الصهر بدون دخان — أفران نظيفة للصلب والأصدقاء
الفحم صنع أول ناطحات سحاب؛ الإلكترونات ستصنع الحضارة القادمة. في عالمنا، الأفران لا تسعل — بل تهمهم. الدخان الوحيد هو الحرارة التي نجمعها عن قصد.
لماذا الصهر بدون دخان (ولماذا هو أسهل مما يبدو)
الجزء "السام" من علم المعادن القديم لم يكن المعدن نفسه — بل كان الاحتراق المستخدم لتسخينه وتقليله: الفحم في أفران النفخ، الديزل في شاحنات المناجم، النفط للحرارة العملية. نحن نزيل الاحتراق، ونحتفظ بالفيزياء. الأقواس الكهربائية، لفائف الحث، والهيدروجين تقوم بنفس الوظائف مع قصص جانبية أقل.
- نفس الذرات، نار جديدة: الإلكترونات والهيدروجين تحل محل الفحم والكازوزين.
- الحرارة ذات الحلقة المغلقة: الغاز الخارج يتحول إلى بخار وحرارة عملية، وليس حدثًا جويًا.
- وفرة الطاقة: مصنع البذور الشمسية (الجزء 3) يطبع الميجاوات التي نحتاجها.
الصلب بدون فحم — المساران النظيفان
المسار أ — خردة → فرن القوس الكهربائي (فرن القوس الكهربائي)
نذوب الصلب المعاد تدويره بقوس كهربائي. نضيف رشة من الجير والأكسجين، نزيل الشوائب، نصب، نبتسم. هذا هو المسار الأقل استهلاكًا للطاقة عندما تتوفر خردة جيدة.
الكهرباء: ~0.35–0.60 ميغاواط ساعة/طن صلب الأكسجين والمواد المساعدة: معتدلة الأقطاب الكهربائية: ~1–2 كجم/طناختياري: أفران الحث للدورات الصغيرة في المصاهر (كهرباء مماثلة لكل طن).
المسار ب — DRI(H₂) → فرن القوس الكهربائي
عندما نحتاج إلى الحديد الخام، نقلل خام الحديد بالهيدروجين في فرن عمودي (DRI)، ثم نذوب في فرن القوس الكهربائي. الهيدروجين هو مجرد ناقل مؤقت للإلكترونات. لا أفران فحم الكوك، لا أكوام التلبيد.
الهيدروجين: ~50–60 كجم H₂/طن صلب الكهرباء (بما في ذلك H₂): ~3.2–4.2 ميغاواط ساعة/طن الكرات: عالية الجودة، منخفضة الشوائبالمحللات الكهربائية عند ~50–55 كيلوواط ساعة/كجم H₂. نحن نزيد حجم الطاقة الشمسية لتغذيتها بهدوء.
ورقة غش لكل طن (الصلب)
المدخلات والطاقة (لكل 1 طن من الصلب السائل)
| المسار | الكهرباء | الهيدروجين | ملاحظات |
|---|---|---|---|
| الخردة → فرن القوس الكهربائي | ~0.35–0.60 ميغاواط ساعة | — | الأفضل حيث تتوفر خردة نظيفة بكثرة |
| DRI(H₂) → EAF | ~3.2–4.2 ميغاواط ساعة* | ~50–60 كجم | إلكتروليزر + ضغط + EAF |
*يفترض وجود إلكتروليزرات ~50–55 كيلوواط ساعة/كجم H₂ وكهرباء نظيفة.
ما نستبدله (للسياق فقط)
| المسار القديم | طاقة الاحتراق | الوقود الرئيسي |
|---|---|---|
| BF/BOF (الفرن العالي) | ~4–6 ميغاواط ساعة/طن (كحرارة) | الكوك/الفحم |
| نقل المناجم بالديزل | — | تم استبداله بسيارات كهربائية (الجزء 1) |
نحتفظ بالمعادن، نحذف الأبخرة.
سيناريوهات المصنع المحسوبة مسبقًا (صديقة للورشة، بدون سكريبتات)
فولاذ EAF (مسار الخردة)
الكهرباء فقط. النطاق يأخذ في الاعتبار مزيج الخردة والممارسة.
| السعة | متوسط الحمل | الحد الأدنى للطاقة الشمسية الكهروضوئية | تخزين 12 س | ملاحظات |
|---|---|---|---|---|
| 1 Mt/yr | ~57 MW | ~300 MWp | ~0.68 GWh | تصميم 0.5 MWh/طن |
| 5 مليون طن/سنة | ~285 MW | ~1.46 GWp | ~3.42 GWh | أفران متعددة في الخانات |
حجم PV "الحد الأدنى" حسب الطاقة اليومية: PVMWp ≈ متوسط(MW) × 5.14 (5.5 ساعات تشغيل فعالة، 85% كفاءة).
فولاذ DRI(H₂) + فرن القوس الكهربائي
الإلكتروليزرات تهيمن على الحمل؛ فرن القوس الكهربائي هو العداء السريع.
| السعة | متوسط الحمل | الهيدروجين المطلوب | الحد الأدنى للطاقة الشمسية الكهروضوئية | تخزين 12 س |
|---|---|---|---|---|
| 1 Mt/yr | ~400 MW | ~55 kt/yr | ~2.05 GWp | ~4.8 جيجاوات ساعة |
| 5 مليون طن/سنة | ~2.0 جيجاوات | ~275 ألف طن/سنة | ~10.3 جيجاوات ذروة | ~24 جيجاوات ساعة |
تقسيم طاقة التحليل الكهربائي (1 مليون طن/سنة): ~330–360 ميجاوات؛ الفرن الكهربائي القوسي + الباقي: ~40–70 ميجاوات. نشغلها على شبكة ميكرو هادئة، وليست متقلبة.
المساحة والمعدات (حرم نموذجي 1 مليون طن/سنة)
| كتلة | المنطقة | ملاحظات |
|---|---|---|
| ورشة صهر الفرن الكهربائي القوسي (2–3 أفران) | ~3–6 هكتار | مغلقة، ألواح عازلة للصوت |
| عمود DRI + ساحة الكريات | ~5–8 هكتار | إذا تم استخدام المسار ب |
| قاعة التحليل الكهربائي | ~2–4 هكتار | أكوام محمولة بالحاويات |
| تحضير الصب/الدرفلة | ~3–5 هكتار | القطع، الألواح، الكتل |
| حقل الطاقة الشمسية الكهروضوئية (الحد الأدنى) | ~3.0–3.5 كم² | لـ 2.05 غيغاواط ذروة مجاورة |
| ساحة التخزين | ~0.5–1 كم² | حاويات 4.8 غيغاواط ساعة |
نقع بالقرب من البحيرة (الجزء 1) لمياه التبريد والهدوء.
أصدقاء الصلب (أفران نظيفة للمعادن الأخرى)
الألومنيوم — هول-هيرولت، مؤتمت بالكامل
تتحول الألومينا (Al₂O₃) إلى ألومنيوم منصهر في خلايا التحليل الكهربائي. ندمجها مع أفران كهربائية، وحيثما تتوفر، أنودات خاملة للقضاء على ارتفاعات مركبات الفلور الكربونية.
- الكهرباء: ~14–16 ميغاواط ساعة/طن ألومنيوم (التحليل الكهربائي)
- التكرير والصب (كهربائي): +2–3 ميغاواط ساعة/طن
- محطة 500 ألف طن/سنة: ~800 ميغاواط متوسط • الحد الأدنى للطاقة الشمسية ~4.1 غيغاواط ذروة • تخزين 12 ساعة ~9.6 غيغاواط ساعة
النحاس — التحميص + التكرير الكهربائي، نظيف
تذوب تركيزات الكبريتيد بطريقة طاردة للحرارة. نلتقط ثاني أكسيد الكبريت لإنتاج حمض الكبريتيك (منتج مفيد)، ثم ننهي بالتكرير الكهربائي.
- الكهرباء: ~2.5–4.0 ميغاواط ساعة/طن كاثود
- حرم 1 مليون طن/سنة: ~340 ميغاواط متوسط • الحد الأدنى للطاقة الشمسية ~1.76 غيغاواط ذروة • تخزين 12 ساعة ~4.1 غيغاواط ساعة
- منتج ثانوي: تغذي محطة الحمض دوائر الترشيح والجيران
السيليكون — الكهرومعادن
كوارتز + كربون → سيليكون بدرجة معدنية في أفران القوس. مع طاقة نظيفة واحتجاز الغازات الخارجة، إنها عاصفة رعدية مضيئة ومتحكم بها.
- الكهرباء: ~11–14 ميجاوات ساعة/طن
- مصنع 100 kt/سنة: ~137 ميجاوات متوسط • PV الحد الأدنى ~0.70 GWp • تخزين 12 ساعة ~1.6 GWh
- صعودًا إلى الطاقة الشمسية: طرق إلى مصانع الرقائق المجاورة (الجزء 3)
الهواء، الماء والجيران (نظافة مملة حسب التصميم)
الهواء
- لا بطاريات فحم الكوك. أغطية أفران القوس الكهربائية مغلقة؛ الأبخرة مفلترة ومُنقاة.
- احتجاز SO₂. غاز النحاس الخارج → حمض الكبريتيك؛ لا دراما في المداخن.
- وميض القوس، وليس المدخنة. الضوضاء والضوء محصوران بواسطة الحاويات.
ماء
- دوائر تبريد مغلقة مع مبردات جافة؛ البحيرة تتعامل مع التقلبات الموسمية.
- صفر تصريف غير معالج؛ نفضل "عدم التصريف" كأسلوب حياة.
- المطر من حقول الطاقة الشمسية يتحول إلى ماء معالجة للعملية عبر معالجة بسيطة.
الأسئلة والأجوبة
«هل الهيدروجين خطير؟»
إنها طاقة وتستحق الاحترام — مثل الكهرباء. نبقي المحللات الكهربائية في الهواء الطلق، والأنابيب قصيرة، وأجهزة الاستشعار في كل مكان، والتصاميم مملة عن قصد.
«ماذا عن جودة الخردة؟»
نقوم بفرز مسبق بشكل مكثف (الجزء 2 الطاقة الداخلة، الطاقة الخارجة). عندما يكون الحديد الخام مطلوبًا، يملأ DRI(H₂) الفجوة دون استيراد قرن من الانبعاثات.
«أليس هذا الكثير من الطاقة؟»
نعم — وهذا هو الهدف. المصنع الشمسي يطبع الطاقة على نطاق واسع (الجزء 3). نبني المجمعات أسرع من الأعذار، ثم نوصلها مباشرة إلى الأفران.
التالي: الصلب: عظام الحضارة — صب الألواح، القضبان والعوارض (الجزء 5). سنصب ضوء الشمس في أشكال قوية بما يكفي لتحمل قرن من الزمن.