الکترولایزرها، قلب فولاد کم‌کربن

به گزارش می‌متالز، یکی از مسیر‌های اصلی کاهش انتشار کربن در صنعت فولاد، استفاده از هیدروژن در فرآیند احیا مستقیم آهن است. چندین پروژه در این زمینه اعلام شده و برخی از آنها قبلاً به مرحله تولید فولاد سبز رسیده‌اند، اما همه آنها در انتظار شکل‌گیری کامل اقتصاد هیدروژن هستند. وجود یک سیستم تولید برق سبز قابل‌اعتماد برای تأمین هیدروژن موردنیاز، امری حیاتی است. در ادامه توسعه سیستم‌های انرژی مبتنی بر منابع تجدیدپذیر متناوب، به‌ویژه توربین‌های بادی فراساحلی و ژنراتور‌های فتوولتائیک یا PV برای تأمین جریان ثابت هیدروژن به فرآیند احیا مستقیم آهن معرفی می‌شوند. در مطالعه جامعی عملیات الکترولیزر‌ها در انواع مختلف سیستم‌های انرژی با استفاده از داده‌های هواشناسی یک سال کامل از سه کشور مختلف و ادغام سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی باتری (BESS) مورد بررسی قرار گرفته است. همه سیستم‌ها به گونه‌ای طراحی شده‌اند که هیدروژن لازم برای یک کارخانه DRI با ظرفیت یک‌میلیون تن در سال را تولید کنند.

برای تولید فولاد سبز، هیدروژن سبز باید با استفاده از منابع انرژی تجدیدپذیر (RES) تولید شود. با توجه به محدودیت‌های تولید برق هیدروالکتریک در بسیاری از کشورها، سیستم‌های بادی فراساحلی و فتوولتائیک خورشیدی برای تأمین برق الکترولیزر‌ها ارزیابی می‌شوند. در حالت اتصال به شبکه، برق تولیدشده توسط ژنراتور‌های حرارتی نیز می‌تواند برای پر کردن شکاف در دسترس بودن منابع انرژی تجدیدپذیر به کار رود، اما در این شرایط نیاز به گواهینامه برق سبز مناسب وجود دارد که تولید هیدروژن سبز را محدود می‌کند. پروژه‌های آف‌گرید به فناوری الکترولایزر با انعطاف‌پذیری عملیاتی بسیار بالا نیاز دارند تا بتوانند از برق متناوب تجدیدپذیر بهره ببرند. ادغام باتری‌های ذخیره‌سازی انرژی در کل زنجیره انرژی، از تولید برق سبز تا کوره احیامستقیم، برای بهینه‌سازی هزینه‌های سرمایه‌ای و عملیاتی و کاهش قیمت هر کیلوگرم هیدروژن تولیدشده ضروری است. هیدروژن باید به محل کارخانه منتقل شده و تحت عملیات به دما و فشار موردنیاز برای ورود به کوره برسد. در پروژه‌های آف‌گرید، تمام برق باید از منابع انرژی تجدیدپذیر تأمین شود و تقاضای تجهیزات دیگر کارخانه فولاد مانند کوره‌های قوس الکتریکی نیز در نظر گرفته شود. اندازه‌گیری سیستم‌های ذخیره‌سازی باید این تقاضا‌ها را پوشش دهد و عملیات در زمان کمبود برق اولویت داشته باشد. ذخیره‌سازی هیدروژن در دوره‌های مازاد تولید انرژی تجدیدپذیر ممکن است برای تضمین عملیات بدون وقفه لازم باشد. سیستم باید قابلیت تولید و تحویل مداوم هیدروژن موردنیاز را طی چندین سال به‌صورت قابل‌اعتماد داشته باشد. بر اساس محاسبات انجام شده، برای تولید یک‌میلیون تن HBI در سال با تقاضای خاص ۵۲۸ Nm³ هیدروژن به ازای هر تن به علاوه ۱۰ درصد نرخ پاک‌سازی، حدود ۶۳۵ Nm³ هیدروژن در تن موردنیاز است که این مقدار به تقاضای سالانه ۵۳۴۰۴ تن هیدروژن معادل حدود ۶٫۱ تن هیدروژن در ساعت منجر می‌شود. الکترولایزر‌های مدرن قادر به تولید تا ۱۹ کیلوگرم هیدروژن در هر مگاوات‌ساعت هستند و با در نظر گرفتن نرخ استهلاک سالانه یک درصد، نرخ متوسط ۱۸ کیلوگرم هیدروژن در هر مگاوات‌ساعت طی ده سال برای هر دو حالت بار پایه و چرخه‌ای فرض شده است. این امر نیازمند ظرفیت الکترولایزر حدود ۳۳۸ مگاوات و قرارداد خرید برق حداقل ۲٫۹۶۷ تراوات‌ساعت است؛ بنابراین برای دستیابی به اهداف کاهش کربن صنعت فولاد، باید سهم انرژی تجدیدپذیر در تأمین برق تا حد ممکن بالا باشد. چالش اصلی تأمین قابل‌اعتماد هیدروژن سبز زمانی ظاهر می‌شود که از منابع متناوب مانند باد و فتوولتائیک استفاده شود.

برای ارزیابی تولید، در پژوهشی پروفایل‌های تولید ساعتی بر اساس داده‌های هواشناسی سال ۲۰۱۹ از اسپانیا، عمان و استرالیا بررسی شدند. پروفایل‌های اسپانیا و عمان فرض بر اتصال به شبکه دارند و اجازه استفاده از برق غیر تجدیدپذیر را می‌دهند، درحالی‌که در مرحله دوم با افزودن سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی، ردپای کربن کاهش یافته و تولید کاملاً سبز امکان‌پذیر می‌شود. پروفایل‌های استرالیا آف‌گرید در نظر گرفته شده‌اند و اولویت با تأمین برق عملیات معدنی ۲۴ ساعته است و مازاد انرژی برای تولید هیدروژن استفاده می‌شود. سیستم انرژی برای دستیابی به کمترین هزینه سرمایه‌گذاری بهینه‌سازی شده است. دقت محاسبات ۵۰± مگاوات برای تولید انرژی تجدیدپذیر، ۱۰± مگاوات برای الکترولایزر و ظرفیت‌های مختلف سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی ۲۰۰ تا ۸۰۰ مگاوات با مدت ذخیره ۲ تا ۸ ساعت در نظر گرفته شده و هزینه‌ها بر اساس داده‌های مرکز ملی انرژی‌های تجدیدپذیر (NERL) و دپارتمان انرژی آمریکا تا سال ۲۰۳۰ برون‌یابی شده‌اند. نتایج نشان می‌دهد که با نصب ۵۰۰ مگاوات منابع انرژی تجدیدپذیر در اسپانیا، سهم هیدروژن سبز حدود ۳۷٫۶ تا ۴۲٫۱ درصد است. این سهم با افزایش ۱۰۰۰ مگاواتی به ۶۳٫۵ تا ۷۱ درصد و با ۱۵۰۰ مگاواتی به ۷۳٫۲ تا ۸۱٫۸ درصد می‌رسد. برای کاهش کامل کربن، باید سیستم‌های ذخیره‌سازی الکتریکی یا هیدروژنی اضافه شوند. در اسپانیا و عمان، مخلوط بهینه منابع انرژی تجدیدپذیر حدود ۱۴۵۰ تا ۱۵۰۰ مگاوات همراه با ۶۰۰ مگاوات الکترولایزر کمترین هزینه سرمایه را دارد. افزودن سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی ۲۰۰ مگاوات با ظرفیت ۶ ساعت در اسپانیا، ظرفیت بادی و الکترولایزر را حدود ۱۳۰ مگاوات کاهش می‌دهد و صرفه‌جویی قابل‌توجهی ایجاد می‌کند. تحلیل بهره‌برداری الکترولایزر‌ها نشان می‌دهد که برخی واحد‌ها نزدیک به حالت بار پایه با بیش از ۸۰۰۰ ساعت کارکرد عمل می‌کنند، درحالی‌که بیشتر واحد‌ها به دلیل سهم بالای فتوولتائیک، به‌صورت چرخه‌ای با توقف‌های متعدد کار می‌کنند. افزودن سیستم‌های ذخیره‌ساز ساعات کارکرد را افزایش و تعداد توقف‌ها را به‌طور محسوسی کاهش می‌دهد. در سیستم آف‌گرید استرالیا، با تقاضای پیک معدنی ۱۶۸ مگاوات، نصب حدود ۲ گیگاوات منابع انرژی تجدیدپذیر و بیش از ۵۶۰ مگاوات الکترولایزر پیشنهاد شده است. ترکیب ۱۰۰۰ مگاوات فتوولتائیک و ۱۰۰۰ مگاوات باد همراه با سیستم‌های ذخیره‌ساز ۴۰۰ مگاوات با ظرفیت ۶ ساعت، عملکرد نزدیک به بار پایه با بیش از ۸۴۰۰ ساعت کارکرد و توقف‌های بسیار کم فراهم می‌کند، هرچند هزینه سرمایه گزاری حدود ۵۰ درصد بالاتر است. این سیستم علاوه بر تولید هیدروژن، عملیات معدنی سبز را نیز پشتیبانی می‌کند.

در نتیجه، تأمین هیدروژن سبز برای فرآیند احیا مستقیم آهن، کلید اصلی کربن‌زدایی از صنعت فولاد به شمار می‌رود. در تحقیقات مفصلی، سیستم‌های انرژی متنوعی که قادر به تولید بیش از ۵۳ هزار تن هیدروژن در سال هستند، بررسی شدند. مقایسه پروفایل‌های تجدیدپذیر سه کشور نشان‌دهنده وابستگی شدید به ترکیب منابع فتوولتائیک و باد است. پروژه‌های متصل به شبکه و آف‌گرید هر دو به نصب ۱٫۵ تا ۲ گیگاوات ظرفیت منابع انرژی تجدیدپذیر برای تأمین الکترولایزر‌های ۴۴۰ تا ۱۰۵۰ مگاواتی نیاز دارند. افزودن سیستم‌های ذخیره‌ساز در مقیاس بزرگ، ظرفیت موردنیاز منابع تجدیدپذیر و الکترولایزر را کاهش می‌دهد، بهره‌برداری الکترولایزر‌ها را بهبود می‌بخشد و هزینه کلی سیستم انرژی را پایین می‌آورد. نهایتاً سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی طولانی‌مدت آینده می‌توانند هزینه‌ها را بیش از پیش کاهش دهند و امنیت تولید و تأمین هیدروژن را افزایش بخشند.

منبع: پایگاه خبری - تحلیلی ایراسین