Levenscyclusanalyse van staal: duurzame industriële groei stimuleren

De staalindustrie is na de olie- en gassector de op een na grootste industrie ter wereld. Staal wordt in bijna elke sector toegepast: bouw en constructie, verpakking, transport, energie en hernieuwbare energie. Er is praktisch geen materiaal of product waar staal niet in verwerkt is of een rol heeft gespeeld bij de productie.

De productie van ruwstaal heeft zich in de afgelopen drie decennia meer dan verdubbeld, met 1.864 miljoen ton in 2020 en 1.869 miljoen ton in 2019. Staal blijft de ruggengraat en de drijvende kracht achter maatschappelijke vooruitgang. De slimme steden van de toekomst worden op staal gebouwd. Omdat staal oneindig herbruikbaar is, vermindert het gebruik ervan de druk op de aardhulpbronnen.

De hoge productievanstaal maakt de sector verantwoordelijk voor haar milieu-impact. Het is daarom essentieel om de processen te analyseren om een duidelijk beeld te krijgen van de belangrijkste milieu-effecten en mogelijke oplossingen binnen een circulair economisch model.

Eigenschappen van staal bij ontwerpbeslissingen

Bij het ontwerpproces moeten diverse eigenschappen van staal worden overwogen:

• Chemische, metallurgische en mechanische eigenschappen
• Corrosieweerstand
• Brandweerstand
• Herbruikbaarheid
• Lange levensduur
• Onderhoudsvriendelijkheid
• Hygiënische eisen
• Esthetiek
• Milieubeinvloeding

Staal kan zonder kwaliteitsverlies gerecycled worden. Omdat metallische bindingen bij herverstarring hersteld worden, behoudt staal zijn oorspronkelijke prestaties, zelfs na meerdere recyclingrondes. Dit in tegenstelling tot de meeste niet-metallische materialen, waar de eigenschappen na recycling achteruitgaan.

Staalproducten via de geïntegreerde route bevatten 10-20% processchroot, terwijl eind-van-leven schroot voor 85-95% gerecycled wordt. De 'gerecyclede inhoud'-methode meet alleen huidige milieuwinst, de 'eind-van-leven'-methode rekent ook toekomstige voordelen mee. Voor de staalindustrie is de 'eind-van-leven recyclingpercentage' de meest passende indicator, aangezien beschikbare schrootvolumes onvoldoende zijn om de huidige vraag te dekken. Afbeelding 1 toont de levenscyclus van staal.

Productie van primair staal

De productie van primair (virgineel) staal omvat mijnbouw, concentratie, smelten en raffinage om de gewenste chemische samenstelling te verkrijgen. In elke fase worden onzuiverheden en bijproducten gescheiden, terwijl de ijzerconcentratie toeneemt. De raffinage vereist energie-intensieve, nauwkeurig gecontroleerde smeltprocessen, meestal gebaseerd op fossiele brandstoffen als reductiemiddel of voor warmte en elektriciteit. IJzer- en staalproductie staat voor een aanzienlijk deel van de mondiale industriële CO2-uitstoot.

In de mijnbouw en beneficatie worden ertsen in vloeistof behandeld om ze te concentreren. Hoge temperaturen zijn niet altijd nodig, maar hoge druk vereist wel energie. De energie-intensiteit zal toenemen naarmijnbouw verschuift naar lagere ertskwaliteiten en complexere ertsafzettingen. Proces-efficiëntie kan het energieverbruik verbeteren.

Pyrometallurgie betreft de behandeling van ertsconcentraten bij hoge temperaturen om ijzer los te maken van bijbehorende mineralen. Dit vereist fossiele brandstoffen of elektriciteit. Een staalcentrale produceert diverse staalsoorten via dezelfde primaire processen, maar elk product vereist een eigen verwerkingsroute. Afbeelding 2 toont de principes van levenscyclusanalyse (LCA).

Duurzame ontwikkeling en staal

Menselijke activiteiten hebben onomkeerbare effecten op ecosystemen: klimaatverandering, uputting van hulpbronnen, afval en vervuiling. De Brundtland-rapport (1987) definieert duurzame ontwikkeling als 'ontwikkeling die voldoet aan de behoeften van het heden zonder de capaciteit van toekomstige generaties te compromitteren'. De gebouwde omgeving speelt daarin een cruciale rol.

Duurzaamheid omvat de volledige cyclus: van grondstofwinning, planning, ontwerp, constructie en exploitatie, tot gebruik en afvalbeheer. De staalindustrie onderneemt tal van inspanningen om de CO2-voetafdruk te verkleinen door herbruikbaarheid te verhogen en processen te verbeteren.

Staalduurzaamheid kent drie pijlers: ecologisch, sociaal en economisch. De staalindustrie is effectief in het verbeteren van alle drie. Natuurlijke hulpbronnen worden gebruikt voor staalproductie, die weer dient voor infrastructuur en dagelijkse producten.

Levenscyclusanalyse van staal

De milieu-impact wordt bepaald door: (1) productie, (2) gebruik, en (3) recycling van staal. Beïnvloedende factoren zijn: natuurlijke hulpbronnen, milieubeheer, en preventie van lucht-, water- en bodemvervuiling.

Materiële efficiëntie berust op drie criteria: reduceren, hergebruiken, recyclen. Raastoffen worden verminderd door procesverbetering voor CO2-reductie. Na de levensduur kan staal zonder kwaliteitsverlies hergebruikt worden. Staal is 100% recyclabel; alle schroot komt in nieuwe staal. Bijproducten van staalproductie worden door andere industrieën gebruikt, wat hulpbronnen bespaart.

Sociale en economische aspecten

Sociale impact: Beïnvloed door levensstandaard, onderwijs, gemeenschap en gelijke kansen. Staal is niet schadelijk voor werkers tijdens productie, gebruik of recycling. Veiligheid en gezondheid op de werkvloer zijn topprioriteit. Staal verbetert de levenskwaliteit door technische vooruitgang.

Economische component: Factoren zijn productiekosten, winst, kostenbesparing, economische groei en opbrengsten voor R&D. Levenscycluskosten (LCC) zijn cruciaal: de som van alle kosten gedurende de levenscyclus (conceptie, productie, gebruik, eind-van-leven). Staal is niet duur als LCC meegeteld wordt; kosten van andere materialen stijgen over tijd, staalkosten blijven constant.

Naast de drie hoofdpijlers zijn er drie overlappende gebieden: ecologisch-sociaal (behoud omgeving en hulpbronnen), sociaal-economisch (ethiek, eerlijkheid, werknemerswelzijn), en economisch-ecologisch (operationele efficiëntie, energie-efficiëntie, hernieuwbare hulpbronnen).

Belang van een volledige levenscyclusbenadering

Een volledige levenscyclusbenadering is de beste manier om de milieu-impact van een product te beoordelen en maatschappelijke beslissingen over materiaalgebruik te ondersteunen. Fokus op één fase (bijv. productie) vervaagt het echte plaatje, omdat impact in andere fasen (bijv. gebruiksfase) genegeerd kan worden.

Materiaalkeuze hangt af van technische en economische factoren: functionaliteit, duurzaamheid, kosten. In een wereld waar duurzame ontwikkeling centraal staat, wordt de milieuprestatie van materialen steeds belangrijker.

Het kwantificeren van milieubelasting per levenscyclusfase en de onderlinge verbondenheid van staalproductiesystemen is nodig voor het modelleren van wereldwijde technologieveranderingen, materiaalsubstitutie en ketelrisico's. Een begrip van impacten en voordelen maakt betere beslissingen mogelijk.

Wat is Levenscyclusanalyse (LCA)?

LCA is een geïntegreerde benadering die het product over de gehele levenscyclus beoordeelt. Volgens ISO 14040: 'verzameling en evaluatie van de invoer, uitvoer en potentiële milieu-impacten van een productssysteem gedurende de levenscyclus'. Alle fasen worden meegenomen: grondstofwinning, productie, fabricage, gebruik, eindverwijdering en herwinning, inclusief transport.

LCA vergelijkt niet alleen producten, maar ook hun functie. Het heeft een holistische aanpak die milieu-impacten in een consistent kader plaatst, waar en wanneer ze ook optreden.

LCA is een van de meest erkende duurzaamheidsevaluatiemethoden, gebaseerd op levenscyclusinventarisatie (LCI) databases. Het helpt de industrie bij: klantinformatie, begrip van staal's bijdrage aan milieuprestaties, technologiebeoordeling, impactvermindering, samenwerking met klanten, en publieksvoorlichting. LCA speelt ook een rol in milieuverslaggeving, marketing, en naleving van regels en initiatieven zoals milieuproductdeclaraties.

Geschiedenis en standaardisatie van LCA

De eerste levenscyclusstudies dateren uit de late jaren '60 en vroege '70 in de VS voor publieke aanbestedingen. De term 'levenscyclusanalyse' viel al in 1959 in een RAND-rapport over wapensystemen. In 1972 berekende Ian Boustead de totale energieverbruik van drankverpakkingen (glas, plastic, staal, aluminium).

In 1992 organiseerde SETAC LCA-workshops. In 1993 werd 'Life-cycle Assessment: A Code of Practice' (de 'LCA-bijbel') gepubliceerd. In de jaren '90 volgden diverse richtlijnen: Nederlandse, Noorse, Zweedse, Deense, Finse, en van UNEP en de Europese Milieuaagentschap. Termen als 'levenscyclusbenadering', 'wieg-tot-graf analyse' en 'levenscyclusanalyse' worden door elkaar gebruikt. Een volledige wieg-tot-graf studie kijkt van grondstof (wieg), via gebruiksfase, tot eind-van-leven (graf).

Standaardisatie begon in 1993 bij ISO (TC 207, SC 5). De ISO 14040-serie omvat: ISO 14040 (Principes en Framework), ISO 14041 (Doel en Bereik, Inventarisatie), ISO 14042 (Impactbeoordeling), ISO 14043 (Interpretatie), ISO 14047, 14048, 14049 (voorbeelden en dataformaten). LCA wordt gebruikt voor productontwikkeling, strategische planning, beleid, marketing, en meer.

LCA-fasen

Een LCA-studie loopt door vier fasen (ISO 14040 framework):

1. Doel en bereikdefinitie: Toepassing, doelgroep, redenen, comparatieve beweringen, publieke openbaaring. Bereik omvat productsysteem, functies, systeemgrenzen, toewijzingsprocedures, impactcategorieën, data-eisen, aannames, beperkingen, kritische review, rapportageformaat.
2. Inventarisatieanalyse: Verzamelen en berekenen van invoer/uitvoer data. Computationeel proces. Data: grondstoffen, energie, emissies naar lucht en water. Toewijzing bij multi-product en recycling systemen. Meest tijd- en kostenintensieve fase.
3. Impactbeoordeling: Relatieve benadering op basis van functionele eenheid. Verplichte elementen: selectie impactcategorieën, indicatoren, karakteriseringsmodellen; classificatie en karakterisering. Optioneel: normalisatie, groepering, gewichtening, data-kwaliteitsanalyse. Twee methoden: probleem-gerichte (midpunten: klimaatverandering, verzuring, eutrofiering, smog, humane toxiciteit) en schade-gerichte (eindpunten: mens, ecosystemen, hulpbronnen).
4. Interpretatie: Samenvatten en discussiëren van resultaten. Evaluatie van inventarisatie en impactbeoordeling samen. Conclusies consistent met doel en bereik, met aanbevelingen.

Een productsysteem wordt gemodelleerd met gedefinieerde functies, onderverdeeld in eenheidsprocessen verbonden door stromen. De functionele eenheid biedt een meetbare referentie. Voor vergelijkbaarheid is een referentiestroom nodig (bijv. 'één vierkante meter geschilderd oppervlak met specifieke laagdikte en 10 jaar levensduur' in plaats van 'één liter verf').

Let op: LCA = Levenscyclusanalyse, VOC's = Vluchtige organische verbindingen

Toepassingen van LCA-data

LCA-data kan gebruikt worden voor: eco-ontwerp/ontwerp voor recycling, benchmarking, inkoop- en ketenbeslissingen, Type I-ecolabel criteria, Type III milieuproductdeclaraties, specifieke indicatoren (koolstofvoetafdruk, primair energieverbruik).

In Europa is een Milieuproductdeclaratie (EPD) een gestandaardiseerde manier om milieu-impact te kwantificeren volgens LCA. Voor staalproducenten is het strategisch belangrijk om deze levenscyclusbenadering te tonen (overheden, beleid) zodat de lange levensduur, hergebruik en multi-recycling van staal gewaardeerd worden.

LCA dwingt om kijken naar de gehele levensduur: productie, gebruik, afvalverwerking. Milieu-impact treedt op langs de hele keten: productielocatie, grondstofwinning en transport, elektriciteitscentrales. Het vastleggen van directe en indirecte impacten voorkomt verlaging van belasting van de ene naar de andere levenscyclusfase. Regulering van één fase (gebruik) kan ongewilde gevolgen hebben (bijv. verhoogde CO2-uitstoot). Correct modelleren van recyclingpotentieel van staal is cruciaal om te concurreren met andere materialen en 'best in class' duurzame oplossingen aan te tonen.