Waterstof-gedreven Decarbonisatie van Staalproductie: Een Pad naar een Duurzame Industrie

Waterstof en Decarbonisatie van Staalproductie

De hoofdstuurlieden voor een duurzame energietoekomst richten zich op de noodzaak om: (i) mondiale kooldioxide (CO₂) emissies te reduceren en de luchtkwaliteit te verbeteren, (ii) zekerheid van energietoelevering te waarborgen en over te gaan naar duurzame energiebronnen, en (iii) een nieuwe industriële en technologische energiebasis te creëren, cruciaal voor de toekomstige economie. Alle moderne beoordelingen van mondiale energietoekomsten nemen de standpunt in dat de groei in vraag steeds meer zal worden vervuld door een gediversifieerd energiemengsel dat hernieuwbare of duurzame energiebronnen omvat.

De groei van tastbare milieu-zorgen biedt een van de belangrijkste drijfveren naar duurzame energieontwikkeling. Voorop onder deze zorgen staat de kwestie van de vrijgave en accumulatie in de atmosfeer van CO₂ en andere klimaatveranderende gassen. Deze emissies zijn onweerlegbaar ver boven pre-industriële niveaus en worden verantwoordelijk geacht voor de verhoging van de wereldwijde (gemiddelde) temperatuur door het broeikaseffect. Tenzij er drastische reducties in de hoeveelheid CO₂ die in het milieu vrijkomt via diverse activiteiten plaatsvinden, zullen er potentiële disastroze gevolgen voor het wereldwijde klimaat zijn. Dergelijke zorgen transformeren ongetwijfeld de manier waarop energie en zijn dragers beoordeeld en gebruikt worden, wat de balans verschuift van de traditionele koolwaterstofbasis naar hernieuwbare of duurzame energiebronnen.

Waterstof is een aantrekkelijke alternatieve brandstof. Echter, in tegenstelling tot kolen, gas of olie, is het geen primaire energiebron. Eerder spiegelt zijn rol meer die van elektriciteit als secundaire 'energiedrager', die eerst geproduceerd moet worden met energie uit een andere bron en getransporteerd voor toekomstig gebruik waar de latente chemische energie volledig gerealiseerd kan worden.

Waterstof belooft een werkelijk duurzame mondiale energietoekomst. Interesse in waterstof als manier om energiediensten te leveren is in recente jaren gegroeid in reactie op de toenemende zorgen over de milieueffecten van energiegebruik en zorgen over de zekerheid van fossiele brandstofvoorzieningen. Waterstof is een bekende, veelzijdige en schone energiedrager die breed in de industrie gebruikt wordt. De meeste waterstofgerelateerde technologieën hebben een lange geschiedenis. De industriële track record met waterstof alsook het huidige gebruik voor diverse toepassingen toont de veiligheid. Waterstof biedt diverse opties voor productie, distributie en gebruik. Het huidige gebruik kan veilig uitgebreid worden naar andere toepassingen.

Waterstof als Energiedrager

Waterstof kan in principe alle vormen van eindenergie die vandaag in gebruik zijn, vervangen. Het kan energiediensten leveren aan alle sectoren van de economie. Het heeft potentiële milieuvoordelen ten opzichte van fossiele brandstoffen. Op het gebruiks punt kan waterstof verbrand worden op een manier die geen schadelijke emissies produceert. Als waterstof geproduceerd wordt zonder CO₂-emissies, dan kan het de basis vormen van een werkelijk duurzaam energiesysteem, bekend als de waterstofeconomie.

Waterstof heeft cycli van hoge verwachtingen gevolgd door impractische realiteiten doorgemaakt. De daling in prijzen van hernieuwbare energie, en strenge regelgevende eisen door klimaatverandering leiden tot de paradigmaschuif die momenteel plaatsvindt van koolstofeconomie naar waterstofeconomie wereldwijd. Echter, de overgang naar de waterstofeconomie zal niet overnacht gebeuren omdat het een toegewijde strategie en inspanningen vereist.

Waterstof is het eerste element in het periodiek systeem. Het is het lichtste, meest abundante, en een van de oudste chemische elementen in het universum. Op aarde wordt waterstof gevonden in complexere moleculen, zoals water of koolwaterstoffen. Waterstof, voor gebruik in zuivere vorm, moet geëxtraheerd worden. Een waterstofvlam is kleurloos en geurloos. Het heeft de toevoeging van kleurstoffen en geurstoffen nodig om zichtbaar en detecteerbaar te maken. Verder heeft waterstof een kleiner molecuul dan aardgas, dus kan het gemakkelijker lekken. Deze karakteristiek kan een specifiek issue zijn waar een waterstoflek een opbouw van waterstofconcentratie in een gesloten ruimte kan veroorzaken.

Waterstof kan een cruciale rol spelen in mondiale industriële decarbonisatie. In de huidige situatie is de waterstofeconomie een prioriteit. Net-nul CO₂-emissies vereisen een volledige uitfasering van fossiele brandstoffen. De klimaatimpact van waterstof hangt volledig af van hoe het gemaakt wordt. Voor de controle van wereldwijde klimaatverandering is waterstof geproduceerd uit de elektrolyse van water aangedreven door hernieuwbare energie onmisbaar voor klimateneutraliteit. Echter, de overgang naar een waterstofeconomie vereist enorme investeringen in nieuwe infrastructuur om waterstof te produceren, transporteren, opslaan en leveren aan eindgebruikers.

Er is groeiende consensus die de noodzaak erkent om netto-nul emissies te bereiken voor 2050 om een mondiale temperatuurstijging van 1,5 °C boven pre-industriële niveaus te beperken. Om daar te komen, is het nodig een manier te vinden om de fossiele brandstoffen die momenteel vier vijfde van de mondiale energiebehoefte dekking, te vervangen. Om de temperatuurstijging op 1,5 °C te beperken door mondiale opwarming, speelt waterstof consequentieel een centrale rol als energiedrager. Waterstof als energiedrager speelt een rol vergelijkbaar met die nu gespeeld door kolen, olie of gas in de koolstofeconomie. De industriële processen gebruikt in de productie van staal, cement, glas, en chemicaliën hebben allemaal hoge-temperatuurwarmte nodig. Momenteel wordt deze warmte geproduceerd door verbranding van fossiele brandstoffen. Voor deze moeilijk te reduceren CO₂ industriële sectoren, is er in essentie geen manier om netto-nul emissies op de benodigde schaal te bereiken zonder het gebruik van waterstof.

Het falen om de economie te decarboniseren is geen optie die momenteel beschikbaar is. Op de lange termijn heeft waterstof, samen met hernieuwbare gegenereerde stroom, de mogelijkheden om een oplossing te bieden voor de decarbonisatie van moeilijk-te-verminderen sectoren als de staalsector. Echter, er bestaan verschillende uitdagingen die overwonnen moeten worden.

Waterstof is een hoog veelzijdig basischemisch dat zowel als energiebron als als grondstof voor industriële processen gebruikt kan worden, zoals ammoniakproductie voor meststof, in raffinage, en voor de voedsel-, elektronica-, glas-, en metaalindustrie. Echter, het gebruik van waterstof als energiebron is van groot belang voor de decarbonisering van de economie. Nieuwe bewijzen wijzen erop dat waterstof een belangrijke potentiële rol kan spelen bij het verminderen van emissies van industriële warmte, met name waar de vlam (en daaropvolgende verbrandingsgassen) in direct contact moet komen met het materiaal of product dat geproduceerd wordt (bijv. in ovens en ovens).

Waterstof heeft een aantal nuttige kenmerken. Het kan op een reeks laag-koolstof manieren geproduceerd worden en het gebruik, ofwel door verbranding of een electrochemische reactie in een brandstofcel, produceert geen broeikasgasemissies. In de brandstofcel produceert het gebruik van waterstof geen luchtverontreinigende emissies aangezien het enige bijproduct water is. Dit verbetert de luchtkwaliteit significant vergeleken met de fossiele brandstoffen die het vervangt.

Verbranding van waterstof kan hoge temperaturen genereren, wat betekent dat het gebruikt kan worden als vervanging voor fossiele brandstoffen waar hogere-temperatuur warmte nodig is, als voorbeeld in industriële toepassingen. Echter, aangezien waterstof bij een hogere temperatuur verbrandt, kunnen stikstofoxiden (NOx), die een schadelijke verontreiniging zijn, een probleem zijn.

Hoewel waterstof significant minder energiedicht is dan fossiele brandstoffen, heeft het wanneer gecomprimeerd een significante hoge energiedichtheid. Het kan in grote volumes opgeslagen worden, in hoeveelheden die maanden kunnen duren in plaats van uren of dagen. Verder, als comprimeerbaar gas, kan waterstof met een hoge snelheid door pijpleidingen geleverd worden.

Waterstof, als energiedrager, is op sommige manieren vergelijkbaar met elektriciteit. Beide moeten gegenereerd worden in plaats van in een bruikbare, extracteerbare vorm te voorkomen als bij fossiele brandstoffen. Het kan geproduceerd worden in een reeks laag-koolstof methoden ofwel door elektrolyse gebaseerd op laag-koolstof elektriciteit of door toepassing van koolstofafvang en -opslag of -gebruik (CCS/U) gecombineerd met vergassing of reforming van koolwaterstoffen (bijv. biomassa, aardgas).

Waterstof kan opgeslagen en gedistribueerd worden op verschillende manieren. Waterstof heeft een hoge (gravimetrische) energiedichtheid. Transportopties zijn vergelijkbaar met die van fossiele energiedragers en omvatten gasvormige/vervloeide vrachtwagentransport, scheepstransport, en pompen van gasvormige waterstof door pijpleidingen. Mengen in het bestaande aardgasnet is ook mogelijk, en kan belangrijk worden, met name tijdens de overgangsperiode. Er zijn verschillende opslagopties, waarvan sommige nog in ontwikkelingsfase zijn.

De verschuiving naar duurzame waterstofproductiemethoden voor industriële processen hangt grotendeels af van de groeiende erkenning van groene brandstoffen alsook een geschikte prijsstelling voor groene industriële producten, wat kan materialiseren door een adequate koolstofprijs en regelgevend kader. Het gebruik van groene waterstof in industriële processen presenteert ook het voordeel van bijdrage aan grootschalige waterstofvraag en daarmee lagere productiekosten, wat op zijn beurt andere sectoren zoals mobiliteit positief kan beïnvloeden.

Waterstof is geen energiebron maar een energiedrager. Het moet geproduceerd en opgeslagen worden vóór gebruik. Het molecuul waterstofgas dat energie opslaat, kan deze herstellen door het te verbranden of door een brandstofcel. De verbranding van één kilogram waterstof vrijmaakt drie keer meer energie dan een kilogram benzine en produceert alleen water. In het geval van een brandstofcel wordt de chemische energie van waterstof en zuurstof omgezet in elektriciteit door een paar redox (reductie-oxidatie) reacties. Het afvalproduct van de reacties is water.

De CO₂-reductie-impact van waterstof wordt bepaald door de combinatie van de CO₂-voetafdruk van hoe het geproduceerd wordt en de emissies van de activiteit waarin de waterstof gebruikt wordt. De CO₂-emissies geassocieerd met de productie van waterstof zijn nauw verbonden met de gebruikte technologie en de structuur van het elektriciteitsnet dat stroom levert aan het proces. Decarbonisatie van de huidige waterstofproductie is uitdagend, maar zal een positieve impact hebben op CO₂-emissies en kan een belangrijke rol spelen in het realiseren van kostenverlagingen. Ook wordt verwacht dat de waterstofproductiekosten uit elektrolyse van hernieuwbare bronnen zullen dalen.

Er zijn in wezen twee categorieën waterstofproductieprocessen. Eén die waterstof uit water met elektriciteit extraheert (d.w.z. elektrolyse), en de tweede die fossiele brandstoffen benut als energiebron en/of waterstofbron. Bij extractie van waterstof met of uit een fossiele brandstof, zoals aardgas, olie of kolen, zijn de CO₂-emissies geankerd in de chemische reactie die gecatalyseerd wordt. In het geval elektriciteit gebruikt wordt voor een elektrolyseproces, worden de geassocieerde emissies veroorzaakt door de CO₂-intensiteit van de elektriciteitsbron.

De energiebron en de methode gebruikt voor de productie van waterstof definiëren of het informeel als grijs, blauw, of groen waterstof beschouwd wordt. Momenteel wordt ~96% van waterstof geproduceerd uit fossiele brandstoffen door koolstof-intensieve processen. Deze waterstof heet grijs waterstof. De twee hoofprocessen zijn herformeren van methaan met stoom en kolenvergassing. Wanneer kooldioxide geëmiteerd tijdens de productie van waterstof door deze twee processen vastgelegd wordt door CCS/U, dan heet de geproduceerde waterstof blauw waterstof. CCS/U op waterstofactiva heeft een opvangratio van tot 90%, wat deze productieroute redelijk effectief maakt vanuit een broeikasgasperspectief.

Lage of nul-emissie waterstof geproduceerd door het elektrolyseproces gebruikmakend van elektrische energie gegenereerd met hernieuwbare bronnen heet groen waterstof. Er is een andere kleurcode. Waterstof, geproduceerd door elektrolyzers gevoed door elektriciteit van kerncentrales, heet geel (of paars) waterstof. Waterstofproductie met waterelektrolyse is momenteel minimaal, omdat het grote hoeveelheden elektriciteit vereist, wat duur is. Deze technologie wordt normaal alleen gebruikt om waterstof van zeer hoge zuiverheid te produceren.

Een additioneel issue gerelateerd aan elektrolyse is waterverbruik. Zuiver waterverbruik is doorgaans in het bereik van 10–15 liter per kilogram waterstofoutput, en invoerwater moet gedemineraliseerd zijn. Bij afwezigheid van zoetwaterbronnen zijn opties zeewaterontzilting of afvalwaterherwinning.

De drie hoofdbasis paden om nul-emissie waterstof te produceren zijn: (i) via stoom-methaan herformering (SMH), met bio-methaan, of gecombineerd met CCS/U, (ii) via elektrolyse gebruikmakend van elektriciteit gegenereerd door hernieuwbare bronnen, en (iii) via vergassing van biomassa. Terwijl SMH en elektrolyse volwassen technologieën zijn, zijn vergassing van biomassa en SMH met CCS/U nog in ontwikkeling. Momenteel is bijna de gehele waterstofproductie via fossiele brandstofherformering, omdat dit momenteel de meest economische route is.

Wat blauwe waterstofpaden betreft, is waterverbruik een aspect dat vaak over het hoofd wordt gezien. Blauwe waterstofpaden consumeren een significante hoeveelheid water, en in sommige gevallen zelfs meer dan het elektrolyseproces. Bij vergelijking van ingesloten water volgens een levenscyclusinventaris, tonen resultaten aan dat waterverbruik per kilogram waterstof zo hoog kan zijn als 24 liter voor SMH-proces en 38 liter voor kolenvergassingsproces.

Een additioneel pad dat soms turquoise (groenblauw) waterstof genoemd wordt, is nog in een TRL (technologie gereedheidsniveau) stadium. Het bestaat uit de pyrolyse van methaan. Verschillende technologische oplossingen zijn momenteel in ontwikkeling op diverse locaties wereldwijd. In het proces wordt aardgas als grondstof gebruikt, terwijl de energieconsumptie uit elektriciteit komt, vermoedelijk van laag-koolstof bronnen. Methaan wordt bij hoge temperaturen gesplitst in waterstof en vast koolstof (ook koolstofzwart genoemd). Fig. 1 toont identificatie van waterstofgeneratiepaden met kleurrepresentatie.

Fig. 1 Identificatie van waterstofgeneratiepaden met kleurrepresentatie

Wat het waterelektrolyseproces van waterstof betreft, vertegenwoordigen alkalische elektrolyzers de state-of-the-art. Andere processen in ontwikkeling zijn protonenuitwisselingsmembraan (PEM) technologieën in een demonstratiefase, terwijl vaste-oxide elektrolyzers nog in onderzoek en ontwikkeling zijn. PEM elektrolyzers kunnen een reeks voordelen bieden voor vergelijkbare energieconsumptie, waaronder hogere uitvoerdrukken, een betere deellastbereik, en snellere opstart- en lastvariaties.

Momenteel wordt waterstof bijna volledig geleverd uit aardgas en kolen. Waterstof is al op industriële schaal wereldwijd geïmplementeerd, maar de productie is verantwoordelijk voor jaarlijkse CO₂-emissies. Productie van waterstof uit laag-koolstof energie is duur. Momenteel is groene waterstof een duur gas. Echter, de kosten van het produceren van waterstof uit hernieuwbare elektriciteit dalen snel.

Terwijl productie van waterstof door elektrolyse van 'overschot' hernieuwbare bronnen en/of kernenergie een kosteneffectieve alternatief kan zijn, is de grootte van deze kans klein in vergelijking met potentiële vraag naar waterstof. Het produceren van waterstof in bulk uit elektrolyse is momenteel veel duurder en vereist extreme uitbouwcijfers voor elektriciteitsopwekkingscapaciteit. Groene waterstof, geproduceerd met hernieuwbare elektriciteit, wordt verwacht snel te groeien in de komende jaren. Veel lopende en geplande projecten wijzen in deze richting.

Groene waterstof uit hernieuwbare stroom is technisch haalbaar en naderen snel de economische concurrentiekracht. De stijgende belangstelling in deze voorzieningsoptie wordt gedreven door de dalende kosten van hernieuwbare stroom en door systeemintegratieuitdagingen door toenemende aandelen van variabele hernieuwbare stroomvoorziening. De huidige focus ligt op implementatie en leren-door-te-doen om elektrolyzerkosten en toeleveringsketenlogistiek te reduceren.

Drie hoofdbasis parameters zijn cruciaal voor de economische haalbaarheid van waterstofproductie uit hernieuwbare bronnen: (i) de elektrolyzer kapitaaluitgaven (CAPEX), (ii) de kosten van de hernieuwbare elektriciteit die in het proces gebruikt wordt (genormaliseerde kosten van elektriciteit, LCOE) en het aantal bedrijfsuren (belastingsfactor) op jaarbasis. Hoe hoger de elektrolyzer belastingsfactor, des te goedkoper de kosten van één eenheid waterstof, eenmalige vaste investingen gedilueerd door een hogere productieoutput. De belastingsfactor van de elektrolyzer moet normaal >50% zijn bij huidige investeringskosten, maar bijna optimale waterstofkosten beginnen bereikt te worden bij >35%. De elektrolyzercapaciteit voor groene waterstof is in recente jaren exponentieel gegroeid.

De opschaling van elektrolyzers gaat zeer snel. De opschaling is van megawatt (MW) schaal naar gigawatt (GW) schaal, naarmate de technologie zich ontwikkelt. Voortgang is geleidelijk, zonder radicale doorbraken verwacht. De kosten van elektrolyzers worden verwacht te halveren tot 2040–2050, terwijl hernieuwbare elektriciteitskosten ook verwacht worden te dalen. Hernieuwbare waterstof zal waarschijnlijk binnenkort de goedkoopste schone waterstofvoorzieningsoptie worden voor veel greenfield-toepassingen in de toekomst.

In de mondiale energietransitie met de grote duw van decarbonisatie tussen nu en 2050, is de behoefte om de huidige elektriciteitsproductie van 24.000 TWh (terawattuuren) te vervangen door hernieuwbare energie. Verder zal de verwachte groei in bevolking en verbeteringen in levensstandaard de behoefte creëren van een additionele 23.000 TWh die gegenereerd moet worden uit hernieuwbare energiebronnen. Dit betekent essentieel dat het mondiale elektriciteitsverbruik in de komende 30 jaar zal verdubbelen zelfs zonder waterstof. Het succesvol laten groeien van de groene waterstofeconomie zal nog eens 20.000 TWh nodig hebben. Dit is een grote uitdaging voor de overschakeling naar de waterstofeconomie.

Waterstofopslag kan voordelen bieden vanuit een elektriciteitsvoorziening/prijs perspectief, maar is niet zo kritisch voor het procesconcept. Vandaag is de meest kostenefficiënte alternatief voor waterstofopslag de ondergrondse gedrukte opslag, waar de meest kostenefficiënte alternatieven voor opslag in ondergrondse zoutformaties bestaan. Deze opslagtechnologie voor waterstof is op industriële schaal getest. Andere oplossingen die momenteel veel belang trekken omvatten het benutten van aardgaspijpleidingen en conversie naar ammoniak of koolwaterstoffen als intermediaire waterstofopslag. Initiële evaluatie van de Lined Rock Cavern (LRC) technologie die momenteel in Zweden voor aardgas gebruikt wordt, wordt als veelbelovend beschouwd. Andere alternatieve methoden voor waterstofopslag in ontwikkeling zijn opslag in metaalhydriden en in poreuze materialen.

Verschillende investeringen in waterstof hebben een lange horizon van 10–20 jaar. Vooral in de vroege jaren zijn infrastructuurinvesteringen nodig voordat de consumentenvraag toeneemt. Het gebrek aan duidelijke en bindende emissiereductiedoelstellingen of stimulansen voor specifieke sectoren ontmoedigt potentiële investeerders om het langetermijnrisico aan te gaan.

De heersende vraag naar waterstof vandaag is het gebruik als industriële grondstof. Echter, waterstof gebruikt in deze processen komt momenteel niet uit laag-koolstof bronnen. Grote toekomstige industriële verwarmingsapplicaties omvatten de productie van staal waarvoor de staalindustrie nu kolen gebruikt. De stoechiometrische consumptie van waterstof voor het reduceren van hematieterts (Fe₂O₃) is 54 kg per ton ijzer. Dus, een één miljoen ton per jaar staalfabriek gebaseerd op waterstofreductie zal een waterstoffabriekcapaciteit nodig hebben van zoveel als 70.000 kubieke meter bij STP (standaard temperatuur en druk) waterstof per uur.

Het overschakelen van de staalindustrie van kolen naar waterstof is niet alleen een technologische en financiële uitdaging. Het kan ook de manier beïnvloeden waarop de staalindustrie georganiseerd is op nationaal, regionaal en mondiaal niveau. Historisch was de gemakkelijke toegang tot kolen een belangrijk aspect in het bepalen van de locatie van staalfabrieken. Staalfabrieken werden dus vaak in de buurt van binnenlandse kolenvelden opgericht, of voor fabrieken die op geïmporteerde kolen stonden, nabij havenfaciliteiten.

Het gebruik van waterstof voor staalproductie is een technologie die momenteel in de ontwikkelingsfase is. Het doel is om het blast oxygen oven (BOF) proces te vervangen, dat de heersende technologie is voor primaire staalproductie en cokeskoolstof gebruikt als zowel warmtebron als om zuurstof uit het ijzererts te reduceren, met een proces genaamd directe reductie van ijzer (DRI) waar waterstof bron is van warmte alsook reducerend middel.

Het idee van het gebruik van waterstof als reducerend middel is primair gerelateerd aan het klimaatveranderingsissue. Decarbonisatie van het ijzerproductieproces vereist het vervangen van koolstof/koolstofmonoxide in de reductiereactie met een ander gas dat kan leiden tot lagere of nul koolstofemissies. Dit gas kan methaan of waterstof zijn. Het gebruik van methaan (CH₄), een chemische verbinding die zowel koolstof als waterstof bevat, laat een reductie in CO₂-emissies toe, deze deels vervangend met waterdamp (H₂O) maar niet volledig. Het gebruik van waterstof maakt het mogelijk om het proces volledig te decarboniseren, aangezien het alleen waterdamp produceert als chemisch bijproduct.

Beide alternatieven zijn technisch goed begrepen. Methaan is het hoofdbestanddeel van aardgas en is dus in grote hoeveelheden beschikbaar. Het wordt al in beperkte mate in staalproductie gebruikt, maar wijdere toepassing laat een partiële decarbonisatie van de processen toe. Waterstof, aan de andere kant, maakt volledige decarbonisatie van de staalproductieprocessen mogelijk. Waterstof wordt echter tot nu toe alleen in beperkte hoeveelheden geproduceerd, en het gebruik voor staalproductie moet nog verder verfijnd worden voor industriële schaalproductie.

Daarom vormt decarbonisatie van staalproductieprocessen twee grote uitdagingen: (i) optimaliseren en opschalen van de waterstof-gebaseerde route van ijzer- en staalproductie door pilotinstallaties, en (ii) opschalen van de waterstofproductie, grotere hoeveelheden produceren tegen lagere kosten met hogere efficiëntie. Tôt of laat zal de overschakeling naar waterstof in staalproductie het opzetten van nieuwe waterstofproductiefaciliteiten op ongekende schaal vereisen. Het succes van de inspanningen naar waterstof-gebaseerde staalproductie hangt dus cruciaal af van het beschikbaar maken van grote hoeveelheden waterstof zo breed mogelijk tegen de laagst mogelijke kosten.

Er zijn doorgaans twee manieren om (groene) waterstof in staalproductie te gebruiken. Ten eerste, het kan gebruikt worden als alternatief injectiemateriaal voor PKI (gepulveriseerde koleninjectie), om de prestaties van conventionele hoge ovens te verbeteren. Hoewel het gebruik van PKI gebruikelijk is, zijn de eerste pilotinstallaties met waterstofinjectie recent opgericht om decarbonisatiepotentieel te beoordelen. Echter, hoewel injectie van (groene) waterstof in hoge ovens koolstofemissies kan reduceren tot 20%, biedt dit geen koolstof-neutrale staalproductie aangezien gewone cokeskoolstof nog een noodzakelijk reducerend middel in de hoge oven is.

Ten tweede, waterstof kan gebruikt worden als alternatief reducerend middel om DRI te produceren dat verder verwerkt kan worden tot staal met een EBO (elektrische boogoven). Het gebruik van waterstof als reducerend middel vrijmaakt alleen water (d.w.z. het produceert geen koolstofemissies). De DRI/EBO-route is een bewezen productieproces dat momenteel toegepast wordt met aardgas als reducerend middel. Echter, het directe reductieproces kan ook met waterstof uitgevoerd worden. Gebaseerd op het gebruik van groene waterstof alsook hernieuwbare elektriciteit van wind, zon, of water, stelt een DRI/EBO-opzet vrijwel koolstof-neutrale staalproductie in. Zweedse en Duitse organisaties hebben geëxperimenteerd met 'groen staal', verwarmd met schone waterstof, met de eerste succesvolle proef in 2020 in Zweden.

De groene waterstof-gebaseerde DRI en schroot in combinatie met EBO's vervangt fossiele brandstoffen in de DRI-productiefase met waterstof geproduceerd met hernieuwbare energie. Het vertegenwoordigt een technisch bewezen productiemethode die vrijwel emissievrije staalproductie mogelijk maakt. Alle grote Europese staalspeelers bouwen of testen momenteel waterstof-gebaseerde staalproductieprocessen, ofwel waterstof als PKI-vervanging of waterstof-gebaseerde directe reductie.

Echter, de kapitaalvereisten voor de opzet van zuivere waterstof-gebaseerde staalproductie (DRI plus EBO) in combinatie met de vereiste waterstoftransport en -opslag is aanzienlijk. Fig. 2 toont een typisch flowsheet van het waterstof directe reductieproces.

Fig. 2 Typisch flowsheet van waterstof directe reductieproces

Directe reductie van ijzer wordt momenteel gebruikt voor ~8% van de mondiale ijzerproductie. Momenteel gebruikt directe reductie van ijzer een reducerend gas afgeleid van aardgas of kolen. In 2016 kondigden drie Zweedse bedrijven (SSAB, LKAB, en Vattenfall AB) hun plannen aan om een methode te ontwikkelen om het ijzerproductieproces bekend als 'directe reductie' te decarboniseren, door waterstof als het reducerende gas te gebruiken. Hun concept heet Hydrogen Breakthrough Ironmaking Technology (HYBRIT). HYBRIT is gebaseerd op waterstof als enig reducerend gas, wat water produceert als bijproduct in plaats van CO₂. De resulterende 'direct gereduceerd ijzer' (DRI) kan vervolgens tot staal gemaakt worden met een elektrische boogoven, op dezelfde manier als traditionele DRI gebruikt wordt. Fig. 3 toont het principe flowsheet van het HYBRIT-proces.

Fig. 3 Principe flowsheet van HYBRIT-proces

De hoofdkarakteristieken van het HYBRIT-proces zijn: (i) geen fossiele brandstoffen gebruikt in pelletproductie, (ii) waterstof geproduceerd met elektrolyse gebruikmakend van fossiel-vrije elektriciteit, (iii) opslag van waterstof in een speciaal ontworpen eenheid als buffer voor het net, (iv) een schachtoven gebruikt voor ijzerertsreductie, (v) op maat gemaakte pelletten gebruikt als ijzerertsvoeding, (vi) het reductiegas/gasmengsel wordt voorverhit voor injectie in de schacht, (vii) het product kan ofwel DRI of HBI (hot briquetted iron) zijn, en (viii) de DRI/HBI wordt gesmolten samen met gerecycled schroot in de EBO.

Het HYBRIT-proces is beoordeeld op de end-to-end energieverbruik geassocieerd met zowel de nieuwe toeleveringsketenopzet als het referentiegeval van een hoge oven. De analyse omvat ook de mijnbouwactiviteiten om het ijzererts uit de grond te winnen. Volgens deze analyse emiteert een hoge oven 1.600 kg CO₂ van de verbranding van cokeskoolstof en olie om één ton ruw staal te produceren. De DRI-route emiteert slechts 25 kg CO₂ terwijl ~50 kg waterstof verbruikt, wat op zijn beurt 2.633 kWh stroom verbruikt. Dit suggereert een emissiereductie-effectiviteit van 32 kg CO₂ per kg H₂.

Terwijl dit een accurate berekening is van de bereikte emissiereductie voor de verbruikte waterstof, creëert het DRI-proces een tussentijds sponsijzerproduct dat verwerkt moet worden in een elektrische boogoven (EBO) om ruw staal te produceren, het eindproduct van BOF. Om de vergelijking met andere eindgebruiken van waterstof te normaliseren, kon het elektriciteitsverbruik in de EBO van 855 kWh per ton ruw staal gebruikt worden om nog 16 kg waterstof te produceren, wat een genormaliseerde effectiviteit van 24 kg CO₂ per kg H₂ impliceert. Fig. 4 toont een vergelijking van HO-BOF staalproductie met HYBRIT-proces.

Fig. 4 Vergelijking van HO-BOF staalproductie met HYBRIT-proces

Nu is waterstof-gebaseerde staalproductie met een EBO technisch haalbaar en al beschouwd als deel van een potentiële lange-termijn oplossing voor de decarbonisatie van de staalindustrie op grote schaal. De vraag is niet of maar wanneer en in welke mate deze transformatie kan plaatsvinden. Echter, er zijn diverse interafhankelijke factoren die bepalen wanneer het decarbonisatie-kantelpunt in de staalindustrie kan optreden. Er zijn externe factoren die de toekomstige ontwikkeling en tijd tot adoptie van groene waterstof-gebaseerde staal zullen vormen.

De verschuiving naar waterstof-gebaseerde staal kan niet overnacht gebeuren. Verder is momenteel er maar één sleutelproductietechnologie beschikbaar die benut kan worden om een koolstof-neutrale staalindustrie te bereiken. Toekomstige beschikbaarheid van goedkope energie uit hernieuwbare bronnen en regelgevende kwesties zullen de twee sleuteldrijfveren zijn voor de adoptie van waterstof-gebaseerde staal. Ondanks het doel om koolstof-neutraal te worden nog ~28 jaar in de toekomst liggend, is het cruciaal om nu te handelen. Industriële sites hebben levensduur van >50 jaar en investeringsplanningshorizonnen van 10–15 jaar. Activa- en voetafdrukbeslissingen moeten nu genomen worden en moeten een duidelijke decarbonisatie-roadmap volgen. De roadmap zelf moet lange-termijndoelen combineren met actionable quick wins om een geleidelijke verschuiving naar decarbonisatie toe te laten die alle stakeholders aan boord houdt.

Over het geheel genomen heeft een tijdige overschakeling van koolstof naar waterstof in de staalproductieprocessen gecoördineerde politieke actie in een wijd bereik van velden nodig, wat de prijs van koolstof omhoog drijft tegelijkertijd met het omlaag drijven van de prijs van waterstof. Op zijn beurt vereist reductie van de prijs van waterstof de ontwikkeling van een breed en gecoördineerd pakket maatregelen. De maatregelen zijn essentieel om zowel de vraag naar waterstof als het opstarten van aanbiedingscapaciteiten te promoten als onderdeel van een coherente duw naar de waterstofeconomie.