Mikä on optimaalinen reitti fossiilivapaan teräksen valmistuksessa?

Euroopan unioni tavoittelee ilmastoneutraaliutta vuoteen 2050 mennessä. Tämä asettaa haasteita, mutta myös mahdollisuuksia koko terästeollisuudelle. Fossiilisten polttoaineiden sijaan tarvitaan uudenlaisia teknologioita ja tämän lisäksi voidaan ainakin osittain turvautua biopohjaisten jakeiden hyödyntämiseen sekä hiilidioksidin talteenottoon. Kannattava ja kestävä terästuotanto vaatii siirtymistä sekä uusiutuvaan energiaan että ydinenergiaan.

Optimaalisella reitillä tarkoitetaan mahdollisimman nopeaa, kustannustehokasta ja kestävän kehityksen mukaista toteutusta, ja sen on havaittu vaihtelevan maantieteellisen sijainnin mukaan. Näin ollen teknologisesti edistynein reitti ei välttämättä ole paras vaihtoehto jokaiseen tilanteeseen.

Teräksen hiilidioksidipäästöjen vähentäminen edellyttää uudenlaisia tuotantomenetelmiä

Teknologiatoimittajat ovat jo alkaneet kehittää olemassa olevia tuotevalikoimiaan, kuten esimerkiksi suorapelkistysprosesseja (Direct Reduction Plant), valokaariuuneja (Electric Arc Furnace) ja sulapintauuneja (Open Slag Bath Furnace) vastaamaan paremmin fossiilivapaan terästuotannon edellytyksiä. Tätä siirtymää on vauhdittanut vedyn teollisen mittakaavan teknologioiden kehitys. Kuvassa 1 on esitetty fossiilivapaan teräksen tyypillinen tuotantoreitti. Yksikköprosessikaaviossa on kaasupohjainen suorapelkistysprosessi (DRP), jossa hyödynnetään täysimääräisesti elektrolyysillä valmistettua vetyä (100% H2) sekä valokaariuuni (EAF), jolla suorapelkistetty panos sulatetaan.

Alueelliset erot merkittäviä fossiilivapaan teräksen tuotannossa

Fossiilivapaan teräksen määritelmä vaihtelee valmistajien mukaan, ja tämä vaikuttaa käytettyihin tuotantoteknologioihin. Energiayhtiöiden rooli kasvaa etenkin kaasupohjaiseen suorapelkistykseen perustuvissa ratkaisuissa. Teknologian valintaan vaikuttaa energian ja käyttöhyödykkeiden saatavuus, ja näin ollen myös terästehtaan maantieteellinen sijainti. Euroopassa fossiilivapaata terästä pyritään valmistamaan lähinnä vedyn avulla, kun taas Yhdysvalloissa hyödynnetään laajasti maakaasun reformointia pelkistyskaasun tuotannossa. Tällä hetkellä vaikuttaisi siltä, että vain Euroopan panostus vetyteknologiaan voi mahdollistaa lähes nollapäästöjen saavuttamisen. Yksinomaan maakaasuun turvautuminen ei siihen riitä. Vedyn korkea hinta kuitenkin herättää kysymyksen, voiko Eurooppa taloudellisesti tukea tätä siirtymää? Jos “eurooppalainen suunta” valmistaa terästä vedyllä osoittautuu kannattamattomaksi, voi terästeollisuus siirtyä halvemman kustannustason maihin, joissa teknologiset saavutukset ja kestävyysajattelu eivät yltäne parhaalle mahdolliselle tasolle.

Taulukossa 1 on esitetty vertailu fossiilivapaan raakaterästuotannon hiilidioksidin (CO2) kokonaispäästöistä ottaen huomioon erilaiset maantieteelliset olosuhteet ja tuotantoreitit. Kaikki arvot ovat kgCO2/tonni terässulaa kohden ennen sekundäärimetallurgiaa. Vertailukohtana on tavanomainen masuuni-konvertteri-reitti (BF-BOF). Kaasupohjaisella suorapelkistys-valokaariuuni (DRP-EAF)-reitillä käytetään tässä esimerkissä Ruotsissa ja Saksassa suorapelkistykseen lähinnä vetyä ja Yhdysvalloissa taas maakaasua. Neljäntenä tapauksena tarkastellaan Intiaa, jossa käytetään edelleen hiilipohjaista menetelmää. Intian tapauksessa ajatus oli korvata tavanomainen kivihiili puuhiilellä. Vertailukelpoisen tilanteen luomiseksi tässä on oletettu käytettävän rumpu-uunipelkistyksen ohella sulapintauunia (OSBF).

Kokonaispäästöjen laskennassa otetaan huomioon kaikki valmistusketjun aikaiset tuotantoprosessit ja lisäksi oletetaan käytettävän uusiutuvaa sähköenergiaa. Etenkin uusiutuvan sähköenergian käytön oletus tekee tarkastelusta monimutkaisen.

Valokaariuuni (EAF)- ja sulapintauuni (OSBF) -reittien välinen vertailu

Valokaariuuni (EAF)- ja sulapintauuni (OSBF)-reitit ovat tällä hetkellä fossiilivapaan teräksen pääasialliset tuotantoreitit. Nämä teknologiat ovat kypsiä ja pitkälle kehitettyjä muissa sovellutuskohteissa. Toisaalta vaihtoehtoisiakin teknologioita on aikojen saatossa ja myös viime aikoina kehitetty näiden rinnalle. Toistaiseksi muut vaihtoehtoiset teknologiat eivät vielä saavuta riittävän korkeaa teknologista valmiustasoa joko teknologian kypsyyden tai valmistuskapasiteetin osalta, jotta niitä voitaisiin pitää kannattavina vaihtoehtoina.

Rautamalmi on teräksen valmistuksen ensisijainen raaka-aine, joka koostuu pääasiassa rautaoksideista, hematiitista (Fe2O3) ja magnetiitista (Fe3O4), joista hematiitti on selvästi yleisin. Puhtaassa tilassa hematiitissa on 70 % rautaa, kun taas magnetiitissa rautaa on 72 %. Korkealaatuisissa malmeissa raudan pitoisuudet vaihtelevat tyypillisesti 50 %:sta 68 %:iin, kun taas matalalaatuisissa malmeissa raudan pitoisuudet ovat 30 %:n ja 50 %:n välillä. Rautamalmin muut komponentit ovat tyypillisesti happamia harmeita, kuten piitä ja alumiinia. On tärkeää huomata, että jokainen rautamalmiesiintymä on ainutlaatuinen geologian ja mineralogian suhteen.

Taulukossa 2 on laskennallisesti vertailtu toisiinsa kahta erityyppistä malmiraaka-ainetta sekä kahta erilaista tuotantoreittiä ominaisenergiankulutuksen ja raaka-aineen kulutuksen suhteen. AFRYn tekemien teknistaloudellisten analyysien mukaan 200 kg kuonaa/t terästä on kynnysarvo OSBF-reitin ja EAF-reitin välillä käytettäessä n. 87 % suorapelkistettyä rautasientä (DRI) sulatuspanoksessa. Mikäli kuonaa muodostuu yli kynnysarvon, suositaan OSBF-reittiä. Kynnysarvoa pienemmät kuonamäärät vastaavasti suosivat EAF-reittiä. Tavoiteltu tuotevalikoima sekä mahdollisesti korkeampi romuosuus panoksessa (olettaen, että korkealaatuista romua on helposti saatavilla) vaikuttavat kuitenkin lopulliseen päätöksentekoon ja reitin valintaan. EAF- ja OSBF-malleille käytetyt parametrit on esitetty taulukossa 3.

Taulukossa 3 on esitetty EAF- ja OSBF-reiteillä erilaatuisten suorapelkistettyjen rautasienisyötteiden (DRI) vaikutus energian ja raaka-aineen ominaiskulutuksiin ja tuotteisiin. Sähköuunin (EAF/OSBF) ominaissähkönkulutus vaihtelee mm. polttimien käyttöosuuden ja operointitavan mukaan.

Tehty analyysikin tukee näkemystä, että valokaariuunireittiä (EAF) voidaan suosittaa kuonan määrän ollessa alle 200 kg kuonaa/t terästä. Heikompilaatuisen DRI:n käyttö valokaariuunissa ylittää tunnistetun kynnysarvon, ja tämä lisää energiankulutusta ja kokonaiskäyttökustannuksia. Siksi puhtaasti teknistaloudellisesta näkökulmasta suositellaan OSBF-reitin valintaa heikompilaatuisille DRI-syötteille. Tuotettaessa ‘vähemmän vaativia’ teräslajeja korkeampi romun osuus panoksessa voi kuitenkin tehdä EAF-reitistä houkuttelevamman jopa heikompilaatuisilla DRI-syötteillä.

Optimaalinen reitti on mahdollista löytää - räätälöityjä ratkaisuja tarvitaan

Fossiilivapaan teräksen valmistus ei nojaa yhteen yleispätevään ratkaisuun, jota voitaisiin soveltaa kaikissa tapauksissa. Optimaalinen reitti riippuu suuresta joukosta muuttujia: paikallisista olosuhteista, puhtaan energian, sopivien raaka-aineiden ja ammattitaitoisen työvoiman saatavuudesta, ympäristövaikutuksista, yhteiskunnallisista tekijöistä, markkinatilanteesta ja kilpailusta. Kiinnittämällä useita näistä muuttujista alusta alkaen on mahdollista tehdä varhainen päätös sopivasta tuotantoteknologiasta ja löytää tasapaino teknisten, taloudellisten ja käytännöllisten näkökohtien välillä.

Kannattaako rakentaa kokonaan uusi laitos, vai riittääkö olemassa olevan muokkaaminen?

Optimaalista ratkaisua haettaessa on tärkeää analysoida suunnitellun tuotantolaitoksen kokonaistilanne. Millaisia raaka-aineita, käyttöhyödykkeitä ja energialähteitä on saatavilla? Onko esimerkiksi käytettävissä puhdasta sähköä tai vähäfossiilista vetyä, vai turvaudutaanko maakaasuun tai ydinvoimaan? Miten sivutuotteet, kuten kuonat, pölyt ja käytetyt tulenkestävät materiaalit voidaan hyödyntää? Miten valinta vaikuttaa tuotevalikoimaan? Nykytilanteessa korostuvat erityisesti kilpailu energian saatavuudesta sekä korkealaatuisten raaka-aineiden pitkän aikavälin toimitusvarmuus. Lisäksi on varmistettava saumaton integrointi olemassa oleviin toimintoihin, jatkojalostusprosesseihin ja muihin infrastruktuurin osa-alueisiin. Tämä lähestymistapa mahdollistaa teknistaloudellisesti optimoidun prosessiketjun kehittämisen, joka on räätälöity jokaiseen tilanteeseen erikseen.

Tämän artikkelin ovat kirjoittaneet Suvi Rannantie, Aleksi Laukka, Petri Palovaara, Jussi Niemelä, Matti Sakaranaho, Virpi Leinonen ja Janne Tikka.