كهرباء الحديد: مستقبل صناعة الصلب الأخضر

أهمية الحديد

غالبًا ما يُنظر إلى الحديد على أنه معدن ممل من قبل المستثمرين. فهو يتبع في الغالب دورات الاقتصاد العالمي ومن غير المرجح أن يكون له أي سرد مرتبط به. لا أحد يتوقع أن يتضاعف طلب الحديد ثلاث مرات في العقد القادم بسبب طلب البطاريات، إنتاج الألواح الشمسية، طفرة في مجال الفضاء وسط سباق الفضاء، أو تزايد مخاطر الصراعات العالمية.

لكن هذا يمكن أن يكون أيضًا ميزة. تقريبًا 90٪ من جميع المعادن التي تُصقل اليوم هي الحديد.

الحديد والصلب (المكوّن من 97٪ من الحديد) موجودان في كل شيء نستخدمه يوميًا في العالم الحديث:

• البنية التحتية: الجسور، السكك الحديدية، الموانئ.
• البناء: الخرسانة المسلحة، العوارض، الأسقف، المسامير والبراغي، إلخ.
• النقل: السيارات، القطارات، السفن.
• الاستخدامات الصناعية: الأنابيب وخطوط الأنابيب، الخزانات التخزينية، الآلات الثقيلة،
• الدفاع: السفن الحربية، الدبابات، قذائف المدفعية، الأسلحة، الرصاص، إلخ.
• الطاقة: الأفران، التوربينات، أعمدة توربينات الرياح، إطارات الألواح الشمسية، إلخ.
• الرعاية الصحية: الأسرة، الأدوات الجراحية، إلخ.
• السلع الاستهلاكية: الأجهزة المنزلية، الأجهزة، المواقد، إلخ.

ومع ذلك، فإن إنتاج الحديد للأسف عملية كثيفة الكربون جدًا، وتعتمد في الغالب على نوع خاص من الفحم: فحم الكوك.

تمت بعض المحاولات لاستبدال فحم الكوك بالهيدروجين الأخضر، لكن يمكن استخدام الهيدروجين فقط مع خام الحديد عالي الجودة جدًا. سيتطلب الأمر خامًا أرخص يحتوي على نسبة أقل من الحديد لتعويض التكاليف الأعلى للهيدروجين مقارنة بالفحم.

إجراءات فرن الصهر التقليدي يمكن استبدالها بعملية جديدة تسمى صهر الحديد الفوري، تشبه أكثر انفجارًا من ذوبان بطيء للخام.

يبحث الباحثون من جامعة أوريغون عن إمكانية أكثر إثارة: إلغاء الحاجة إلى درجات حرارة مرتفعة، وتكرير خامات الحديد باستخدام الكهرباء فقط. سيكون ذلك تقدمًا هائلًا للعالم، حيث يمكن استخدام الكهرباء الخضراء مباشرةً، دون تحويل مكلف إلى هيدروجين، وسيقلل بشكل كبير من انبعاثات الكربون العالمية.

نشروا هذا البحث في مجلة ACS Energy Letters¹، تحت عنوان “مسارات لصناعة الحديد الكهروكيميائي على نطاق واسع عبر الاختزال المباشر لـ Fe2O3”.

خام الحديد إلى معدن الحديد

يوجد الحديد في الطبيعة على شكل مؤكسد، وبشكل بارز الهيماتيت (Fe2O3). لكي يكون مفيدًا كمعدن صناعي، يجب إزالة ذرات الأكسجين.

عادةً ما يتم ذلك بإضافة الفحم، حيث يتحول الكربون الموجود فيه إلى CO2. بدلاً من ذلك، يستخدم الحديد الأخضر الهيدروجين الذي يتحول إلى ماء (H2O).

خيار آخر هو تزويد أكسيد الحديد بالطاقة الكافية لتفصل ذرة الأكسجين وتتشكل أكسجين غازي (O2). هذه هي الفكرة وراء صناعة الحديد الكهروكيميائية. إنها تفاعل كهروكيميائي يعمل بشكل أفضل في ظروف قاعدية (عكس الحمضية).

المصدر: ACS Energy Letters

يجب الإشارة إلى أن هذه العملية تحتاج أيضًا إلى أن تكون قابلة للتوسع بشكل كبير، حيث أن الإنتاج العالمي السنوي للحديد يبلغ مقياس المليون طن سنويًا.

اختزال الحديد الكهربي

لاختبار كيفية جعل هذا النوع من التفاعل أكثر كفاءة، صمم الباحثون نظامًا مخصصًا يعمل قليلاً مثل البطارية، ويعمل عند درجة حرارة 82°C (180°F) فقط.

المصدر: ACS Energy Letters

في هذا الإعداد، تُعلق جزيئات الحديد في محلول هيدروكسيد الصوديوم (NaOH)، ولكن يمكن أيضًا استخدام الملح المنصهر (NaCl) والذي يمكن أن ينتج كلور (Cl2) كمنتج ثانوي.

تم تقليل أكاسيد الحديد الكثيفة، أو تحويلها إلى الحديد العنصري، بأعلى درجة من الانتقائية عند كثافة تيار قدرها 50 ملي أمبير لكل سنتيمتر مربع، مشابهة لشحن بطاريات الليثيوم أيون بسرعة.

اكتشفوا أنه بينما عملت العملية جيدًا مع جزيئات الحديد التجريبية عند استخدام خام طبيعي بجزيئات غير منتظمة الحجم وكثيفة وشوائب، لم تكن العملية انتقائية وفعّالة بما يكفي.

العثور على الظروف المناسبة

حدث غريب خلال الاختبارات الأولية أن بعض الجزيئات تتحول إلى الحديد المعدني بشكل أفضل من غيرها، دون أي ارتباط بحجمها، على عكس التوقعات. لذا بدأ الباحثون في اختبار ما إذا كان الهيكل النانوي للجزيئات قد يكون عاملاً أكثر أهمية.

تم اختبار جزيئات أكسيد الحديد ذات عرض ميكرومتر مع شوائب الكربون والباريم ولم يتم تقليلها بشكل كافٍ.

بدلاً من ذلك، سهلت الجزيئات المفتوحة ذات المسامية الأعلى، وبالتالي مساحة سطح أكبر، إنتاج الحديد الكهروكيميائي بشكل أكثر كفاءة، مقارنةً بتلك التي تم تصميمها لتشبه خام الحديد الطبيعي الهيماتيت الأقل مسامية.

المصدر: ACS Energy Letters

“تحديد الأكاسيد التي يمكن تحويلها إلى معدن الحديد في درجات حرارة منخفضة هو خطوة مهمة في تطوير عمليات صهر الصلب الكهربية بالكامل.”
Paul Kempler – باحث رئيسي في the University of Oregon

جعل اختزال الحديد الكهربي تنافسيًا

على الرغم من هذا القيد، لا يزال اختزال الحديد الكهربي قابلًا للعمل من الناحية الاقتصادية. ذلك لأن الطريقة تستخدم طاقة أقل بكثير ودرجة حرارة أقل، مما يقلل من التكلفة الإجمالية لإنتاج الحديد.

مع هذه العملية، سيكلف إنتاج الحديد حوالي 600 دولار للطن. هذا اقتصادي نسبيًا، لكنه ليس مثاليًا مقارنةً بتكلفة الصلب المتوسطة المنتجة في عملية فرن الصهر/فرن الأكسجين الأساسي، التي قُدرت مؤخرًا بحوالي 400 دولار للطن.

يمكن أن تكون خطوة إضافية لزيادة الربحية هي دمج اختزال الحديد مع إنتاج المواد الكيميائية. يمكن دمج خلايا إنتاج الحديد الكهربية مع خلايا إنتاج الكلور لتشكيل وحدة إنتاج كلور‑الحديد، والتي يمكن تركيبها على التوالي لإنشاء مصنع إنتاج كامل.

المصدر: ACS Energy Letters

عند أخذ إنتاج Cl2 في الاعتبار، وهو مادة كيميائية مفيدة تُستخدم بكميات هائلة من قبل الصناعة الكيميائية، تبدو اقتصاديات العملية أفضل، ومن المحتمل أن تقربها كثيرًا من تكاليف فرن الصهر.

تحسينات إضافية

المشكلة في الاعتماد فقط على الخام ذو البنى النانوية المناسبة هي أنه قد يحد بشدة من إمكانات تبني هذه التقنية على نطاق واسع، حتى لو كانت الاقتصاديات مواتية. بشكل عام، من غير المرجح أن يكون إعادة تصميم كامل صناعة تعدين الحديد، التي تنتج الكثير من الهيماتيت منخفض المسامية، أمرًا واقعيًا.

بديلًا قد يكون تقنيات جديدة لجعل المواد الأولية من أكسيد الحديد أكثر مسامية، ربما من خلال استخدام الكهرباء أو الصدمة الحرارية.

شركة تعدين الحديد

يمكن أن يؤدي انخفاض تكاليف صهر الحديد وانبعاثات الكربون إلى جعل الصلب مادة أكثر شعبية مما هي عليه اليوم. عندما يتعلق الأمر بالتعدين، فإن الحجم والجيولوجيا الجيدة هما كل شيء، حيث تسمح تكاليف الإنتاج المنخفضة بأرباح أعلى وسلامة خلال فترات الانخفاض، التي لا مفر منها في أسواق السلع.

شركة فال البرازيلية هي أكبر منتج للحديد والنيكل في العالم، بإجمالي 323-330 مليون طن تم إنتاجه في عام 2024.

الشركة أيضًا منتج للمعادن ذات الصلة بالتحول الطاقي مثل النحاس. بينما قد تصبح هذه المعادن أكثر أهمية في المستقبل، فإن الحديد هو جوهر الشركة حاليًا.

كانت الشركة أكثر تنوعًا في السابق لكنها أعادت تركيزها حول الحديد في السنوات الأخيرة، حيث تخلت عن أصول قيمتها 2 مليار دولار من مناجم معادن أخرى وسلع أخرى مثل زيت النخيل.

المصدر: Vale

قاعدة أصول كبيرة

تُصنف فال كشركة مرافق متوسطة الحجم، وتدير سكة حديد خاصة بها، وقطارات، وموانئ، وسفن لنقل الخام من الاستخراج إلى التسليم للعملاء.

كما أنها تنتج الكثير من طاقتها الخاصة، حيث تعمل في مناطق نائية ولا يمكنها الاعتماد على الحكومة البرازيلية للقيام بعملها بشكل صحيح، خاصةً بالنظر إلى احتياجاتها الضخمة من الطاقة.

كان ذلك يُنفذ عادةً باستخدام الطاقة المائية، حيث أن أعمال التعدين لا تختلف كثيرًا عن بناء محطات الطاقة المائية (أعمال الحفر، تفجير الصخور، كميات هائلة من الخرسانة، الآلات الثقيلة، مشاريع بناء ضخمة، إدارة الأمطار، إلخ).

تُكمل هذه البُنى التحتية مركز البحث والتطوير الخاص بالشركة، والمختبرات، ومئات الجيولوجيين، ومراكز التدريب، إلخ.

التغلب على المسؤوليات السابقة

أحد المخاطر الكبيرة مع شركة تعدين ضخمة مثل فال هو وقوع حادث كبير يسبب أضرارًا جسيمة.

هذا ما حدث في عام 2015، حيث وقع كارثة ضخمة بعد انهيار سد بُني بواسطة فال. ثم حدث حادث مشابه في عام 2019.

تسبب الفيضانات في أسوأ كارثة بيئية في تاريخ البرازيل حتى الآن، مما أدى إلى مقتل 19 شخصًا، وتأثر 39 بلدية عبر ولايتين، حيث تم دفنها في مخلفات التعدين.

منذ ذلك الحين، تم إصلاح العديد من السدود المشابهة و/أو تحسينها لتجنب حدوث كارثة أخرى خلال موسم الأمطار.

كما غيرت الشركة طريقة عملها، حيث استثمرت 2.5 مليار دولار في أربع محطات ترشيح لإنشاء مخلفات جافة (الصخور المكسرة، الغبار، والطين) بدلاً من المخلفات الرطبة التي تتطلب السدود. لذا في المستقبل، لن ينتج نشاط تعدين الحديد هذا النوع من النفايات التي تحتاج إلى سدود.

كما تعمل الشركة بنشاط على إصلاح صورتها، مؤكدةً أن نشاطها التعدينى أنشأ محمية طبيعية كبيرة ممولة من قبل الشركة، وهي مساهم رئيسي في الحفاظ على الغابات المطيرة البرازيلية، مع تحويل باقي المنطقة إلى مراعي خلال العقود الماضية.

المصدر: Vale

بشكل عام، تتجاوز فال الآن مشكلاتها السابقة مع الكوارث البيئية وتتحول إلى أحد أكثر الأصول قيمة في البرازيل وموردًا مركزيًا للحديد للعالم، وخاصةً للصين، وهي دولة تعزز البرازيل علاقاتها معها من خلال شبكة التجارة في مجموعة البريكس وفي ظل تصاعد التعريفات والتوترات مع الولايات المتحدة.

آخر أخبار فال

الدراسات المشار إليها:

^{1. Anastasiia Konovalovaet al. (2025). مسارات لصناعة الحديد الكهروكيميائي على نطاق واسع عبر الاختزال المباشر لـ Fe2O3. ACS Energy LettersVol 10/Issue 4. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenergylett.5c00166}