Staal maken is een ongelooflijk vuile zaak. Elke geproduceerde ton creëert ongeveer 2 ton koolstofdioxide. Aangezien de industrie elk jaar ongeveer 2 miljard ton staal maakt, gaat dat veel CO2 de atmosfeer in – in feite ongeveer 7% van alle wereldwijde uitstoot. Dat maakt het vinden van manieren om groen staal van vitaal belang te maken voor het beheersen van de opwarming van de aarde.
Het probleem is dat de traditionele manier om staal te maken – ijzer verhitten in een hoogoven – al eeuwen bestaat. Het gebruikt veel energie om zowel de inhoud in de oven te verwarmen als om steenkool om te zetten in cokes, die vervolgens reageert met ijzererts om er ruwijzer ingots van te maken. Een deel van die energie komt van elektriciteit, maar veel ervan komt van het verbranden van methaan, dat vaak ten onrechte ‘aardgas’ wordt genoemd.
ArcelorMittal is een van de grootste staalproducenten ter wereld. Het probeert de koolstofemissies van het maken van staal te verlagen door groene waterstof te vervangen door de cokes. Dit elimineert de substantiële uitstoot van het maken van cokes, maar vereist nog steeds enorme hoeveelheden elektriciteit voor de rest van het proces.
RWE, een van de grootste elektriciteitsproducenten in Duitsland, en ArcelorMittal ondertekenden deze week een memorandum van overeenstemming. Volgens de overeenkomst zullen ze samenwerken om offshore windparken en waterstoffaciliteiten te ontwikkelen, bouwen en exploiteren die de hernieuwbare energie en groene waterstof zullen leveren die nodig zijn om staal met een lage uitstoot in Duitsland te produceren. Het plan is om steenkool te vervangen door windenergie en groene waterstof als belangrijkste energiebron bij de staalproductie op de staalfabrieken van ArcelorMittal in Duitsland.
Reiner Blaschek, CEO ArcelorMittal Duitsland, zegt: “ArcelorMittal Duitsland begint aan een radicale transitie om ervoor te zorgen dat we onze doelstellingen voor de vermindering van de CO2-emissie bereiken, wat betekent dat de energie die wordt gebruikt om staal te maken schone energie moet zijn. De samenwerking die we vandaag met RWE hebben aangekondigd, is om een aantal redenen belangrijk. het zal ons voorzien van de hernieuwbare, betaalbare elektriciteit en groene waterstof die we nodig hebben om emissiearm staal te produceren en tegelijkertijd concurrerend te blijven op een wereldmarkt. Het biedt ook vitale zekerheid in de supply chain, door de levering van energie en waterstof te integreren in onze business.” De nieuwe offshore windparken komen in de Noordzee.
Boston Metal slaat de groene waterstofstap over
Boston Metal is een spin-off van MIT in Woburn, Massachusetts. In tegenstelling tot de meeste staalproducenten, wil het de stap van groene waterstof overslaan en direct doorgaan met het maken van koolstofvrij staal met behulp van wat het het gesmolten oxide-elektrolyseproces noemt, dat elektriciteit gebruikt om ijzererts te scheiden, een cruciale stap in het staalproductieproces. “Het voordeel dat we hebben, is dat het een proces in één stap is dat de staalproductie direct elektrificeert”, vertelt Adam Rauwerdink, vice-president bedrijfsontwikkeling van Boston Metal. Canarische media.
“Je realiseert je niet als je rondkijkt in je landschap hoe ingebed en diepgeworteld [steel] is in de samenleving”, zegt Chathurika Gamage, klimaatintelligentiemanager bij non-profit onderzoeksorganisatie RMI. “Alles wat we maken, de gebouwen waarin we ons bevinden – het biedt letterlijk structurele stabiliteit aan al die ruimtes.”
“Decarbonisatie van de ijzer- en staalindustrie betekent in feite decarbonisatie van de hoogoven”, zegt Zhiyuan Fan, een onderzoeksmedewerker bij het Center on Global Energy Policy aan de Columbia University. “Als je de hoogoven oplost [issue]de helft van je probleem is weg.”
Het team van Fan in Columbia publiceerde vorig jaar een onderzoek waarin meerdere strategieën werden vergeleken om staal koolstofarm te maken en ontdekte dat elektrificatie de sleutel is tot het elimineren van emissies. Hoe meer het proces kan profiteren van schone elektriciteit in plaats van kolen en andere fossiele brandstoffen te verbranden, hoe gemakkelijker het zal zijn om de uitstoot te verminderen. “We weten beter hoe we het elektriciteitsnet moeten decarboniseren dan we weten hoe we een hoogoven moeten decarboniseren”, voegt Fan toe.
“Tien of 20 jaar geleden was het net niet schoon, dus het sloeg nergens op en er was geen vraag naar een groenere versie van staal, maar nu zijn die er allebei”, zegt Rauwerdink.
De kosten van het maken van staal verlagen
Iets doen in een lab is allemaal erg leuk, maar de technologie kunnen opschalen om miljoenen tonnen groen staal te maken, is iets heel anders. Boston Metal denkt het antwoord te hebben.
Elektrolyse is al meer dan 100 jaar een belangrijk onderdeel van het maken van aluminium. Het gesmolten oxide-elektrolyseproces van Boston Metal past deze techniek toe op ijzer, waarvoor hogere temperaturen nodig zijn. Elektrolyse van aluminium vindt plaats bij temperaturen net onder de 1.000 graden Celsius, terwijl voor ijzerelektrolyse ongeveer 1.600°C nodig is, een temperatuur die veel heter is dan gesmolten lava.
Om te beginnen wordt het ijzererts gesmolten met warmte uit elektriciteit. Daarna wordt het in een gestructureerde cel geplaatst, bijna als een gigantische batterij. Aan de bovenkant zorgt een anode voor elektrische lading. Aan de onderkant ontvangt een kathode de elektrische lading. Daartussen stroomt de lading door een elektrolyt, in dit geval een broeibad van gesmolten materialen. De elektrolyt bevat een verscheidenheid aan aan zuurstof gebonden elementen, waaronder aluminium, silicium en calcium.
Volgens Boston Metal werkt het proces zelfs met ijzererts van lage kwaliteit, dat goedkoper en overvloediger is dan erts van hogere kwaliteit dat minder onzuiverheden bevat. “Enkele van de andere technologieën die worden ontwikkeld [to manufacture] groen staal heeft de super-premium soorten ertsen nodig”, zegt Rauwerdink. “We kunnen profiteren van alle veel overvloedigere soorten ertsen, wat essentieel is om de technologie op de lange termijn te laten groeien.”
Een ander voordeel van elektrolyse van gesmolten oxide in vergelijking met directe reductie van ijzer is de efficiëntie. Door de waterstofstap uit te schakelen, stopt MOE energie rechtstreeks in de staalproductie, waardoor tussenstadia waar energie verloren kan gaan, worden verwijderd. MOE vereist hogere temperaturen dan op waterstof gebaseerde productie, wat ten koste gaat van de voordelen, maar zelfs als dat in aanmerking wordt genomen, blijkt MOE nog steeds efficiënter te zijn.
Fan, de groene staalexpert van Columbia, schat dat het maken van groen staal met groene waterstof minstens 30% meer energie kost dan MOE – en mogelijk wel 50% tot 60% meer. “Door die verschillende processen over te slaan, kun je veel efficiëntieverbeteringen behalen”, zegt hij.
https://www.youtube.com/watch?v=dBTswCX3_1Q
De weg naar schaal
Een commerciële fabriek kan enkele miljoenen tonnen staal per jaar produceren. De eerste demonstratiecel van Boston Metal, die continu werkt, zal minder dan 100 ton staal per jaar produceren, dus het bedrijf heeft nog een lange weg te gaan. “Het gaat gewoon om het aggregeren van die cellen, en dus het bewijs zit in de pudding van hoeveel dat kan schalen”, zegt Gamage van RMI.
Schaalgrootte is belangrijk in de staalsector, maar dat geldt ook voor het kunnen gebruiken van kapitaalintensieve systemen die al zijn gebouwd. Groene waterstof heeft een voorsprong op dit front omdat het compatibel is met de directe reductie van het ijzerproces, dat al op commerciële schaal wordt gebruikt met aardgas. Het is relatief eenvoudig om het aardgas in te ruilen voor waterstof. Daarom hebben grote staalproducenten zoals SSAB en ArcelorMittal zich voor hun plannen op korte termijn gericht op groene waterstof.
‘We zijn hier op de klok,’ zei Fan. “Als we tegen 2050 volledig koolstofarm willen zijn, moeten we nadenken over vervanging van de productie-eenheid in de komende 10 of 20 jaar. Als MOE op dat moment niet in de handel verkrijgbaar is, is het net niet gelukt.”
Boston Metal werkt aan een grotere demonstratiecel op het hoofdkantoor in Woburn, Massachusetts, die enkele honderden tonnen staal per jaar zal kunnen maken. Zodra het ontwerp is geperfectioneerd, kunnen meerdere cellen in dezelfde fabriek worden gebouwd en vervolgens mogelijk met honderden worden opgesteld, een ontwerp dat gebruikelijk is bij aluminiumsmelterijen.
“Omdat het een modulaire technologie is, zal de weg naar schaalvergroting vrij snel zijn”, zegt Rauwerdink. “Het is alsof je een windturbine hebt en vijf turbines demonstreert, en als dat eenmaal gelukt is, bouw je er 100 of 200 voor een commerciële fabriek. Voor ons is het dezelfde benadering. We hoeven dan niet terug te gaan en een cel opnieuw te ontwerpen die 100 keer groter is.”
De noodzaak van emissievrije elektriciteit
De technologie van Boston Metal heeft elektriciteit nodig die is opgewekt uit koolstofarme bronnen om de koolstofemissies van de staalproductie te verminderen. “De toekomst van de staalproductie is echt afhankelijk van schone elektrificatie”, zegt Gage.
Staalproductieapparatuur is meestal maandenlang constant in bedrijf en het veranderen van de chemische samenstelling van metaal vereist inherent veel energie, dus als het proces wordt geëlektrificeerd, heeft het een enorme hoeveelheid elektriciteit nodig. Boston Metal zegt dat zijn technologie 4 megawattuur elektriciteit gebruikt om 1 ton staal te produceren. Dat is genoeg om het gemiddelde Amerikaanse huis meer dan vier maanden van stroom te voorzien.
Volgens Columbia’s onderzoek naar het koolstofvrij maken van staal, zou het vervangen van alle hoogovens ter wereld door MOE-productieprocessen een hoeveelheid stroom vereisen die gelijk is aan bijna 20% van het wereldwijde elektriciteitsverbruik in 2018. Dat betekent dat de staalindustrie een van de grootste gebruikers van elektriciteit zou worden op de planeet.
Maar om alle staalproductie te vervangen door door waterstof aangedreven directe reductie van ijzer zou nog meer elektriciteit nodig kunnen zijn. Dat betekent dat er geen manier is om de klimaateffecten van staal aan te pakken zonder een enorme hoeveelheid schone stroomopwekking te installeren, naast ervoor te zorgen dat het net klaar is om al die extra elektriciteit op betrouwbare wijze te verplaatsen.
“Je zult het netwerk moeten versterken met een snelheid die de nutsbedrijven en de netbeheerders niet hebben gepland”, zegt Thomas Koch Blank, senior principal in het Breakthrough Technology Program van RMI. En het zou moeten worden gedaan op een tijdlijn van 10 tot 15 jaar.
Soms wordt het ontwikkelen van nieuwe decarbonisatietechnologie gezien als strijdig met het inzetten van gevestigde oplossingen zoals hernieuwbare energie, maar in veel omstandigheden zijn deze uitdagingen één en dezelfde. Groen staal is een goed voorbeeld.
“Voor ons of voor groene waterstof heb je schone stroom nodig”, zegt Rauwerdink, “dus al het werk dat wordt gedaan om het elektriciteitsnet schoon te maken, maakt oplossingen zoals die van ons mogelijk.”
Naarmate de vraag naar groen staal groeit, zullen er meerdere oplossingen nodig zijn om aan de wereldwijde vraag naar staal te voldoen zonder de atmosfeer of het elektriciteitsnet te overbelasten. Koch Blank benadrukt dat zowel elektrolyse van gesmolten oxide als door waterstof aangedreven directe reductie van ijzer veelbelovend zijn voor het koolstofarm maken van de staalindustrie en het nastreven waard zijn. “Uiteindelijk zou het me verbazen als er niet genoeg ruimte op de markt is voor beide technologieën,” zei hij.
De afhaalmaaltijden
Groene waterstof krijgt de laatste tijd veel aandacht in de pers omdat het manieren belooft om de koolstofemissies van industriële processen zoals staal- en cementproductie sterk te verminderen. Maar het is volledig afhankelijk van toegang tot schone, betrouwbare en betaalbare elektriciteit. De weg voorwaarts naar bouwmaterialen zonder uitstoot is duidelijk, maar om daar te komen, moet er grondig worden nagedacht over hernieuwbare energie en hoe deze wordt gedistribueerd door het elektriciteitsnet in elk land.
Bekijk onze gloednieuwe E-BikeGids. Als je nieuwsgierig bent naar elektrische fietsen, dan is dit de beste plek om je e-mobiliteitsreis te beginnen!
Waardeer je de originaliteit van CleanTechnica en de berichtgeving over cleantech? Overweeg om CleanTechnica-lid, supporter, technicus of ambassadeur te worden – of een beschermheer op Patreon.
