“Ik noem de laatste 150 jaar de staaltijd. Het is een van de belangrijkste materialen ooit. Tegelijkertijd leven we in een tijd waarin een veel duurzamere staalproductie belangrijker is dan ooit.” Het zijn exact die twee uitdagingen die samenkomen in het werk van Yongxiang Yang. Hij staat aan het hoofd van de Metals, Production, Refining and Recycling groep van TU Delft, waar hij zich bezighoudt met metaalproductie en -recycling, en recentelijk ook met het verduurzamen van staalproductie met waterstof.
Zowel in dit rapport van McKinsey als in de IJzer en Staal Roadmap van het International Energy Agency (IEA) wordt staalproductie op basis van waterstof gezien als een technisch haalbare en economisch levensvatbare langetermijnoplossing voor een koolstofvrije staalproductie.
- De rol van waterstof bij de productie van Direct Reduced Iron (DRI) biedt een duurzamer pad voor de staalindustrie;
- Op waterstof gebaseerde staalproductie wordt door McKinsey en het Internationaal Energieagentschap gezien als een levensvatbare langetermijnoplossing voor koolstofvrije staalproductie;
- De overgang naar staalproductie op basis van waterstof brengt uitdagingen met zich mee, waaronder energievereisten en de noodzaak om infrastructuur te ontwikkelen, waardoor samenwerking tussen de industrie, overheden en regelgevende instanties nodig is.
De basis van staalproductie
Om te begrijpen hoe dit werkt, gaan we terug naar de basis van staalproductie. Het materiaal wordt gemaakt uit ijzererts en schrootijzer. Om staal te maken is ijzer nodig. Daarom wordt ijzererts verwerkt tot agglomeraten (kleine balletjes of sinters), gereduceerd met koolstof in de vorm van cokes en gesmolten in hoogovens bij temperaturen tot 2000 graden Celsius. Zo wordt uit het erts vloeibaar ijzer geproduceerd, dat we ‘ruwijzer’ noemen. Dit ruwijzer wordt samen met staalschroot naar de convertors gebracht, waar het wordt geraffineerd tot vloeibaar staal. Bij de hoogovenproductie van ijzer komt veel CO2 vrij – het proces is verantwoordelijk voor ongeveer 75 procent van de totale CO2 in de staalproductie.
Duurzaam staal
Onze samenleving is gebouwd op staal. We maken er fietsen bruggen, pijpleidingen en auto’s van. In 2021 werd er wereldwijd 1,9 miljard ton staal geproduceerd – een historisch hoogtepunt in de mondiale staalproductie. Of dieptepunt, want elke ton nieuw geproduceerd staal gaat gepaard met 1,9 ton CO2-uitstoot. Met een aandeel van zeven procent in de wereldwijde CO2-uitstoot is het een van de industrieën met de grootste koolstofdioxide uitstoot. Toch zijn we ertoe veroordeeld, want een alternatief voor staal is er niet. Er zit dus maar een ding op: de levenscyclus van staal groener maken. In deze serie kijken we hoe wetenschappers van TU Delft en de industrie de levenscyclus van staal – van productie tot verwerking, toepassing en recycling – verduurzamen. Vandaag: de rol van corrosietechnologie in het verduurzamen van staal.
Direct reused iron
Een alternatief ijzerproductieproces is de directe reductie van ijzererts. Het product is direct gereduceerd ijzer (DRI): DRI wordt meestal gemaakt met behulp van aardgas. Bij dit proces komt dertig procent minder CO2 vrij dan bij het hoogovenproces, maar het is nog ver verwijderd van de klimaatdoelstellingen van de EU en Nederland voor 2030 en 2050.
Yang onderzoekt het gebruik van waterstof om ijzeroxide om te zetten in vast ijzer. Het DRI kan vervolgens worden gesmolten in een vlamboogoven (EAF) voor de productie van ruw staal of worden samengevoegd met een Basic Oxygen Furnace (BOF) staalproductieproces. Door aardgas te vervangen door waterstof, komt er bijna geen CO2 vrij: zuurstof bindt zich in dit geval niet aan koolstof (zodat het eindigt als CO2), maar aan waterstof. Met als resultaat dat het afvalgas niet de vorm van CO2 aanneemt, maar van water.
De toepassing van waterstof DRI voor staalproductie met DRI en waterstof is niet de enige optie. Er wordt bijvoorbeeld ook gekeken naar het maken van staal via directe elektrolyse met groene elektriciteit, maar toepassing van deze technologie ligt nog ver in de toekomst. CO2 afvangen en opslaan of gebruiken is een andere optie om het huidige, op koolstof gebaseerde hoogovenproces uit te breiden, maar dit is geen definitieve oplossing. Yang verwacht dat DRI gemaakt van waterstof vanaf 2030 commercieel gebruikt zal worden.
Alle pijlen op waterstof
Twee jaar geleden kondigde Tata Steel, dat zo’n zeven miljoen ton staal per jaar produceert, aan over te stappen op groene waterstof. Het bedrijf wil in 2045 CO2-neutraal zijn en investeerde 65 miljoen euro in het ontwerpen van vijf fabrieksinstallaties die op basis van waterstof staal produceren; het bouwen ervan gaat vele malen meer kosten. Voor 2030 moet de eerste fase van dit groen staal plan operationeel zijn. En dan zal één hoogoven en één kooks- en gasfabriek uit bedrijf gaan. “Het vervangen van onze hoogovens door elektrische ovens wordt een van de grootste industriële operaties in de geschiedenis van Nederland. Die hoogovens vormen het hart van ons bedrijf, en dat halen we weg”, vertelt Tim Peeters, manager van de IJzer en Staal R&D-afdeling bij Tata Steel.
De financiering voor dit project zal grotendeels vanuit Tata Steel zelf komen. Daarnaast is het bedrijf in gesprek met de overheid over mede financiering via het zogenaamde ‘maatwerk’ traject.
Uitdagingen
In Zweden is een proeffabriek (HYBRIT) opgericht voor de verdere ontwikkeling van DRI-productie op basis van waterstof, waar DRI commercieel zal worden geproduceerd met waterstof via waterkrachtcentrales. In Nederlandmoet de elektriciteit komen van windmolens op zee. Het voorzien in de energiebehoefte bij deze groene staalproductietechnologie is direct ook de grootste uitdaging. “De temperatuur in de DRI-schachtovens moet constant rond duizend graden Celsius blijven. Samen met de chemische behoefte aan waterstof als reductiemiddel, slurpt het proces enorme hoeveelheden energie. Het vinden van een constante energiebron die afdoende energie levert, is cruciaal”, aldus Yang. Op dit moment wordt er in Nederland nog veel te weinig groene elektriciteit geproduceerd voor de industrie. Ter illustratie: alleen al voor de productie van voldoende waterstof met behulp van waterelektrolyse voor staalproductie zou jaarlijks 21 miljard kWh nodig zijn. In 2021 produceerden windmolens in Nederland 15,4 miljard kWh (slechts 70 procent van de totale elektriciteit die nodig is voor de H2-productie voor de staalsector).
“En daar komt ook nog alle infrastructuur bij”, vult Peeters aan. “Wij moeten voor 2030 nieuwe installaties bouwen en er moet voldoende groene waterstof beschikbaar zijn. We kunnen niet anders dan erop vertrouwen dat de Nederlandse economie in staat is om het waterstofnetwerk te implementeren, parallel aan onze eigen transitie.”
Een ding is duidelijk: hoe veelbelovend groene waterstof ook is voor een duurzamere staalproductie, het is zowel praktisch als logistiek een enorme operatie.De verschuiving naar een groenere staalproductie is geen taak die de staalindustrie alleen kan uitvoeren, maar vereist een gezamenlijke inspanning van regelgevers, regeringen en belanghebbenden uit de industrie.
Als je dit artikel leuk vindt, lees dan ook:
