Vad är den optimala vägen för grön ståltillverkning?

Europeiska unionen siktar på att bli klimatneutral till 2050, vilket innebär både utmaningar och möjligheter för stålindustrin när den övergår till grönt stål, trots hinder som råmaterial- och energitillgång, miljöpåverkan och strikta krav. Traditionell ståltillverkning, som är beroende av fossila bränslen, konkurrerar med nya teknologier som använder förnybara resurser, där biobränslen och koldioxidavskiljning erbjuder temporära lösningar. En full elektrifiering, eventuellt via kärnkraft, är nödvändig för hållbarhet.

Den optimala produktionsvägen för grön ståltillverkning ser olika ut beroende på geografisk plats. Eftersom hela marknaden förändras fundamentalt måste man beakta andra aspekter än bara den rent tekniska.

Grönt stål kräver nya produktionsmetoder

Dialogen om produktion av grönt stål har de senaste åren blivit en central punkt inom stålindustrin. Teknikleverantörer har redan börjat förfina sina befintliga produktportföljer, inklusive till exempel direktreduktionsprocesser (DRP), elektriska ljusbågsugnar (EAF) och öppna slaggbadugnar (OSBF), för att anpassa sig till förutsättningarna för produktion av grönt stål. Samtidiga framsteg inom storskaliga vätegasproduktion har också spelat en avgörande roll för att möjliggöra detta skifte. Som exempel illustreras ett mer detaljerad processflöde för en gasbaserad DRP (100 % väte) + EAF-väg för produktion av grönt stål i Figur 2.

Skillnader i produktion av grönt stål mellan länder

Definitionen av grönt stål varierar bland producenter och påverkas av deras produktionsanläggningar och teknologier. Denna övergång till grönt stål ökar fokus på teknikens roll i att möjliggöra dessa förändringar, särskilt eftersom tekniken för att minska utsläppen – som gasbaserad direktreduktion – är starkt beroende av stålverkens geografiska plats. I Europa är framstegen inom grönt stål beroende av väte som produceras genom elektrolys, medan naturgasreformering används i USA för att producera den nödvändiga reducerande gasen. För närvarande verkar Europas investering i väteteknik vara den enda vägen för att uppnå nollutsläpp, eftersom USA:s beroende av naturgas inte räcker till på grund av dess oundvikliga koldioxidproduktion. Med tanke på vätets höga kostnader återstår frågan om Europa ekonomiskt kan stödja denna övergång och vad konsekvenserna blir om det inte lyckas. Om Europa inte anpassar sig kan stålindustrin tvingas flytta till USA, Asien och andra länder där kostnaderna är mer hanterbara.

Tabell 1 visar en jämförelse av totala utsläpp från produktion av grönt stål före sekundär metallurgi, med hänsyn till olika geografiska platser och olika produktionsvägar. Den traditionella masugns-metoden (BF-BOF) är branschens baseline, jämfört med gasbaserade direktreduktionsprocess med elektriska ljusbågsugnar (DRP-EAF) som använder väte i Sverige och Tyskland eller naturgas i USA, samt en kolbaserad metod i Indien. Beräkningen av totala utsläpp tar hänsyn till alla steg i produktionsprocessen, under antagandet att förnybar el används. Komplexiteten i att uppnå produktion av grönt stål blir här tydlig.

Jämförelse av EAF och OSBF

EAF och OSBF är för närvarande de främsta produktionsvägarna för grönt stål. Dessa teknologier har funnits i många år och har med tiden förfinats. Samtidigt finns andra framväxande teknologier inom området; dock saknar de för närvarande nödvändig kapacitet och teknologisk mognad för att betraktas som livskraftiga alternativ.

Järnmalm är det primära råmaterialet som används i ståltillverkning, och består huvudsakligen av järnoxiderna hematit (Fe2O3) och magnetit (Fe3O4), där hematit är den vanligaste. I sitt rena tillstånd har hematit en järnhalt på 70 %, medan magnetit innehåller 72 % järn. Järnkoncentrationer i högkvalitativa malmer ligger vanligtvis mellan 50 % och 68 %, medan lågkvalitativa malmer har järnhalter mellan 30 % och 50 %. Andra komponenterna i järnmalm är typiskt kisel och aluminiumoxid​​. Det är viktigt att notera att varje järnmalmsfyndighet är unik i fråga om av geologi och mineralogi.

Med tanke på två olika kvaliteter av råmaterial och de två olika produktionsvägarna jämförs specifik energi- och råmaterialförbrukning mellan dem nedan. Enligt teknisk-ekonomisk analys i studier utförda av AFRY har 200 kg slagg/ton stål identifierats som en tröskel mellan OSBF-vägen och EAF-vägen vid användning av ~87 % DRI i laddningsblandningen. Om slaggproduktionen överstiger tröskeln gynnar det OSBF och lägre värden gynnar EAF. Dock påverkar den önskade produktportföljen och eventuellt högre andel skrot (högkvalitativt skrot är ofta tillgängligt) det slutgiltiga beslutsfattandet. De använda parametrarna för EAF och OSBF presenteras i Tabell 3.

Effekterna av olika typer av DRI på utvalda specifika förbrukningar och effekter i EAF och OSBF presenteras i tabell 4. Den specifika elförbrukningen i EAF varierar beroende på brännarkonfiguration och användning.

Den utförda analysen stöder uppfattningen att om den beräknade slaggproduktionen är mindre än 200 kg/t stål föredras EAF-vägen. Med lågkvalitativ DRI överstiger slaggproduktionen i EAF-vägen den identifierade tröskeln, vilket ökar energiförbrukningen och den totala operativa kostnaden (OPEX). Därför föredras valet av OSBF-processvägen rent tekniskt-ekonomiskt sett vid användning av lågkvalitativ DRI. Dock, för att producera mindre krävande stålkvaliteter, skulle en högre andel skrot i laddningsblandningen göra EAF-vägen genomförbar även med lågkvalitativ DRI.

En optimal väg för grön ståltillverkning

Baserat på den tidigare presenterade analysen blir det tydligt att den optimala metoden för produktion av grönt stål påverkas av en stor mängd variabler. Genom att fastställa flera av dessa variabler från början är det möjligt att fatta ett tidigt beslut om lämplig produktionsteknik och hitta balans mellan tekniska och praktiska överväganden. Stora fällor för en potentiell grön stålindustri är valet mellan att modifiera och ansluta till en befintlig fabrik eller bygga en ny, underskattning av nationell/lokal infrastruktur, tillgång på råmaterial och långsiktig försörjning av högkvalitativa råmaterial.

Skapa skräddarsydda lösningar för grön ståltillverkning

I strävan efter produktion av grönt stål finns inte en universallösning. Den optimala vägen beror på lokala förhållanden, tillgång på energi, råmaterial och kvalificerad arbetskraft, miljö- och sociala effekter samt marknadens efterfrågan och konkurrens. AFRY:s expertroll ligger i att skapa skräddarsydda lösningar som är ändamålsenliga. Identifiera varje kunds unika parametrar, deras specifika råmaterialbas, tillgången på verktyg och råvaror som el, väte och naturgas samt den utvecklande produktportföljen. Mer effektiv energianvändning och utnyttjande av biprodukter och avfall som slagg, använda eldfasta material och damm är i fokus. Dessutom är det kritiskt att säkerställa sömlös integration med befintliga verksamheter, senare produktionsprocesser och andra infrastrukturdelar. Detta tillvägagångssätt möjliggör utveckling av en tekniskt-ekonomiskt optimerad processkedja anpassad till varje unik situation.

Artikeln är skriven av Suvi Rannantie, Aleksi Laukka, Petri Palovaara, Jussi Niemelä, Matti Sakaranaho, Virpi Leinonen and Janne Tikka.