Σημαντικές ειδήσεις

Αναγκαία η επίτευξη χαλυβοπαραγωγής χαμηλού ανθρακικού αποτυπώματος

Τα τελευταία χρόνια η χαλυβοπαραγωγή βρίσκεται σε ανοδική πορεία παγκοσμίως, αλλά το ενεργειακό αποτύπωμά της επιβαρύνει το περιβάλλον. Ίσως όμως το υδρογόνο θα μπορούσε να αντικαταστήσει τον άνθρακα για την παραγωγή χάλυβα.

Tου κ. Σπύρου Παπαευθυμίου*

Η παγκόσμια παραγωγή χάλυβα αυξάνεται σταθερά τα τελευταία χρόνια. Από 1,56 δισ. τόνους το 2012 έφτασε στους 1,88 δισ. τόνους το 2020. Αντίστοιχα, οι εκπομπές CO2 αυξάνονται ανάλογα, καθώς ο άνθρακας χρησιμοποιείται ως αναγωγικό μέσο και αποτελεί σημαντικό υλικό για τη χαλυβοποίηση. Είναι χαρακτηριστικό ότι η χαλυβουργία ευθύνεται για το 9% των παγκόσμιων εκπομπών CO2. Ενδεικτικά, το 2017, κατά την παραγωγή 1,74 δισ. τόνων χάλυβα απελευθερώθηκαν 1,83 τόνοι CO2 ανά παραγόμενο τόνο χάλυβα, δηλαδή εκλύθηκαν συνολικά 3,18 δισ. τόνοι CO2 στην ατμόσφαιρα. Είναι σαφές, λοιπόν, γιατί επιδιώκεται η δραστική μείωση των εκπομπών CO2 κατά τη χαλυβοπαραγωγή. Ωστόσο, αυτό αποτελεί μια τεράστια πρόκληση.

Ο μετασχηματισμός της οικονομίας μας –άρα και της χαλυβοπαραγωγής– σε οικονομία χαμηλού ή μηδενικού άνθρακα προϋποθέτει την εφαρμογή διαφορετικών τεχνικών επιλογών, οι οποίες είναι εξαιρετικά σύνθετες.

Προσπάθειες περιορισμού εκπομπών CO2

 

Ένας τρόπος περιορισμού των εκπομπών CO2 που έχει υιοθετηθεί μέχρι σήμερα είναι η χαλυβοπαραγωγή μέσω ηλεκτρικών κλιβάνων (αγγλιστί electric arc furnace [EAF]), με πρώτη ύλη όχι σιδηρομετάλλευμα αλλά scrap (παλαιοσιδήρους). Αυτή η μέθοδος παραγωγής αφενός ευθυγραμμίζεται με τις επιταγές της κυκλικής οικονομίας (δίνοντας έμφαση τόσο στην ανακύκλωση όσο και στην επαναχρησιμοποίηση υλικών) και αφετέρου συμβάλλει στη μείωση των χρησιμοποιούμενων πρώτων υλών.

Η ανακύκλωση scrap προσφέρει το πλεονέκτημα της μικρότερης κατανάλωσης ενέργειας και της μείωσης της ανάλωσης άνθρακα στον κλίβανο. Σήμερα, το 28,8% της παγκόσμιας χαλυβοπαραγωγής πραγματοποιείται μέσω ανακύκλωσης scrap σε ηλεκτρικούς κλιβάνους, ενώ στην Ε.Ε. των 28 το ποσοστό αυτό είναι υψηλότερο και ανέρχεται σε 41,5%. Σημειώνεται ότι οι εκπομπές CO2 από ηλεκτρικούς κλιβάνους είναι 1,8 τόνος CO2 ανά τόνο χάλυβα.

Μία άλλη τεχνική για τη χαλυβοπαραγωγή είναι η «Direct Reduced Iron» (DRI), τόσο στην υψικάμινο (αγγλιστί blast furnace [BF]) για παραγωγή από σιδηρομετάλλευμα όσο και στον ηλεκτρικό κλίβανο για παραγωγή από scrap. Αυτή, βέβαια, προϋποθέτει τη χρήση ορυκτών καυσίμων, κυρίως φυσικού αερίου ή άνθρακα (λιγνίτη, λιθάνθρακα, κοκ) για την αναγωγή του σιδήρου, κατά την οποία απελευθερώνονται 2,21 τόνοι CO2 ανά τόνο χάλυβα, σύμφωνα με την αντίδραση:

2Fe2O3 + 3C τότε 4Fe + 3CO2

Σημειώνεται ότι μόνο για την παραγωγή του DRI εκλύονται 1,5 τόνοι CO2.

Ωστόσο, για την πλήρη αποφυγή έκλυσης CO2 έχει προταθεί η χρήση υδρογόνου (H2) ως αναγωγικού μέσου αντί του άνθρακα, σύμφωνα με την αντίδραση:

Fe2O3 + 3H2 τότε  2Fe + 3H2O , FeO +H2 τότε  Fe + H2O

Αποφεύγεται, έτσι, η έκλυση CO2, αλλά η παραγωγή H2 δεν είναι αθώα.

-Εξέλιξη της παγκόσμιας παραγωγής χάλυβα στον κόσμο και στην Κίνα από το 2012 ως το 2019

Διαθεσιμότητα και κόστος παραγωγής Η2

Ως σήμερα, ο βασικός τρόπος παραγωγής H2 είναι από το φυσικό αέριο, με άνω των 3/4 της παγκόσμιας παραγωγής των 70 εκ. τόνων H2 να προέρχονται από αυτό και να συνοδεύονται από εκπομπές CO2.

Το Η2 προκύπτει σήμερα ως παραπροϊόν της παραγωγής φυσικού αερίου / πετρελαιοειδών (γνωστό ως «γκρι Η2»), ως παραπροϊόν της σύνθεσης της αμμωνίας (γνωστό ως «καφέ Η2» αν δεν δεσμεύονται οι εκπομπές CO2 ή ως «μπλε Η2» αν δεσμεύεται το CO2), ως προϊόν διαίρεσης του νερού μέσω ηλεκτρόλυσης (γνωστό επίσης ως «μπλε Η2»), καθώς και ως προϊόν ηλεκτρόλυσης με χρήση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας (ΑΠΕ) ή πυρηνικής ενέργειας (γνωστό ως «πράσινο Η2»).

Αν παραδείγματος χάριν αντικαθιστούσαμε τα ορυκτά καύσιμα στη Γερμανία με Η2, θα απαιτούνταν 47 δισεκ. τόνοι H2 ετησίως, πράγμα που σημαίνει ότι δεν θα μπορούσαμε καν να καλύψουμε το 0,2% των αναγκών μετακίνησης. Ωστόσο, η σημερινή ικανότητα παραγωγής Η2 μπορεί να καλύψει τις ανάγκες της χαλυβουργίας.

Το κόστος παραγωγής Η2 από ΑΠΕ και ορυκτά καύσιμα κυμαίνεται μεταξύ 85 δολ. ανά MWh (από φωτοβολταϊκά) και 20 δολ. ανά MWh με χρήση αιολικής ενέργειας, που είναι αντίστοιχο των 3 δολ. / MΜ Btu για παραγωγή από φυσικό αέριο.

Καθαρή λύση αποτελεί το «πράσινο Η2» και το «μπλε Η2», η οποία αν αξιοποιηθεί στη χαλυβοπαραγωγή, μπορεί δυνητικά να σταματήσει τις εκπομπές CO2. Αυτό ισχυρίζεται ότι έχει επιτύχει η σουηδική χαλυβοπαραγωγική εταιρεία «HYBRIT», η οποία δεσμεύτηκε ότι θα παράσχει εμπορικά προϊόντα χάλυβα δίχως εκπομπές CO2 το 2026. Η κατασκευάστρια φορτηγών οχημάτων Volvo AB αποτελεί τον πρώτο πελάτη.

Κίνδυνοι

Το να δουλεύει κανείς με το υδρογόνο, όμως, συνιστά ένα εξαιρετικά δύσκολο και σύνθετο εγχείρημα. Απαιτεί αυτοματισμό και απόλυτο έλεγχο μέσω αισθητήρων και ειδικού λογισμικού, πέρα από τα ειδικά δοχεία αποθήκευσης. Απαιτείται ιδιαίτερη προσοχή για να μην προκληθούν εκρήξεις κατά τη μεταλλουργική κατεργασία –και όχι μόνο.

 

Εναλλακτικές προτάσεις

Βλέπουμε σήμερα αυτοκινητοβιομηχανίες όπως είναι οι γερμανικές BMW και Mercedes-Benz να ανακοινώνουν την πρόθεσή τους να αγοράζουν χάλυβα με μηδενικό αποτύπωμα άνθρακα, ώστε να μειώσουν επιπλέον ως και 5 εκ. τόνους τις εκπομπές CO2 ως το 2030. Ήδη έχουν περάσει στην παραγωγή οχημάτων με χρήση ηλεκτρισμού από υδροηλεκτρική και αιολική ενέργεια, στο πλαίσιο μιας φιλοπεριβαλλοντικής προσέγγισης που υπαγορεύεται από τις αποφάσεις για την προστασία του περιβάλλοντος (απόφαση Παρισίων, COP26) και συνάδει με τη στρατηγική ESG και τους 17 στόχους βιώσιμης ανάπτυξης του ΟΗΕ.

Περαιτέρω, αξίζει να παρακολουθήσουμε στενά τις εξελίξεις στον τομέα της μείωσης των εκπομπών CO2 λαμβάνοντας υπόψη και  άλλες τεχνολογίες πέραν της χρήσης Η2. Η startup εταιρεία Boston Metal, η οποία διαθέτει τεχνολογία προστατευόμενη από σχετική πατέντα («molten oxide electrolysis»), φέρεται να δύναται να παράγει αποδοτικά και με προσιτό κόστος σίδηρο από ηλεκτρόλυση σιδηρομεταλλεύματος. Ο παραγόμενος υγρός σίδηρος τροφοδοτείται απευθείας για επόμενη επεξεργασία στη μεταλλουργία κάδου, για να μετατραπεί σε χάλυβα.

-Εξέλιξη της παγκόσμιας παραγωγής χάλυβα από το 2012 ως το 2020

Αυτή η προσέγγιση αποτελεί μία φιλόδοξη και έξυπνη εναλλακτική, ίσως και πιο ασφαλή από τη χρήση του υδρογόνου ως αναγωγικού μέσου για τη χαλυβοπαραγωγή. Ήδη το BMW Group προχώρησε σε στρατηγική συνεργασία με την Boston Metal, κάτι που επιβεβαιώνει την εμπιστοσύνη για τη βιωσιμότητα της προτεινόμενης λύσης.

Εν κατακλείδι, είναι σαφές ότι η ανάγκη για περιορισμό των εκπομπών CO2 αναγκάζει τη βιομηχανία να αναζητήσει άλλες πρόσφορες τεχνικές λύσεις. Μια απ’ αυτές είναι η χρήση υδρογόνου, η οποία όμως ενέχει δυσκολίες, συνεπάγεται μεγαλύτερο κόστος και απαιτεί προσοχή, εξαιρετική τεχνογνωσία, υψηλό επίπεδο αυτοματισμού και ειδικό εξοπλισμό. Η διάδοση της χρήσης του υδρογόνου προϋποθέτει αφθονία του αναγωγικού αυτού μέσου, κάτι που φαίνεται ότι εξασφαλίζεται κρίνοντας από τις σημαντικές νέες επενδύσεις στον τομέα τα επόμενα χρόνια. Είναι βέβαιο, λοιπόν, ότι η χαλυβοπαραγωγή θα αλλάξει ριζικά τις επόμενες δεκαετίες.

 

*Ο Σπύρος Παπαευθυμίου είναι αναπληρωτής καθηγητής στο Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο.

 

Ελέγξτε επίσης

Ευέλικτα συστήματα παραγωγής (α΄ μέρος)

  H τεχνολογία Computer Integrated Manufacturing (CIM) αναπτύχθηκε τις τελευταίες δεκαετίες κι εφαρμόζεται ήδη σε …