Achtergrond

 

Vele wegen naar groen staal

Met de geruchten rondom de overname van Tata Steel in IJmuiden door SSAB groeiden ook de vragen rondom verduurzaming van de staalindustrie. Het Zweedse SSAB lanceerde immers vorig jaar een proeffabriek die groene waterstof gebruikt in plaats van cokes. De wegen naar decarbonisatie van de staalindustrie blijken echter nog meer divers te zijn. De vraag is natuurlijk welke weg de meeste ecologische én economische winst oplevert.

David van Baarle

geanimeerde-knop

Vorig jaar opende de eerste Hybrit-proeffabriek van SSAB in het Zweedse Luleå

De staalindustrie staat bekend als een van de industrietakken die moeilijk afscheid kan nemen van fossiele brandstoffen. Het smelten van staal vergt hoge temperaturen en het fysisch chemische proces van ijzererts tot staal vraagt nu eenmaal de aanwezigheid van koolstof. Toch lukte het de Zweedse staalproducent SSAB om direct-gereduceerd ijzer te produceren met behulp van waterstof. Samen met mijnbouwbedrijf LKAB en energiebedrijf Vattenfall investeerde SSAB in de zogenaamde Hybrit technologie, wat staat voor Hydrogen Breakthrough Ironmaking Technology. Vorig jaar opende de eerste proeffabriek in het Zweedse Luleå en in 2025 verwachten de partijen een demonstratiefabriek te bouwen in Oxelösund. De bedrijven kregen eind vorig jaar in ieder geval de milieuvergunningen voor de bouw.

Consolidatie
In de tussentijd staat de staalmarkt onder druk. De Covid-crisis doet daar nog een schepje bovenop. Beursanalisten verwachten al langer een consolidatie van de markt. De Indiase staalreus Tata Steel dacht in 2018 nog te kunnen fuseren met het Duitse ThyssenKrupp, maar daar stak de Europese Commissie een jaar later een stokje voor. De marktmacht van de combinatie zou te groot worden.
Het bod van SSAB van zeven miljard euro voor het Nederlandse deel van Tata Steel eind 2020 kwam dan ook voor velen als verrassing. Hoewel nog niet zeker is of de overname daadwerkelijk doorgaat, trokken de media al snel de vergelijking tussen de bedrijven. En dan met name de duurzame ambities van SSAB in vergelijking met Tata Steel IJmuiden. Een vergelijking die volgens directeur duurzaamheid Annemarie Manger van Tata Steel Europa scheef gaat. De staalfabrieken in IJmuiden zien meer in het afvangen en opslaan of nuttig inzetten van CO2 (CCUS). ‘De Zweden hebben nu eenmaal meer duurzame stroom beschikbaar, terwijl wij de Noordzee kunnen inzetten voor CCS’, aldus Manger. De voorbereidingen zijn al gestart om vanaf 2027 de CO2 af te vangen vanuit de hoogovens.

Lees meer: CO2

CO2-hergebruik
ArcelorMittal investeerde in zijn vestiging in het Belgische Gent 120 miljoen in een demonstratiefabriek die koolmonoxide uit het staalproductieproces op biologische wijze omzet in ethanol. Die bio-ethanol uit dit zogenaamde Steelanol-project zal eerst zijn weg vinden naar de transportsector. Later wil het bedrijf ook biochemische producten en biomaterialen produceren. ArcelorMittal verwacht hiermee tot 87 procent van de CO2-emissie te kunnen terugdringen. Zover is het nog niet: de proeffabriek begint met vijftien procent van de restgassen uit de fabriek die goed is voor tachtig miljoen liter ethanol per jaar.
Nu is koolmonoxide nog redelijk eenvoudig om te zetten in chemische producten. Kooldioxide is een stuk lastiger. Toch onderzoekt ArcelorMittal of ze ook dit broeikasgas kan hergebruiken. Het zogenaamde IGAR-project moet fundamentele problemen oplossen die ontstaan bij de conversie van CO2 in synthesegas. Dit doet men via het zogenaamde droog reform-proces. Een door aardgas gevoede plasmatoorts splitst de kooldioxide in koolmonoxide en waterstof. Uitdaging daarbij is dat het hete synthesegas behoorlijk corrosief is. De eerste fase van het project richtte zich dan ook op de ontwikkeling van specialistische metalen en vuurvast materiaal. Dat is inmiddels gevonden, nu richt men zich op de toorts.
Thyssenkrupp investeerde al in 2016 in het Carbon2Chem-project, waarvoor het zestig miljoen euro subsidie kreeg van de Duitse overheid. Inmiddels is voor de tweede fase nog eens 75 miljoen euro toegekend.

CO2-afvang en opslag
Tata Steel is een partner in het Athos-consortium, dat voorziet in de aanleg van een basis transportinfrastructuur in het Noordzeekanaalgebied, om het gebruik of de opslag onder de Noordzee van CO2 mogelijk te maken.
Ook ArcelorMittal investeert in het afvangen en opslaan van CO2. De vestiging van het bedrijf in Duinkerke onderzoekt bovendien de mogelijkheid om lage temperatuur restwarmte in te zetten in de ammoniakstripper die het CO2 uit de rookgassen wast. Daarmee zou het afvangen een stuk energiezuiniger kunnen worden.
Een plek om de CO2 op te slaan is inmiddels ook gevonden. ArcelorMittal is partner in het Northern Lights project waar Equinor, Shell en Total samenwerken aan een infrastructuur voor transport, opvang en permanente opslag van CO2 in een reservoir in het noordelijke deel van de Noordzee. De fabriek in Gent zou kunnen aansluiten bij het Porthos-project dat CO2 uit het Rotterdamse havengebied wil verzamelen en offshore opslaan in de Noordzee.

Veel energie
De hoeveelheid energie die nodig is om ijzer met behulp van waterstof te reduceren tot staal is enorm. Tata Steel berekende al dat als het zijn productie op deze manier zou willen uitvoeren, dat er dan zes gigawatt aan offshore windvermogen nodig is om jaarlijks 28 terawatt duurzame stroom te produceren. Dat is zo’n zeventig procent van de geplande Nederlandse windparken in 2030.
De energiemix van de Zweden maakt de inzet van waterstof een stuk eenvoudiger. Het land gebruikt naast waterkracht en windenergie ook kernenergie. Onderdeel van het Hybrit project is de koppeling van een offshore windpark van Vattenfall aan een 4,5 megawatt elektrolyzer die de groene waterstof moet leveren.

Vergroening
Tata Steel en SSAB zijn niet de enige staalbedrijven die hun portfolio willen vergroenen. Ook de eveneens Indiase producent ArcelorMittal en het Duitse ThyssenKrupp hebben ambities uitgesproken die in lijn liggen met de ambitie van de Europese Commissie voor een klimaatneutrale economie in 2050. De eerste stap is om de kooldioxide die bij het staalproces vrijkomt af te vangen en ondergronds op te slaan. Een aantal partijen is echter al bezig met het nuttig inzetten van kooldioxide in transportbrandstoffen of chemische grondstoffen.
De inzet van waterstof, vraagt om geheel nieuwe processen en kan dan ook pas later in de tijdlijn op volle schaal worden ingezet. Inmiddels onderzoekt men ook de inzet van stroom als alternatief voor de hitte van de cokes.

Een aantal partijen is al bezig met het nuttig inzetten van kooldioxide in transportbrandstoffen of chemische grondstoffen.

Lees meer: Waterstof en elektrolyse

Waterstofreductie
Het proces van het omvormen van ijzererts naar staal heeft vooral te maken met het reduceren van de in het erts aanwezige zuurstof. Waar dat momenteel gebeurt met behulp van cokes, is ijzerreductie ook mogelijk met waterstof. Op dit principe is de Hybrit-technologie gebaseerd van SSAB.
Ook ArcelorMittal en ThyssenKrupp onderzoeken de productie van staal met behulp van waterstof. ArcelorMittal gebruikt in zijn vestiging in Hamburg nu nog grijze waterstof voor directe ijzerreductie. Het is de bedoeling dit langzaamaan te vervangen door groene waterstof.
ThyssenKrupp stippelde zijn eigen tijdspad uit en begint met directe vervanging van cokes door waterstof in zijn hoogovens op de Duisburg-Hamborn site. Overigens zou volgens het bedrijf de vervanging van cokes door aardgas ook al een behoorlijke CO2-besparing opleveren. Directe reductie met waterstofgas zou dan in een later stadium de hoogovens vervangen. Men verwacht in 2024 de eerste fabriek te kunnen openen die ijzererts direct reduceert met waterstof.

Elektrolyse
Een stapje verder is de elektrochemische omzetting van ijzererts in staal. In het Siderwin-project, waar ArcelorMittal bij betrokken is, is het al gelukt om ijzererts in een elektrolytisch bad te leggen en het ijzer en de zuurstof van elkaar te scheiden. Het proces is efficiënter dan de elektrolytische splitsing van water in waterstof en zuurstof. Bovendien is het redelijk eenvoudig aan en weer uit te zetten. Ideaal voor de inzet van fluctuerende duurzame energiebronnen zoals wind en zon. Het R&D-lab van ArcelorMittal ontwikkelde al het eerste prototype voor een elektrolytische kamer. Men werkt nu aan opschaling naar industriële schaal.
ThyssenKrupp ontwikkelde zogenaamde elektrische smelters die de cokesovens van de bestaande hoogovens direct kunnen vervangen. Daarmee zou een groot deel van de bestaande assets behouden kunnen blijven en dezelfde staalkwaliteiten kunnen produceren.

TNO onderzoekt hoe ze koolmonoxide het beste kunnen scheiden van het stikstof.

Steel2Chemicals
Een stap verder in de circulaire economie is het omzetten van koolmonoxide in chemicaliën. In het Steel2Chemicals project werken Tata Steel, ArcelorMittal en Dow Terneuzen samen met onderzoekers van TNO, Universiteit Gent en ISPT. Doel van het project is een geïntegreerd systeem dat restgassen uit de staalindustrie omzet in petrochemische producten zoals nafta. De kunststoffen die met nafta worden gemaakt, met name polyetheen, kunnen weer worden ingezet als koolstofbron voor de staalproductie. Daarmee ontstaat een echt circulaire staalindustrie én chemische industrie die bovendien niet de volledige groene elektriciteitsproductie opslorpt.
Geoffrey Schouten is namens ISPT medeverantwoordelijk voor het project. ‘Bij de productie van staal ontstaat synthesegas als restproduct. Dit gas is een mengsel van koolmonoxide, kooldioxide, stikstof en wat reststoffen. Tot nog toe gaat dit gas naar een gascentrale om er stroom van te maken. Je kunt het gas echter ook gebruiken als basis voor ethanol of nafta. Het meest eenvoudige is om de koolmonoxide via een water-gas-shift reactie om te zetten in kooldioxide en waterstof. De CO2 kun je afvoeren en de waterstof inzetten in de chemie. Maar het is waardevoller om de CO in takt te houden en deze te scheiden van de andere gassen. Die koolmonoxide is namelijk zeer energie-efficiënt met behulp van een katalysator om te zetten in nafta.’
Inmiddels is de pilotfabriek die koolmonoxide en waterstof laat reageren tot nafta klaar. De zeecontainers zouden al op het terrein bij ArcelorMittal in Gent zijn geplaatst als corona geen roet in het eten gooide. ‘Zodra de omstandigheden het toelaten, testen we een jaar lang de mogelijkheden van de installatie’, zegt Schouten. ‘We kunnen experimenteren met ketenlengtes en de balans vinden tussen energiekosten en toegevoegde waarde. Het jaar daarop voert Tata Steel dezelfde testen uit. Want hoewel beide bedrijven staal maken, zijn de processen anders, net als de samenstelling van het syngas.’
In de tussentijd onderzoekt TNO hoe ze de koolmonoxide het beste kunnen scheiden van het stikstof. Ook daar zijn inmiddels goede resultaten te melden. Schouten: ‘Tegelijkertijd onderzoekt Quo Mare de technische, economische en ecologische impact van deze systeemintegratie. Zij gebruiken algoritmes om de impact van deze ingreep door te rekenen in de tijd. Bovendien krijgen we daarmee inzicht in wanneer en onder welke omstandigheden we het beste welke investeringen kunnen doen.’

Video
Share

Your name

Your e-mail

Name receiver

E-mail address receiver

Your message

Send

Share

E-mail

Facebook

Twitter

Google+

LinkedIn

Sign up

Sign up