بررسی و تحلیل میزان انتشار کربن در تولید محصولات شرکت فولاد آلیاژی ایران، مقایسه با مقادیر مرجع بین‌المللی و ارائه راهکارهای کاهش میزان انتشار

مقدمه

انتشار گازهای گلخانه‌ای و به طور ویژه گاز کربنیک (CO2) یکی از دلایل اصلی افزایش دمای کره زمین به شمار می‌رود که تبعات زیست محیطی گسترده و مخربی در پی دارد. در حال حاضر حدود %7 از کل حجم گاز CO2 تولید شده در جهان، سهم صنعت فولاد است [۱] و ایران به عنوان یکی از 10 تولیدکننده برتر فولاد دنیا، می‌بایست نگاه ویژه‌ای در جهت کاهش حجم گاز کربنیک داشته باشد.

سازوکار تعدیل مرزی کربن (CBAM: Carbon Border Adjustment Mechanism)، ابزار اتحادیه اروپا با هدف کاهش میزان انتشار CO2 از طریق اعمال هزینه کربنی برای برخی کالاهای وارداتی (از جمله فولاد) به این اتحادیه است. دوره انتقالی (Transitional period) CBAM در بازه زمانی سال‌های ۲۰۲۳ إلی ۲۰۲۵ اجرا شد که در این دوره می‌بایست میزان انتشار کربن محصولات وارداتی به اتحادیه اروپا به صورت خوداظهاری اعلام می‌شد. دوره قطعی (Definitive period) این سازوکار از ابتدای سال ۲۰۲۶ آغاز شده و به موجب آن، واردکنندگان باید علاوه بر اظهار میزان انتشار، متناسب با انتشار مشمول، گواهی CBAM تهیه و تسلیم کنند. البته در حال حاضر، گواهی CBAM ارائه نمی‌شود و فرایند تهیه و تسلیم گواهی برای محصولات وارد شده در سال ۲۰۲۶، از سال ۲۰۲۷ اجرایی خواهد شد [۲و ۳]. بنابراین لزوم تعیین میزان انتشار CO2 منتشر شده در تولید محصولات فولادی بیش از پیش احساس می‌شود.  

هدف از تحقیق پیش‌رو، محاسبه و تحلیل میزان انتشار کربن در تولید محصولات فولادی در شرکت فولاد آلیاژی ایران مطابق با مقررات CBAM است. همچنین سهم منابع مختلف در انتشار مشخص شده و با تعیین منابع پرانتشار، مؤثرترین و مقرون به‌صرفه‌ترین راهکارهای کاهش انتشار پیشنهاد گردیده است.

روش تحقیق

در تحقیق حاضر، میزان انتشار کربن در بازه زمانی یک‌ساله (سال ۱۴۰۴) در شرکت فولاد آلیاژی ایران به روش محاسباتی و مطابق با اسناد راهنما و مقررات اجرایی CBAM [7-2] تعیین شد. مطابق با شکل 1، فرایند تولید به دو بخش تقسیم شده است:

·        فرایند ۱: فولادسازی شامل: EAF + LF + VD/VOD + CCM/IC

·        فرایند ۲: نورد و عملیات حرارتی

شکل 1. طرح‌واره مسیر تولید فولادهای آلیاژی در شرکت فولاد آلیاژی ایران به همراه پارامترهای مورد پایش مطابق با مقررات CBAM.

با توجه به شکل 1، از آنجاییکه بخشی از محصولات فولادسازی به صورت مستقیم به بازار فروخته شده و مابقی به عنوان ماده ورودی به فرایند 2 منتقل می‌شود، می‌بایست فرایند تولید به دو بخش تقسیم شود. چنانچه تمامی محصولات فولادسازی به عنوان ماده ورودی به فرایندهای نورد و عملیات حرارتی منتقل شود، می‌توان از رویکرد حبابی (Bubble approach) استفاده نمود [۲]؛ بدین معنی که کل فرایندهای فولادسازی، نورد و عملیات حرارتی را در قالب یک فرایند تولید در نظر گرفت.

در جدول 1، کلیه پارامترهایی که می‌بایست به عنوان ورودی فرایندهای 1 و 2 مورد پایش قرار گیرند ارائه شده است. میزان مصرف هر یک از این پارامترها در بازه زمانی یک‌ساله (سال 1404)، اندازه‌گیری و به عنوان پارامترهای ورودی در محاسبه میزان انتشار کربن مورد استفاده قرار گرفته‌ است [۲و ۴]. همچنین، در محاسبه میزان انتشار از مقادیر پیش‌فرض ارائه شده توسط اتحادیه اروپا شامل ضرایب انتشار (EF: Emission Factor) برای برق، گاز و مواد مختلف استفاده شده است [۶].

جدول 1. پارامترهای ورودی مورد پایش در فرایندهای تولید

نتایج و بحث

نتایج و تحلیل‌های انجام شده در قالب سه بخش ارائه شده است. در بخش اول، سهم میزان انتشار کربن به تفکیک فرایندها و منابع مختلف در شرکت فولاد آلیاژی ایران محاسبه شده و منابع با بالاترین میزان انتشار مشخص شده‌اند. در بخش دوم، میزان انتشار کربن در تولید محصولات فولادی با مقادیر مرجع (Benchmark) بین‌المللی مقایسه گردیده است. در بخش سوم، راهکارهای کاهش میزان انتشار به ترتیب اولویت معرفی و مورد بررسی قرار گرفته است.

۱) محاسبه میزان انتشار در شرکت به تفکیک فرایندها و منابع انتشار مختلف

میزان انتشار کربن در تولید محصولات فولادی شامل ۳ بخش اصلی می‌باشد:

·        انتشار مستقیم (Direct emission) ناشی از فرایندهای تولید داخل شرکت (فرایندهای 1 و 2)

·        انتشار غیرمستقیم (Indirect emission) ناشی از برق مصرفی در فرایندهای تولید

·        انتشار نهفته (Embedded emission) ناشی از کربن منتشر شده حین تولید مواد اولیه خریداری شده

در شکل 2 سهم هر یک از انتشارهای مذکور در شرکت فولاد آلیاژی نشان داده شده است. ملاحظه می‌شود که بالاترین سهم انتشار مربوط به کربن منتشر شده حین تولید مواد اولیه خریداری شده (شامل آهن اسفنجی، فروآلیاژها و آهک و دولومیت) است ( %69). سهم میزان انتشار ناشی از تولید برق مصرفی در فرایندهای تولید برابر با %22 و سهم انتشار ناشی از فرایندهای تولید شرکت (فولادسازی، نورد و عملیات حرارتی) تنها 9% می‌باشد. در ادامه سهم انتشار هر یک از این ۳ بخش با جزئیات و به تفکیک منابع و جریان‌های انتشار مختلف، محاسبه و مورد تحلیل قرار گرفته است. هدف از این بخش، شناسایی نقاط با بالاترین میزان انتشار به منظور اولویت‌‌بندی راهکارهای کاهش انتشار است.

شکل 2. سهم انتشارهای مستقیم، غیرمستقیم و نهفته در تولید محصولات آلیاژی در شرکت فولاد آلیاژی ایران.

۱-۱) انتشار مستقیم ناشی از فرایندهای تولید

در جدول 2، سهم هر یک از منابع انتشار CO2 در فرایندهای تولید 1 و 2 به تفکیک ارائه شده است. منظور از سهم در انتشار مستقیم، نسبت انتشار منبع به مجموع انتشارهای مستقیم فرایندهای 1 و 2 و منظور از سهم در انتشار کل، نسبت انتشار منبع به مجموع انتشارهای مستقیم، غیرمستقیم و نهفته است. ملاحظه می‌شود بالاترین سهم در انتشار کل مربوط به گاز مصرفی در فرایندهای 1 و 2 (3/4 %) و پس از آن به ترتیب ناشی از آهن اسفنجی (3/26 %) و مواد کربنی (2/25 %) می‌باشد. همچنین سهم فرایند فولادسازی در انتشار کل، 6/2 % و سهم فرایند نورد+عملیات حرارتی در انتشار کل، 2/7 % و بنابراین مجموع انتشارهای مستقیم فرایندهای تولید معادل 8/9 % از کل انتشار می‌باشد (در تطابق با شکل 2). از آنجاییکه کربن موجود در فولاد و سرباره تولیدی، به صورت CO2 منتشر نمی‌شود، بنابراین در محاسبات موازنه جرمی، سهم آنها منفی در نظر گرفته می‌شود [۲].

جدول 2. سهم منابع مختلف در فرایندهای تولید داخل شرکت در انتشار CO2

۲-۱) انتشار غیرمستقیم ناشی از برق مصرفی در فرایندهای تولید

منظور از انتشار غیرمستقیم، انتشارهای ناشی از تولید برق مصرف‌شده در فرایندهای تولید فولاد می‌باشد [۲]. در جدول 3 سهم انتشار ناشی از برق مصرفی در فرایندهای تولید گزارش شده است. مشاهده می‌شود بخش عمده انتشار غیرمستقیم مربوط به فرایند فولادسازی است (95/6 % از انتشار غیرمستقیم و 20/7 % از انتشار کل). همچنین مجموع انتشارهای غیرمستقیم فرایندهای تولید، معادل 21/6 % از کل انتشار می‌باشد (در تطابق با شکل 2).

جدول 3. سهم فرایندهای تولید داخل شرکت در انتشار غیرمستقیم CO2 (ناشی از مصرف برق)

۳-۱) انتشار نهفته ناشی از کربن منتشر شده حین تولید مواد اولیه خریداری شده

در جدول 4 سهم انتشار ناشی از تولید مواد اولیه خریداری و مصرف شده در فرایند فولادسازی (به تفکیک آهن اسفنجی، فروآلیاژها و آهک و دولومیت) گزارش شده است. ملاحظه می‌شود بخش عمده انتشار متعلق به CO2 منتشر شده جهت تولید آهن اسفنجی در واحدهای احیاء مستقیم است (معادل 95/7 % از انتشار نهفته و 66/5 % از انتشار کل). در انجام محاسبات، مطابق با مقررات CBAM [۶] ضریب انتشار برای آهن اسفنجی برابر با مقدار پیش‌فرض t CO2 / t DRI 1/458 در نظر گرفته شد. این در حالی است که با توجه به استفاده از خوراک گاز طبیعی به عنوان عامل احیاکننده در واحدهای احیاء مستقیم ایران، میزان واقعی ضریب انتشار کمتر از مقدار مذکور می‌باشد. با عنایت به سهم بسیار بالای انتشار نهفته آهن اسفنجی در انتشار کل، اندازه‌گیری میزان واقعی انتشار در واحدهای احیاء مستقیم ضروری است و از جمله اقداماتی است که می‌بایست در صنعت فولاد کشور با فوریت انجام شود. با توجه به جدول 4، مجموع انتشارهای نهفته مواد اولیه خریداری شده، معادل 69/5 % از انتشار کل می‌باشد (در تطابق با شکل 2).

جدول 4. سهم انتشار نهفته مواد اولیه خریداری شده و مصرف شده در فرایند تولید 1

4-1) انتشار ویژه

منظور از انتشار ویژه، نسبت تن CO2 منتشر شده به ازای هر تن محصول می‌باشد. در جدول 5، میزان انتشار ویژه مستقیم و غیرمستقیم به تفکیک فرایندهای فولادسازی و نورد+عملیات حرارتی گزارش شده است. مشاهده می‌شود که میزان انتشار ویژه مستقیم برای محصولات فولادسازی و نورد+عملیات حرارتی به ترتیب برابر با 0/169 و t CO2/t product 0/133 می‌باشد. همچنین مجموع میزان انتشار ویژه مستقیم و غیرمستقیم برای محصولات فولادسازی برابر با t CO2/t product 0/738 تخمین زده شد.

جدول 5. میزان انتشار ویژه مستقیم و غیرمستقیم در فرایندهای فولادسازی و نورد+عملیت حرارتی

۲) میزان انتشار ویژه محصولات فولاد خام کم آلیاژ طبق اسناد CBAM

در جدول 6 میزان انتشار کل ویژه محصولات خام فولادسازی در کشورهای برتر تولیدکننده فولاد ارائه گردیده است. مقادیر پیش‌فرض و مرجع ارائه شده، مربوط به سال 2026 بوده و از مقررات اجرایی CBAM [۳و ۶] استخراج گردیده است. این مقادیر مربوط به فولادهای خام کم‌آلیاژ (فولادهای آلیاژی با مجموع عناصر آلیاژی کمتر از ۸٪) می‌باشد. منظور از فولاد خام، محصولات نیمه‌تمام ریخته‌گری پیوسته و یا نوردی با مقطع مربعی یا مستطیلی (با فرض: عرض کوچکتر از دو برابر ضخامت) است. مقادیر پیش‌فرض، بیانگر وضعیت فعلی میزان انتشار در کشورهای مختلف (به صورت محتاطانه و در صورت استفاده از ضرایب انتشار پیش‌فرض) و مقادیر مرجع، بیانگر مقادیر هدف‌گذاری شده برای میزان انتشار بر اساس روش‌های تولید مختلف می‌باشد.

جدول 6. مقادیر پیش‌فرض و مرجع ارائه شده توسط اتحادیه اروپا برای انتشار کل ویژه CO2 مربوط به محصولات فولاد خام کم آلیاژ [۳و ۶]

با توجه به جدول 6 ملاحظه می‌شود که در اسناد CBAM، میزان پیش‌فرض انتشار کل ویژه محصولات فولادی تولید شده در ایران در مقایسه با مقادیر پیش‌فرض کشورهای مختلف وضعیت مناسبی داشته و اختلافی قابل توجه با کشورهایی نظیر هند، چین و ترکیه دارد. با توجه به آغاز دوره قطعی CBAM از ابتدای سال 2026 و اینکه می‌بایست از ابتدای فوریه سال 2027 برای محصولات فولادی صادراتی به اتحادیه اروپا (در صورتی که میزان صادرات در سال از مرز 50 تن عبور کند)، متناسب با میزان انتشار محصول، گواهی CBAM خریداری و ارائه شود؛ بنابراین انتشار پایین کربن می‌تواند به عنوان یک مزیت رقابتی مهم در صادرات مورد توجه ویژه قرار گیرد. البته ذکر این نکته ضروری است، که میزان انتشار هر کشور با توجه به نوع روش تولید آن سنجیده می‌شود. از سوی دیگر، مقایسه میزان انتشار پیش فرض محصولات با مقدار مرجع برای روش تولید DRI/EAF (که روش تولید اصلی فولادهای کم‌آلیاژ در ایران محسوب می‌شود) حاکی از آن است که فاصله قابل توجهی تا رسیدن به میزان انتشار هدف‌گذاری شده توسط اتحادیه اروپا وجود دارد و می‌بایست راهکارهای کاهش انتشار با جدیت مورد بررسی و استفاده قرار گیرد.  

۳) راهکارهای کاهش میزان انتشار

با توجه به داده‌های انتشار ارائه شده در قسمت 1، نقاط با بالاترین میزان انتشار در جدول 7 خلاصه شده است. مشاهده می‌شود که حدود 88% از سهم انتشار CO2 مربوط به انتشارهای رخ داده حین تولید آهن اسفنجی و برق می‌باشد. بنابراین اولویت اتخاذ راهکارهای کاهش انتشار، متمرکز بر این دو منبع انتشار است.

جدول 7. نقاط با بالاترین میزان انتشار و راهکارهای کاهش انتشار

در مورد کاهش میزان انتشار در فرایند تولید آهن اسفنجی به روش احیاء مستقیم، دو راهکار اصلی وجود دارد. راهکار اول؛ جذب، ذخیره‌سازی و استفاده از کربن (CCUS: Carbon Capture, Utilization and Storage) و راهکار دوم؛ جایگزینی هیدروژن (هیدوژن آبی و یا سبز) به جای گاز طبیعی به عنوان عامل احیا. در شکل 3(الف) پتانسیل کربن‌زدایی روش‌های مختلف و در شکل 3(ب) افزایش هزینه ناشی از این روش‌ها گزارش شده است [۱]. ملاحظه می‌شود که روش جذب و ذخیره‌سازی کربن در واحدهای احیاء مبتنی بر گاز DRI-gas (CCS)) از پتانسیل بالایی در کاهش میزان انتشار برخوردار است؛ ضمن اینکه کمترین هزینه اضافی را به سیستم تحمیل می‌کند. در تحقیقی که در دانشگاه MIT آمریکا انجام شده، میزان افزایش هزینه ناشی از روش DRI-CCS حدود 7 درصد و میزان افزایش هزینه ناشی از روش‌های هیدروژن آبی (هیدروژن تولید شده از ریفرمینگ گاز طبیعی (Steam methane reforming) همراه با CCU) و هیدروژن سبز (هیدروژن به دست آمده از الکترولیز آب با برق تجدیدپذیر) به ترتیب حدود 18 و 79 درصد گزارش شده است [۸]. بنابراین با توجه به روش غالب تولید فولاد در کشور، استفاده از روش CCS در واحدهای احیاء مستقیم و همچنین جایگزینی بخشی از عامل احیاء واحدهای تولید آهن اسفنجی با هیدروژن آبی، ارزان‌ترین و اثربخش‌ترین راهکار میان مدت کاهش انتشار کربن برای صنعت فولاد ایران به شمار می‌رود.

شکل 3. (الف) پتانسیل کربن‌زدایی روش‌های مختلف و (ب) افزایش هزینه تولید فولاد در روش‌های مختلف کربن‌زدایی [۱].

در مورد کاهش میزان انتشار در تولید برق، راهکاری جز استفاده از انرژی‌های تجدیدپذیر خورشیدی و بادی در تولید برق نیست. تأمین بخشی از برق مصرفی صنعت فولاد از طریق نیروگاه‌های خورشیدی سهم قابل توجهی در کاهش میزان انتشار خواهد داشت. بنابر گزارش انجمن انرژی‌های تجدیدپذیر ایران، تا پایان تیرماه 1405 تعداد 1030 واحد نیروگاه خورشیدی با مجموع ظرفیت 4347 مگاوات در کشور به بهره‌برداری رسیده که این امر سبب کاهش انتشار 357 هزار تن CO2 گردیده است [۹]. 

نتیجه ­گیری

در این تحقیق میزان انتشار ویژه برای محصولات شرکت فولاد آلیاژی ایران مطابق با قوانین اتحادیه اروپا محاسبه شد. مهم‌ترین نتایج به دست آمده عبارتند از:

1) میزان انتشار ویژه مستقیم برای محصولات فولادسازی و نورد+عملیات حرارتی به ترتیب برابر با 0/169 و 0/133 t CO2/t product محاسبه شد. همچنین مجموع میزان انتشار ویژه مستقیم و غیرمستقیم برای محصولات فولادسازی برابر با 0/738 t CO2/t product به دست آمد.

2) سهم انتشارهای مستقیم، غیرمستقیم و نهفته به ترتیب برابر با 9، 22 و 69 درصد تعیین شد.

3) با توجه به سهم بالای میزان انتشار در حین تولید DRI، تعیین میزان انتشار در واحدهای احیاء مستقیم کشور از اهمیت بالایی برخوردار است.

4) طبق اسناد CBAM، میزان انتشار کل ویژه فولاد در ایران در مقایسه با بسیاری از کشورها نظیر هند، ترکیه و چین از وضعیت مناسبی برخوردار است؛ اما با مقادیر مرجع ارائه شده توسط اتحادیه اروپا اختلاف قابل توجهی دارد و می‌بایست راهکارهای کاهش انتشار کربن به طور ویژه مورد توجه قرار گیرد.

5)      بالاترین سهم انتشار مربوط به CO2 منتشر شده جهت تولید آهن اسفنجی خریداری شده (66/5 %) و برق مصرفی (21/6 %) می‌باشد. بنابراین راهکارهای میان مدت کاهش انتشار می‌بایست متمرکز بر این دو منبع انتشار باشد.

6)      پرپتانسیل‌ترین و مقرون به‌صرفه‌ترین راهکارهای میان مدت کاهش انتشار عبارتند از: اول؛ جذب و ذخیره‌سازی کربن از گاز خروجی رآکتور احیا و همچنین جایگزینی بخشی از گاز طبیعی با هیدروژن آبی به عنوان عامل احیا و دوم؛ تأمین بخشی از برق مصرفی از طریق نیروگاه‌های تجدیدپذیر.  

مراجع

[1] Z. Fan, S. J. Friedmann, “Low-carbon Production of Iron and Steel: Technology Options, Economic Assessment, and Policy”, Joule, 2021, 5, pp. 829-862.

[2] “Guidance Document on CBAM Implementation for Installation Operators Outside the EU”, 2023, Brussels, European Commission.

[3] “Commission Implementing Regulation (EU) 2025/2620”, 2025, Brussels, Official Journal of the European Union.

[4] “Guidance Document on CBAM Implementation for Importers of Goods into the EU”, 2023, Brussels, European Commission.

[5] “Commission Implementing Regulation (EU) 2023/1773”, 2023, Brussels, Official Journal of the European Union.

[6] “Commission Implementing Regulation (EU) 2025/2621”, 2025, Brussels, Official Journal of the European Union.

[7] “Regulation (EU) 2023/956 of the European Parliament and of the Council”, 2023, Brussels, Official Journal of the European Union.

[8] K. Benavides, A. Gurgel, J. Morris, B. Mignone, B. Chapman, H. Kheshgi, H. Herzog, S. Paltsev, “Mitigating Emissions in the Global Steel Industry: Representing CCS and Hydrogen Technologies in Integrated Assessment Modeling”, International Journal of Greenhouse Gas Control, 2024, 131, pp. 103963.

[9] Iran Renewable Energy Association, https://irrea.ir/