پایگاه خبری تحلیلی ایراسین، جهان در آستانه یک انقلاب انرژی است و گذار به سمت منابع تجدیدپذیر به یک ضرورت انکارناپذیر تبدیل شده است که در خط مقدم این تحول، انرژی خورشیدی قرار دارد. با حرکت به سمت منابع انرژی تجدیدپذیر، تقاضا برای پنل‌های خورشیدی و زیرساخت‌های مرتبط نیز افزایش یافته است. در این میان فولاد عنصری ضروری در ساخت مزارع خورشیدی است که بستری قابل اتکا برای پشتیبانی از آرایه‌های وسیع سلول‌های خورشیدی فراهم می‌کند. نسبت استحکام به وزن بالا، تطبیق‌پذیری و پایداری، دوام و مقرون به صرفه بودن فولاد، آن را به گزینه‌ای ایده‌آل برای تأسیسات خورشیدی در مقیاس تجاری و مسکونی تبدیل کرده است. علاوه بر این، نوآوری در تولید فولاد، مانند توسعه آلیاژهای پیشرفته، امکان ایجاد قطعات فولادی نازک‌تر، سبک‌تر و کارآمدتر را برای کاربردهای خورشیدی فراهم کرده است. خلاصه آنکه پیوند میان فولاد و انرژی خورشیدی که شامل بهره‌گیری از پتانسیل‌های هر دو صنعت است، یک اکوسیستم انرژی پایدار و کارآمد را وعده می‌دهد. این رابطه همزیستی میان فولاد سبز و انرژی خورشیدی یک چرخه فضیلت شکل خواهد داد که نتیجه آن توسعه پایدار است. پر واضح است که انرژی خورشیدی نقش مهمی در تولید فولاد سبز دارد، اما در این نوشتار ما به روی دیگر سکه نگاهی انداخته‌ایم؛ نقش فولاد در توسعه انرژی خورشیدی.

گذار انرژی و خورشید

بر اساس تحقیقی به نام شتاب گذار انرژی خورشیدی (The momentum of the solar energy transition) که در نشریه معتبر Nature در سال ۲۰۲۳ میلادی چاپ رسیده است، در سال‌های آتی باید شاهد حکمرانی انرژی خورشیدی در سبد انرژی جهانیان باشیم. بر اساس یافته‌های این تحقیق، تا سال ۲۰۶۰ میلادی انرژی خورشیدی به بزرگ‌ترین و ارزان‌ترین منبع تولید انرژی تبدیل خواهد شد. در سال ۲۰۲۰ میلادی، ۶۲ درصد از الکتریسته‌ای که در جهان تولید می‌شد، از سوخت‌های فسیلی به دست می‌آمد، اما با گذار انرژی و نگرانی‌های زیست‌محیطی پیرامون گرمایش کره زمین، انتظار می‌رود که تا سال ۲۰۵۰ میلادی سهم سوخت‌های فسیلی رفته رفته به ۲۱ درصد کاهش یافته و انرژی خورشیدی ۵۶ درصد از تولید برق جهانی را به خود اختصاص دهد. اگر بخواهیم از منظر هزینه به منابع تولید برق در سال‌های آتی نگاهی بیندازیم، باز هم انرژی خورشیدی را در صدر لیست ارزان‌ترین‌ها خواهیم دید. در شکل‌های شماره ۱ و ۲ می‌توانید سهم انرژی خورشیدی در سبد انرژی و قیمت تراز شده آن نسبت به سایر منابع انرژی را مشاهده کنید [۱].

شکل ۱ – سهم جهانی منابع تولید انرژی تا سال ۲۰۶۰ میلادی

شکل ۲ – منابع انرژی با کمترین هزینه ترازشده انرژی تا سال ۲۰۳۰ میلادی

بنابراین حتی اگر در یک کشور نفتی هستیم که بیش از یک قرن با سیلی نفت صورت اقتصادش را سرخ نگه داشته، باز هم این انرژی خورشید عالم‌تاب است که هم می‌صرفد و هم گریزناپذیر است. اما نقش فولاد در این بزرگ‌ترین بازار آینده چیست؟

گذار انرژی و فولاد

فولاد در تولید هر چیزی نقش دارد، حتی در تولید برق خورشیدی. در تأیید این ادعا، همین‌قدر کافی است که بدانیم تولید هر مگاوات انرژی خورشیدی، بین ۳۵ تا ۴۵ تن فولاد مصرف می‌کند [۲]. استفاده از فولاد در پنل‌های خورشیدی بیشتر مربوط به تجهیزات ساختاری این پنل‌ها است. در شکل شماره ۳ ساختار قفسه فولادی یک پنل خورشیدی به تصویر کشیده شده است [۳].

شکل ۳ – ساختار یک قفسه خورشیدی

از دیگر اجزای فولادی مورد استفاده در تجهیزات خورشیدی می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• شمع‌های حلزونی (Driven Piles) ساخته شده از تیرهای فولادی در اندازه‌های مختلف، نقشی محوری در ایمن‌سازی پایه‌های سازه‌های خورشیدی روی زمین ایفا می‌کنند. این شمع‌های گالوانیزه، طول عمر و انعطاف‌پذیری در برابر عوامل محیطی را بهبود و پایداری زیرساخت‌های خورشیدی را تضمین می‌کنند. در مکان‌هایی که حفاری در آنها به علت تراکم بالای خاک و سفت بودن زمین مشکل است، این قطعات فولادی لوله‌ای، با قطرهای بین ۳ تا ۴ اینچ، راهکارهایی را برای نصب سریع ارائه می‌دهند و ثبات و سهولت را برای پروژه‌هایی که با شرایط سخت زمین دست و پنجه نرم می‌کنند، به ارمغان می‌آورند.
• لوله‌های گشتاور گالوانیزه (Galvanized Torque Tubes)، که با سطح مقاطع دایره یا مربع موجود هستند، یک جز مهم در سیستم‌های ردیاب خورشیدی (Solar Tracker) به شمار می‌روند. این لوله‌ها از ۳.۵ تا ۵ اینچ متغیر بوده و با ارائه ساختاری برای قرار گرفتن پنل‌های خورشیدی، به آنها اجازه می‌دهند تا مسیر خورشید را در طول روز دنبال کنند. علاوه بر این، محصولات لوله‌ای در برخی از تاسیسات نصب شده روی پشت بام کاربرد پیدا می‌کنند و قفسه‌های پنل را به طور موثر روی سقف‌ها محکم می‌کنند.
• اشکال مختلف رول شکل از جمله پروفیل‌های Z شکل و C شکل، ساختار اولیه سیستم‌های خورشیدی شیب ثابت (fixed-tilt) را تشکیل می‌دهند. این قطعات فولادی با گیج‌هایی از ۸ تا ۲۰ و گالوانیزه با گرید G90 تا G180، چارچوب لازم را برای ایمن‌سازی پنل‌های خورشیدی فراهم می‌کنند.

• تیرهای فولادی موجود در اندازه‌های مختلف (به عنوان مثال، ۶×۷، ۶×۱۲)، برای ساخت قاب‌های کانکس که برای ایجاد سایبان خورشیدی مورد استفاده قرار می‌گیرند، ضروری هستند. مانند سایر اجزا، این تیرها پس از پردازش، گالوانیزه می‌شوند تا بتوانند در برابر شرایط سخت محیطی مقاومت کرده و پایه‌ای محکم برای تأسیسات خورشیدی ایجاد کنند [۴].

شرکت‌های فولادی در سراسر جهان در حال تولید محصولات مختلف از جمله پوشش‌ها و آلیاژهای به خصوص برای استفاده در تجهیزات خورشیدی هستند. از جمله این شرکت‌ها می‌توان به فولادسازی آرسلورمیتال اشاره داشت. آلیاژ Magnelis که توسط این کارخانه توسعه یافته است، به دلیل عملکرد و دوام، به ویژه برای استفاده در سازه‌های خورشیدی مناسب است. طیف گسترده‌ای از کاربردهای آن شامل سازه‌های اسکلت فلزی سبک و به ویژه سازه‌های سیستم‌های خورشیدی است. این باعث می‌شود Magnelis یک انتخاب عالی برای سازه‌هایی در محیط‌های با شرایط سخت مانند دریا باشد. Magnelis دارای ظاهری به رنگ خاکستری تیره و بدون پوسته (spangle-free) است. این محصول که توسط یک خط گالوانیزه گرم صنعتی تولید می‌شود، در یک حمام مذاب با ترکیب شیمیایی فلزی منحصر به فرد روی (Zn) با ۳.۵ درصد آلومینیوم و ۳ درصد منیزیم غوطه‌ور می‌شود. محتوای ۳ درصد منیزیم بسیار مهم است، زیرا یک لایه پایدار و بادوام در کل سطح ایجاد کرده و محافظت در برابر خوردگی بسیار موثرتری نسبت به پوشش‌هایی با محتوای منیزیم کمتر ارائه می‌دهد. یکی از ویژگی‌های برجسته Magnelis مقاومت بالای آن در برابر خوردگی است. در محیط‌های غنی از آمونیاک، تخریب پوشش با Magnelis هفت برابر کمتر از پوشش روی استاندارد است. علاوه بر این، Magnelis محافظت طولانی‌تر و فعال پوشش را تضمین می‌کند. در محیط‌های بسیار قلیایی (PH بین ۱۰ تا 13)، Magnelis مقاومت به خوردگی بالاتری را در مقایسه با سایر پوشش‌های فلزی نشان می‌دهد. همچنین خواص خودترمیمی Magnelis آن را برای سازه‌های خورشیدی ایده‌آل می‌سازد. فیلم محافظ نازک مبتنی بر روی حاوی منیزیم و آلومینیوم که در سراسر سطح فلز تشکیل شده است به Magnelis خاصیت خودترمیمی می‌دهد. این امر نفوذ محیط را تقریباً غیرممکن می‌کند و به طور مؤثر مانع خوردگی نه تنها در سطح بلکه در لبه‌های بدون پوشش نیز می‌شود [۵]. در شکل شماره ۴ می‌توانید مقدار خوردگی Mangelis در مقایسه با سایر ورق‌های گرم گالوانیزه را مشاهده کنید [۶].

شکل ۴ – مقایسه بین Magnelis و ورق‌های گالوانیزه گرم

پوسکو (Posco) دیگر فولادسازی است که از محصولات آن در سازه‌ها و پنل‌های خورشیدی استفاده می‌شود. PosMAC (POSCO Magnesium Aluminium Alloy Coated) یک نوع فولاد با مقاومت بالا در برابر خوردگی است که با فناوری اختصاصی POSCO ساخته شده است. این آلیاژ سه تایی که از روی، منیزیم و آلومینیوم تشکیل شده است، در مقایسه با ورق‌های فولادی گالوانیزه گرم رایج با وزن پوشش یکسان، مقاومت بیشتری در برابر خوردگی از جمله در برابر مواد شیمیایی، زنگ زدگی قرمز (Red Rust)، اسیدها و بازها ارائه می‌دهد. PosMAC بین ۵ تا ۱۰ برابر مقاومت بیشتری در مقایسه با ورق‌های گالوانیزه مشابه ارائه می‌دهد. سختی خوب و ضریب اصطکاک بالای آن همچنین خواص ضدگالینگ (Anti-galling) و کارآیی عالی را ارائه می‌دهد که برای تأسیسات خورشیدی بسیار مهم است. PosMAC 3.0 به ویژه برای سازه‌های خورشیدی نصب شده در دسته‌های خورندگی C1 تا C4 کاربرد دارد. چند سطح خوردگی مختلف وجود دارد که رایج‌ترین کلاس‌های خوردگی C1-C5 بر اساس استاندارد ISO 12944-2 است. C1 نشان‌دهنده خورندگی بسیار کم در محیط‌های داخلی خشک مانند ادارات است، در حالی که C4 نشان‌دهنده خورندگی بالا در مناطق صنعتی و ساحلی با شوری متوسط است [۷]. برای سایت‌هایی با خورندگی بالاتر، PosMAC super که مقاومت خورندگی را افزایش می‌دهد، استفاده می‌شود [۳].

عاشقانه‌های خورشید و فولاد

استفاده بهینه از مواد و منابع بسیار مهم است و باید بدانیم که در آینده‌ای که پیش رو داریم، با کمبود بسیاری از منابع مواجه هستیم و شکاف شگرفی بین عرضه و تقاضای مواد وجود خواهد داشت. به همین منظور اتخاذ رویکردی که در آن مصرف منابع بهینه بوده و با استفاده حداقلی از مواد بتوان بیشترین بهره را برد، حیاتی است. در زمینه گذار انرژی نیز چنین رویکردی صادق است. اگر نگاهی به آمار و ارقام و نمودارهای مختلف آینده گذار انرژی بیندازیم، با کمبود عرضه فلزات مورد نیاز گذار انرژی در سال‌های آتی مواجه خواهیم شد. برای مثال پیش‌بینی می‌شود که تا سال ۲۰۳۰ میلادی شکاف بین عرضه و تقاضای مس به حدود ۱۰ میلیون تن برسد [۸]. در شکل شماره ۵ نسبت عرضه و تقاضای برخی از فلزات تا سال ۲۰۵۰ میلادی به تصویر کشیده شده است [۹].

شکل ۵ – نسبت میان عرضه و تقاضای فلزات در سناریوی صفر خالص

نشریه بلومبرگ (Bloomberg) نیز پیش‌بینی می‌کند در آینده‌، شدت مصرف فلزات در منابع انرژی تجدیدپذیر و به خصوص انرژی خورشیدی کاهش پیدا خواهد کرد. همان‌طور که در شکل شماره ۶ نشان داده شده است، شدت مصرف فولاد در انرژی خورشیدی به ازای هر مگاوات تا سال ۲۰۵۰ میلادی کاهش محسوسی را تجربه خواهد کرد. استفاده از گریدهای جدید سبک‌وزن که کارآیی بیشتری نسبت به گریدهای امروزی دارند، یکی از علل چنین کاهشی است. البته باید در نظر داشت که کاهش شدت مصرف فولاد در انرژی خورشیدی به معنای کاهش تقاضای فولاد در آینده در بخش انرژی خورشیدی نخواهد بود و با رواج استفاده از منابع انرژی پاک و استفاده روزافزون از آنها، مقدار فولاد مورد نیاز تا سال ۲۰۵۰ میلادی افزایش خواهد یافت. تحلیلگر ارشد بلومبرگ سونگ چوی (Sung Choi) نیز بر این عقیده است که نسل بعدی فلزات منجر به پدید آمدن نسل بعدی منابع انرژی تجدیدپذیر خواهد شد. شکل شماره ۷ حجم و ارزش فلزات مختلف تا سال ۲۰۵۰ میلادی در گذار انرژی را به تصویر کشیده است [۱۰].

شکل ۶- شدت مصرف فلزات در انرژی خورشیدی

شکل ۷ – ارزش و حجم فلزات گذار انرژی تا ۲۰۵۰ میلادی

نتیجه گیری

گذار انرژی، گریزناپذیر است و دیر یا زود فرآیندهای رایج و مرسوم صنایع امروزی را تغییر خواهد داد. نوآوری‌ها در فناوری مواد و طراحی، استفاده کارآمدتر از فلزات را ممکن می‌سازد. این روند بر اهمیت مواد تخصصی و پیشرفته تاکید می‌کند که عملکردی عالی با کاهش مصرف مواد ارائه می‌دهند. همان‌طور که بخش انرژی‌های تجدیدپذیر به تکامل خود ادامه می‌دهد، تقاضا برای مواد با کارآیی بالا در حال افزایش است. بنابراین، یک مزیت اقتصادی و استراتژیک قانع‌کننده برای شرکت‌های فولادی وجود دارد که بر توسعه و عرضه محصولات تخصصی متناسب با نیازهای منحصر به فرد پروژه‌های گذار انرژی تمرکز کنند. با انجام این کار، آنها می‌توانند از بازار در حال گسترش بهره ببرند و محصولاتی را ارائه دهند که از گذار به سمت راه‌حل‌های انرژی پایدار حمایت کرده و اینگونه می‌توانند به مزایای اقتصادی قابل توجهی نیز دست پیدا کنند.

رابطه همزیستی بین انرژی خورشیدی و صنعت فولاد، یک چرخه فضیلت از پایداری و نوآوری ایجاد می‌کند. با گسترش پروژه‌های انرژی خورشیدی، تقاضا برای محصولات فولادی پیشرفته افزایش می‌یابد و باعث پیشرفت بیشتر در صنعت فولاد می‌شود. این به نوبه خود باعث رشد و کارآیی بخش انرژی خورشیدی شده و یک رابطه سازنده را تشکیل می‌دهد که به نفع هر دو صنعت است. با تمرکز بر توسعه و استفاده از مواد با کارآیی بالا، صنعت فولاد می‌تواند به طور قابل توجهی به گذار انرژی جهانی کمک کرده و تضمین کند که راه‌حل‌های انرژی تجدیدپذیر هم پایدار و هم از نظر اقتصادی مقرون به صرفه هستند. این چرخه فضیلت نه تنها پذیرش انرژی پاک را رواج خواهد داد، بلکه راه را برای تولیدکنندگان فولاد به منظور سرمایه‌گذاری در بازار در حال گسترش زیرساخت‌های انرژی‌های تجدیدپذیر و به ویژه انرژی خورشیدی هموار می‌سازد. با رواج بیشتر انرژی‌های تجدیدپذیر، کارآیی و دوام تاسیسات خورشیدی بهبود یافته و باعث افزایش استفاده از انرژی خورشیدی در بین افراد خواهد شد. این هم‌افزایی بین انرژی خورشیدی و فولاد اهمیت استراتژیک نوآوری در علم مواد را برجسته می‌کند. با پذیرش این چرخه فضیلت‌، صنایع می‌توانند با همکاری یکدیگر به سمت آینده‌ای پیش بروند که در آن انرژی پاک تبدیل به یک نُرم شده است. در این نُرم جدید فولاد سبز و پیشرفته نقشی بزرگ ایفا خواهد کرد. این داستان یک درس مهم برای فولادسازان کشور دارد:

بازار بسیار بزرگی به نام انرژی‌های تجدیدپذیر با تقاضایی سیری ناپذیر برای مصرف فولاد پیش روی شماست. اما کمی در مصرف فولاد وسواس دارد و فقط فولادهای پیشرفته و سبز مصرف می‌کند. آیا پاسخی برای این اَبَربازار دارید؟

نقل از دیدوان-اپلیکیشن دانش‌بنیان رصد استراتژیک

منابع:

1. https://www.nature.com/articles/s41467-023-41971-7
2. https://constructalia.arcelormittal.com/en/news_center/articles/steel-is-the-power-behind-renewable-energy
3. http://product.posco.com/homepage/product/eng/pdf/230125_A1_GreenableSolar(eng).pdf
4. https://www.jswonemsme.com/blogs/blogs-articles/how-steel-endures-in-solar-application
5. https://industry.arcelormittal.com/repository2/About/Magnelis.pdf
6. https://constructalia.arcelormittal.com/files/Solarenergy_brochure_EN--7779b50a136e887c0f09f0c947f6b8e9.pdf
7. https://en.nordicsteel.no/fagartikler/korrosjonsklasse-c1-c2-c3-c4-c5
8. https://www.openbookpublishers.com/books/10.11647/obp.0373/chapters/10.11647/obp.0373.24
9. https://www.imf.org/en/Blogs/Articles/2021/12/08/metals-demand-from-energy-transition-may-top-current-global-supply
10. https://about.bnef.com/blog/aluminum-copper-use-to-shrink-in-future-wind-and-solar-farms/