De weg naar groen staal - deel 3: Het antwoord van de industrie

In de EU werkt de voorgestelde oplossing voor het maken van groen staal op basis van groene waterstof en hernieuwbare elektriciteit. Op enkele projecten na zetten de grote staalbedrijven grootschalig in op deze technologie. Dezelfde fabrieken kunnen ook aardgas gebruiken om staal te produceren. Dit geeft de mogelijkheid om het aandeel groene waterstof stapsgewijs te verhogen zodra de beschikbaarheid daarvan toeneemt en de kosten afnemen. In dit artikel beschrijven we welke technologische oplossingen voor de productie van groen staal er zijn. Ook leggen we uit waarom bedrijven in de EU voornamelijk kiezen voor groene waterstof.

Dit is het derde artikel in een reeks over groen staal. In het eerste artikel uit deze reeks hebben we de conventionele manier van staalproductie uitgelegd. In het tweede artikel beschreven we verschillende belangen en beleidskeuzes rondom staal.

Een definitie van groen staal is niet vastgelegd. In algemene zin gaat het om staal dat is geproduceerd met een fractie van de uitstoot van staal dat traditioneel met kolen in hoogovens en oxystaalfabrieken is gemaakt (de zogeheten BF-BOF productieroute). Voor de volledigheid benoemen we zoveel mogelijk emissieverlagende technologieën, ook als daarmee de CO₂-emissie van staalproductie niet helemaal tot nul afneemt. Er zijn voor de staalsector in principe drie strategieën om emissieloos te worden:

1. Verlagen van staalproductie door het toepassen van de R-ladder voor circulaire economie. Daarmee stijgt het hergebruik en recycling door volledig circulair en secundair staal te maken op basis van hernieuwbare energie.
2. Ontwikkelen van staalproductie uit ijzererts met nieuwe emissieverlagende technieken.
3. Afvangen en verwerken van emissie die toch ontstaat.

De eerste strategie is uiteindelijk de enige die moet overblijven in een volledig duurzame, circulaire economie. Momenteel is deze strategie echter slechts in staat om een deel van de productie emissievrij te maken. Door een toenemende vraag naar staal komt er namelijk nog altijd onvoldoende schroot beschikbaar om de productie volledig af te dekken. Deze strategie laten we in dit artikel buiten beschouwing vanwege deze realiteit.

Zodra het aanbod van schroot dat zonder kwaliteitsverlies kan worden gerecycled gelijk is aan de totale vraag naar staal, is het gebruik van ijzererts niet meer noodzakelijk. Tot die tijd zijn strategieën 2 en 3 ook nodig om aan de klimaatdoelstellingen te voldoen. Deze strategieën kunnen uiteraard ook worden gecombineerd in een nieuwe technologie waarbij de restemissies worden afgevangen.

De industrie heeft een groot aantal technologieën ontwikkeld om de emissie te verlagen. Deze technologieën zijn in vier categorieën in te delen:

1. verbeteringen aan de bestaande hoogovens
2. de direct-reduced-iron-techniek (DRI)
3. de smelting-reduction-techniek
4. ijzerproductie rechtstreeks uit elektriciteit

Vooral de eerste twee categorieën zijn direct toepasbaar en daarom zijn de projecten binnen Europa daar nu op gericht. Figuur 1 bevat een overzicht van de verschillende typen ovens voor deze twee categorieën en hun eigenschappen.

Categorie 1: hoogovens verbeteren door minimaal kolengebruik

Hoogovens kunnen niet produceren zonder kolen. Dit komt door de manier waarop ze ontworpen zijn. In de hoogovens zitten om-en-om laagjes ijzererts en laagjes kooks. Kooks ontstaat door zuivere kolen te verhitten in een kooksfabriek. Kooks heeft een zeer hoog koolstofgehalte waardoor het hard en luchtig is. In het verleden is houtskool vervangen door het hardere kooks, waardoor hoogovens vele malen groter en hoger werden. Dat gaf schaalvoordeel en bracht de productiekosten omlaag. Maar door hun afmetingen zijn deze hoogovens wel afhankelijk van kooks.

Een deel van de kooks kan wel worden vervangen door alternatieven om de uitstoot van CO₂ te verlagen. Zo is het mogelijk om poederkool, aardgas of waterstof te injecteren in een hoogoven. Daarmee daalt het kooksverbruik, wat leidt tot een lagere emissie per ton staal. Er zitten wel technische limieten aan het injecteren van alternatieven voor kooks.

Een andere manier om de koolstofemissie te verlagen is door kooks en poederkool te gebruiken op basis van biogene bronnen. Of door biogas te gebruiken in plaats van aardgas. Aan deze opties kleven dezelfde technische limieten. Daarnaast zijn duurzaam biogas en duurzame biomassa beperkt beschikbaar.

Categorie 2: volledige overstap van fossiel en hoogovens naar groene waterstof met DRI

Om volledig onafhankelijk te worden van fossiele bronnen is een Direct Reduction Plant (DRP) de meest volwassen techniek (zie figuur 1). Een DRP maakt sponsijzer, of direct reduced iron (DRI). Dit DRI wordt meestal gesmolten en omgezet naar staal in een elektrische vlamboogoven, ofwel een Electric Arc Furnace (EAF). De DRP-EAF productieroute vervangt dan de klassieke productieroute met hoogovens (BF-BOF route). DRI wordt gemaakt van ijzerertspellets die er uitzien als knikkers van ongeveer tien millimeter. Deze pellets worden continu boven in een DRP-oven gestort. Het product, DRI-pellets, stroomt er aan de onderkant continu uit. De procesgassen stromen in tegengestelde richting van onder naar boven terwijl ze het ijzererts verhitten en het ijzeroxide omzetten naar ijzer. De procesgassen bestaan uit een mengsel van koolstofmonoxide en waterstof. Er zijn wereldwijd al ongeveer 130 van dit soort DRP-ovens gebouwd, de eerste dateren van begin jaren zeventig. Enkele zijn wegens hun leeftijd inmiddels stilgezet, maar de meeste zijn operationeel en maken voornamelijk gebruik van aardgas om ijzer te produceren.

Het gebruik van aardgas als chemisch reactiemiddel en energiebron geeft al een flinke emissie-afname ten opzichte van kooks en kolen in een hoogoven. Dit aardgas is echter nog altijd een fossiele bron. Voor de stap naar volledig hernieuwbare bronnen worden nu DRP-installaties ontwikkeld die kunnen produceren op basis van groene waterstof, ook wel H2-DRI genoemd. Op kleine schaal is al aangetoond dat dit mogelijk is, en er zijn in principe geen technische beperkingen om DRI te produceren op basis van waterstof. De bouw van nieuwe installaties vergt wel grote investeringen. De exacte kosten verschillen per project en liggen in de ordegrootte van enkele miljarden euro’s voor ovens met voldoende schaalgrootte om hoogovens te vervangen. H2 Green Steel heeft al aangekondigd dat het voor zijn project ruim vier miljard aan leningen en twee miljard aan eigen vermogen heeft opgehaald. Op basis van de geplaatste capaciteit van rond de twee miljoen ton DRI per jaar kun je met een grove berekening de totale benodigde investering bepalen om de huidige geïnstalleerde hoogovens te vervangen. Stel dat de geïnstalleerde productiecapaciteit van groen staal in de EU27 gelijk blijft aan de huidige geïnstalleerde productiecapaciteit van rond de honderd miljoen ton per jaar, dan kunnen de totale investeringen in groen staal in de EU27 al gauw oplopen tot tweehonderd á driehonderd miljard euro. Wereldwijd bestaan er schattingen die oplopen tot bijna anderhalf biljoen euro.

Zonder koolstof geen staal

Toch is er een aantal belangrijke kanttekeningen te plaatsen bij de productie van H2-DRI. Ruwijzer uit een hoogoven bevat ruim 4 procent koolstof en conventioneel DRI op basis van aardgas kan tot ruim 3 procent koolstof bevatten. Dit koolstofpercentage wordt bij de volgende stap in het proces, het maken van staal, verlaagd tot de gewenste waarden. Die is afhankelijk van het soort staal dat men produceert. H2-DRI bevat helemaal geen koolstof en kan zonder toevoeging daarvan niet worden omgezet in staal. Staal is immers een mengsel van ijzer en koolstof. Ergens in het proces moet er dus koolstof aan het ijzer worden toegevoegd. Onderzoekers uit de sector werken momenteel aan dit vraagstuk en het lijkt erop dat dit het meest efficiënt kan in de DRP, door te werken met een mengsel van (koolstofhoudend) aardgas en groene waterstof.

Hoogwaardige ertsen vormen een bottleneck…

De bestaande DRP-fabrieken draaien op basis van ijzererts met een relatief hoog percentage aan ijzer. Deze hoogwaardige ertsen heten ook wel ‘DRI-grade ore’, omdat ze specifiek geschikt zijn om DRI mee te maken. Door het hogere percentage ijzer ontstaat er tijdens het smelten minder slak (zie box 1). Dit is gunstig, omdat DRI momenteel meestal in een elektrische vlamboogoven (zie figuur 1: Electric Arc Furnace, EAF) wordt verwerkt. Dit proces heeft laagwaardige en onbruikbare staalslak als bijproduct (zie box 1). Hoewel ertsen in hoogovenkwaliteit - met een lager ijzergewichtspercentage – goedkoper zijn dan DRI-grade is het daarom toch gunstiger om DRI-grade te gebruiken.

Helaas is de beschikbaarheid van DRI-grade erts beperkt. Op dit moment is 3 tot 4 procent van alle verscheepte ijzererts van deze kwaliteit. De totale beschikbaarheid van DRI-grade ertsen moet sterk stijgen om de vraag ernaar bij te houden. De reeds aangekondigde capaciteit van DRI-EAF-staalfabrieken zorgt in 2030 voor een vraag die ruim twee keer groter is dan het aanbod aan DRI-grade ertsen (zie figuur 2). De DRI-productiecapaciteit in 2030 is 64 tot 77 miljoen ton, wat de vraag naar DRI-grade-ertsen verhoogt met 71 tot 86 miljoen ton per jaar. In een business-as-usual-scenario neemt het jaarlijkse aanbod van DRI-grade erts tot 2030 toe met 41 miljoen ton. Dit verschil kan alleen worden overbrugd als er tijdig voldoende nieuwe mijnbouwprojecten worden opgestart.

Als alternatief voor het verwachte tekort aan DRI-grade erts kunnen staalbedrijven ook kiezen voor de DRP-smelter-BOF-configuratie (zie figuur 1). Deze ‘smelter’ is ook een elektrische oven, maar werkt net weer anders dan een EAF. Daardoor is het product vergelijkbaar met dat uit de hoogoven en geschikt als input voor een BOF-oven. In een smelter wordt een hoogwaardig type slak gevormd, waardoor het gebruik van de minder zuivere hoogovenkwaliteit ertsen geen belemmering vormt (zie box 1). In Europa kiezen vrijwel alle grote staalmakers desondanks voor een DRP-EAF-combinatie, met uitzondering van een enkel bedrijf in Duitsland. Ook de nieuwe speler H2 Green Steel in het Zweedse Boden gaat voor een DRP-EAF-combinatie en niet voor een DRP-smelter-BOF.

…net als de beschikbaarheid van groene waterstof

De trend om groen staal te maken via de DRP-EAF-productieroute leidt tot een enorme toename in de vraag naar groene waterstof. H2 Green Steel kiest er daarom bijvoorbeeld voor om zelf groene waterstof te produceren, maar dit is een uitzondering die mogelijk is door geografische omstandigheden van het bedrijf. De meeste staalfabrieken zijn van plan om groene waterstof in te kopen op de markt. Deze markt is nog niet ontwikkeld en moet nog flink opschalen voor 2030, ook voor andere afnemers dan de staalindustrie. De opgave is te zien in het voorbeeld van Tata Steel in Nederland (zie figuur 3). De kans is groot dat er onvoldoende groene waterstof wordt geproduceerd om in 2030 alle DRI te maken voor alle projecten die nu in de pijplijn staan. In dat geval kunnen de meeste DRP-installaties in de tussenperiode probleemloos aardgas of een mengsel van aardgas en groene waterstof gebruiken. De emissiereductie van een DRP-installatie komt dan ten opzichte van BF-BOF uit tussen de 70 en 90 procent, afhankelijk van het aandeel groene waterstof. In theorie kan dit aardgas ook van biogene oorsprong zijn om verdere emissieverlaging te bewerkstelligen, maar ook van dat gas is de huidige beschikbaarheid beperkt.

De consumptie van grote hoeveelheden groene waterstof in de staalindustrie ligt gevoelig omdat die indirect een groot beslag legt op de groene stroom die in de komende jaren beschikbaar moet komen. Die groene stroom is ook nodig voor andere onderdelen van de energietransitie. Vanuit een energetisch oogpunt is het efficiënter om groene stroom in te zetten om grijze stroom te vervangen, of voor toepassingen die nu nog gebruik maken van fossiele brandstoffen, maar die eenvoudig te elektrificeren zijn. Toepassingen die groene stroom indirect benutten via het gebruik van groene waterstof – zoals de productie van staal - zijn om die reden vaak minder effectief in het verlagen van de uitstoot van broeikasgassen in het systeem als geheel.

Ondanks dat groene stroom elders doorgaans efficiënter is, vinden de politiek en de industrie groene waterstof nog steeds noodzakelijk in productieprocessen als het technisch niet mogelijk is om groene stroom direct te gebruiken. De staalindustrie, de lucht- en scheepvaart en de kunstmestindustrie zijn voorbeelden van sectoren waar groene waterstof een rol kan spelen in het verlagen van emissies. Net als bij groene stroom is het bij groene waterstof ook mogelijk om te kiezen voor een toepassing waarbij de emissie het meest daalt. In het algemeen is het voor de emissieverlaging effectiever om kolen te vervangen dan om aardolie te vervangen, wat op zijn beurt weer effectiever is dan het vervangen van aardgas.

Het is duidelijk dat de meeste staalbedrijven in Europa ervoor hebben gekozen om te investeren in H2-DRI-technologie om groen staal te produceren. De grootste producent, ArcelorMittal, heeft plannen voor hun productielocaties in Spanje, Frankrijk en Duitsland. Ook Thyssenkrupp en Salzgitter hebben plannen in Duitsland. Op dit moment zijn er in de EU-27 rond de 55 actieve hoogovens met een totale capaciteit van rond de 100 miljoen ton ruwijzer per jaar. De verwachting is dat deze voor het overgrote deel rond 2040, en uiterlijk in 2050 allemaal vervangen zijn.

Er zijn verschillende verklaringen voor deze massale overstap naar waterstof. Ten eerste bestaat de DRI-EAF-route uit volwassen technologie die nu commercieel beschikbaar is. Ten tweede heeft het de potentie om voldoende emissie te beperken om te voldoen aan de klimaatdoelstellingen in de EU op de korte en langere termijn. Ten derde past het over het algemeen goed in de investeringscyclus van staalbedrijven in de EU, waar veel verouderde hoogovens toe zijn aan complete vervanging.

Categorie 3: Smelting Reduction

Naast de H2-DRI-technologie zijn er nog andere technologieën in ontwikkeling die het vermelden waard zijn. Zo heeft Tata Steel in IJmuiden een fabriek ontwikkeld die ruwijzer kan produceren zonder voorbewerking van ertsen en kolen. In deze HIsarna-fabriek worden kolen en ertsen niet in laagjes gestort, maar in poedervorm onder hoge snelheid geïnjecteerd. Dit HIsarna-proces valt onder de algemene noemer Smelting Reduction. Dit proces is energie-efficiënter dan het proces in een traditionele hoogoven. Daarnaast is het HIsarna-proces ook beter in staat om een breder pallet van kolen, ertsen en tot op zekere hoogte zelfs schroot te verwerken. HIsarna kan om die reden een alternatief zijn voor de bouw van nieuwe hoogovens in opkomende markten zoals India, waar de ovens met dit proces flexibel gebruik kunnen maken van lokale kolen en ertsen die minder geschikt zijn voor hoogovens. Door energie-efficiëntie kan HIsarna ruwijzer produceren met ongeveer 20 procent minder uitstoot dan een hoogoven. Ook bij HIsarna kunnen biogene alternatieven het poederkool vervangen. Verdere emissieverlaging door afvang en opslag van CO₂ (CCS) is ook mogelijk (zie strategie 3 in dit artikel).

Categorie 4: ijzererts omzetten met elektriciteit: Molten Oxide Electrolysis (MOE)

Een andere veelbelovende technologie is Molten Oxide Electrolysis (MOE). Bij deze technologie wordt ijzererts omgezet naar ijzer met (groene) elektriciteit. Ten opzichte van H2-DRI is het voordeel dat er niet eerst waterstof uit elektriciteit hoeft te worden opgewekt, en daardoor kan de energie-efficiëntie in theorie omhoog. MOE is echter nog geen volwassen technologie; ze moet zich nog op grotere schaal bewijzen. De verwachting is dat dit ergens rond 2035 zal gebeuren.

Zoals eerder beschreven, is het afvangen en opslaan van CO₂-uitstoot - ook wel CCS (Carbon Capture and Storage) - een derde strategie om de klimaatimpact van de staalindustrie te verlagen. Indien de CO₂ vervolgens benut wordt, spreekt men van CCU (Carbon Capture and Utilization). Er is een aantal belangrijke randvoorwaarden aan de opslag van CO₂. Het afgevangen CO₂ moet fysiek af te voeren zijn en terecht komen bij een partij die het transport en de opslag kan faciliteren, bijvoorbeeld in lege aardgasvelden. Of deze mogelijkheid bestaat, hangt af van de geografie van een staalfabriek.

Los daarvan is het afvangen zelf erg breed toepasbaar. Bij hoogovens kan CO₂ bijvoorbeeld worden afgevangen uit het bijproduct hoogovengas. Vrij van CO₂ is het resterende hoogovengas een zogenaamd syngas. Dit syngas kan worden gebruikt voor de productie van chemische stoffen zoals nafta of methanol en is dus een waardevolle grondstof voor de chemie. Hoogovengas wordt nu vaak gebruikt voor de productie van elektriciteit en stoom voor gebruik in de geïntegreerde staalfabriek zelf. Zo voorzien staalbedrijven zelf in grote mate in hun eigen behoefte aan elektriciteit en warmte. Het is beter om syngas te gebruiken om andere fossiele grondstoffen mee te verdringen. Daarmee blijft er meer olie in de grond. Immers, elektriciteit en ook warmte kan steeds duurzamer worden opgewekt dus daar zijn goede alternatieven voor. Het is ook een optie om CO₂ af te vangen uit de rookgassen na de verbranding van het hoogovengas.

Bij een DRP die geheel of gedeeltelijk gebruik maakt van aardgas om DRI te maken, kan ook CO₂ worden afgevangen uit het top-gas dat de DRP-oven verlaat. Sterker nog, er bestaan DRP-installaties die dit standaard doen, om zo dit top-gas te kunnen hergebruiken in het DRI-proces. Het is gebruikelijk voor bestaande installaties, die buiten het ETS systeem vallen om zuivere, afgevangen CO₂ via een schoorsteen uit te stoten. Binnen de EU, waar het geld kost om CO₂ uit te stoten, kan afgevangen CO₂ in veel gevallen wel economisch opgeslagen of hergebruikt worden.

HIsarna produceert in verhouding meer CO₂ en minder CO. Daarom is het bij het HIsarna-proces ook goed mogelijk om CCS efficiënt toe te passen. Dit kan de totale emissie ten opzichte van een traditionele hoogoven met ongeveer 80 procent verlagen.

In alle gevallen waarbij biogene koolstof fossiele koolstofbronnen vervangt, kan door de combinatie met het afvangen van CO₂ zelfs sprake zijn van negatieve emissie. Wanneer planten CO₂ uit de lucht gebruiken om te groeien en ze vervolgens worden omgezet in biokooks of groen gas waarna de uitstoot bij het gebruik daarvan wordt afgevangen en opgeslagen, dan is er onder aan de streep minder koolstof in de lucht. Dit concept heet Bioenergy Carbon Capture and Storage (BECCS), en is een manier om op de langere termijn de concentratie CO₂ in de atmosfeer omlaag te brengen.

Groen staal is technisch haalbaar, maar investeringscycli zijn lang

Het is technisch haalbaar om groen staal te maken, maar dat is niet enkel een kwestie van techniek. Natuurlijk speelt technologie een centrale rol in de transitie van de zware industrie. De reeds gemaakte keuzes voor technologie bepalen vanwege de lange investeringscycli echter nog decennialang welke mogelijkheden en beperkingen er zijn in de productie van groen staal.

Sommige technologieën staan nu klaar om te worden toegepast, zoals die voor het maken van DRI of het afvangen van CO₂. Andere zijn nog in ontwikkeling of afhankelijk van randvoorwaarden zoals de beschikbaarheid van betaalbare groene stroom. We verwachten dat er in 2050 geen duidelijke winnaar is, maar dat er dan een brede mix van technologieën wordt toegepast die past bij de geografie en het beleid waarop individuele staalbedrijven hun strategie moeten baseren.

De beschikbaarheid van technologie is één randvoorwaarde; de massale investeringen van honderden miljarden moeten daarnaast snel op gang komen om de doelen voor groen staal te bereiken.