Reductor: het scheikundige begrip achter de revolutie in de staalindustrie
Een reductor is een stof die een andere stof zuurstof of elektronen laat afstaan, en daarmee zelf geoxideerd wordt. Het klinkt abstract, maar iedereen kent het principe eigenlijk al van een kampvuur: houtskool (koolstof) 'pakt' zuurstof uit de lucht en verbrandt daarbij, waarbij warmte vrijkomt. In de industrie wordt hetzelfde principe op grote schaal gebruikt om metalen uit erts te winnen: de reductor haalt zuurstof weg uit een metaaloxide, zodat het pure metaal overblijft.
Het woord duikt de laatste jaren steeds vaker op in nieuws over klimaatvriendelijke technologie, en dan meestal in één specifieke context: de staalindustrie. Daar is eeuwenlang cokes, een soort verhitte steenkool, gebruikt als reductor om ijzererts om te zetten in vloeibaar ijzer. Dat proces stoot enorme hoeveelheden CO2 uit. Nu wordt onderzocht en getest of waterstofgas dezelfde chemische klus kan klaren, maar dan met water als bijproduct in plaats van broeikasgas. Die omslag, van kool als reductor naar waterstof als reductor, is een van de grootste technologische wedstrijden in de verduurzaming van de zware industrie.
Wat is het precies?
In de scheikunde draait een reductor-reactie altijd om twee partners: een reductor en een oxidator. De oxidator neemt elektronen op (en wordt daarbij zelf 'gereduceerd'), de reductor geeft elektronen af (en wordt daarbij zelf 'geoxideerd'). Deze twee processen gebeuren altijd tegelijk; samen heet dit een redoxreactie, een samentrekking van reductie en oxidatie.
In de staalproductie is ijzererts het startpunt. Dat erts bestaat grotendeels uit ijzeroxide, ijzer dat chemisch gebonden is aan zuurstof. Om er bruikbaar metaal van te maken, moet die zuurstof eraf. Dat gebeurt in een hoogoven, waar cokes wordt verbrand tot koolmonoxide. Dit koolmonoxide is de eigenlijke reductor: het trekt de zuurstof uit het ijzeroxide, waardoor er metallisch ijzer overblijft en er koolstofdioxide (CO2) ontstaat als afvalproduct. Dit proces is verantwoordelijk voor zo'n 7 tot 8 procent van de wereldwijde CO2-uitstoot, meer dan de hele luchtvaartsector.
Het alternatief dat nu volop wordt getest, vervangt cokes door waterstofgas (H2). Waterstof kan, net als koolmonoxide, zuurstof uit ijzeroxide trekken. Het verschil zit in wat er overblijft: geen CO2, maar gewoon waterdamp (H2O). Dit proces heet direct reduced iron, afgekort DRI, of specifieker H2-DRI wanneer waterstof de reductor is. Het ijzererts wordt daarbij niet gesmolten zoals in een hoogoven, maar in vaste vorm (als korrels of pellets) blootgesteld aan een stroom heet waterstofgas in een schachtoven. Het resultaat is sponsijzer, een poreus, vast product dat vervolgens in een elektrische vlamboogoven wordt gesmolten tot staal.
Wat wil men ermee bereiken?
Het hoofddoel is duidelijk: de staalindustrie ontdoen van haar grootste CO2-bron zonder de kwaliteit of beschikbaarheid van staal in gevaar te brengen. Staal is overal, van bruggen en windturbines tot auto's en verpakkingen, en de wereldvraag blijft groeien. Een industrie die zo groot en zo vervuilend is, verduurzamen levert dus relatief veel klimaatwinst op per geïnvesteerde euro.
Er is ook een economisch en geopolitiek motief. Landen en bedrijven die vroeg instappen op waterstofstaal, hopen een technologische voorsprong te krijgen en minder afhankelijk te worden van steenkoolimport. Voor Europese staalproducenten speelt bovendien mee dat de Europese Unie CO2-uitstoot steeds duurder maakt via het emissiehandelssysteem (ETS): hoe meer CO2 een fabriek uitstoot, hoe hoger de kosten. Dat maakt schone productie op termijn niet alleen milieuvriendelijker, maar ook financieel aantrekkelijker.
Tegelijk is er een reële beperking: waterstof produceren met behulp van elektrolyse, waarbij water met stroom wordt gesplitst in waterstof en zuurstof, kost op dit moment veel energie en geld. Alleen als die elektriciteit uit hernieuwbare bronnen komt (zogeheten groene waterstof) is de klimaatwinst compleet. Een fabriek ombouwen naar waterstofreductie is dus onlosmakelijk verbonden met de vraag: is er genoeg goedkope, groene stroom in de buurt?
Voorbeelden uit de praktijk
HYBRIT (Zweden) is het bekendste voorbeeld. Het samenwerkingsverband van staalbedrijf SSAB, mijnbouwer LKAB en energiebedrijf Vattenfall bouwde een proeffabriek in Luleå en leverde daar in augustus 2021 het eerste fossielvrije staal ter wereld, bestemd voor een testtruck van Volvo. Het project bewees dat H2-DRI technisch werkt; de vervolgstap is opschaling naar industriële volumes.
H2 Green Steel, opgericht in 2020 door voormalig Scania-topman Henrik Henriksson, bouwt in Boden (Zweden) een grootschalige fabriek voor waterstofstaal, met eigen elektrolyse-installatie op het terrein. Het bedrijf is inmiddels bekend onder de naam Stegra. Het project geldt als een van de ambitieuzere pogingen om waterstofstaal direct op commerciële schaal te produceren, in plaats van eerst kleinschalig te pilotten.
Tata Steel IJmuiden (Nederland) werkt aan het plan 'Groen Staal': twee hoogovens vervangen door een DRI-installatie op waterstof en een elektrische vlamboogoven. Het project moet ook de lokale luchtvervuiling rond IJmuiden verminderen. De uitvoering is complex gebleken: gesprekken met de Nederlandse overheid over subsidies en de precieze aanpak hebben de afgelopen jaren tot vertraging en publieke discussie geleid.
Thyssenkrupp ontwikkelt in Duisburg (Duitsland) het project tkH2Steel, een DRI-installatie die op termijn op waterstof moet draaien. Ook Salzgitter werkt in Duitsland aan een vergelijkbaar traject, bekend als SALCOS, met eigen windenergie als beoogde stroombron voor de waterstofproductie. Beide Duitse projecten kregen te maken met discussies over de hoge kosten van groene waterstof en de omvang van overheidssteun.
Hoe ver is de techniek?
De chemie zelf is niet nieuw: DRI met aardgas als reductor bestaat al decennia en wordt onder meer in het Midden-Oosten op grote schaal toegepast. Wat nieuw en nog volop in ontwikkeling is, is DRI met zuivere waterstof in plaats van aardgas of cokes, en dan liefst met groene waterstof.
De eerste proeffabrieken hebben aangetoond dat het proces werkt. De grote uitdaging zit nu in opschaling: van een paar ton proefstaal naar miljoenen tonnen per jaar, tegen een prijs die concurrerend is met traditioneel staal. Dat vraagt enorme hoeveelheden groene waterstof en dus enorme hoeveelheden extra hernieuwbare elektriciteit, infrastructuur voor waterstoftransport en -opslag, en aanzienlijke investeringen in nieuwe fabrieken.
Verschillende Europese projecten liepen de afgelopen jaren tegen vertraging aan, vaak vanwege de hoge kosten van groene waterstof, onzekerheid over subsidies en twijfels bij investeerders over de terugverdientijd. Dat betekent niet dat de techniek mislukt is, maar wel dat de weg van pilotfabriek naar wereldwijde standaard langer en hobbeliger is dan aanvankelijk gehoopt. Realistische verwachtingen gaan uit van een geleidelijke overgang die zich over de komende één à twee decennia uitstrekt, met een mix van waterstofstaal en verbeterde traditionele productie naast elkaar.
Wie werken eraan?
Zweden loopt voorop, met HYBRIT en Stegra (voorheen H2 Green Steel) als boegbeelden, mede dankzij relatief goedkope hernieuwbare stroom uit waterkracht en wind. Duitsland investeert fors via Thyssenkrupp en Salzgitter, gesteund door de Duitse overheid en Europese klimaatfondsen. In Nederland trekt Tata Steel IJmuiden het grootste project, in nauw overleg met de Rijksoverheid.
Ook buiten Europa is er beweging: staalbedrijf ArcelorMittal, actief in onder meer Spanje (Gijón) en Duitsland, onderzoekt en bouwt eigen DRI-installaties die op termijn (deels) op waterstof moeten draaien. Daarnaast houden internationale organisaties als de World Steel Association en het Internationaal Energieagentschap (IEA) de voortgang van de wereldwijde staalsector bij en publiceren zij scenario's voor verduurzaming.