IJzer- staal- en aluminiumproductie 

Als Tatasteel IJmuiden op waterstof over wil, heeft het de helft van alle elektriciteit in Nederland nodig. Daarvoor moeten vier keer zoveel windmolenparken op zee worden gebouwd als dat er nu staan en dat voor één bedrijf. In Zweden kan dat wel door waterkrachtcentrales en windmolens.
Vandaar dat het beter zou zijn te komen tot een Tata Steel dat gehalveerd is, dat volledig op duurzame energie draait, veel recyclet en halffabricaten importeert en hier verwerkt.

Ze stoten 5,7 miljoen ton CO2 uit per jaar. 

In Duitsland financiert de staat voor twee miljard euro de bouw van een fabriek die staal produceert met waterstof in een deal met staalconcern Thyssenkrupp..  Noordrijn-Westfalen springt nog een met 700 miljoen euro bij.

Ijzer Staal Ferro

ijzerertswinning -> ijzer -> wapening in beton, constructies, installaties, beslag -> fundering, kolommen, vloeren -> gebouw
    door mijnwerkers in mijnen -> hoogovens -> smederijen -> betongieters/vlechters 

Het gebruik van ijzer- en staalschroot kan met behulp van elektrisch opgewekte warmte omgesmolten worden. Dat scheelt drie jassen. In plaats van de reductie van ijzeroxide door middel van steenkoolverbranding bij hoge temperatuur (tot 2400 graden C) in een hoogoven hoeft het schroot alleen maar gesmolten te worden bij een temperatuur tot 1600 graden C.

Doordat dit direct met elektriciteit gebeurt, scheelt dat het verlies dat optreedt bij gebruik van groene waterstof uit een ver land. Het proces gebruikt natuurlijk nog wel veel groene stroom.

Het derde voordeel is dat de kalksteen die hierbij wordt gebruikt om het gesmolten metaal te ontslakken en vloeibaar te houden, een bijproduct oplevert met dezelfde kwaliteit als cement.

Op dit moment wordt echter slechts 40% van de ijzer- en staalproductie gedaan d.m.v. recycling.

Een alternatief procesvoorstel is om het ijzererts met waterstof te reduceren op de plaats waar zowel het erts als de waterstof aanwezig zijn. Dat scheelt ook een slok op een borrel omdat dan de verliezen voor opslag, comprimeren, omzetten en transport in de waterstofketen wegvallen. Het gereduceerde ijzer (Hot Briqueted Iron, HBI) moet dan voor verdere verwerking getransporteerd worden naar de ijzer- en staalverwerkende bedrijven in andere landen. De hoeveelheid transport van HBI over de wereld zal echter in volume en gewicht minder zijn dan van het ijzererts nu. Ook in dit geval kan het HBI beschouwd worden als een vorm van energie opslag. Dit proces is beduidend goedkoper dan de productie van groen staal met waterstof uit verre landen. Volgens Agora Energiewende kunnen bij overschakeling op dit proces alle hoogovens voor de ijzer en staalindustrie binnen 20 jaar worden gesloten.
(2023)

Aluminium

De productie van aluminium uit bauxiet gebeurt d.m.v elektrolyse en kan dus het beste gebeuren in landen als Australië, Suriname en Zuid Amerika waar behalve het erts ook genoeg groene stroom aanwezig is. De elektrolyse van bauxiet en verdere verwerking van aluminium gebeurde in Nederland toen de prijs van aardgas nog laag was en we nog niet door hadden dat aardgas een klimaatprobleem zou veroorzaken. Inmiddels zijn die bedrijven daarmee gestopt omdat de energiekosten te hoog zijn geworden.

De productie van aluminium is een vervuilende aangelegenheid. Bij het extraheren van zuivere aluminium uit ertsen ontstaat ‘rode modder’. Een roestkleurige drab van ijzeroxide en silicium met sporen van zware metalen en zeldzame aarde, die soms licht radioactief is. Aluminiuminstallaties produceren er wereldwijd jaarlijks 180 miljoen ton van. Wat er mee moet, is nu nog onduidelijk – 4 miljard ton rode modder bevindt zich in vervuilde poelen en opgedroogde afvalbergen.

Als je een elektrische boogoven gebruikt waarin waterstof en argon (een edelgas) tot zeer hoge temperaturen opgestookt kan je  een plasma van waterstof maken dat de rode modder doet smelten. Onbruikbare ijzeroxides in de rode modder veranderen daarbij in metallisch ijzer. Dit ijzer kan weer gebruikt worden voor de productie van staal. 
Met de opgestapelde berg rode modder kan ongeveer een derde van de jaarlijkse staalproductie worden geproduceerd.
Wat over blijft is glasachtig materiaal dat mogelijk als vulmiddel in de bouw kan worden gebruikt. Maar ook daar zitten nog waardevolle materialen in die potentieel onttrokken kunnen worden. (2024)

Tata steel Ijmuiden

Tata Steel Nederland IJmuiden (hierna TSN) produceert in 2023 jaarlijks ongeveer 7 megaton (hierna Mt) aan staal uit ongeveer 16 procent schroot en voor het overige ijzererts.

Bij hogere recyclingpercentages komen kwaliteitseisen met betrekking tot het eindproduct in het gedrang. TSN produ¬ceert alleen plaatstaal, in uiteenlopende soorten van afwerking en kwaliteiten.

TSN zette in 2018 ongeveer
- 32 procent af in de auto-industrie,
- 22 procent in bouwproducten,
- 13 procent voor verpakkingen en
- 32 procent in overige producten.

Ongeveer 80 procent wordt in de EU28 afgezet. De 20 procent afzet buiten de EU28 betreft vooral verpakking.

Marktvooruitzichten

Wereldwijd vormen Azië (vooral China), de EU en Noord Amerika grote markten die goeddeels kunnen voorzien in hun eigen behoefte, al is er sprake van handelsstromen op specifieke producten.

Export van ijzer en staal vanuit de EU27+VK was de afgelopen 20 jaar netto positief en meestal onder de 10 procent van de Europese productie. Door de EU27+VK geïmporteerd staal is voornamelijk staal van laagwaardige kwaliteiten.

De wereldwijde staalproductie wordt voor 30 procent gewonnen uit schroot en voor 70 procent uit erts. Naar verwachting van het IEA groeit de eindverbruikersvraag wereldwijd van een huidige 1,5 Gt met 40 procent tot 2,1 Gt in 2050, met name in opkomende markten.

Het totale staalgebruik in de EU27+VK ligt stabiel op 5.600 Mt. In de decennia naar 2050 vraagt de energietransitie om staal, zoals voor infrastruc¬tuur en industriële machines. Voor 70 GW wind op zee in Nederland in 2050 zou jaarlijks ongeveer 0,7 Mt staal nodig zijn, ongeveer 15 procent van de huidige Nederlandse vraag.

Bovendien streven enkele van de grotere turbineleveranciers naar toepassing van 10 procent groen staal in 2030.

Verplaatsen kan betekenen dat de emissies elders plaatsvinden. Daarom is een CO2- grensmechanisme (Carbon Border Adjustment Mechanism, kortweg CBAM) de wens. Bij een Europese CBAM zal een tarief geheven worden op basis van de broeikasgasemissies die volgen uit de productie voor bepaalde geïmporteerde producten die buiten de EU zijn gemaakt, zodat producenten van buiten de EU vergelijkbare emissiekosten worden toegerekend als de Europese.

Transitiebeeld

In de eerste plaats kan ijzerproductie geëlektrificeerd worden, waarbij ijzererts wordt gereduceerd tot ijzer. Dit proces is nog in ontwikkeling en er liggen grote uitdagingen in de opschaling. Het geproduceerde ijzer wordt verder tot staal verwerkt in een elektrische vlamboogoven (Electric Arc Furnace - EAF).

Een tweede alternatief is indirecte elektrificatie (elektrificatie via groene waterstof). Groene waterstof wordt dan toegepast bij de productie van direct reduced iron (DRI); ijzererts wordt hierbij gereduceerd tot ijzer door waterstof te gebruiken in plaats van koolstof. Het DRI-proces met aardgas wordt al langer toegepast, terwijl grootschalige productie van DRI met waterstof naar verwachting ruim voor 2030 mogelijk wordt.

Bij gebruik van waterstof levert dit proces waterdamp op in plaats van CO2-rijk hoogovengas. Ook in dit geval wordt het geproduceerde ijzer verder verwerkt in een EAF. Productie zou ook beperkt kunnen worden tot staalproductie, door import van “groene” ijzerbriketten die per schip naar Nederland worden vervoerd en in een EAF worden verwerkt.

Tot slot kan ook CO2-afvang en -opslag (Carbon Capture and Storage, kortweg CCS) worden toegepast op de hoogovens (al dan niet in com¬binatie met processen met andere CO2-emissie reductietechnieken, bijvoorbeeld in combinatie met HIsarna82) en op DRI op aardgas.

Vorig jaar besloot TSN tot een gefaseerde inzet van DRI-EAF83. De haalbaarheidsstudie voorziet in de eerste fase, tot 2030, in een vervanging van een productielijn door een DRI-installatie en een EAF voor 2,5 Mt aan staalproductie. In deze eerste fase zou dan een derde van de huidige productiecapaciteit worden omgebouwd. In de genoemde studie wordt opgemerkt dat er bij aanvang mogelijk onvoldoende (kosteneffectieve) groene waterstof beschikbaar is, en de DRI in eer¬ste instantie grotendeels zal werken op aardgas. Zodra (groene) waterstof beschikbaar is, kan de DRI werken op een mix van aardgas en waterstof.

TSN voorziet ten minste 20 procent aardgas te blijven gebruiken in de eerste en tweede fase, in verband met behoefte aan koolstof als grondstof voor het 0,2 procent koolstofgehalte van staal. In een tweede fase tussen 2030 en 2040 zou de tweede productielijn dan vervangen kunnen wor¬den door een nieuwe DRI-EAF met een capaciteit van 3,5 Mt per jaar. Zo nodig kan tussentijds CCS worden toegepast op de DRI, waarbij ongeveer 60 procent van de CO2-uitstoot van de installatie op aardgas kan worden afgevangen zonder grote aparte afvanginstallatie84. In de periode na 2040 zou het aardgas volledig vervangen worden door groene waterstof. Naast CO2-emissiereductie verminderen ook lokale emissies die tot gezond¬heidsproblemen leiden. Deze route laat bovendien ook toe om hogere recyclingpercentages toe te passen, en zo gebruik te maken van gunstige prijs¬ontwikkelingen op de internationale schrootmarkt.

De inzet op DRI-EAF past in de Europese trend van een groeiend aantal investeringsplannen voor nieuwe DRI-EAF capaciteit. Voor 2030 wordt ongeveer 20 Mt aan ombouw naar DRI-EAF productiecapaciteit verwacht85, voldoende om
voor 15 procent aan de huidige Europese vraag naar staal te voldoen. De ligging van TSN aan de Noordzeekust en de vooruitzichten voor produc¬tie van hernieuwbare elektriciteit en waterstof op de Noordzee kunnen een relatief gunstig vestigingsklimaat bieden. Naast het initiatief van TSN loopt er bijvoorbeeld ook een EAF-initiatief in Groningen met een beoogde capaciteit van een zesde van de capaciteit van TSN.

De plannen vergen volgens TSN al in 2030 ongeveer 2,7 TWhe direct elektriciteitsgebruik (een half GW wind op zee) en aanvullend ongeveer 0,1 Mt aan groene waterstof. Voor de productie hiervan is 5,6 TWhe (of 1,2 GW wind op zee) nodig of de import van waterstof. In 2050 zou het gaan om meer dan 5,6 TWh (of 1,2 GW wind op zee) aan direct elektriciteitsgebruik, en aanvullend zo’n 27,5 TWhe aan groene waterstof. Dat komt neer op 6 GW wind op zee of een halve Mt aan waterstofimport.

Dilemma in dit ontwikkelpad is dat er in 2030 al een stevige aanspraak wordt gemaakt op het hernieuwbare elektriciteitspotentieel op het Nederlandse continentale plat. Vooral de beschikbaarheid van voldoende groene waterstof rond 2030 (uit Nederlandse productie of import) vormt een knelpunt, mede omdat de Europese Commissie binnen het Fit for 55-pakket (FF55) heeft voorgesteld om 50 procent groen waterstofgebruik in 2030 verplicht te stellen voor bestaand industrieel eindverbruik van grijze waterstof. Een dergelijke verplichting zou tot een groene waterstofvraag leiden die fors hogere groene waterstofproductie vergt dan gehaald kan worden met de huidige doelstelling van 4 GW groene waterstofproductiecapaciteit en de doelstellingen voor wind op zee.

Ijzerproductie elders zou tot slechts 2,5 TWh (ongeveer 0,5 GW wind op zee) aan direct elektriciteitsgebruik leiden. Daarmee wordt de energieafhankelijkeid van het Nederlandse systeem fors lager, maar nemen andere afhankelijkheden toe. Zo zou de Nederlandse staalproductie afhankelijk worden van toelevering van ijzerbriketten, met verminderende grip op CO2-emissiereductie en/of kostprijsontwikkeling. Indien ijzerproductie elders bijvoorbeeld onderhevig is aan minder strenge broeikas-gasemissie-eisen dan de Europese eisen, is er een risico op CO2-weglekeffecten (ook wel carbon leakage genoemd). Daarnaast zal met import van energie-intensieve halffabricaat groene briketten ook de kostprijsontwikkeling voor Nederlands staal afhankelijker worden van het wereldwijde aanbod van en vraag naar (groene) briketten.

Ijzer staal ferro

Veel ijzererts wordt gewonnen in Zweden. Zie het filmpje hier onder.

De Zweedse producent wil de grootste groene staalproducent ter wereld worden. Met waterstof wil men de hoge temperaturen maken. De waterstof wordt geproduceerd duurzame stroom, opgewekt met wind- en waterkracht die in de regio volop aanwezig is. 

Groen staal is een droom voor Europa. Op dit moment stoot de staalindustrie evenveel CO2 uit als de helft van het Europese wagenpark. Voor iedere ton staal bijna twee ton CO2 vrij. Als Tatasteel IJmuiden op waterstof over wil heeft het de helft van alle elektriciteit in Nederland nodig. Daarvoor moeten vier keer zoveel windmolenparken op zee worden gebouwd als dat er nu staan en dat voor één bedrijf. In Zweden kan dat wel door waterkrachtcentrales en windmolens. Daar is 98 % van de stroom al duurzaam en ze gaan nog veel meer produceren (en exporteren). Groen staal is duurder maar als CO2 meer dan 68 euro per ton gaat kosten wordt het even duur. Ook stijgen de energieprijzen wat groene energie goedkoper maakt. 

Het metaal uit het bouw- en sloopafval wordt gerecycled in de metaalindustrie. Staal bestaat altijd deels uit gerecycled materiaal. 
Er zijn twee typen productieprocessen:
• BF-proces, het hoogovenproces en oxystaalproces, waarbij 20 tot 30% schroot wordt bijgemengd.
• EAF-proces, het elektro-ovenproces of electrostaalproces, waarbij 100% schroot wordt omgesmolten tot nieuwe producten.

Constructiestaal, zoals het staal voor balken en buizen, dat in Nederland op de markt wordt gebracht, wordt inmiddels voor bijna 100% via EAF gefabriceerd. Vanuit het perspectief van circulair bouwen is dit een hoogwaardige vorm van hergebruik van grondstoffen. Maar de uitdaging is om stalen bouwproducten een volgende gebruikscyclus te geven in een ander bouwwerk voordat ze worden gerecycled.

Om ijzer te maken uit erts moet eerst de zuurstof eruit. Hiervoor verwarm je de erts tot 1000 graden. Hierdoor reageert de koolstof in het erts met zuurstof tot CO2. Bij groen staal wordt ipv koolstof waterstof gebruikt zodat er water ontstaat en geen CO2. Het staal is dan wel anders (sponsstaal) en moet dan weer de oven in. 

In principe is al het staal te produceren met EAF. Op dit moment is echter niet voldoende schroot voorhanden om te voldoen aan de vraag naar staal. Van al het staal dat in Europa wordt gebruikt,wordt gemiddeld 56% via EAF vervaardigd. Dit percentage varieert per specifiek product.

Wereldwijd

Wereldwijd wordt er meer dan 1,8 miljard ton staal per jaar geproduceerd. De staalindustrie is verantwoordelijk voor zo’n 7 tot 8 procent van de wereldwijde CO2-uitstoot. Daarmee stoot de staalindustrie net zoveel CO2 uit als de helft van het Europese wagenpark. De vergroening in de staalsector is lastig, omdat er hoge temperaturen nodig zijn voor het maken van staal die niet haalbaar zijn met groene elektriciteit. Waterstof biedt een uitkomst en kan wél voor dat soort temperaturen zorgen. Als de waterstof op een duurzame manier wordt opgewekt - en dus groen is - wordt het proces van staal maken ook duurzaam.

Spaanse groene staalfabirek

ArcelorMittal en de Spaanse Overheid investeren daarom samen 1 miljard euro in het maken van groen staal, met als doel de komende vijf jaar 4,8 miljoen ton minder CO2 in de atmosfeer te stoten. Als de installatie in 2025 staat, is de fabriek in het Spaanse Gijón ’s werelds eerste koolstofvrije staalfabriek. In dat jaar moet er 1,6 miljoen ton groen staal van de band rollen.

De kern van het plan is de bouw van een installatie voor groene waterstof waar direct gereduceerd ijzer (DRI) wordt gemaakt. DRI wordt geproduceerd door een reducerend gas uit aardgas of steenkool. Het reducerende gas is een mengsel met een meerderheid aan waterstof en koolmonoxide, waardoor er minder CO2 vrijkomt. Daarnaast wordt de investering gebruikt voor de bouw van een hybride elektrische boogoven (EAF), die wordt aangedreven door hernieuwbare elektriciteit.

Perovskiet en 90 % CO2 reductie

Je kan de CO2 die vrijkomt afvangen en laten reageren met perovskiet, een materiaal dat wordt gebruikt in zonnepanelen. Die chemische reactie gebeurt onder veel lagere temperaturen dan in een gewone hoogoven. Daardoor kan de fabriek deels worden aangedreven op hernieuwbare energie.(2023)

Zie ook Video's duurzaam staal (duurzaaminstaal.nl)