Directe reductie: staal maken zonder hoogoven
Staal maken kan op verschillende manieren, en de meest gangbare methode van de afgelopen honderd jaar is de hoogoven: een gigantische, gloeiend hete schoorsteen waarin ijzererts en cokes (een soort verkoolde steenkool) samen worden gesmolten bij zo'n 1500 graden Celsius. Dat werkt goed, maar stoot enorm veel CO2 uit, omdat de cokes niet alleen hitte levert maar ook chemisch nodig is om de zuurstof uit het ijzererts te verwijderen. Directe reductie is een heel ander recept voor hetzelfde gerecht: in plaats van erts te smelten, wordt het verwarmd tot een lagere temperatuur terwijl een gas de zuurstof uit het erts trekt. Er ontstaat geen vloeibaar ijzer, maar een poreus, sponsachtig vaste stof die toepasselijk sponsijzer wordt genoemd.
Het aantrekkelijke van directe reductie is dat je, in plaats van cokes, ook waterstofgas kunt gebruiken als reductiemiddel. Waar de hoogovenroute CO2 als bijproduct oplevert, ontstaat bij reductie met waterstof simpelweg waterdamp. Vergelijk het met het verschil tussen een föhn die op aardgas draait en een die op schone stroom werkt: het eindresultaat (droog haar, of in dit geval metallisch ijzer) is hetzelfde, maar wat er de lucht in gaat verschilt drastisch. Daarmee is directe reductie een van de weinige serieuze routes om staalproductie, van oudsher een van de meest vervuilende industrieën ter wereld, drastisch schoner te maken.
Wat is het precies?
Het proces begint met ijzererts, meestal verwerkt tot kleine balletjes die pellets worden genoemd. Deze pellets worden in een reactor gebracht, vaak een verticale schachtoven, en blootgesteld aan een heet reductiegas bij temperaturen van ongeveer 800 tot 900 graden Celsius. Dat is aanzienlijk lager dan de circa 1500 graden in een hoogoven, en belangrijk: het erts smelt niet, het blijft vast.
Het reductiegas is traditioneel syngas, een mengsel van waterstof en koolmonoxide dat wordt gemaakt door aardgas chemisch om te zetten. Dit gas reageert met de zuurstofatomen in het ijzererts (chemisch gezien ijzeroxide) en voert die zuurstof af als CO2 en waterdamp. Wat overblijft is metallisch ijzer in vaste, poreuze vorm: sponsijzer, in de sector aangeduid met de Engelse afkorting DRI (Direct Reduced Iron).
Bij de nieuwere, klimaatvriendelijkere variant vervangt men het aardgas-syngas door zuivere waterstof. Het chemische principe blijft hetzelfde, maar omdat waterstof zelf geen koolstof bevat, ontstaat er bij de reductiereactie geen CO2 meer, alleen waterdamp. Deze route wordt vaak aangeduid als H2-DR of waterstof-DRI.
Sponsijzer is geen eindproduct; het moet nog worden omgesmolten tot bruikbaar staal, meestal in een elektrische vlamboogoven. Dat is een oven waarin elektroden een vlamboog trekken die het sponsijzer (en vaak ook schroot) smelt met behulp van elektriciteit. Als die stroom groen is opgewekt, is de hele keten van erts tot staal vrijwel CO2-vrij te maken.
Wat wil men ermee bereiken?
De staalindustrie is wereldwijd verantwoordelijk voor ongeveer 7 tot 8 procent van alle CO2-uitstoot, vooral door het gebruik van cokes in hoogovens. Voor een sector die zo fundamenteel is voor bruggen, auto's, windmolens en gebouwen, is dat een enorm aandachtspunt in het klimaatbeleid.
Directe reductie met aardgas bestaat al decennia en is op zichzelf al minder vervuilend dan de klassieke hoogovenroute, simpelweg omdat aardgas per eenheid energie minder CO2 uitstoot dan cokes. Maar de echte ambitie zit in de combinatie met waterstof: als die waterstof wordt gemaakt met behulp van groene stroom (via elektrolyse van water), dan kan de hele staalproductieketen bijna emissievrij worden. Dit wordt in de sector vaak aangeduid als groen staal. Het doel is niet alleen klimaatwinst, maar ook het toekomstbestendig maken van een industrie die anders het risico loopt op steeds strengere CO2-beprijzing en concurrentienadeel.
Voorbeelden uit de praktijk
Een aantal concrete projecten laat zien waar de techniek staat:
- HYBRIT (Zweden): een samenwerking tussen staalbedrijf SSAB, mijnbouwbedrijf LKAB en energiebedrijf Vattenfall, gestart in 2016. In 2021 leverde HYBRIT het eerste met waterstof geproduceerde staal ter wereld, bestemd voor een testvoertuig van Volvo.
- H2 Green Steel (Boden, Zweden): een nieuw opgericht bedrijf dat een volledig op waterstof gebaseerde staalfabriek bouwt, met bouwactiviteiten die in 2022 op gang kwamen.
- tkH2Steel van thyssenkrupp (Duisburg, Duitsland): een project om een bestaande hoogoven te vervangen door een directe-reductie-installatie op waterstof.
- SALCOS van Salzgitter (Duitsland): een stapsgewijs transformatieprogramma van de traditionele hoogovenroute naar directe reductie met waterstof.
- H2FUTURE van voestalpine (Oostenrijk): een van de eerste grootschalige pilotinstallaties voor groene waterstofproductie ten behoeve van de staalindustrie, operationeel sinds eind jaren 2010.
Daarnaast bestaat er al decennialang gangbare, op aardgas gebaseerde directe reductie, met name via de Midrex-technologie die sinds de jaren zeventig wordt toegepast in landen als Mexico en verschillende landen in het Midden-Oosten, waar aardgas goedkoop en ruim beschikbaar is.
Hoe ver is de techniek?
Hier is een belangrijk onderscheid te maken. Directe reductie op aardgas is volwassen, bewezen technologie: fabrikanten als Midrex en Energiron bouwen deze installaties al tientallen jaren en er draaien wereldwijd tientallen fabrieken op. India is bijvoorbeeld een van de grootste producenten van sponsijzer ter wereld, al gebeurt dat daar vaak met kolen in plaats van aardgas.
Directe reductie met zuivere waterstof, de route die het meest interessant is voor klimaatdoelen, bevindt zich echter nog grotendeels in de pilot- en demonstratiefase. HYBRIT en vergelijkbare projecten hebben aangetoond dat het technisch werkt, maar opschalen naar industriële volumes is een heel andere uitdaging.
De belangrijkste obstakels zijn eerlijk gezegd niet in de eerste plaats technisch, maar economisch en logistiek. Groene waterstof is nog schaars en duur, en er is enorm veel van nodig: voor één ton staal is grofweg 50 tot 60 kilo waterstof nodig, wat op wereldschaal een veelvoud van de huidige groene-waterstofproductie zou vergen. Ook is nieuwe infrastructuur nodig voor opslag en transport van waterstof, en moeten bestaande elektrische vlamboogovens soms worden aangepast. Het resultaat is dat waterstofstaal vooralsnog duurder is dan conventioneel staal, een verschil dat in de sector de groene premie wordt genoemd. Zonder subsidies, langetermijncontracten of CO2-beprijzing is dat prijsverschil voor veel afnemers nog een drempel.
Wie werken eraan?
Zweden loopt voorop dankzij de combinatie van goedkope groene stroom, hoogwaardig ijzererts en een sterke staaltraditie; naast SSAB, LKAB en Vattenfall (HYBRIT) is ook H2 Green Steel daar actief. Duitsland investeert zwaar via thyssenkrupp en Salzgitter, gesteund door de Duitse overheid en Europese subsidieprogramma's. Oostenrijk draagt bij via voestalpine en onderzoeksprojecten als H2FUTURE.
Ook buiten Europa is er beweging: ArcelorMittal, 's werelds grootste staalproducent, test directe reductie op waterstof onder meer in Duitsland en Spanje, en Tata Steel verkent vergelijkbare routes, ook met het oog op de vestiging in IJmuiden in Nederland. Op technologieleveranciersniveau is Midrex Technologies de belangrijkste speler wereldwijd, met tientallen jaren ervaring in het bouwen van directe-reductie-installaties.
Internationale organisaties zoals het Internationaal Energieagentschap (IEA) en de brancheorganisatie worldsteel (World Steel Association) volgen en rapporteren over de voortgang van deze transitie, en spelen een rol in het in kaart brengen van knelpunten op wereldschaal.