م nature پایدار و قابل بازیافت ساختمان‌های فولادی: انتخابی دوستدار محیط زیست

قابلیت بازیافت فولاد و اقتصاد دایره‌وار

چگونه فولاد چرخه‌های مواد از مهد تا مهد را در ساخت‌وساز پشتیبانی می‌کند

فولاد را در دنیای ساختمان‌های سبز چه ویژگی خاصی می‌دهد؟ خب، توانایی آن در بازیافت مجدد و مکرر بدون از دست دادن استحکام، بسیار قابل توجه است. به عنوان مثال بتن یا چوب را در نظر بگیرید؛ این مواد با گذشت زمان و در فرآیند بازیافت تخریب می‌شوند، اما فولاد هر چند بار که بازیافت شود، همچنان همان استحکام قبلی را حفظ می‌کند. بر اساس آمار انجمن جهانی فولاد، حدود هشت در هر ده مورد از محصولات فولادی پس از پایان عمر مفیدشان بازیافت می‌شوند. ما در اینجا در مورد ساختمان‌های واقعی صحبت می‌کنیم؛ برج‌های قدیمی اداری که تخریب می‌شوند و تیرهای فولادی آن‌ها دوباره زنده می‌شوند و بخشی از سازه‌های کاملاً جدید در جاهای دیگر می‌گردند. مزایای زیست‌محیطی نیز بسیار چشمگیر است. هر تن فولاد بازیافتی به معنای کاهش نیاز به استخراج سنگ‌آهن خام تقریباً به میزان ۶۲ درصد است که این امر منجر به کاهش مشکلات ناشی از معدن‌کاری از جمله تخریب زیستگاه‌ها و آلودگی آب می‌شود.

رد شبهات: آیا دستیابی به بازیافت ۱۰۰ درصدی فولاد واقعاً ممکن است؟

هیچ ماده‌ای به بازیابی ۱۰۰ درصد نمی‌رسد، اما فولاد قطعاً در این زمینه برنده است. حدود ۹۳ تا ۹۸ درصد فولاد ساختمانی در شرایط واقعی بازیافت می‌شود. بخشی از مواد به دلیل پوشش‌های روی فلز یا اختلاط آلیاژهای مختلف از دست می‌رود، اما فناوری‌های مدرن جداسازی آنقدر پیشرفت کرده که تقریباً تمام (حدود ۹۹٫۹ درصد) فولاد موجود در محل ساختمان‌های قدیمی را بازیابی می‌کنیم. آنچه این موضوع را واقعاً جالب می‌کند، دوام این خاصیت در طول زمان است. تیرهای فولادی یک ساختمان بلندمرتبه که در دهه ۶۰ ساخته شده، همچنان می‌توانند به همان اندازه فولاد نوین تولیدی امروزه مؤثر باشند. این بی‌زمانی به فولاد برتری بزرگی نسبت به سایر مواد می‌دهد.

آیا فولاد را می‌توان بی‌نهایت بازیافت کرد؟ پیامدهای زیست‌محیطی و محدودیت‌ها

چیدمان اتم‌های فولاد امکان بازیافت بی‌پایان آن بدون از دست دادن کیفیت را فراهم می‌کند، هرچند اینکه بازیافت سبز باشد به شدت به منبع تأمین انرژی بستگی دارد. هنگامی که کوره‌های قوس الکتریکی با انرژی تجدیدپذیر کار کنند، می‌توانند ضایعات فولادی قدیمی را پردازش کنند و تنها ۰٫۴ تن دی‌اکسید کربن برای هر تن فولاد بازیافت‌شده تولید کنند. این مقدار در واقع حدود سه‌چهارم کمتر از آلودگی روش‌های سنتی کوره بلند است. با این حال، بیشتر نقاط جهان هنوز به این سطح نرسیده‌اند. بر اساس داده‌های Worldsteel از سال گذشته، این کوره‌های پاک‌تر الکتریکی تنها حدود ۲۹ درصد از کل تولید فولاد در سطح جهان را تشکیل می‌دهند. بنابراین تا زمانی که برق مورد نیاز خود را از منابع سبزتری تأمین نکنیم، پتانسیل کامل زیست‌محیطی بازیافت فولاد به‌طور کامل محقق نخواهد شد.

نقش فولاد در بستن چرخه اقتصاد چرخشی بخش ساختمان

بر اساس مطالعه اخیر سال ۲۰۲۳ که توسط متخصصان اقتصاد چرخشی در MIT منتشر شده است، رویکردهای طراحی استاندارد می‌توانند به نرخ بازیابی مواد حدود ۹۰ درصد در سازه‌های فولادی تجاری دست یابند. راز این امر در اتصالات ماژولار بین اجزای سازه‌ای نهفته است که به مهندسان اجازه می‌دهد تا تیرها را جدا کنند، نه اینکه آنها را کاملاً ذوب کنند و بدین ترتیب انرژی جاسازی‌شده در فرآیند تولید اولیه فولاد صرفه‌جویی شود. با ترکیب این روش و استفاده از چیزی به نام «گذرنامه مواد» که اساساً ردیابی می‌کند دقیقاً چه نوع فولادی در کجا استفاده شده است، صحبت از کاهش پسماند ساختمانی به میزان تقریباً نیم میلیارد تن در سال تا قبل از رسیدن به سال ۲۰۴۰ مطرح می‌شود. تصور کنید که تخریب انبارهای قدیمی دیگر به عنوان دپوی زباله نباشد، بلکه به عنوان معدنی از گنجینه‌هایی در نظر گرفته شود که منتظر جداسازی قطعات قابل استفاده مجدد هستند. ساختمان‌های فولادی در حال تبدیل شدن به نمونه‌های واقعی از این هستند که عادات ساخت‌وساز ما چگونه باید از صرف‌کردنِ محض مواد به سمت ایجاد سیستم‌هایی تغییر کند که در آن مواد بارها و بارها دوباره استفاده شوند.

مزایای محیط‌زیستی بازیافت فولاد سازه‌ای

استفاده از فولاد سازه‌ای بازیافتی مزایای واقعی محیط‌زیستی دارد که به برخی از چالش‌های بزرگ پایداری در صنعت ساخت‌وساز امروزی می‌پردازد. در اینجا، ماهیت چرخه‌ای فولاد برجسته می‌شود. طبق گفته انجمن جهانی فولاد، حدود ۸۵ درصد فولاد سازه‌ای هنگامی که ساختمان‌ها به پایان عمر خود می‌رسند، بازیافت می‌شوند. این امر مانع از رفتن تن‌ها حجم از مواد به محل‌های دفن زباله شده و نیاز به انرژی را نیز کاهش می‌دهد. بازپردازی فولاد استفاده‌شده حدود ۷۲ درصد انرژی کمتری نسبت به تولید فولاد جدید از مواد اولیه می‌طلبد. امروزه، تولیدکنندگان در واقع تا ۹۳ درصد محتوای بازیافتی را در برخی از انواع تیرها و ستون‌ها استفاده می‌کنند. تفاوت ایجادشده قابل توجه است. برای هر تن فولاد تولیدشده با این روش‌های مدرن، حدود دو تن کمتر انتشار دی‌اکسید کربن نسبت به روش‌های قدیمی تولید وجود دارد. این میزان کاهش برای شرکت‌هایی که سعی در سبز کردن عملیات خود بدون قربانی کردن کیفیت دارند، بسیار مهم است.

با توجه به تأثیر مواد مختلف بر محیط زیست در طول زمان، ساختمان‌های فلزی ساخته‌شده با مواد بازیافتی در واقع در طول عمر خود حدود ۴۰ تا ۵۰ درصد انتشار گازهای گلخانه‌ای کمتری نسبت به ساختمان‌های معمولی بتنی تولید می‌کنند. چرا؟ زیرا فولاد را می‌توان بدون از دست دادن هیچ‌یک از استحکام یا کیفیت آن بی‌نهایت بار بازیافت کرد، در حالی که نه چوب و نه بتن چنین قابلیتی ندارند. چوب محدودیت‌های طبیعی دارد و بتن به تولید سیمان وابسته است که مقادیر زیادی دی‌اکسید کربن وارد هوا می‌کند. مطالعات اخیر در سال ۲۰۲۳ نشان می‌دهند که انبارهای ساخته‌شده با قاب‌های فولادی حدود ۱۷ سال زودتر از ساختمان‌های مشابه بتنی به نقطه مهم صفر کربن عملیاتی می‌رسند. وقتی به این موضوع به این شکل فکر می‌کنیم، منطقی به نظر می‌رسد.

ارزیابی چرخه حیات مواد ساختمانی فولادی

کربن نهفته و ارزیابی چرخه حیات در ساخت‌وساز فولادی: سنجش پایداری

ارزیابی چرخه حیات، یا به اختصار LCA، در اصل میزان آسیب‌های زیست‌محیطی ناشی از ساختمان‌های فولادی را در طول تمام دوره وجودشان پیگیری می‌کند. این موضوع شامل تمام مراحل، از استخراج اولیه مواد خام تا پایان عمر مفید ساختمان و صرف‌نظر از اینکه آیا بازیافت می‌شود یا نه، می‌گردد. هدف، محاسبه کربن جذب‌شده (embodied carbon) است؛ یعنی کل گازهای گلخانه‌ای که در طول تمام مراحل چرخه حیات یک ساختمان آزاد می‌شوند. امروزه، بر اساس تحقیقاتی از جمله کابسا و دیگران در سال ۲۰۱۴، تولید فولاد با کوره‌های قوس الکتریکی و با استفاده فراوان از ضایعات فولادی بازیافتی می‌تواند این مقدار کربن جذب‌شده را در مقایسه با روش‌های قدیمی تا حدود ۶۰ تا ۷۰ درصد کاهش دهد. اخیراً، مطالعه‌ای که در مجله Engineering Structures منتشر شده است یافته جالبی نیز نشان داده است. وقتی سازندگان به جای شروع مجدد از مؤلفه‌های فولادی استفاده مجدد می‌کنند، توانسته‌اند انتشارات چرخه حیات را تا ۵۲ درصد کاهش دهند. این موضوع نشان می‌دهد که چرا LCAها برای طراحی راه‌حل‌هایی که واقعاً هم برای محیط زیست و هم برای کیف پول ما مفید هستند، اهمیت بسیاری دارند.

فولاد در برابر مواد جایگزین: عملکرد زیست‌محیطی در چرخه حیات

هنگامی که در پنج دسته زیست‌محیطی — کاهش منابع، اسیدی شدن، یوتروفیکاسیون، گرمایش جهانی و تخریب لایه ازن — ارزیابی می‌شود، فولاد از نظر دوام بلندمدت و قابلیت بازیافت در مقایسه با بتن و چوب عملکرد بهتری دارد. به عنوان مثال:

اگرچه چوب انتشارات اولیه کمتری دارد، نسبت استحکام به وزن فولاد موجب کاهش ۴۰٪ مصرف مصالح در ساختمان‌های میان‌مرتبه (Burchart-Korol، ۲۰۱۳) می‌شود و این امر ردپای کربن آن را در طول چرخه‌های مکرر جبران می‌کند.

از تخریب تا استفاده مجدد: بازیافت در پایان عمر ساختمان‌های فولادی

فولاد می‌تواند بارها و بارها در چیزی که سیستم حلقه بسته نامیده می‌شود بازیافت شود، به این معنا که حدود ۹۸ درصد آن هنگام تخریب ساختمان‌ها قابل بازیابی است. فولادی که از این فرآیند به دست می‌آید از نظر خواص ساختاری دقیقاً به اندازه فولاد نو عمل می‌کند. بخاطر پیشرفت‌های اخیر در فناوری جداسازی، قطعات سازه‌ای بزرگ مانند تیرها و ستون‌ها همیشه نیازی به عبور از فرآیند ذوب ندارند. طبق تحقیقی که بوزاتو و همکارانش سال گذشته منتشر کردند، هر تن فولادی که به این شکل صرفه‌جویی شود، حدود ۱٫۵ تن از انتشار کربن جلوگیری می‌کند. برای کسانی که به روش‌های ساختمان‌سازی پایدار علاقه‌مند هستند، این نوع بازیافت باعث می‌شود سازه‌های فولادی به عنوان دارایی‌های بسیار مهمی در دستیابی به اهداف اقتصاد چرخشی که بسیاری از شهرها و شرکت‌های ساخت‌وساز امروزه به دنبال آن هستند، بدرخشند.

استفاده از فولاد بازیافتی در طراحی ساختمان‌های پایدار

ساخت‌وساز مدرن به طور فزاینده‌ای به چرخه‌ای بودن مواد اهمیت می‌دهد و فولاد ساختمانی با ظرفیت منحصربه‌فرد خود برای استفاده مجدد چندباره، پیشتاز این تحول است. امروزه متخصصان برجسته صنعت، فولاد ساختمانی حاوی ۹۰ درصد یا بیشتر مواد بازیافتی را مشخص می‌کنند که هم معیارهای دقیق LEED v4.1 را برای استفاده مجدد از مواد رعایت می‌کند و هم استانداردهای عملکردی ASTM را حفظ می‌نماید.

محتوای بازیافتی در فولاد ساختمانی: استانداردها و معیارهای صنعتی

در صنعت ساخت‌وساز فولادی، اکنون سطوح استانداردی برای میزان مواد بازیافتی که باید استفاده شود وجود دارد و این به لطف برنامه‌هایی مانند گواهی Cradle to Cradle و اعلامیه‌های محیط زیستی محصول (EPD) است که همواره درباره آنها می‌شنویم. اساساً این سیستم‌های گواهی‌دهی تضمین می‌کنند که هنگام بازیافت فولاد، حتی پس از چندین بار استفاده مجدد، خواص ساختاری آن حفظ شود. با نگاه به آمار جهانی، امروزه بیشتر تیرها و ستون‌های فولادی شامل بیش از ۸۵٪ محتوای بازیافتی هستند. و نکته جالب اینجاست: تحقیقات نشان می‌دهد که استفاده از تنها یک تن فولاد بازیافتی به جای فولاد تولیدشده جدید، حدود ۱٫۵ تن از انتشار دی‌اکسید کربن را ذخیره می‌کند. این موضوع زمانی که تمام فولادهای مصرفی در ساختمان‌ها را در نظر بگیریم، تفاوت بزرگی ایجاد می‌کند.

راهبردهای طراحی برای بیشینه‌سازی استفاده از فولاد با محتوای بالای بازیافتی در پروژه‌های تجاری

معماران پیشرو از سه راهکار کلیدی برای بهینه‌سازی استفاده از فولاد بازیافتی بهره می‌برند:

• طراحی مدولار فعال‌سازی جداسازی قطعات و استفاده مجدد آنها در آینده
• مشخصات مواد ترکیبی ترکیب فولاد بازیافتی بالا با جایگزین‌های بتن کم‌کربن
• گذرنامه‌های دیجیتال مواد ردیابی ترکیب فولاد در طول چرخه حیات ساختمان‌ها

با ادغام این رویکردها، انجمن جهانی فولاد گزارش می‌دهد که پروژه‌های تجاری می‌توانند کاهش ۴۰ تا ۶۰ درصدی کربن نهفته را بدون افزایش هزینه‌ها نسبت به روش‌های متداول به دست آورند. این تمرکز دوگانه بر پایداری زیست‌محیطی و اقتصادی، فولاد بازیافتی را به ستون اصلی زیرساخت‌های پایدار نسل بعدی تبدیل می‌کند.

کاهش دی‌کربن صنعت فولاد: مسیرها به سوی آینده‌ای با کربن صفر

تعهدات به کربن صفر در صنعت فولاد: پیشرفت‌ها و اهداف فعلی

اکنون بیش از نیمی از فولاد خام تولید شده در سراسر جهان تحت تعهدات شرکتی برای دستیابی به صفر متعادل کربن قرار دارد، زیرا کشورها در سراسر جهان تا میان قرن حاضر به سمت وضعیت کربن خنثی در بخش‌های صنعتی خود پیش می‌روند. مناطق مختلف رویکردهای متفاوتی نسبت به این چالش اتخاذ کرده‌اند. در اروپا، بسیاری از تولیدکنندگان فولاد به فناوری‌های هیدروژنی برای فرآیندهای تولید پاک‌تر شرط می‌بندند. در همین حال شرکت‌های آمریکایی تمایل دارند به‌طور گسترده‌تری به کوره‌های قوس الکتریکی متکی باشند که طبق تحقیقات منتشر شده توسط گروه وظیفه هوای پاک در سال گذشته، این روش بین ۵۸ تا ۷۰ درصد از انتشارات را در مقایسه با کوره‌های قدیمی بلند کاهش می‌دهد. برخی گروه‌های پیشرو در این صنعت در حال آزمایش روش‌های ابتکاری جدیدی مانند الکترولیز اکسید مذاب هستند. در صورت موفقیت، این نوآوری‌ها ممکن است تقریباً تمام انتشارات دی‌اکسید کربن در فرآیند تولید اولیه فولاد را حذف کنند، هرچند پذیرش گسترده آن با توجه به محدودیت‌های فناوری فعلی و موانع هزینه‌ای هنوز نامشخص است.

نوآوری‌ها و سیاست‌های کاهش گازهای گلخانه‌ای در تولید فولاد

سه مسیر فناوری اصلی، تلاش‌ها برای کربن‌زدایی را هدایت می‌کنند:

1. آهن احیا شده مستقیم با هیدروژن (H2-DRI) – جایگزینی زغال کک با هیدروژن سبز در فرآیند پردازش سنگ آهن
2. جذب، استفاده و ذخیره‌سازی کربن (CCUS) – جذب ۸۵ تا ۹۵ درصد انتشارات از واحدهای موجود
3. بهینه‌سازی کوره قوس الکتریکی مبتنی بر ضایعات – حداکثر کردن محتوای بازیافتی در ساختمان‌ها و زیرساخت‌های فولادی

بر اساس تحقیقات منتشر شده در مجله Sustainable Materials and Technologies در سال 2023، این رویکردهای جدید ممکن است تا اواسط دهه 2030 میلادی، انتشارات کربن در سراسر صنعت فولاد را حدود 56 درصد کاهش دهند. برای تسریع این فرآیند، دولت‌های سراسر جهان در حال اجرای مالیات‌های مرزی کربنی هستند و همچنین حدود هفتاد و پنج میلیارد دلار در راستای تأمین بودجه برای ابتکارات فولاد پاک سرمایه‌گذاری کرده‌اند. به عنوان مثال، مکانیسم تعدیل کربن مرزی اتحادیه اروپا (CBAM) قبلاً تقریباً یک چهارم کشورهای واردکننده فولاد را به سمت بررسی روش‌های سبزتر تولید محصولاتشان سوق داده است. نکته جالب توجه این است که چگونه این تغییرات سیاستی، نگرش ما نسبت به سازه‌های فولادی خود را تغییر می‌دهند. به جای آنکه تنها ساختمان باشند، این سازه‌ها نوعی انبار کربن محسوب می‌شوند که در آن مواد می‌توانند ذخیره شده و در پروژه‌های ساخت‌وساز آینده دوباره و دوباره استفاده شوند.

سوالات متداول (FAQ)

چه چیزی باعث می‌شود فولاد بدون از دست دادن استحکام قابل بازیافت باشد؟

فولاد به دلیل آرایش منحصر به فرد اتمی خود می‌تواند بی‌نهایت بار بازیافت شود بدون اینکه استحکامش کاهش یابد و بدین ترتیب در فرآیندهای متعدد بازیافت، یکپارچگی ساختاری خود را حفظ می‌کند.

آیا واقعاً ۱۰۰ درصد فولاد قابل بازیافت است؟

اگرچه بازیابی ۱۰۰ درصدی برای هیچ ماده‌ای عملی نیست، اما در شرایط واقعی فولاد به حدود ۹۳ تا ۹۸ درصد قابلیت بازیافت دست می‌یابد که به طور قابل توجهی از اکثر مواد دیگر پیشی می‌گیرد.

فرآیندهای بازیافت فولاد چگونه بر انتشار دی‌اکسید کربن تأثیر می‌گذارند؟

بازیافت فولاد در کوره‌های قوس الکتریکی، به ویژه کوره‌هایی که با انرژی تجدیدپذیر تغذیه می‌شوند، انتشار دی‌اکسید کربن را به شدت کاهش می‌دهد و آن را در مقایسه با روش‌های سنتی کوره بلند، تقریباً به میزان سه‌چهارم کاهش می‌دهد.

تأثیر بازیافت فولاد بر محیط زیست چیست؟

بازیافت فولاد نیاز به استخراج سنگ آهن خام را کاهش می‌دهد، مصرف انرژی را تا ۷۲ درصد کم می‌کند و ضایعات دفنی در محل‌های دفن زباله را کاهش می‌دهد و بنابراین سهم قابل توجهی در تلاش‌های حفاظت از محیط زیست دارد.

کدام راهبردهای طراحی ساختمانی استفاده از فولاد بازیافتی را به حداکثر می‌رسانند؟

استراتژی‌ها شامل طراحی ماژولار برای جداسازی و استفاده مجدد در آینده، مشخصات مواد ترکیبی و گذرنامه‌های دیجیتالی مواد برای ردیابی ترکیب فولاد در سراسر چرخه حیات آن می‌شود.