكي تكون العملية صديقة للبيئة أكثر. ويعدُّ الاعتمادُ على مصادر الطاقة المتجددة خياراً مناسباً لذلك (1).
تعدُّ الاستدامةُ في العمليات الصناعية جانباً مهماً في الوصول إلى قطَّاعٍ صناعيٍّ صديقٍ للبيئة وتحقيق أهداف المناخ العالمية الحالية وحماية البيئة بالنتيجة، وتجري الأبحاث حالياً على عديد من الطرائق التكنولوجية لاعتماد طرائق أكثر استدامة.
المصادر:
2. Olsson O, Nykvist B. Bigger is sometimes better: demonstrating hydrogen steelmaking at scale [Internet]. Stockholm: Stockholm Environment Institute; 2020 [cited 4 December 2020]. Available from: هنا
3. HYBRIT – Towards fossil-free steel [Internet]. Eurelectric.org. 2020 [cited 3 November 2020]. Available from: هنا
4. SSAB, LKAB, and Vattenfall. HYBRIT - TOWARDS FOSSIL-FREE STEEL [Internet]. SSAB; 2017. Available from: هنا
