מחשמל ברזל: העתיד של ייצור פלדה ירוקה

חשיבות הברזל

ברזל נתפס לעתים קרובות כמתכת משעממת על ידי משקיעים. הוא עוקב בעיקר אחר מחזורים כלכליים עולמיים ולא סביר שיהיו קשורים אליו נרטיב כלשהו. אף אחד לא מצפה שהביקוש לברזל ישתשש בעשור הבא בגלל ביקוש לסוללות, ייצור פאנלים סולאריים, בום תעופה וחלל בתוך מירוץ חלל או סיכונים גוברים לסכסוך עולמי.

אבל זו יכולה להיות גם איכות. כ-90% מכל המתכת שמזוקקת בימינו היא ברזל.

ברזל ופלדה (עשויים מ-97% ברזל) נמצאים בכל דבר בכל מה שאנו משתמשים בו מדי יום בעולם המודרני:

• תשתיות: גשרים, מסילות ברזל, נמלים.
• בנייה: בטון מזוין, קורות, קירוי, מסמרים וברגים וכו'.
• תחבורה: מכוניות, רכבות, ספינות.
• שימושים תעשייתיים: צינורות וצינורות, מיכלי אחסון, מכונות כבדות,
• הגנה: ספינות מלחמה, טנקים, פגזי ארטילריה, רובים, כדורים וכו'.
• אנרגיה: תנורים, טורבינות, עמודי טורבינות רוח, מסגרות פאנלים סולאריים וכו'.
• שירותי בריאות: מיטות, מכשירים כירורגיים וכו'.
• מוצרי צריכה: מכשירי חשמל למטבח, מכשירי חשמל, קמינים וכו'.

עם זאת, ייצור ברזל הוא למרבה הצער תהליך עתיר פחמן, הנשען בעיקר על סוג מיוחד של פחם: פחם קוקינג.

נעשו כמה ניסיונות להחליף פחם קוקינג במימן ירוק, אך ניתן להשתמש רק בעפרות ברזל באיכות גבוהה מאוד עם מימן. עפרות זולות יותר עם תכולת ברזל נמוכה יותר תידרש כדי לפצות על העלויות הגבוהות יותר של מימן בהשוואה לפחם.

דנו בזה בעבר ניתן להחליף את הליך תנור הפיצוץ המסורתי בתהליך חדש שנקרא התכת ברזל הבזק, דומה יותר לפיצוץ מאשר התכה איטית של העפרה.

חוקרים מאוניברסיטת אורגון חוקרים אפשרות מסקרנת עוד יותר: לחסל את הטמפרטורות הגבוהות, וזיקוק עפרות ברזל רק באמצעות חשמל. זו תהיה התקדמות מסיבית עבור העולם, שכן ניתן להשתמש בחשמל ירוק ישירות, ללא המרה יקרה למימן, ובסך הכל יפחית את פליטת הפחמן העולמית באופן מסיבי.

הם פרסמו את המחקר הזה ב-ACS Energy Letters¹, תחת הכותרת "מסלולים לייצור ברזל אלקטרוכימי בקנה מידה באמצעות הפחתה ישירה של Fe2O3".

Iron Ore To Iron Metal

ברזל נמצא בטבע בצורה מחומצנת, בעיקר המטיט (Fe2O3). כדי להיות שימושי כמתכת תעשייתית, יש להסיר את אטומי החמצן.

בדרך כלל, זה נעשה על ידי הוספת פחם, כאשר הפחמן שהוא מכיל הופך ל-CO2. לחילופין, ברזל ירוק משתמש במימן שהופך למים (H2O).

אפשרות נוספת היא לתת לתחמוצת הברזל מספיק אנרגיה כדי שאטום החמצן ייפרד ויוצר חמצן גזי (O2). זה הרעיון מאחורי ייצור ברזל אלקטרוכימי. זוהי תגובה אלקטרוכימית הפועלת בצורה הטובה ביותר בתנאים אלקליים (ההפך מחומצי).

מקור: ACS אנרגיה מכתבים

יש לציין שגם תהליך זה צריך להיות מאוד מדרגי, שכן הייצור הגלובלי השנתי של ברזל הוא בקנה מידה של מיליון טון לשנה.

הפחתת אלקטרו ברזל

כדי לבדוק כיצד להפוך את סוג התגובה הזה ליעילה יותר, החוקרים תכננו מערכת מותאמת אישית שעובדת קצת כמו סוללה, ופועלת רק ב-82 מעלות צלזיוס (180 מעלות פרנהייט).

מקור: ACS אנרגיה מכתבים

במערך זה, חלקיקי הברזל מרחפים בתמיסת נתרן הידרוקסיד (NaOH), אך גם מלח מותך (NaCl) אפשרי ויכול לייצר כלור (Cl2) כתוצר לוואי.

תחמוצות ברזל צפופות הופחתו, או הומרו לברזל יסודי, באופן סלקטיבי ביותר בצפיפות זרם של 50 מיליאמפר לסנטימטר רבוע, בדומה לטעינה מהירה של סוללות ליתיום-יון.

הם גילו שלמרות שהתהליך עבד היטב עם חלקיקי ברזל בניסוי בעת שימוש בעפרות טבעיות עם חלקיקים וזיהומים בגודל לא סדיר, התהליך לא היה סלקטיבי ויעיל מספיק.

מציאת התנאים הנכונים

אירוע מוזר במהלך הבדיקות הראשוניות היה שחלקיקים מסוימים יהפכו לברזל מתכתי טוב יותר מאחרים, ללא קורלציה לגודלם, בניגוד לציפיות. אז החוקרים התחילו לבדוק אם המבנה הננוסקופי של החלקיקים יכול להיות גורם חשוב יותר.

חלקיקי תחמוצת ברזל ברוחב מיקרומטר עם זיהומי פחמן ובריום נבדקו ולא הצטמצמו מספיק.

לחלופין, חלקיקים רופפים בעלי נקבוביות גבוהה יותר, ולפיכך שטח פנים גבוה יותר, אפשרו ייצור ברזל אלקטרוכימי יעיל יותר, בהשוואה לאלו שנעשו כדי להידמות להמטיט עפרות ברזל טבעי פחות נקבובי.

מקור: ACS אנרגיה מכתבים

זה יכול להצביע על כך שרק צורה כלשהי של ברזל תתאים לתהליך זה.

"זיהוי תחמוצות שניתן להמיר למתכת ברזל בטמפרטורות נמוכות הוא שלב חשוב בפיתוח תהליכים מחושמלים במלואם לייצור פלדה".

פול קמפלר – חוקר ראשי ב אוניברסיטת אורגון

הפיכת ברזל הפחתת אלקטרו לתחרותי

למרות מגבלה זו, הפחתת אלקטרו ברזל עדיין יכולה לעבוד מנקודת מבט כלכלית. הסיבה לכך היא שהשיטה משתמשת בהרבה פחות חשמל וטמפרטורה נמוכה יותר, מה שמפחית את העלות הכוללת של ייצור ברזל.

בהליך זה, ייצור הברזל יעלה בסביבות 600 דולר לטון. זה חסכוני יחסית, אבל לא מושלם בהשוואה לעלות המפולסת של פלדה המיוצרת בתהליך תנור הפיצוץ/תנור החמצן הבסיסי, המוערכת לאחרונה בכ-400 דולר לטון.

צעד נוסף לרווחיות נוספת יכול להיות שילוב הפחתת ברזל עם ייצור כימיקלים. ניתן לשלב את התאים האלקטרוניים לייצור ברזל עם תאי ייצור כלור ליצירת יחידת ייצור ברזל כלור, שניתן להתקין בסדרה כדי ליצור מפעל ייצור שלם.

מקור: ACS אנרגיה מכתבים

כאשר לוקחים בחשבון את הייצור של Cl2, כימיקל שימושי מאוד המשמש בכמויות אדירות על ידי התעשייה הכימית, הכלכלה של הפעולות נראית טוב יותר, וכנראה מקרבת אותו הרבה יותר לעלויות כבשני הפיצוץ.

שיפורים נוספים

הבעיה עם התלות רק בעפרות עם המבנים הננומטריים הנכונים היא שזה יכול להגביל מאוד את הפוטנציאל לאימוץ נרחב של טכנולוגיה זו, גם אם הכלכלה חיובית. בסך הכל, לא סביר שעיצוב מחדש של כל תעשיית כריית הברזל, המייצרת הרבה המטיט עם נקבוביות נמוכה הוא ריאלי.

חלופה יכולה להיות טכניקות חדשות להפיכת חומרי הזנה של תחמוצת ברזל לנקבוביים יותר, פוטנציאלית באמצעות שימוש בחשמל או הלם תרמי.

חברת כריית ברזל

עמק

ירידה בעלויות התכת ברזל ופליטת פחמן עשויה להפוך את הפלדה לחומר פופולרי אפילו יותר ממה שהיא כיום. כשזה מגיע לכרייה, קנה מידה וגיאולוגיה טובה הם הכל, עם עלויות ייצור נמוכות המאפשרות רווחים ובטיחות גבוהים יותר בזמן שפל, שהם בלתי נמנעים בשווקי הסחורות.

חברת Vale הברזילאית היא היצרנית הגדולה בעולם של ברזל וניקל, עם סך של 323-330 מיליון טון שיוצרו ב-2024.

החברה היא גם יצרנית של מתכות רלוונטיות למעבר האנרגיה כמו נחושת. בעוד שמתכות אלו עשויות להיות חשובות יותר בעתיד, לעת עתה, ברזל הוא הליבה של החברה.

החברה הייתה מגוונת יותר, אך התרכזה מחדש סביב ברזל בשנים האחרונות, לאחר שמכרה 2 מיליארד דולר ממכרות מתכת שונים וסחורות אחרות כמו שמן דקלים.

מקור: עמק

בסיס נכסים גדול

Vale עומדת בדרישות כחברת שירות בינונית, המפעילה מסילת רכבת משלה, רכבות, נמלים ואוניות להובלת עפרות מהחילוץ ועד למסירה ללקוחות.

היא גם מייצרת הרבה מאנרגיה משלה, שכן היא פועלת באזורים מרוחקים ואינה יכולה לסמוך על ממשלת ברזיל שתעשה את עבודתה כראוי, במיוחד בהתחשב בדרישות ההספק העצומות שלה.

זה נעשה בדרך כלל עם אנרגיה הידרומית, שכן עסקי הכרייה אינם שונים כל כך מבניית אנרגיה הידרומית (עבודות אדמה, חפירת סלע עם חומרי נפץ, כמויות אדירות של בטון, מכונות כבדות, מגה פרויקטים של בנייה, ניהול גשם וכו').

לתשתיות אלו משלימים מרכז מו"פ של החברה, מעבדות, מאות גיאולוגים, מרכזי הדרכה וכו'.

התגברות על התחייבויות קודמות

סיכון אחד גדול בחברת כרייה ענקית כמו Vale הוא תאונה מסיבית שגורמת לנזק מסיבי.

זה מה שקרה ב-2015, עם אסון עצום שהתרחש לאחר קריסת סכר שנבנה בוואל. ואז תקרית דומה ב-2019.

ההצפה גרמה לאסון הסביבתי החמור ביותר של ברזיל עד כה, הרג 19 בני אדם, והשפיע על 39 עיריות בשתי מדינות, תוך קבורתם בפסולת כרייה.

מאז, הרבה סכרים דומים תוקנו ו/או שופרו כדי למנוע קטסטרופה נוספת במהלך העונה הגשומה.

החברה גם שינתה את אופן הפעולה שלה, לאחר שהשקיעה 2.5 מיליארד דולר בארבעה מפעלי סינון כדי ליצור זנב יבש (הסלע הכתוש, האבק והבוץ) במקום זנב רטוב הדורש סכרים. אז בעתיד, פעילות כריית ברזל לא תיצור עוד סוג של פסולת שדורשת סכרים בכלל.

החברה גם מתקנת באופן אקטיבי את תדמיתה, ומתעקשת כיצד פעילות הכרייה שלה יצרה שמורת טבע גדולה הממומנת על ידי החברה, שתורמת עיקרית לשימור יער הגשם הברזילאי, כאשר שאר האזור הפך למרעה בעשורים האחרונים.

מקור: עמק

בסך הכל, Vale מתגברת כעת על צרות העבר שלה עם אסונות אקולוגיים והופכת לאחד הנכסים היקרים ביותר של ברזיל ולספק מרכזי של ברזל לעולם, ולסין בפרט, מדינה שברזיל מתחזקת עמה קשרים עמוקים יותר באמצעות הרשת המסחרית BRICS ובהקשר של התגברות המכסים והמתיחות עם ארה"ב.

האחרון ב-Vale

מחקרים שהוזכרו:

^{1. אנסטסיה קונובלובהet al. (2025). מסלולים לייצור ברזל אלקטרוכימי בקנה מידה באמצעות הפחתה ישירה של Fe2O3. אותיות אנרגיה של ACSכרך 10/גיליון 4. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenergylett.5c00166}