Staal produceren met 97% minder CO2-uitstoot

Fraunhofer, TS Elino en Salzgitter werken samen aan het ombouwen van een bestaande staalfabriek met een hoge CO2-uitstoot, om over te gaan op klimaatneutrale productiemethoden.

Het doel is om staal te produceren door de directe reductie van ijzererts met waterstof, die de schadelijke cokes als reductiemiddel volledig zou vervangen. De waterstof die voor deze methode nodig is, wordt geproduceerd door middel van elektrolyseprocessen met elektriciteit uit hernieuwbare energiebronnen. In totaal zou dit de uitstoot van koolstofdioxide met 97 procent kunnen verminderen.

Er wordt al jaren gewerkt aan de ontwikkeling van nieuwe technologieën om de productie koolstofvrij te maken. Het Fraunhofer Institute for Ceramic Technologies and Systems IKTS, de partnerinstituten Fraunhofer Institute for Systems and Innovation Research ISI en Fraunhofer Institute for Environmental, Safety and Energy Technology UMSICHT en Salzgitter richten zich op directe reductie op basis van waterstof. Tijdens directe reductie in een reactor reageert het ijzererts met waterstof bij een hoge temperatuur. Deze waterstof werkt als een reductiemiddel en verwijdert het ijzeroxide uit het ijzererts. Wat overblijft is het ruwijzer. ‘Door het gebruik van elektriciteit uit hernieuwbare energiebronnen is de productie van waterstof volledig vrij van CO2-uitstoot. Dit betekent dat we door de toepassing van groene waterstof bij de productie van ruw staal tot 97 procent van de schadelijke kooldioxide kunnen besparen,’ legt Dr. Matthias Jahn uit, afdelingshoofd Energie en Procestechniek bij Fraunhofer IKTS.

Groene waterstof uit elektrolyse

In principe wordt groene waterstof geproduceerd met behulp van elektrolyse, waarbij een elektrische spanning wordt toegepast om stoom te splitsen in waterstof en zuurstof. Met name elektrolyse bij hoge temperatuur op basis van vaste-oxide elektrolysecellen (SOEC) kent een lange geschiedenis bij Fraunhofer IKTS. Aangezien de afvalwarmte van hogetemperatuurprocessen kan worden gebruikt om het elektrisch rendement te verhogen, biedt dit aanzienlijke voordelen in vergelijking met andere elektrolyseprocessen – vooral bij de staalproductie. Onderzoekers van het Fraunhofer IKTS hebben zelf elektrolysecellen en -stapels ontwikkeld en hun eigen bedrijfsgegevens gebruikt voor de technisch-economische beoordeling van het procesconcept. Bovendien heeft het consortium de haalbaarheid van het nieuwe proces aangetoond in zowel het MACOR-onderzoek als het BeWiSe-vervolgproject.

Demonstratie-installatie

Na de lancering van hun nieuwe BeWiSe-project zijn de onderzoekers en hun industriële partners nu bezig met het verder optimaliseren van de hele procesketen in termen van hulpbronnen- en energie-efficiëntie. Hiervoor wordt ook gebruik gemaakt van een demonstratie-installatie voor directe reductie van ongeveer dertig meter hoog op het terrein van Salzgitter. In het project wordt bijvoorbeeld onderzocht hoe biogene materialen kunnen worden gebruikt als vervanging voor kolen en aardgas om het vereiste koolstofgehalte in staal aan te passen. Aangezien er grote hoeveelheden water nodig zijn, onder andere voor elektrolyse tijdens de productie van groen staal, richt het project zich ook op het optimaliseren van het gebruik van water. Zo moet het water dat wordt gevormd tijdens de reductie van ijzererts met waterstof zoveel mogelijk worden verwerkt voor hergebruik.

De onderzoekers brengen al hun expertise in, variërend van elektrolyse bij hoge temperatuur, membraanprocessen voor gasscheiding en waterbehandeling tot processimulatie en fabrieksmodellering met behulp van digitale tweelingen. ‘We zijn niet tevreden met het simpelweg leveren van selectieve oplossingen en laboratoriuminstallaties. We streven ernaar om Salzgitter uitgebreide technologische ondersteuning te bieden voor alle processtappen’, aldus Gregor Herz, groepsmanager voor modellering en simulatie bij Fraunhofer IKTS.

Dr. Alexander Redenius, hoofd van Resource Efficiency en Technology Development bij Salzgitter Mannesmann Forschung voegt hieraan toe: ‘We werken al zes jaar succesvol samen met de Fraunhofer-onderzoekers om de staalproductie te transformeren. De demonstratiefabriek voor directe reductie stelt ons in staat om het reductieproces en de interactie met de andere processtappen te optimaliseren. Door dit werk leggen we de basis voor een duurzame staalproductie met lage CO2-uitstoot.’

Het bedrijf wil al in 2026 een derde van zijn staalproductie omzetten naar het klimaatvriendelijke proces met waterstof.