ظرفیت ها و چالش های تولید فولاد سبز در منطقه منا ( MENA )

علی رضا رحیم

مدیر عامل آهن و فولاد سرمد ابرکوه

حدود 7 درصد از آلایندگی دی اکسید کربن ( CO2  ) در جهان  را صنعت فولاد تولید می کند. اگر کل تولید CO2 توسط شرکتهای تولید کننده فولاد یک کشور فرض شود بعد از چین و آمریکا بیشترین آلایندگی دی اکسید کربن مربوط به کشورهای تولید کننده فولاد است. با سخت گیرانه تر شدن قوانین مرتبط با آلودگی و مالیات های کربنی، حرکت به سمت تولید فولاد سبز برای بقای این صنعت و حضور در بازارهای بین المللی ضروریست.استراتژی شرکتهای مطرح خودرو ساز در اروپا جهت استفاده از فولاد سبز تا سال 2030 و همچنین قوانین بازدارنده صادرات فولاد به اروپا لزوم حرکت در راستای تولید فولاد سبز را دو چندان کرده است. در سالیان گذشته روش های مختلفی جهت کاهش میزان دی اکسید کربن مورد بررسی قرار گرفته است اما استفاده از هیدروژن در تولید فولاد به عنوان یکی از اصلی ترین روش های حذف CO2  معرفی شده است. در این روش سوخت فسیلی حذف و سایر منابع انرژی جایگزین می شود.  استفاده از گاز هیدروژن در فرآیند احیای مستقیم (DRI) در کوره های قوس الکتریکی (EAF) و تامین انرژی الکتریکی کارخانه تولید فولاد از طریق انرژیهای تجدید پذیر خورشیدی و بادی راه حل تولید فولاد سبز است. در این مقاله ضمن بررسی کشورهای منطقه MENA  به لحاظ تولید فولاد، پتانسیل ها و چالش های این منطقه جهت تولید فولاد سبز مورد بررسی قرار داده شود.

وضعیت تولید فولاد در منطقه MENA

در منطقه خاورمیانه و شمال آفریقا (MENA) عمده تولید فولاد با  استفاده از روش احیای مستقیم است. در سال 2021، حدود 50 درصد تولید فولاد جهان با استفاده از روش DRI  در این منطقه تولید شده است. بدلیل کم بودن کک مناسب در این منطقه و وجود ذخایر گاز طبیعی مناسب تنها حدود 3 درصد از فولاد در این منطقه با استفاده از روش های غیر از روش احیای مستقیم بوده است. همانطور که در شکل 1 ملاحظه می شود 55 میلیون تن تولید فولاد در این منطقه  با روش احیای مستقیم است. ایران، عربستان سعودی و مصر بعنوان اصلی ترین تولید کنندگان در منطقه هستند که 80 درصد تولید این منطقه را پوشش می دهند. در جدول 2021 میزان تولید فولاد خام در کشورهای منطقه آورده شده است.

از آنجاییکه این کشورها از روش احیای مستقیم برای تولید فولاد استفاده می کنند، یک گام نسبت به سایر کشورهای جهان جلوتر برای تولید فولاد سبز هستند چرا که به جای استفاده از عامل احیای گاز، امکان استفاده از هیدروژن در تولید فولاد دارند.

 

شکل1- مقایسه میزان تولید فولاد با استفاده از روش احیای مستقیم در جهان

جدول1- میزان تولید فولاد خام و سهم روشهای تولید در کشورهای منطقه(میلیون تن)

Country Crude Steel Production   Share of Electric Furnace (%) Share of Basic Oxygen Furnace (%) DRI Production*

Iran 28.5 90.3 9.7 31.85

Saudi Arabia 8.7 100 – 6.13

Egypt 10.3 100 – 5.23

UAE 3.0 100 – 3.66

Algeria 3.5 87.5 (2020) 12.5 (2020) 3.08

Oman 2.0 100 – 1.70

Bahrain 0.7 100 – 1.51

Libya 0.5 100 – 0.88

Qatar 1.2 100 – 0.79

Source: World Steel Association and Midrex* 

ظرفیت تولید و صادرات فولاد سبز در منطقه MENA

بر اساس برنامه های آژانس بین المللی انرژی (IEA) در سال 2050 تولید فولاد جهان با استفاده از هیدروژن باید به 39 درصد افزایش یابد. در حال حاضر حدود 5 درصد فولاد جهان با استفاده از روش DRI-EAF  تولید می شوند که این بیانگر آینده روشن استفاده از این تکنولوژی است بالاخص در منطقه MENA که مزیت گاز را دارند ، می باشد.

بر مبنای گزارش IEA  میزان تولید CO2 در روش BF-BOF    2/2 تن به ازای هر تن تولید فولاد می باشد در حالیکه در روش DRI-EAF به 4/1 تن  به ازای هر تن فولاد تقلیل می یابد. دلیل این موضوع هم وجود مولکول هیدروژن در گاز طبیعی است که در فرایند احیا استفاده می شود.

طبق توافقات انجام شده شرکتهای خودرو ساز  ولوو،مرسدس، بی ام و ، ژنرال موتور و فولکس واگن  تا سال 2030 از تولید کنندگان فولاد سبز ورق های مورد نیاز خود را خریداری خواهند کرد.  در حالیست که از سال 2026، وارد کنندگان فولاد در اروپا ملزم به خرید فولاد از تولید کنندگانی هستند که لایسنس CBAM را دارا می باشند. اتحادیه اروپا قوانینی را تصویب کرده است که واردکنندگان فولاد به اروپا ملزم به ارایه گزارش میزان تولید CO2  (بطور مستقیم و غیرمستقیم ) را در فرایند تولید فولاد هستند. از آنجاییکه روش احیای مستقیم میزان تولید CO2  کمتری دارد لذا زمینه صادرات از این منطقه بیشتر فراهم می باشد این موضوع زمانی اجرایی می شود که سرمایه گذاریهای  لازم جهت استفاده ار H2  در فرایند تولید فولاد انجام پذیرد.

پتانسیل تولید هیدروژن در منطقه MENA با استفاده از انرژه های تجدید پذیر

طی 10 سال گذشته هزینه تولید برق از خورشید  کاهش 85 درصدی داشته و ازkwh/U$  381/0 در سال 2010 به kwh/U$ 057/0 در سال 2020 کاهش یافته است . استفاده از انرژی های تجدید پذیر در تولید برق علی رغم اینکه منطقه MENA ظرفیت بالایی برای تولید برق از انرژی خورشید را دارد ولی سهم این انرژی در تولیدات فولاد بسیار کم است. بر اساس گزارش بانک جهانی منطقه MENA  بیشترین ظرفیت تولید برق با استفاده از انرژی خورشیدی را دارد. (شکل-2)

 

شکل2- مقایسه پتانسیل تولید برق از منابع خورشیدی

بطور تقریبی هزینه سرمایه گذاری تولید انرژی الکتریکی از خورشید در سال 2020 در قطر به kwh/U$  0157 /0، در امارات kwh/U$  0135/0 و در عربستان kwh/U$  0150/0  کاهش یافته است. آژانس بین المللی انرژی های تجدید پذیر (IRENA) پیش بینی کرده است که این عدد  در منطقه خاور میانه می تواند تا kwh/U$  01/0 کاهش یابد. از طرفی طبق  پیش بینی ها طی 5 سال (2026-2021) ظرفیت تولید انرژی الکتریکی از خورشید در این منطقه از GW 15 به Gw32 افزایش خواهد یافت.

 

 شکل 3 وضعیت تولید انرژی در منطقه MENA در سال 2050 را نشان می دهد طبق این مطالعات  GW 334  انرژِی خورشیدی و GW 83 انرژِی بادی در سال 2050 در این منطقه اضافه خواهد شد که سهم انرژی بادی از 1 درصد به 9 درصد و انرژی خورشیدی از 2 درصد به 24  درصد افزایش خواهد یافت.

شکل 3- وضعیت تولید انرژی در منطقه MENA تا سال 2050

از بین تمام منابع انرژی پایدار هیدروژن بالاترین پتانسیل را در بخش های تولید حرارت، حمل و نقل، تولید انرژی و صنعت را دارد. با توجه به توسعه انتقال انرژی به سمت انرژیهای نو، تولید هیدروژن بعنوان یکی از مهمترین سرمایه گذاریها در بخش انرژی می باشد. IEA پیش بینی کرده است که در سال 2030 ظرفیت های نصب شده الکترولایزر به GW 54 خواهد رسید و این عدد درخاورمیانه به GW 3 خواهد رسید. (شکل 4)

 

شکل 4- ظرفیت های الکترولایزر ها تا سال 2030 براساس پلنت های نصب شده و برنامه ریزی شده

ظرفیت صادرات هیدروژن در منطقه MENA با توجه به مصرف کم داخلی بسیار بالاتر نسبت به سایر مناطق می باشد. طبق پیش بینی ها تا سال 2050 عربستان و مراکش به عنوان اصلی ترین تولید کنندگان هیدروژن در منطقه می باشند. در حال حاضر سرمایه گذاریهای متعددی در منطقه خاورمیانه برای تولید هیدروژن انجام شده است. در سال 2026 عربستان صعودی برنامه بهره برداری از اولین پلنت تولید هیدروژن با ظرفیت 650 تن در روز با سرمایه گذاری بالغ بر 5 میلیارد دلار را دارد که در نوع خود یکی از بزرگترین ها در دنیا می باشد. انرژی این پلنت از نیروگاههای خورشیدی و بادی با ظرفیت 4GW تولید می شود. در عین حال این کشور با هدف اینکه بزرگترین تولید کننده هیدروژن تا سال 2050 در دنیا شود سرمایه گذاری بالغ بر 10 میلیارد دلاری برای تولید هیدروژن آبی (Blue Hydrogen)  از مخازن گازی را انجام داده است.

در آگوست 2021 توافقنامه ای در امارات با حضور سرمایه گذاران بین المللی برای احداث اولین کارخانه فولاد سبز امضا شده است.

اولین سرمایه گذاری در بخش تولید هیدروژن در کشور مصر توسط Fortescue با احداث نیروگاه بادی و خورشیدی با ظرفیت 9.2 GW آغاز شده است.

علاوه بر اینها سرمایه گذاریهای دیگری از طریق کنسرسیومهای مختلفی از کشورهای هنگ کنگ و امارت ، شرکتهای نفت و گاز عمان و کویت با سرمایه گذاریهای بیش از 30 میلیارد دلار در حال انجام می باشد.

چرا فولاد سبزدر کانون توجه قرار دارد؟

دسترسی به منابع انرژی خورشیدی ارزان  و زمین منطقه MENA را به یکی از مهمترین پتانسیلها برای توسعه صنعت هیدروژن در آینده تبدیل کرده است.

برآوردها نشان می دهد برای تولید 4Mt فولاد سبز حداقل GW3/1 – 2/1  برق برای واحد الکترولایزر جهت تولید هیدروژن مورد نیاز می باشد.

در جدول 2 مقایسه بین دو منطقه یکی در اروپا و دیگری در شمال آفریقا را جهت تغییر تکنولوژی از تولید فولاد بر اساس روشهای معمولی به تولید فولاد بر اساس H2DRI-EAF  نشان می دهد. براساس این محاسبات تونس با توجه به دسترسی به منابع انرژی ارزان تجدیدپذیر 31 درصد ظرفیت کمتر انرژی خورشید نسبت به رومانی  نیاز دارد که این باعث کاهش هزینه های سرمایه گذاری در این منطقه می شود.

جدول2- مقایسه هزینه های تولید در کشورهای تونس و رومانی و نمایش اثر موقعیت جغرافیایی در کاهش هزینه ها

Item Romania Tunisia

PV installed power (GW) 6.4  4.4

PV LCOE (€/MWh) 44  29

Electrolysis power (GW) 4.5 3.3

Hydrogen LCOH (€/MWh) 4 2.9

Required storage (t) 47,000 20,500

Storage cost (€/kg) 0.9 0.36

H2 delivery price (€/kg) 5.3 3.7

Source: Hydrogen Europe, Steel from Solar Energy.         

هزینه های تولید هیدروژن

هزینه تولید هیدروژن بعنوان یکی از گلوگاهها در تولید فولاد سبز می باشد با این حال  در حال حاضر هزینه تولید هیدروژن (green hydrogen) از روش الکترولیز پایین تر از تولید blue Hydrogen  در منطقه خاورمیانه می باشد. در ژولای 2022 هزینه الکترولیز آلکالی (alkaline electrolysis) در قطر U$/kg 59/2، درعربستان سعودی U$/kg 2/3 در عمان U$/kg 55/3 و در امارات U$/kg 14/5 بوده است. این هزینه برای تولید هیدروژن با روش   الکترولیز (PEM) Polymer Electrolyte Membrane  حدود U$/kg 1 بالاتر از تکنولوژی آلکالی می باشد. این درحالیست که هزینه تولید blue Hydrogen که با استفاده از تکنولوژی های SMR و CCR  تولید می شود U$/kg 7 درخاورمیانه می باشد.

 

شکل5- حدود برآورد هزینه تولید هیدروژن در جهان با توجه به دسترسی به انرژی های خورشیدی و روشهای تولید هیدروژن

طبق پیش بینی Bloomberg NEF  در سال 2050 با رسیدن قیمت تولید ا هیدروژن به  زیر us/kg 5/1 استفاده از تکنولوژی H2DRI-EAF  کاملاً رقابت پذیر خواهد بود.

 

شکل6- پیش بینی قیمت تولید هیدروژن 2050 و اثر آن بر قیمت تولید فولاد

از طرف دیگر در منطقه MENA  بدلیل وجود زیر ساختهای لازم جهت انتقال گاز، هزینه های انتقال و جابجای هیدروژن نیز کاهش می یابد و این نیز خود باعث کاهش هزینه های جابجایی می شود.

چالش های پیش رو در منطقه MENA برای تولید فولاد سبز

در منطقه MENA  حجم بالایی از گندله با استفاده از ذخایر معدنی موجود در کشورها تولید می شود. در این منطقه ایران به عنوان یکی از بزرگترین تولید کنندگان گندله می باشد. از جمله دیگر تولید کنندگان اصلی گندله در این منطقه کشورهای بحرین و عمان می باشند. با توجه به ذخایر گازی ارزان در این منطقه شرکتهای بزرگ معدنی سرمایه گذاریهای کلانی در بخش تولید گندله و آهن اسفنجی در این منطقه انجام داده اند. از جمله این سرمایه گذاریها می توان به سرمایه گذاری شرکت واله برزیل بعنوان یکی از بزرگترین تولید کنندگان سنگ آهن و گندله درجهان، در عمان نام برد که در سال 2021، MT  2/8 گندله تولید کرده است. اما نکته ای که حائز اهمیت است دسترسی به ذخایر معدنی مناسب برای تأمین خوراک پایدار برای این واحد های تولیدی در منطقه می باشد. برای دستیابی به اهداف سال 2050 تامین گندله مورد نیاز به عنوان یکی از چالش های اساسی می باشد.زیرا ذخایر معدنی به لحاظ عیاری رو به کاهش بوده و تامین خوراک با عیار مناسب یک مساله جدی می باشد.

حمایت دولت از پیوستن به توافقات بین المللی برخی از کشورهای منطقه به موافقتنامه پاریس ملحق شده اند.  عربستان سعودی یکی از این کشورهاست که برنامه حذف CO2  در سال 2060 دارد. امارات متحده عربی که میزبان همایش COP28 در سال 2023 می باشد اولین کشور در خاور میانه می باشد که برنامه کاهش تا 2050 را دارد و برنامه کاهش 5/23 درصدی تا پایان این دهه را دنبال می کند. عمان نیز تا 2050 و بحرین تا 2060 برنامه های حذف دی اکسید کربن را هدفگذاری کرده اند. ایران بعنوان بزرگترین تولید کننده آهن براساس تکنولوژی احیای مستقیم تا کنون به موافقتنامه پاریس ملحق نشده است.

یکی از مهمترین چالش ها در منطقه MENA  در بخش دولتها پشتیبانی و حمایت دولت ها می باشد. دولتها ترجیح میدهند با  استفاده از اعتبارات و تسهیلات بین المللی نسبت به اجرای طرح های فوق اقدام نمایند که این موضوع باعث کاهش سرعت سرمایه گذاریها می شود.

برای دستیابی یک میلیون تن فولاد سبز بر مبنای تکنو لوژی H2DRI -EAF  مزرعه خورشیدی با ظرفیت GW 1 سالیانه مورد نیاز است. همچنین برای تولید GW1 بیش از 8000-6000 هکتار زمین نیاز است.

تأمین آب

علاوه بر مسایل تکنیکی برای استفاده از هیدروژن برای استفاده در DRI  در مقیاسهای بزرگ، مساله تامین گندله در آینده، سرمایه گذاری و توسعه نیروگاههای خورشیدی و تجدید پذیر و مساله مهم تر در منطقه MENA  کمبود آب است.

12 کشور از 17 کشور منطقه MENA با کمبود جدی آب مواجه هستند. برای تولید یک کیلو گرم هیدروژن سبز از طریق انرژی خورشیدی kg32 و از طریق باد Kg 22 آب نیاز است. شکل 7 مقایسه میزان مصرف آب در تولید هیدروژن با استفاده از منابع انرژی مختلف  را نشان  می دهد.

 

شکل7- مقایسه میزان مصرف آب در تولید هیدروژن با استفاده از منابع انرژی مختلف

به رغم مشکلات تصاعدی مصرف آب در الکترولیزها، ولی همچنان مصرف آب در الکترولیزرها به مراتب پایین تر از سایر بخش ها می باشد. در سال 2050مصرف آب در صنایع کشاورزی، صنعتی  768/769/2 و در مصرف شهری  464 میلیارد متر مکعب می باشد در حالیکه مصرف آب برای الکترولیز 25 میلیارد متر مکعب می باشد با این حال با توجه به کمبود آب در منطقه MENA  تامین این موضوع در MENA سخت می باشد. بیشترین حجم آب شیرین کن ها در منطقه MENA است. حدود 50 درصد از آب شیرین کن های دنیا در این منطقه واقع شده است. آژانس انرژی (IEA ) استفاده از آب شیرین کن برای تولید آب U$/kg  02/0 – 01/0 هزینه تولید هیدروژن را افزایش می دهد که این عدد بسیار ناچیز است. این افزایش هزینه در گزارش دیگری توسط IRENA  حدود U$/kg  05/0 محاسبه شده است.

تولید فولاد سبز تنها یک راهکار ندارد

بدیهی است تنها یک راه حل برای تولید فولاد سبز وجود ندارد بلکه هر کشوری متناسب با  ظرفیت های خود می تواند راه حل خود را جهت حذف دی اکسید کربن داشته باشد.

به رغم اینکه منطقه MENA، پتانسیل تولید هیدروژن را دارد و می تواند به عنوان اولین کشورها در تولید فولاد سبز باشد، اما کشورهای توسعه یافته پیشران در تولید فولاد سبز می باشند.

منطقه MENA ظرفیت تولید هیدروژن برای مصرف داخلی و همچنین صادرات آن را دارد.

مسأله تولید برق از محل انرژیهای تجدید پذیر چالشی در منطقه MENA  نیست  اما در برخی از کشورهای منا این ظرفیت وجود ندارد.

منطقه MENA می تواند30 درصد از ظرفیت گاز طبیعی در تولید فولاد را با هیدروژن بدون اصلاحات اساسی در فرآیند تولید بکار گیرد و در فاز بعدی این رقم را به 100 درصد ارتقا بخشد.

اگرچه مسأله تأمین خوراک سنگ آهن مناسب نه تنها در منطقه MENA  بلکه در کل دنیا به عنوان یک مسأله جدی مطرح است .

در نهایت باید این نکته توجه شود که برای تولید 1MT  فولاد سبز نیاز به حداقل GW 1 انرژی تجدید پذیر 6000-8000 هکتار زمین است.