چکیده
این نوشتار به بررسی جامع و چندبعدی گذار به فولاد سبز به عنوان راهبردی کلیدی برای کاهش انتشار کربن در صنعت فولاد می‌پردازد. با توجه به سهم حدود ۷ تا ۹ درصدی صنعت فولاد در انتشار گازهای گلخانه‌ای، ضرورت حرکت به سوی فناوری‌های نوین از جمله احیای مستقیم مبتنی بر هیدروژن سبز، کوره قوس الکتریکی با خوراک بازیافتی و روش‌های پیشرفته استحصال آهن اسفنجی مطرح شده است. مقاله ضمن تحلیل فناوری‌های محوری و چالش‌های فنی، اقتصادی و زیرساختی ویژه ایران، نقشه‌راه عملیاتی برای گذار این صنعت را ارائه می‌دهد. همچنین تأثیر سیاست‌های تنظیم‌گری بین‌المللی نظیر مکانیزم تعدیل کربن مرزی اتحادیه اروپا بر رقابت‌پذیری تولیدکنندگان داخلی مورد بررسی قرار گرفته است. در نتیجه این نوشتار بر ضرورت استراتژیک این گذار به عنوان شرط بقای بلندمدت صنعت فولاد تأکید دارد و فرصت‌ها و موانع فناورانه، اقتصادی و سیاستی آن را بازشناسی می‌کند.

کلیدواژه‌ها
فولاد سبز؛ احیای مستقیم با هیدروژن؛ هیدروژن سبز؛ ردپای کربن و کربن‌زدایی؛ انرژی‌های تجدیدپذیر ؛ مکانیزم تعدیل مرزی کربن

مقدمه :

صنعت فولاد، به عنوان موتور محرک توسعه اقتصادی و زیربنایی در جهان، همواره در مرکز توجه قرار داشته است. ماهیت فرآیندهای این صنعت، آن را به یکی از محورهای اصلی مصرف انرژی تبدیل کرده و مدیریت انتشار دی‌اکسید کربن (با سهم جهانی حدود ۷ تا ۹ درصد) را برای فعالان آن به یک اولویت استراتژیک بدل ساخته است. در حال حاضر، سرمایه‌گذاری در فناوری‌های نوین و حرکت به سوی فولاد سبز، نه تنها یک الزام زیست‌محیطی، بلکه نشان‌دهنده رویکرد مسئولانه این صنعت در قبال آینده‌ای پایدار است. فرآیندهای کنونی تولید، مبتنی بر کوره‌های بلند(زغال‌سنگ) و کوره‌های احیا مستقیم (گاز طبیعی)، چالش‌های زیست‌محیطی جدی را در چارچوب بحران تغییرات اقلیمی ایجاد کرده‌اند. در پاسخ به این چالش‌ها و تعهدات جهانی کربن‌زدایی، مفهوم فولاد سبز به‌ عنوان یک راهبرد کلیدی مطرح شده است. این رویکرد بر مجموعه‌ای از فناوری‌ها و فرآیندهای نوآورانه متمرکز است که هدف آن حذف یا به حداقل رساندن ردپای کربنی از طریق بهینه‌سازی مصرف انرژی، استفاده از منابع تجدیدپذیر و استفاده از چرخه‌ بازیافت محصولات فولادی است.

پژوهش حاضر به بررسی جامع و چندبعدی این گذار صنعتی می‌پردازد. این نوشتار ضمن بیان دقیق فولاد سبز، به تحلیل فناوری‌های محوری این حوزه، از جمله احیای مستقیم مبتنی بر هیدروژن سبز به جای سوخت‌های فسیلی، بهره‌گیری کوره‌های قوس الکتریکی با خوراک ضایعات بازیافتی و روش‌های نوین استحصال آهن اسفنجی از منابع اولیه می‌پردازد.

برخلاف بسیاری از منابع موجود که به مرور مفاهیم کلی بسنده می‌کنند، این نوشتار با اتخاذ یک رویکرد تحلیلی و اجرایی، بر کل زنجیره ارزش (از معدن تا محصول نهایی) تمرکز دارد. این پژوهش با بررسی عمیق فناوری‌های پیشرفته‌ای نظیر پلاسما، جذب و ذخیره‌سازی کربن، و تحلیل چالش‌های فنی و زیرساختی بومی (ویژه ایران)، یک نقشه‌راه عملیاتی و فازبندی‌شده برای گذار صنعت فولاد را ارائه می‌دهد. علاوه بر این، به تحلیل ارتباط متقابل میان اهداف اقلیمی جهانی، سیاست‌های تنظیم‌گری نوین (نظیر مکانیسم تعدیل کربن مرزی اتحادیه اروپا) و پیامدهای اقتصادی و رقابتی آن برای تولیدکنندگان داخلی می‌پردازد. هدف نهایی این پژوهش، ارائه یک چارچوب تحلیلی و راهنمای تصمیم‌سازی فناورانه و سیاست‌محور برای ترسیم آینده‌ای پایدار در صنعت فولاد است.

۱- فولاد سبز و صنعت فولاد

واقعیت‌های زیست‌محیطی و سهم حدود ۷ تا ۹ درصدی صنعت فولاد از انتشار جهانی گازهای گلخانه‌ای (تقریباً ۲.۶ میلیارد تن)، به قدرتمندترین موتور محرک برای نوآوری در این بخش تبدیل شده است. فرآیند سنتی و غالب تولید، مبتنی بر کوره بلند و کوره اکسیژن پایه (BF-BOF) است که طبق گزارش انجمن جهانی فولاد در سال ۲۰۲۳، ۷۰.۴ درصد از تولید جهانی را شامل شده و وابستگی شدیدی به سوخت‌های فسیلی (کک و زغال‌سنگ) دارد. رویکردهای سنتی بهینه‌سازی، به دلیل نزدیک شدن به محدودیت‌های ترمودینامیکی ذاتی فرآیندها، دیگر برای کربن‌زدایی عمیق و حذف کامل انتشارات کافی نیستند. این وضعیت، صنعت را ملزم به یک جهش فناورانه و تغییرات بنیادین در شیوه تولید کرده است.

در این چارچوب، فولاد سبز به عنوان راهبرد کلیدی، بر استفاده از انرژی‌های بدون کربن متمرکز است. فناوری محوری در این گذار، احیای مستقیم مبتنی بر هیدروژن (H-DR) است. در این روش، هیدروژن به عنوان عامل کاهنده جایگزین سوخت‌های فسیلی شده و محصول جانبی فرآیند، بخار آب به جای دی‌اکسیدکربن خواهد بود.

این گذار، علاوه‌ بر ضرورت زیست‌محیطی، یک الزام جهانی است که توسط سیاست‌های بین‌المللی (مانند توافق پاریس) و مکانیزم‌های تنظیم‌گری نوین، به‌ویژه مکانیزم تعدیل کربن مرزی اتحادیه اروپا (CBAM)، هدایت می‌شود. این مکانیزم که از سال ۲۰۲۶ اجرایی می‌شود، با اعمال قیمت کربن بر واردات، تقاضا برای فولاد کم‌کربن را افزایش خواهد داد.

برای صنعت فولاد ایران، که عمدتاً بر مسیر احیای مستقیم با گاز طبیعی و کوره قوس الکتریکی (DRI/EAF) متکی است، این یک چالش راهبردی است. اگرچه این روش کربن کمتری نسبت به کوره بلند منتشر می‌کند، اما وابستگی آن به گاز طبیعی در مواجهه با استانداردهای جهانی و مقرراتی نظیر CBAM ، یک نقطه ضعف رقابتی محسوب می‌شود. بنابراین، انتقال ظرفیت تولید آهن اسفنجی کشور از گاز طبیعی به هیدروژن، یک ضرورت حیاتی برای حفظ جایگاه رقابتی و دسترسی به بازارهای صادراتی در آینده است.

۲- کربن‌زدایی در زنجیره تأمین فولاد (از معدن تا تولید فولاد نهایی)

صنعت فولاد جهان به‌عنوان ستون اصلی توسعه تمدن امروزی، نیازهای حیاتی حوزه‌هایی مانند زیرساخت، حمل‌و‌نقل و ساخت‌وساز را تأمین می‌کند. با وجود این نقش اساسی، این صنعت سهم قابل‌توجهی در انتشار گازهای گلخانه‌ای ناشی از فعالیت‌های انسانی را دارد. ازاین‌رو، کاهش انتشار کربن در زنجیره تأمین فولاد برای تحقق اهداف جهانی مرتبط با اقلیم ضروری بوده و به نوآوری‌های بنیادین در کل فرآیند تولید، از مرحله استخراج مواد اولیه تا ساخت محصولات نهایی، وابسته است.

۲-۱     چالش‌های انتشار کربن در مراحل استخراج و فرآوری

ردپای کربنی این بخش عمدتاً از دو منبع اصلی نشأت می‌گیرد:

1. مرحله استخراج در معادن شامل حفاری، انفجار، بارگیری و حمل‌ونقل سنگ معدنی است که بخش قابل‌توجهی از انتشار گازهای گلخانه‌ای را در زنجیره تولید فولاد ایجاد می‌کند. مصرف بالای سوخت‌های فسیلی (دیزل) در ماشین‌آلات سنگین معدنی، به‌ویژه کامیون‌ها و تجهیزات حفاری، منبع اصلی انتشارمستقیم آلاینده‌های کربنی است.
2. فرآیندهای فرآوری، به‌ویژه خردایش (طبق گزارش انجمن جهانی فولاد ۲۰۲۴ که ۳۰ تا ۵۰ درصد انرژی بخش معدن را مصرف می‌کند) و جدایش، به‌شدت انرژی‌بر هستند. وابستگی شبکه‌های برق تأمین‌کننده این انرژی به سوخت‌های فسیلی، منجر به انتشارغیرمستقیم گسترده می‌شود. این معضل با کارایی پایین فناوری‌های سنتی و فقدان سیستم‌های بازیافت حرارت اتلافی تشدید می‌گردد.

۲-۲     راهکارهای فناورانه برای کربن‌زدایی

برای گذار به پایداری در این بخش، مجموعه‌ای از راهکارهای فناورانه و سیستمی ضروری است:

• برق‌رسانی سبز :(Green Electrification)راهکار بنیادین، جایگزینی کامل برق مبتنی بر سوخت فسیلی با انرژی‌های تجدیدپذیر (خورشیدی، بادی و آبی) برای تأمین انرژی عملیات فرآوری و معدن‌کاری است.
• فناوری‌های نوین فرآوری: استفاده از تجهیزات با بازدهی بالا، مانند سیستم‌های خردایش با فشار بالا (HPGR)، و دیجیتالی‌سازی فرآیندها برای کنترل دقیق مصرف انرژی.
• سیستم‌های خردایش و انتقال درون ‌پیت معدن(IPCC): این فناوری تحول‌آفرین، جایگزین روش سنتی مبتنی بر کامیون‌های دیزلی می‌شود. در این سیستم، مواد معدنی در داخل پیت خرد شده و توسط نوار نقاله‌های برقی به کارخانه منتقل می‌شوند. این امر مستقیماً مصرف سوخت فسیلی و انتشار مستقیم را حذف کرده و در صورت تغذیه از برق پاک، ردپای کربن را به حداقل می‌رساند.
• مکانیسم‌های پشتیبان: اجرای مدل‌های اقتصاد چرخشی (CE) و بهره‌گیری از ابزارهای تأمین مالی سبز برای جذب سرمایه مورد نیاز جهت نوسازی زیرساخت‌ها و پیاده‌سازی این نوآوری‌های فناورانه، نقشی حیاتی در موفقیت این گذار ایفا می‌کنند.

۳- گندله‌سازی و احیای مستقیم

فرآیند گندله‌سازی بخش مهمی از زنجیره تولید آهن و فولاد است و به‌ویژه در مرحله پخت، از منابع اصلی انتشار دی‌اکسیدکربن به شمار می‌آید. این مرحله به‌طور معمول با استفاده از سوخت‌های فسیلی نظیر گاز طبیعی، نفت کوره و در برخی موارد زغال‌سنگ انجام می‌شود و به‌طور متوسط حدود ۳۵ کیلوگرم CO₂ به ازای هر تن گندله تولید می‌کند.

در مسیر کربن‌زدایی صنعت فولاد، احیای مستقیم مبتنی بر هیدروژن جایگزین کک و گازهای هیدروکربنی شده است. در این فناوری، هیدروژن نقش عامل احیاکننده را داشته و با تبدیل اکسید آهن به آهن اسفنجی، تنها بخار آب تولید می‌کند. این روش توانایی کاهش تا حدود ۹۵ درصدی انتشار کربن در فرایند احیا را دارد. در حالت ایده‌آل، هیدروژن از طریق الکترولیز آب و با استفاده از برق تجدیدپذیر تولید می‌شود (هیدروژن سبز)، که در ادامه آهن تولیدی در کوره قوس الکتریکی به فولاد تبدیل می‌گردد. با این حال، چالش اصلی این رویکرد نیاز بسیار بالا به انرژی الکتریکی است؛ به‌طوری‌که الکترولایزرها حدود ۷۰ درصد از انرژی مصرفی کل فرایند را به خود اختصاص می‌دهند. دستیابی به انتشار نزدیک به صفر تنها در صورت تأمین کامل برق از منابع تجدیدپذیر ممکن است.

علاوه بر H-DR، چندین راهکار فناورانه دیگر نیز برای کربن‌زدایی در حال توسعه هستند:

• استفاده از سوخت زیست‌توده (Biomass):  جایگزینی منابع کربنی فسیلی با منابع تجدیدپذیر زیستی (مانند زغال چوب) در فرآیندهای حرارتی
• احیای پلاسما هیدروژن:
  • فرآیند احیای پلاسما هیدروژن (HPR) روشی نوین است که در آن احیا و ذوب سنگ‌آهن به‌صورت همزمان و در یک مرحله انجام می‌شود. در این فرآیند، با ایجاد قوس پلاسما میان الکترود و سنگ‌آهن، هیدروژن در حالت‌های مولکولی و پلاسمایی باعث ذوب و احیای سنگ‌آهن می‌گردد. پلاسما انرژی بسیار بالایی دارد و گونه‌های فعالی مانند رادیکال‌های هیدروژن و یون‌های H⁺تولید می‌کند که این گونه‌های فعال، موانع سینتیکی و ترمودینامیکی را شکسته و واکنش را تسریع می‌بخشند. برخلاف احیای مستقیم حالت جامد (که گرماگیر است)، فرآیند پلاسما گرمازا بوده و بهره‌وری انرژی بالاتری دارد. این روش نیاز به آگلومراسیون (گندله‌سازی) را حذف کرده و همچنین با خالص‌سازی مؤثر (حذف فسفر و گوگرد)، نیاز به متالورژی ثانویه را کاهش می‌دهد.
• جذب و ذخیره‌سازی کربن (CCS):
  • یک فناوری کاهشی به منظور جلوگیری از انتشارCO_۲ تولید شده،برای فرآیندهای سنتی (مانند کوره بلند) طراحی شده است.
  • این فرآیند شامل سه مرحله کلیدی است:
    1. جذب: جداسازی CO₂ از گازهای خروجی
    2. انتقال: فشرده‌سازی گاز به حالت مایع و حمل آن (توسط خط لوله یا کشتی).
    3. ذخیره‌سازی: تزریق ایمن و دائمی CO₂ به ساختارهای زمین‌شناسی عمیق (مانند میادین نفت)

۳-۱تولید آهن اسفنجی

فرآیند احیای مستقیم (DRI) روشی صنعتی برای تبدیل سنگ‌آهن به آهن فلزی در حالت جامد، بدون ذوب‌شدن ماده اولیه است. در این فرایند از یک عامل احیاکننده گازی برای حذف اکسیژن موجود در اکسیدهای آهن استفاده می‌شود و محصول نهایی، آهن اسفنجی است که به‌عنوان خوراک اصلی کوره قوس الکتریکی (EAF) به‌کار می‌رود.

تولید آهن اسفنجی در سیستم‌های متداول DRI عمدتاً بر پایه گازهای احیاکننده مشتق‌شده از هیدروکربن‌ها، به‌ویژه گاز طبیعی انجام می‌گیرد. این رویکرد به دلیل مصرف مستقیم منابع فسیلی، در دسته فرایندهای با شدت انتشار کربن بالا قرار می‌گیرد. در حال حاضر، بیش از ۹۰ درصد ظرفیت جهانی تولید DRI به گاز طبیعی وابسته است.

مسیر دستیابی به فولاد سبز، اساساً بر فرآیند احیای مستقیم مبتنی بر هیدروژن (H-DR) استوار است. این فناوری، هیدروژن سبز (تولید شده از طریق الکترولیز آب با برق تجدیدپذیر) را جایگزین عوامل احیاکننده کربن‌محور (کک) می‌کند. این جایگزینی، اگرچه نیازمند توسعه عظیم زیرساخت‌های انرژی پاک است، اما هسته اصلی کربن‌زدایی در این صنعت محسوب می‌شود.

۳-۱-۱مکانیسم فرآیندH-DR

این فرآیند در یک کوره استوانه‌ای با جریان متقابل جامد-گاز رخ می‌دهد. گندله‌های سنگ‌آهن پس از پیش‌گرمایش تا دمای تقریبی ۸۰۰ درجه سانتی‌گراد، از بالا وارد کوره می‌شوند. همزمان، جریان هیدروژن داغ از پایین به سمت بالا حرکت کرده و در واکنش با اکسید آهن، آن را به آهن فلزی احیا می‌کند.

محصول نهایی، آهن اسفنجی با درصد متالیزاسیون بالا (حدود %۹۴) است. برای افزایش بهره‌وری، هیدروژن واکنش‌نداده از گازهای خروجی جداسازی و پس از گرمایش مجدد، به چرخه فرآیند بازگردانده می‌شود .

۳-۱-۲شارژ گرم؛ پل انرژی

به منظور بهینه‌سازی حداکثری مصرف انرژی، از فناوری شارژ گرم(Hot Charge) استفاده می‌شود. در این روش، آهن اسفنجی تولید شده بدون سرد شدن و در دمای عملیاتی بالا (۶۵۰ تا ۸۵۰ درجه سانتی‌گراد)، مستقیماً به مرحله بعد منتقل می‌گردد.

این اقدام به مثابه یک پل انرژی عمل کرده و انرژی حرارتی باقی‌مانده از مرحله احیا را به فرآیند ذوب در کوره قوس الکتریکی منتقل می‌کند. نتیجه مستقیم این کار، کاهش چشمگیر مصرف انرژی الکتریکی در کوره قوس است که نقشی حیاتی در کاهش هزینه‌ها و ردپای کربنی کل فرآیند دارد.

۳-۱-۳کوره قوس الکتریکی

در مرحله نهایی، آهن اسفنجی (عمدتاً به صورت شارژ گرم) به عنوان خوراک اصلی وارد کوره قوس الکتریکی(EAF)  شده و تا دمای تقریبی ۱۶۵۰ درجه سانتی‌گراد حرارت می‌بیند تا فولاد مذاب نهایی تولید شود. علاوه بر ذوب، کوره قوس مسئول احیای اکسید آهن باقی‌مانده از مرحله قبل نیز می‌باشد؛ این کار با افزودن مقادیر جزئی کربن و اکسیژن (جهت تشکیل مونوکسید کربن) انجام می‌پذیرد.

در مجموع، استراتژی بنیادین برای دستیابی به انتشار نزدیک به صفر، احیای مستقیم سنگ‌آهن با هیدروژن سبز و ذوب محصول نهایی در کوره قوس الکتریکی است.

۳-۲ذوب و فولادسازی

این بخش از زنجیره تولید فولاد بر تبدیل مواد اولیه (آهن خام، آهن اسفنجی و قراضه) به فولاد مذاب و در نهایت محصول نهایی متمرکز است.

۳-۲-۱چالش‌های انتشار کربن در فرآیندهای ذوب

روش‌های ذوب، منبع اصلی انتشار کربن در صنعت فولاد هستند:

• فرآیند کوره بلند-کوره اکسیژن پایه:
  • این روش سنتی، به دلیل وابستگی شدید به زغال‌سنگ، بزرگترین منبع انتشار گازهای گلخانه‌ای است. انتشار کربن بالای آن ناشی از دو بخش مجزاست: کارخانه کک‌سازی و فرآیند احیا در کوره بلند
• کوره قوس الکتریکی:
  • این روش که عمدتاً قراضه و آهن اسفنجی را ذوب می‌کند، گامی اساسی به سوی فولاد سبز تلقی می‌شود. با این حال، این فرآیند نیز کاملاً بدون کربن نیست، زیرا همچنان برای دستیابی به دمای ذوب و تنظیمات متالورژیکی، به تزریق کربن و مصرف سوخت‌های فسیلی (برای پیش‌گرمایش یا مشعل‌ها) اتکا دارد.

پس از ذوب، فولاد مذاب وارد مراحل ریخته‌گری و نورد می‌شود. این مراحل نیز به دلیل نیاز به دماهای بسیار بالا برای شکل‌دهی محصولات نهایی (مانند ورق و کلاف)، بخش‌های انرژی‌بری محسوب می‌شوند.

۳-۲-۲راهکارهای فناورانه سبز در مراحل ذوب و نورد

کربن‌زدایی در این مراحل نهایی بر مجموعه‌ای از بهینه‌سازی‌ها و فناوری‌های پاک متمرکز است:

• افزایش بهره‌وری انرژی: استفاده از سیستم‌های کنترل فرآیند پیشرفته، مشعل‌ها و کوره‌های با راندمان بالا
• بازیافت انرژی و گاز: به‌کارگیری فناوری‌های نوین مانند بازیافت ترموشیمیایی (در کوره‌های هوای گرم) و بازیافت گازهای فرآیندی برای کاهش مصرف سوخت
• استفاده حداکثری از قراضه: بازیافت قراضه به انرژی بسیار کمتری نسبت به تولید فولاد اولیه از سنگ‌آهن نیاز دارد و یک استراتژی کلیدی در کاهش انتشار کربن است.
• توسعه محصولات پیشرفته: تولید فولادهای با مقاومت بالا (HSS) که با کاهش وزن مواد در کاربرد نهایی (مانند خودروسازی)، انتشار گازهای گلخانه‌ای را در کل چرخه عمر محصول (LCA) کاهش می‌دهند.

جدول۱_ مقایسه تولید آهن اسفنجی به ۳ روش احیای پلاسما،Midrexبر پایه گازطبیعی و احیا با هیدورژن از سه منظر فنی، انرژی و زیست‌محیطی و اقتصادی

ابعاد فنی
	احیای پلاسما	بر پایه گاز طبیعی	احیا با هیدورژن (H-DR)
مکانیزم احیا	استفاده از گازهای فعال در حالت پلاسما (H₂ و CO) برای تجزیه سریع اکسید آهن	استفاده از گاز احیایی حاصل از ریفرمینگ گاز طبیعی (H₂ و CO)	احیای مستقیم اکسید آهن با هیدروژن خالص (بدون کربن)
دمای واکنش	۳۰۰۰-۵۰۰۰°C	۸۰۰-۱۰۰۰°C	۶۰۰-۸۰۰°C
نوع خوراک	پودر یا کنسانتره‌های کم‌عیار	گندله با کیفیت بالا	گندله با تخلخل بالا و واکنش‌پذیری زیاد
زمان احیا	بسیار کوتاه (چند دقیقه)	۳۰-۶۰دقیقه	کمی کندتر از Midrex
کنترل فرآیند	پیچیده، نیازمند کنترل قوس و دما	پایدار و صنعتی‌شده	نیاز به کنترل دقیق دما برای جلوگیری از بازاکسید شدن
مقیاس صنعتی	آزمایشگاهی و نیمه‌صنعتی	بالغ و تجاری‌شده جهانی	در حال توسعه و پایلوت در پروژه‌هایی از قبیل HYBRIT
ابعاد انرژی و زیست ‌محیطی
	احیای پلاسما	بر پایه گاز طبیعی	احیا با هیدورژن (H-DR)
منبع انرژی	برق (برای تولید پلاسما)	گاز طبیعی	برق و هیدروژن سبز
انتشارCO₂	نزدیک به صفر در صورت استفاده از برق تجدیدپذیر	متوسط؛ ناشی از ریفرمینگ گاز طبیعی	نزدیک به صفر (در صورت تولید هیدروژن از منابع تجدیدپذیر)
کارایی انرژی	پایین‌تر به‌دلیل تلفات الکتریکی بالا	بالا و بهینه	متوسط؛ بسته به روش تولید هیدروژن
بازیافت حرارت	دشوار به دلیل دمای بسیار بالا	بسیار کارآمد	قابل‌بهبود با فناوری‌های جدید
پتانسیل سبز شدن	بسیار بالا با برق تجدیدپذیر	محدود به جایگزینی جزئی هیدروژن در گاز احیایی	بسیار بالا، مسیر اصلی فولاد سبز
ابعاد اقتصادی
	احیای پلاسما	بر پایه گاز طبیعی	احیا با هیدورژن (H-DR)
هزینه سرمایه‌گذاری اولیه	بسیار بالا (تجهیزات پلاسما و منبع تغذیه قوی)	پایین و استاندارد	بالا (زیرساخت تولید و ذخیره هیدروژن)
هزینه عملیاتی	وابسته شدید به قیمت برق	وابسته به قیمت گاز طبیعی	وابسته به قیمت هیدروژن سبز
قابلیت مقیاس‌پذیری	پایین؛ مناسب برای پروژه‌های خاص	بسیار بالا؛ تولید انبوه	در حال افزایش با توسعه زیرساخت هیدروژن
بلوغ فناوری	تحقیقاتی	کاملاً صنعتی	در مرحله گذار به صنعتی‌شدن
دسترسی به فناوری	محدود به مراکز تحقیقاتی	گسترده در سطح جهانی	محدود، در دست چند شرکت پیشروی اروپایی و آسیایی

۴- مزایا و فرصت‌های پیش روی فولاد سبز

گذار به فولاد سبز، فراتر از یک الزام زیست‌محیطی، به‌عنوان یک ضرورت استراتژیک برای تضمین رقابت‌پذیری بلندمدت در صنعت فولاد مطرح است. مزایای این تحول در سه حوزه اصلی قابل طبقه‌بندی است:

۴-۱مزایای زیست‌محیطی (کاهش انتشار کربن)

مزیت بنیادین فولاد سبز، کاهش چشمگیر انتشار گازهای گلخانه‌ای است. این امر از طریق دو مسیر فناورانه اصلی محقق می‌شود:

• احیای مستقیم مبتنی بر هیدروژن: با جایگزینی سوخت‌های فسیلی، پتانسیل کاهش آلایندگی تا ۹۱% را دارد.
• کوره قوس الکتریکی  مبتنی بر قراضه: استفاده از خوراک بازیافتی، انتشار گازها را تا ۷۵ درصد در مقایسه با مسیر سنتی کاهش می‌دهد.

علاوه بر این، این رویکرد با تقویت مدل اقتصاد چرخشی ، به بهینه‌سازی مصرف انرژی، مدیریت پسماند و کاهش سایر آلاینده‌های هوا کمک مؤثری می‌کند.

۴-۲مزایای اقتصادی و رقابتی

از منظر اقتصادی، فولاد سبز مزایای ملموسی را برای تولیدکنندگان ایجاد می‌کند:

• اجتناب از تعرفه‌های کربن: مهم‌ترین مزیت رقابتی، مصونیت از سازوکارهای تنظیم‌گری مانند مکانیزم تعدیل کربن مرزی اتحادیه اروپا (CBAM) است که دسترسی پایدار به بازارهای صادراتی را تضمین می‌کند.
• برخورداری از حق بیمه سبز: به دلیل تقاضای فزاینده بازار جهانی برای محصولات پایدار، فولاد سبز با قیمت بالاتری عرضه می‌شود.
• افزایش رقابت‌پذیری بلندمدت: با روند صعودی قیمت‌گذاری جهانی کربن، مزیت هزینه تولید فولاد سبز در مقایسه با فولاد سنتی (که مشمول جریمه‌های کربنی می‌شود) به طور پیوسته افزایش خواهد یافت.

۴-۳فرصت‌های فناورانه و اجتماعی

حرکت به سوی فولاد سبز، محرک نوآوری و بهبود جایگاه اجتماعی شرکت‌ها است:

• توسعه اقتصاد هیدروژن: این گذار، تقاضا برای هیدروژن پاک را به شدت افزایش داده و به توسعه و شتاب‌دهی اقتصاد هیدروژن سبز کمک می‌کند.
•  تولید پایدار، نشان‌دهنده تعهد شرکت به مسئولیت اجتماعی و انطباق با استانداردهای جهانی است. این امر باعث تقویت اعتماد سرمایه‌گذاران و افزایش وفاداری مصرف‌کنندگان نهایی می‌شود.

۵- موانع فنی و اقتصادی

مسیر گذار به فولاد سبز، به‌ویژه از طریق فرآیند H₂-DR-EAF، با مجموعه‌ای از موانع فنی، اقتصادی و سیاستی پیچیده در سطح جهانی و محلی مواجه است که پایداری و تحقق‌پذیری این تحول را به چالش می‌کشد.

۵-۱ موانع فنی جهانی: انرژی و مدیریت هیدروژن

چالش‌های فنی، هسته اصلی موانع گذار محسوب می‌شوند:

• نیاز عظیم انرژی: مسیر احیا از طریق گار هیدروژن به شدت انرژی‌بر است و به حدود ۳.۶ مگاوات‌ساعت برق به ازای هر تن فولاد نیاز دارد. تأمین این حجم از انرژی پاک به‌صورت پیوسته، با توجه به ماهیت متناوب منابع تجدیدپذیر (خورشیدی و بادی)، یک چالش زیرساختی عظیم است.
• چالش‌های ذاتی هیدروژن:
  • ذخیره‌سازی و انتقال: چگالی پایین انرژی هیدروژن، نیازمند فشرده‌سازی در فشارهای بسیار بالا یا مایع‌سازی در دماهای کرایوژنیک است که هر دو فرآیند، خود انرژی‌بر و پرهزینه هستند.
  • تردی هیدروژنی : نفوذپذیری بالای هیدروژن در ساختار فلزات منجر به پدیده ترک‌خوردگی و شکست در لوله‌ها و مخازن ذخیره‌سازی می‌شود که نیازمند توسعه آلیاژهای مقاوم و گران‌قیمت است.
  • ایمنی و تبخیر: اشتعال‌پذیری بالا، بی‌بو بودن، نشت‌پذیری و تبخیر تدریجی در حالت مایع (Boil-off)، الزامات ایمنی و پایش هوشمند بسیار سخت‌گیرانه‌ای را تحمیل می‌کند.
• چالش‌های فناوری‌های جایگزین:
  • احیای پلاسما: با وجود پتانسیل بالا، با موانع جدی نظیر عدم پایداری قوس پلاسما، مصرف بسیار بالای برق و فرسایش سریع الکترودها به دلیل دمای شدید مواجه است.

۵-۲موانع اقتصادی

گذار به فولاد سبز با دو چالش اقتصادی اساسی مواجه است: هزینه سرمایه‌گذاری (CAPEX) بسیار بالا برای احداث زیرساخت‌های نوین (احیای مستقیم هیدروژنی و انرژی پاک) که با توجه به عمر مفید تأسیسات فعلی، توجیه آن دشوار است؛ و مخارج عملیاتی (OPEX) بالاتر که رقابت‌پذیری محصول را کاهش داده و آن را به حمایت‌های دولتی یا اعمال مالیات کربن وابسته می‌سازد.

۵-۳چالش‌های سیاستی و نظارتی

عدم قطعیت در حوزه رگولاتوری، ریسک سرمایه‌گذاری را افزایش می‌دهد:

• نبود یک تعریف یا استاندارد جهانی یکپارچه برای فولاد سبز، باعث سردرگمی بازار و پیچیدگی در تصمیم‌گیری‌های تجاری و سرمایه‌گذاری می‌شود.
• سرعت پایین اجرای سیاست‌هایی مانند CBAM اتحادیه اروپا و حذف تدریجی و نامشخص مجوزهای رایگان کربن، ریسک سرمایه‌گذاری‌های بلندمدت در فناوری‌های پاک را افزایش می‌دهد.

۵-۴چالش‌های محلی ایران در اجرای فولاد سبز

ایران با چالش‌های منحصربه‌فردی در این گذار مواجه است:

• وابستگی زیرساختی: زیرساخت فعلی صنعت فولاد ایران به طور کامل بر فناوری آهن اسفنجی مبتنی بر گاز طبیعی استوار است.
• کمبود زیرساخت انرژی پاک: چالش اصلی ایران، کمبود شدید زیرساخت انرژی تجدیدپذیر در مقیاس بزرگ و پیوسته است که بتواند برق مورد نیاز برای الکترولیز آب و تولید هیدروژن سبز را تأمین کند.
• چالش اقتصادی-فنی: گذار به H-DR مبتنی بر هیدروژن، نیازمند یک تحول بنیادین و بسیار پرهزینه در کل پارادایم انرژی کشور (جایگزینی زیرساخت گاز با برق تجدیدپذیر) است که موانع فنی و مالی عظیمی را ایجاد می‌کند.

۶- تهدیدهای پیش رو در صورت عدم توجه به فولاد سبز

نادیده گرفتن گذار به فولاد سبز، یک خطای استراتژیک بنیادین محسوب می‌شود که بقای بلندمدت تولیدکنندگان سنتی را با ریسک‌های چندجانبه و جدی مواجه می‌سازد. این تهدیدها در سه حوزه اصلی قابل تحلیل هستند:

۶-۱مباحث مالی و بازار

مهم‌ترین خطر، از دست دادن بازارهای صادراتی به دلیل سازوکارهای مالیاتی کربن، به‌ویژه CBAM  اتحادیه اروپا (از ۲۰۲۶) است. این امر، همراه با جریمه‌های سنگین قوانین جدید (مانند CSRD/CSDDD) و قطع تأمین مالی از سوی مؤسسات مالی، هزینه‌های تولید سنتی را به شدت افزایش می‌دهد.

۶-۲عقب‌ماندگی فناورانه (قفل‌شدگی کربن)

اتکا به زیرساخت‌های قدیمی (کوره بلند) منجر به قفل‌شدگی کربن و عدم توانایی رقابت با پیشگامان فناوری‌های نوین HDR و EAF می‌شود. این به معنای از دست دادن سهم در بازار عظیم آتی فولاد سبز (بیش از ۶۰۰ میلیارد دلار تا ۲۰۳۲) است.

۶-۳مباحث اجتماعی و زیست‌محیطی

آلایندگی (ذرات معلق، فلزات سنگین) منجر به داخلی‌سازی هزینه‌های بهداشتی و پاک‌سازی محیط‌زیست توسط تولیدکنندگان، تحت فشار قوانین سخت‌گیرانه‌تر و افکار عمومی خواهد شد.

۷- مطالعات موردی جهانی در زمینه فولاد سبز

گذار جهانی به فولاد سبز، با تکیه بر هیدروژن و انرژی‌های تجدیدپذیر، از فاز پژوهش عبور کرده و وارد مرحله توسعه صنعتی شده است. پروژه‌های زیر نمونه‌های بارز این تحول در اروپا هستند:

• HYBRIT (سوئد – SSAB, LKAB, Vattenfall):
  • فناوری: جایگزینی کامل زغال‌سنگ با هیدروژن سبز در فرآیند احیای مستقیم (H-DR) و استفاده از کوره قوس الکتریکی (EAF).
  • هدف: اثبات امکان تولید فولاد با انتشار تقریباً صفر کربن و حرکت به سمت تجاری‌سازی.

• H2 Green Steel (سوئد):
  • فناوری: تولید هیدروژن سبز در مقیاس بزرگ از طریق الکترولیز و استفاده در مسیر H-DR EAF.
  • هدف: تولید انبوه (میلیون‌ها تن) فولاد با کاهش بیش از ۹۰ درصدی انتشار کربن.

• SALCOS (آلمان – Salzgitter):
  • فناوری: جایگزینی تدریجی و گام‌به‌گام کوره بلند سنتی با واحدهای H-DR مبتنی بر هیدروژن و کوره‌های EAF.
  • هدف: گذار مرحله‌ای (کاهش ۳۰٪ کربن تا ۲۰۲۷) به سمت تولید کم‌کربن.
• ArcelorMittal (آلمان):
  • فناوری: اجرای پایلوت صنعتی (۱۰۰ هزار تن) برای استفاده ۱۰۰ درصدی از هیدروژن در فرآیند احیای مستقیم.
  • هدف: آزمون صنعتی تولید آهن اسفنجی بدون کربن.
• voestalpine (اتریش – greentec steel):
  • فناوری: گذار تدریجی با استفاده از کوره‌های قوس الکتریکی هیبریدی و توسعه فناوری‌های  H-DR مانند پایلوت Hyfor و H2FUTURE.
  • هدف: راه‌اندازی EAFهای صنعتی کم‌کربن از ۲۰۲۷ و توسعه فناوری هیدروژن سبز.

۸- نقشه راه گذار ایران به فولاد سبز

ایران، به عنوان دهمین تولیدکننده فولاد (عمدتاً مبتنی بر گاز طبیعی DRI/EAF)، برای حفظ رقابت‌پذیری صادراتی و همسویی با اهداف جهانی، نیازمند گذار به فولاد سبز مبتنی بر هیدروژن است. این نقشه راه بر سه اصل استوار است: گذار تدریجی ، تأمین پایدار انرژی پاک (به‌عنوان پیش‌نیاز) و آغاز با پروژه‌های آزمایشی (پایلوت)

۸-۱فاز ۱: کوتاه‌مدت (سال ۱-۳) : آماده‌سازی و پایلوت

• تدوین نقشه راه ملی فولاد سبز (با اهداف ۲۰۳۰ و ۲۰۴۰).
• راه‌اندازی پایلوت‌های H-DR (ظرفیت ۵۰-۲۰۰ هزار تن) با مشارکت بین‌المللی.
• توسعه هدفمند انرژی‌های تجدیدپذیر (خورشیدی/بادی) در مناطق مستعد.
• ایجاد صندوق فولاد سبز و بسته‌های تشویقی (یارانه/معافیت مالیاتی).
• الزامی کردن گزارش‌دهی شفاف کربن جهت آمادگی برای CBAM

۸-۲فاز ۲: میان‌مدت (سال ۳-۷) : مقیاس‌افزایی و زیرساخت

• نصب مجتمع‌های بزرگ الکترولیز (در مقیاس مگاواتی) و تقویت شبکه برق و ذخیره‌سازی انرژی (شامل ذخیره‌سازی فصلی هیدروژن)
• ارتقای واحدهای موجود برای سازگاری با هیدروژن
• اعمال تدریجی قیمت‌گذاری داخلی کربن و انتشار اوراق سبز
• توسعه فناوری‌های بومی (مانند مخازن مقاوم به تردی هیدروژن) و آموزش نیروی انسانی

۸-۳فاز ۳: بلندمدت (سال ۷-۱۵) : تولید انبوه صنعتی

• احداث واحدهای H-DR در مقیاس بزرگ (۰.۵ تا ۲ میلیون تن در سال)
• ایجاد شبکه ملی تأمین و خطوط لوله انتقال هیدروژن
• دستیابی به هزینه تولید هیدروژن سبز زیر ۲ تا ۳ دلار بر کیلوگرم
• کسب گواهینامه‌های بین‌المللی (ISO 14064/14067) برای صادرات فولاد سبز

۸-۴الزامات فنی، مالی و پایش

• الزامات فنی: تمرکز بر احداث واحدهای هیدروژن در مناطق با پتانسیل تجدیدپذیر (مانند سواحل جنوبی)، استفاده از انرژی‌های تجدیدپذیر (خورشیدی و بادی)، ذخیره‌سازی هیدروژن (زیرزمینی یا تبدیل به آمونیاک) و بازیافت انرژی و هیدروژن در فرآیندها
• الزامات مالی: کاهش ریسک سرمایه‌گذاری از طریق صندوق‌های سرمایه‌گذاری سبز، قراردادهای بلندمدت خرید برق  و معافیت‌های مالیاتی.
• شاخص‌های کلیدی(KPIs) : پایش مستمر شاخص‌هایی از قبیل درصد تولید فولاد مبتنی بر هیدروژن، هزینه تمام‌شده هیدروژن ($/kg)، ظرفیت واحدهای تجدیدپذیر (MW) و کاهش شدت انتشار کربن (kg CO₂/ton steel).

۹- نتیجه‌گیری

گذار به فولاد سبز، نه یک انتخاب تدریجی، بلکه یک الزام استراتژیک برای بقای صنعت فولاد در مواجهه با فشارهای نظارتی جهانی و ریسک‌های بازار (مانند جریمه‌های کربن) است. روش‌های سنتی (مبتنی بر کوره بلند) به سرعت در حال منسوخ شدن هستند.

مسیر فناورانه جایگزین، مبتنی بر احیای مستقیم با هیدروژن (H-DR) و کوره قوس الکتریکی (EAF)، از فاز پژوهش عبور کرده و با پروژه‌هایی نظیر HYBRIT و H2 Green Steel وارد فاز تجاری شده است.

این تحول، علاوه‌ بر کربن‌زدایی، فرصت‌های سیستمیک جدیدی نظیر توسعه اقتصاد هیدروژن و افزایش انعطاف‌پذیری شبکه برق تجدیدپذیر ایجاد می‌کند.

با این حال، موانع جدی نظیر سرمایه‌گذاری اولیه (CAPEX) و تأمین هیدروژن سبز رقابتی نیازمند همکاری استراتژیک و پذیرش نوآوری هستند.

برای ایران، دهمین تولیدکننده فولاد، این گذار یک ضرورت حیاتی است. صنعت کشور باید زیرساخت فعلی DRI/EAF مبتنی بر گاز طبیعی را به DRI/EAF مبتنی بر هیدروژن سبز متحول سازد تا جایگاه صادراتی خود را حفظ کند.

موفقیت در این گذار، آینده اقتصادی و رقابتی صنعت را تضمین خواهد کرد و پیشگامان این عرصه، رهبران بازارهای آتی خواهند بود.

پژوهش‌های آینده این حوزه می‌توانند بر محورهای کلیدی زیر متمرکز شوند:

• مدل‌سازی اقتصادی و سناریوسازی تأمین و مصرف هیدروژن سبز در صنعت فولاد ایران با بررسی اثر ترکیب انرژی خورشیدی و بادی بر هزینه تولید فولاد سبز
• ارزیابی فنی، اقتصادی و مقایسه‌ای فناوری‌های کربن‌زدایی فولاد از جمله H-DR، پلاسما و CCS با تمرکز بر قابلیت بومی‌سازی و مقیاس‌پذیری
• توسعه چارچوب ارزیابی چرخه عمر ویژه زنجیره تأمین فولاد ایران از معدن تا محصول نهایی و بررسی سناریوهای کاهش انتشار کربن
• تحلیل اقتصادی از مسیرهای مختلف تأمین هیدروژن در ایران، با بررسی اثر ترکیب انرژی خورشیدی و بادی بر هزینه تولید فولاد سبز
• بررسی امکان‌پذیری ذخیره‌سازی دی‌اکسیدکربن در ساختارهای زمین‌شناسی کشور و ارزیابی ریسک‌های فنی، اقتصادی و زیست‌محیطی آن

جدول۲– علائم اختصاری استفاده شده در مقاله

عنوان فارسی	علامت اختصاری	عنوان لاتین
مکانیسم تعدیل کربن مرزی	CBAM	Carbon Border Adjustment Mechanism
آهن احیای مستقیم (آهن اسفنجی)	DRI	Direct Reduced Iron
کوره قوس الکتریکی	EAF	Electric Arc Furnace
احیای مستقیم مبتنی بر هیدروژن	H-DR	Hydrogen-based Direct Reduction
خردایش و انتقال درون پیت معدن	IPCC	In-Pit Crushing and Conveying
جذب و ذخیره‌سازی کربن	CCS	Carbon Capture and Storage
احیای پلاسمایی با هیدروژن	HPR	Hydrogen Plasma Reduction
اقتصاد چرخشی	CE	Circular Economy
ارزیابی چرخه عمر	LCA	Life Cycle Assessment
دستورالعمل بررسی و پایش پایداری شرکت‌ها	CSDDD	Corporate Sustainability Due Diligence Directive
دستورالعمل گزارش‌دهی پایداری شرکت‌ها	CSRD	Corporate Sustainability Reporting Directive
شاخص کلیدی عملکرد	KPI	Key Performance Indicator