Decarbonisatie van industriële warmte: De ijzer- en staalsector

Koppen

• De huidige primaire staalproductie is in hoge mate geïntegreerd; incrementele efficiëntieverbeteringen kunnen de emissies slechts met ongeveer 10% verder terugdringen. Uit de analyse van scenario's die onlangs door verschillende bronnen zijn gepubliceerd, blijkt dat:
• Het bereiken van een diepe decarbonisatie tegen 2050 is alleen mogelijk via nieuwe productieprocessen.
• De elektriciteitsvraag van de sector zou tegen 2050 kunnen verdrievoudigen door een verschuiving naar staal dat door waterstofreductie of directe elektrolyse wordt vervaardigd.
• Tegen 2050 neemt de productie van staal uit gerecycleerd schroot toe met +30% tot +70% ten opzichte van 2018, wat zich vertaalt in een potentieel aandeel van 50% tot 77% van de totale staalproductie tegen 2050.

Beleidsaanbevelingen

• Meer RD&D-steun voor technologieën die verenigbaar zijn met een diepe decarbonisatie van de sector (H-DRI, elektrolyse, CCS/U).
• Monitoring en verbetering van het effect van beleid dat gericht is op maximalisering van het hergebruik van staalschroot.
• Vraagafhankelijk beleid ontwikkelen om een markt voor "groen staal" te creëren, zoals groene overheidsopdrachten voor door de overheid gefinancierde infrastructuur.

Overzicht van de ijzer- en staalsector

De productie van ijzer en staal levert een belangrijke bijdrage aan de uitstoot van broeikasgassen in de EU. De sector was in 2017 goed voor 4% van alle emissies in de EU, en 23% van de verwerkende industrie. De ruwstaalproductie in de EU is sinds 2010 constant en bedraagt ongeveer 170Mt per jaar, en zal tegen 2050 schommelen tussen 153Mt en 172Mt in de FORECAST-model scenario's, die de basis vormden voor de industrie-analyse van de strategische langetermijnvisie van de Europese Commissie. Er zijn twee belangrijke staalprocédés in de EU:

• 60% van het staal wordt vervaardigd via de geïntegreerde route, waarbij nieuw staal wordt vervaardigd uit ijzererts. IJzer, in de vorm van sinter, wordt gereduceerd in de aanwezigheid van cokes in een hoogoven (BF), en vervolgens omgezet in ruw staal in een oxystaaloven (BOF).
• 40% van het staal wordt gemaakt via de recyclingroute, waarbij schrootstaal wordt gere

Overzicht proceswarmte

Ongeveer 95% van de proceswarmte die bij de productie van ijzer en staal nodig is, komt vrij bij zeer hoge temperaturen (>500oC), en kolen/cokes vormen de belangrijkste energie-input in het proces, en dienen zowel als brandstofbron als grondstof in de vorm van cokes.

Hoewel zowel de geïntegreerde als de recyclingroute processen bij zeer hoge temperaturen vereisen, verschillen de emissie- en energie-intensiteit ervan aanzienlijk:

• De geïntegreerde route is afhankelijk van de productie van cokes als grondstof voor de reductie van ijzer in de hoogoven, en het ijzererts zelf moet worden omgezet in sinter voordat het in de hoogoven wordt ingevoerd. Zowel de vercooksing als de sintering vinden plaats in de staalfabriek en vereisen temperaturen van meer dan 1000oC. Deze materialen worden in een hoogoven gevoerd, waar hete lucht van meer dan 1000oC uit cokes reductiegassen vormt, die met het erts reageren tot gereduceerd ijzer; CO2-emissies van dit proces zijn een onvermijdelijk product van de chemische reductie van ijzererts. Met een uitstoot van 1,2tCO2 per ton staal is de hoogoven verantwoordelijk voor meer dan 60% van de CO2-uitstoot in de geïntegreerde route. De cokesoven stoot ~15% uit, de sinterfabriek iets meer dan 10% en de andere processen (oxystaaloven, pelletfabriek) ~10% van de totale CO2-emissies (eigen schatting, gebaseerd op emissiegegevens van).
• Het is echter niet eenvoudig de emissies aan specifieke processen toe te schrijven. De rookgassen van de cokesoven en de hoogoven worden gerecupereerd om warmte te leveren en ook om de elektriciteitscentrales ter plaatse te stoken, in een sterk geoptimaliseerd circuit. Het elimineren of vervangen van rookgasemissies door alternatieve processen zou de volledige staalproductieroute verstoren.
• De warmtevraag in de recyclingroute is bijna volledig geëlektrificeerd. Een elektrische vlamboog van 1600oC smelt schroot rechtstreeks om vloeibaar staal te produceren. Bij de huidige gemiddelde CO2-intensiteit van elektriciteit in de EU stoot de ELF-route 0,2 tot 0,3 tCO2 per ton staal uit, of 80% minder dan de geïntegreerde route.

Beperkt potentieel voor verbetering

Geïntegreerde staalfabrieken hebben hun materiaal- en energiestromen in de loop der jaren geoptimaliseerd, en de best presterende in de EU werken al op bijna optimale niveaus. Het doorvoeren van verdere incrementele efficiëntieverbeteringen en beste praktijken zal de CO2-emissies naar schatting slechts met ongeveer 10% verder terugdringen (eigen schatting, gebaseerd op emissiegegevens van). Om de ambities van de Europese Commissie om de uitstoot van broeikasgassen tegen 2050 tot nul terug te brengen, te verwezenlijken, moeten nieuwe doorbraaktechnologieën, CCS/U (afvang en opslag/benutting van koolstof) en een toename van gerecycleerd staal in overweging worden genomen.

2050-scenario's voor het koolstofarm maken van de economie

Om na te gaan hoe de sector tegen 2050 tot op grote hoogte koolstofarm kan worden gemaakt, worden acht scenario's uit vier publicaties met elkaar vergeleken (figuur 2). Terwijl de eindvraag naar energie in 2050 in alle scenario's daalt, tussen ongeveer -10% (ECF, Carbon Capture) en -50% (ECF, Circulaire economie en ICF, Mix80 en Mix95), varieert de vraag naar staal sterk, van -17% (ECF, Circulaire economie) tot +10% (ECF, Nieuwe processen en Carbon Capture) ten opzichte van 2015.

Nieuwe staalproductieprocédés

Nieuwe waterstofstaalfabricagetechnologieën waarnaar momenteel onderzoek wordt verricht, zijn erop gericht het aardgas dat wordt gebruikt bij de directe reductie van ijzer (DRI), een bestaand proces, te vervangen door groene waterstof (H-DRI). Indien hernieuwbare elektriciteit wordt gebruikt door zowel de waterstoffabriek als door de hoogovens, die het ijzer verder verwerken tot staal, zou dit proces tot 95% minder CO2 kunnen uitstoten dan de huidige geïntegreerde route. Vier Europese projecten, HYBRIT, SALCOS, H2Future/SuSteel (dat de reductie van waterstofplasmasmelten onderzoekt) en ThyssenKrupp, ontwikkelen de volledige waardeketen voor de productie van waterstofstaal; het vroegste demonstratieproject zal naar verwachting niet voor 2025 van start gaan.

De directe elektrolyse van ijzererts, of "electrowinning", voor de productie van ruw staal wordt ontwikkeld in het kader van het SIDERWIN-project. Indien uitsluitend hernieuwbare elektriciteit wordt gebruikt, zou de staalproductie tot 87% minder CO2 kunnen uitstoten dan de huidige geïntegreerde route. Deze methode bevindt zich nog in een vroeg ontwikkelingsstadium en is alleen op laboratoriumschaal beproefd.

Tegen 2050 wordt in 7 van de 8 scenario's gebruik gemaakt van waterstofstaalproductie en electrowinning; dit kan oplopen tot 35% (65Mt) van de totale staalproductie (ECF, Nieuwe processen). Met inbegrip van de waterstofproductie zou de jaarlijkse elektriciteitsvraag van de sector tot 3 maal de huidige vraag kunnen toenemen, tot 360TWh in 2050 (ECF, Nieuwe processen en EC, 1.5TECH). Deze hoeveelheid komt overeen met 35% van de huidige hernieuwbare elektriciteitsproductie van de EU. Andere belangrijke uitdagingen zijn de schaalvergroting van de waterstofinfrastructuur en de nodige investeringen voor uitgebreide brownfield-conversies of greenfield-installaties.

Gebruik van koolstofafvang en -opslag

Twee Europese projecten, Steelanol en Carbon2Chem, onderzoeken de valorisatie van afvalgassen van de hoogoven voor de productie van bio-ethanol en chemische grondstoffen. Hoewel de ontwikkeling zich in een verder gevorderd stadium bevindt - de Steelanol-demonstratie-installatie is momenteel in aanbouw in België - zijn de maximale emissiereducties van deze processen beperkter (tot 65% indien zij volledig worden toegepast) en zullen zij afhangen van de vraag of de koolstof weer vrijkomt aan het einde van de levensduur van de resulterende chemische producten.

Nieuwe smelttechnologieën in combinatie met CCS, zoals het HIsarna-proces, genereren CO2-rijk afvalgas om het afvangen van koolstof te vergemakkelijken. In vergelijking met de huidige werkwijze zouden de emissies met tot 80% kunnen worden verminderd. De toepassing van deze technologieën zou echter ingrijpende wijzigingen van de staalproductieprocessen vergen, op een schaal die vergelijkbaar is met die van baanbrekende waterstof- of elektrolysetechnologieën.

Koolstofafvangtechnologieën worden in 2 van de 8 ontkolingsscenario's op grote schaal toegepast (IEA, B2DS en ECF, Koolstofafvang), waarbij tot 30% (54Mt) van de totale staalproductie in 2050 afkomstig is van installaties die met CCS/U zijn uitgerust (ECF, Koolstofafvang).

Groter aandeel van gerecycleerd staal

Tegen 2050 wordt de productie van gerecycleerd staal in 7 van de 8 scenario's belangrijker, met een productietoename die varieert van +30% (91Mt) tot +70% (118Mt) ten opzichte van 2018 (70Mt) (respectievelijk scenario's ECF, Carbon Capture en ICF, Mix95). Dit komt overeen met een aandeel van 50% tot 77% van de totale ruwstaalproductie in deze scenario's (tegenover 42% in 2018).

De belangrijkste uitdagingen om een hogere productie van secundair staal te bereiken, zijn het verhogen van het recyclingpercentage van staal (dat momenteel al tussen 70%-95% ligt, afhankelijk van het eindgebruik) en het verbeteren van de kwaliteit van schroot. Gerecycleerd schroot is vaak verontreinigd met andere tramp-elementen, waarvan koper het belangrijkste is. Koperverontreiniging beperkt het gebruik van staal tot toepassingen die staal van mindere kwaliteit verdragen, zoals betonijzer in de bouw. Terwijl de bouwsector 34% (54Mt) van de totale vraag naar afgewerkt staal in 2018 gebruikte, zal de vraag naar staal van hogere kwaliteit (met name in de automobielsector) in de toekomst waarschijnlijk sneller toenemen. De kwaliteit van schroot kan stroomafwaarts worden verhoogd door de ontmanteling en sortering van afgedankte producten te verbeteren. Stroomopwaarts kunnen ontwerpwijzigingen om het gebruik van koper te verminderen of de demontage van afgedankte producten te vergemakkelijken, de behoefte aan stroomafwaartse ingrepen verminderen. De EU-beleidsmakers kunnen ertoe bijdragen deze uitdagingen het hoofd te bieden door het effect van beleidsmaatregelen om het hergebruik van staalschroot te maximaliseren, te monitoren en te versterken.

Contact:

julian.somers(at)ec.europa.eu

jose.moya(at)ec.europa.eu