ULCOS: Revolutie in Staalproductie met Ultra Lage CO2-Emissies

Klimaatverandering is door de staalindustrie over de hele wereld al meer dan tweeënhalve decennia geïdentificeerd als een grote milieu-uitdaging. Lang vóór de bevindingen van het Intergouvernementaal Paneel voor Klimaatverandering (IPCC) in 2007, erkenden grote staalproducenten dat langetermijnoplossingen nodig waren om de koolstofdioxide (CO2) emissies die geproduceerd worden tijdens de productie van staal aan te pakken.

Als gevolg hiervan is de staalindustrie zeer proactief geweest in het verbeteren van het energieverbruik en het reduceren van broeikasgas (BKG) emissies.

Het broeikasgas van de meest relevantie voor de wereldwijde staalindustrie is koolstofdioxide (CO2). Volgens de World Steel Association (WSA), worden gemiddeld 1,8 ton CO2-gas uitgestoten voor elke ton staal geproduceerd. Volgens de Internationale Energie Agentschap (IEA), was de ijzer- en staalindustrie in 2010 verantwoordelijk voor ongeveer 6,7% van de totale wereldwijde CO2-emissies.

Uitdagingen en Doelstellingen

CO2-emissies per ton ruwstaal geproduceerd zijn nu ongeveer 50% lager, wat heeft geleid tot een dramatische reductie in klimaatimpact voor de staalsector. De beste staalfabrieken opereren nu dicht bij de thermodynamische limieten die gesteld worden door de huidige staalproductietechnologieën. Dit betekent dat staalproducenten beperkt zijn in hoeverre ze hun energie-efficiëntie nog kunnen verbeteren. Met de meeste grote energiebesparingen al bereikt, zijn additionele grote reducties in CO2-emissies niet mogelijk met de huidige technologieën.

Het verder verminderen van de BKG-emissies heeft de introductie van doorbraaktechnologieën betekend. De reductie van CO2-emissies naar het niveau dat na-Kyoto beleid heeft vereist 'out-of-the-box' denkwerk, aangezien het specifieke uitdagingen opleverde. Geen eenvoudige processen waren van de plank beschikbaar voor de verwezenlijking van dit doel. Diepe paradigmaschuivingen in de manier waarop staal geproduceerd wordt, moeten worden verbeeld en de corresponderende doorbraaktechnologieën moeten worden ontworpen en ontwikkeld. Het type reducties dat door regeringen en internationale organen wordt gevraagd, vereist de uitvinding en implementatie van radicale nieuwe productietechnologieën.

Dit is de achtergrond voor de creatie van het ULCOS (Ultra-Low CO2 Steelmaking) programma, een coöperatief Europees onderzoek- en ontwikkelingsinitiatief gelanceerd in 2004 als gevolg van het Kyoto-protocol. ULCOS zoekt manieren om nog drastischere reducties in CO2-emissies van staalproductie te realiseren. De kern-doelstelling van het programma is om te zoeken naar doorbraak procesroutes die in de toekomst, wanneer volledig ontwikkeld, het potentieel kunnen tonen van grote snijden in CO2-emissies voor de productie van staal uit ijzererts. Het programma streeft ernaar om CO2-emissies te reduceren vergeleken met de huidige productietechnologieën met een minimum van 50%. Het bereiken van zo'n ambitieus doel vereist het soort paradigmaschuiving in de staalproductie die de manier zal veranderen waarop staalfabrieken nu over de hele wereld opereren. ULCOS is onderdeel van een wereldwijd staalindustrie-programma ontworpen om staalproductietechnologieën te identificeren met het potentieel van substantiële reductie van CO2. Onder dit programma worden pogingen gedaan om een antwoord te vinden op het maken van staal op de meest duurzame manier.

Deelnemers en Financiering

De deelnemers van het ULCOS-programma zijn een consortium van 48 Europese bedrijven en organisaties uit 15 Europese landen, inclusief alle grote Europese Unie (EU) staalbedrijven, energie- en engineeringpartners, onderzoeksinstituten en universiteiten. Het wordt ook gesteund door de Europese Commissie. ULCOS is een Europees programma, maar het is de grootste inspanning in de staalindustrie wereldwijd die proactief oplozingen zoekt voor de dreiging van opwarming. De expertise van het consortium reikt van staalproductie tot biomassa-productie en geologische CO2-opslag, en omvat procesengineering, de economie van energie, en vooruitblikstudies in klimaatverandering.

Vandaag de dag is ULCOS de grootste initiatief binnen de wereldwijde staalindustrie die proactief zoekt naar oplossingen voor de dreiging van opwarming. De ULCOS-partners financieren 60% van het EUR 75 miljoen budget. De Europese Commissie bijdraagt de resterende 40% door haar RTD (onderzoek en technologische ontwikkeling) kaderprogramma's en de RFCS (Research Fund Coal Steel) programma's. Beide zijn opgezet om industriell onderzoek en technologische ontwikkeling binnen Europa te bevorderen.

Technologische Routes

De huidige staalproductietechnologie is gebaseerd op kool, wat grotendeels op koolstof is gebaseerd, op aardgas wat een mengsel is van koolstof en waterstof, en op schroot-gebaseerde elektrische boogovens. Om CO2-arme procesroutes te identificeren, zijn er drie mogelijke grote oplossingspaden: (i) een verschuiving weg van kool, genaamd decarbonisering, waarbij koolstof zou worden vervangen door waterstof of elektriciteit, in processen zoals waterstofreductie of elektrolyse van ijzererts, (ii) de introductie van CCS (koolstofafvang en -opslag) en mineralische carbonatisatietechnologieën, en (iii) het gebruik van duurzame biomassa.

ULCOS is een groot programma zorgvuldig ingesteld om de lange termijn en complexe uitdagingen aan te gaan die de staalindustrie, naast de samenleving als geheel, tegenkomt. Het ULCOS-programma heeft vier stappen: (i) procesconcept-ontwikkeling, (ii) grootschalige demonstratie, (iii) grootschalige experimentatie van een eerste commerciële fabriek, (iv) implementatie van de technologie in Europa en in de wereld. ULCOS, wat een onderzoeksinitiatief was, is momenteel omgezet in een demonstratie-initiatief.

Aanzienlijk onderzoek is uitgevoerd in het ULCOS-programma sedert de start in 2004. Een initiële haalbaarheidsstudie van vier tot vijf jaar onderzocht meer dan 80 technologieën/concept-routes in de initiële fase van het onderzoeksprogramma, gebruikmakend van modellering en laboratoriumbenaderingen om hun potentieel te evalueren in termen van CO2-emissies, energieverbruik, exploitatiekosten van staalproductie en duurzaamheid. Verschillende concepten zijn parallel onderzocht. Van al deze, zijn de volgende brede families van procesroutes geselecteerd binnen het ULCOS-programma voor verder onderzoek en eventuele opschaling tot een grootte waar commerciële implementatie kan overnemen.

• Een variant van de hoogoven (HO) waar het topgas van de HO door CO2-afvang gaat en het overgebleven reducerende gas weer geïnjecteerd wordt aan de basis van de reactor, die bovendien met zuivere zuurstof werkt in plaats van hete blast (lucht). Dit proces heet de topgas-recycling hoogoven (TGR-HO). De CO2-rijke gasstroom wordt naar opslag gestuurd (CCS-technologie).
• Een smelt-reductieproces genaamd HIsarna-proces. Dit proces is gebaseerd op de combinatie van een hete cycloon en een badsmelter en bevat enkele van de technologiekenmerken van het HIsmelt-proces. Het proces gebruikt ook zuivere zuurstof en genereert afgas dat bijna klaar is voor opslag (CCS-technologie).
• Een directe reductie (DR) proces genaamd ULCORED. Dit proces produceert DRI (direct gereduceerd ijzer) in een schachtofen, ofwel uit aardgas of gas uit koolvergasging. Afgas van de schacht wordt na CO2-afvang in het proces gerecycled, wat de DR-fabriek in een geconcentreerde stroom verlaat en naar opslag gaat (CCS-technologie).
• Twee elektrolyseprocesvarianten genaamd ULCOWIN en ULCOLYSIS. ULCOWIN werkt iets boven 100 °C in een water-alkalische oplossing bevolkt door kleine korrels erts (elektrowinning-proces). ULCOLYSIS werkt bij staalproductietemperatuur met een gesmolten zoutelectrolyt gemaakt van een slag (pyro-elektrolyse).
• Er zijn nog twee opties beschikbaar. De eerste bestaat in het gebruik van waterstof voor directe reductie, wanneer en als het beschikbaar is zonder enige koolstofvoetafdruk. De tweede is gebaseerd op het gebruik van duurzame biomassa, de eerste uitvoering waarvan houtskool is geproduceerd uit duurzame eucalyptus-plantages in tropische landen.

Het gebruik van CCS en mineralische carbonatisatie binnen nieuwe ULCOS-technologieën is ook beoordeeld. CCS is vanaf het begin geïdentificeerd als een krachtige oplossing. Over mineralische carbonatisatie is geïdentificeerd dat het alleen kan resulteren in matige, hoewel belangrijke, algemene emissiereducties.

Processen onder onderzoek en ontwikkeling onder het ULCOS-programma worden getoond in Fig. 1.

Fig. 1 Processen onder onderzoek en ontwikkeling onder ULCOS-programma

ULCOS heeft nu vier procesconcepten geselecteerd – die experimenteel getest zijn – die kunnen leiden tot een reductie van CO2-emissies met meer dan de helft vergeleken met de huidige beste praktijken. Deze concepten worden nu geïmplementeer in werkende staalfabrieken in de tweede fase van het ULCOS-project. De resultaten van fase 2 van het ULCOS-programma kunnen potentiëel in productiefabrieken worden uitgevoerd over ongeveer 15 tot 20 jaar. De geselecteerde procesconcepten zijn: (i) herontwerp van de hoogoven om CCS in de kern van het proces te incorporeren, (ii) smeltreductie met CCS-mogelijkheden, (iii) massaal gebruik van aardgas met meer CO2-arme technologieën dan vandaag, (iv) waterstofstaalproductie en elektrolyse van ijzererts.

Vooruitzichten van de Geselecteerde Routes

De TGR-HO lijkt de veelbelovendste oplossing op de kortere termijn, aangezien de bestaande HO's kunnen worden geretrofitted naar de nieuwe technologie. Dit kan de extensive kapitaaluitgaven die nodig zijn voor het overschakelen naar de doorbraaktechnologieën onder controle houden. Verder levert het fundamentele principe van het proces energiebesparingen op omdat de afvang van CO2 en de hercirculatie van het gezuiverde gas hoge-temperatuur chemische evenwichten (Boudouard-reactie) verplaatst en cokes en kool met een hogere efficiëntie binnen de HO gebruikt dan mogelijk is met conventionele bedrijfsvoering. Dit balanceert de extra kosten die geleden worden door de afvang en opslag, tot op zekere hoogte. Het juiste concept dat in de TGR-HO wordt toegepast, is dat van in-proces CO2-afvang, met zuurstofbedrijf. Het zuurstofdeel is vergelijkbaar met oxy-brandstof-bedrijf maar niet identiek. Het hercirculatiedeel is origineel en is de sleutelredenering waarom sommige energiebesparingen en de corresponderende snijde in exploitatiekosten worden behaald. Dit concept is getest op grote schaal in een laboratoriumhoogoven in Luleå, Zweden met een positief resultaat.

Waar beschikbaarheid van aardgas is, is de ULCORED-procesroute een aantrekkelijke optie. Het concept toegepast op het ULCORED-proces is vergelijkbaar met het concept van TGR-HO en omvat ook het gebruik van zuivere zuurstof en in-proces hercirculatie van het schacht-topgas, naast andere kenmerken zoals een reeks shift-reactoren in de hercirculatie-lus. Voor de validatie van dit concept is een één ton/uur pilot gepland om in de komende jaren in Luleå te worden opgericht door LKAB, een ULCOS-partner.

Het HIsarna-proces dat wordt ontwikkeld, wordt in de komende jaren waarschijnlijk een beschikbare optie voor greenfield staalfabrieken. Het HIsarna-proces verschilt iets van de TGR-HO en ULCORED-processen omdat het geen hercirculatielus voor het gas omvat. Het smeltergas wordt geoxideerd op het cycloonniveau, waar enige reductie wordt uitgevoerd samen met verbranding om de erts voor te verwarmen en te smelten. Er is een counter-current stroom van het gas tegen de ijzerstroom, waarin de chemische energie volledig uitgeput wordt. Een 8 ton/uur pilotfabriek is opgericht en getest in het kader van het ULCOS-programma. De pilotfabriek is gestart in april 2011. In de eerste campagne werd de fabriek bediend van 18 april tot 11 juni 2011. Er waren vier opstarts. De eerste opstart was niet succesvol. De andere drie opstarts waren succesvol. De geïnjectiesnelheid die behaald werd was 60% van de capaciteit. Beschikbare gegevens uit de bedrijfsvoering hebben getoond dat het proces werkte zoals verwacht, maar meer bedrijfsuren zijn nodig om dit te bevestigen. Het aantal bedrijfsuren was onder de verwachting. De tweede campagne is gestart op 16 oktober 2012. Het liep tot eind november 2012.

De elektrolyseprocessen zijn vanaf nul ontwikkeld binnen het ULCOS-programma en werken daarom nog op laboratoriumschaal. Hoewel ze de belofte van nul-emissies houden, als ze toegang hebben tot groene elektriciteit, is tijd nodig om ze op te schalen tot commerciële grootte (10 tot 20 jaar). ULCOWIN-proces bestaat uit alkalische elektrolyse van ijzererts. Elektrolyse wordt veel gebruikt om metalen anders dan staal te produceren en vereist grote hoeveelheden elektriciteit. Het proces zou afhankelijk zijn van een CO2-arme elektriciteitsbron zoals waterkracht of kernenergie. ULCOLYSIS is de gesmolten oxide elektrolyse. Gesmolten oxide elektrolyse werkt door een elektrische stroom door gesmolten slag gevoed met ijzeroxide te laten lopen. Het ijzeroxide breekt af in vloeibaar ijzer en zuurstofgas. Geen CO2 wordt geproduceerd. Procesemissies worden verder gereduceerd met een CO2-arme elektriciteitsbron.

Bij waterstofstaalproductie wordt ijzer gereduceerd uit ijzererts bij hoge temperaturen (boven 1.300 °C) en met zeer korte reactietijden. Geen CO2 wordt uitgestoten maar het produceren van waterstof vereist grote hoeveelheden CO2-arme elektriciteit. Dit proces kan ook worden bediend op lage CO2-brandstoffen zoals aardgas.

Waterstofstaalproductie hangt zwaar af van de beschikbaarheid van groene waterstof, terwijl het gebruik van houtskool, ver van kweeklanden, de opzet van complexe logistiek zou vereisen, inclusief zware infrastructuur over meerdere continenten.

ULCOS is een langetermijninitiatief van de staalindustrie. Het is vol beloften maar ook van risico's en vallen, een situatie die waarschijnlijk vergelijkbaar is met wat andere sectoren ervaren. Risico's zijn gerelateerd aan de complexiteit van het probleem, wat een beroep doet op de ontwikkeling en implementatie van doorbraaktechnologieën onder tijdsbeperkingen die erg kort zijn. Geduld, steun, oprechtheid en voortgezette vastberadenheid zijn nodig voor dit programma om een succesvol initiatief van de staalindustrie te worden en de meeste van de doelgestelde doelen te bereiken.