So schrubben Sie die Kohlenstoffemissionen der Stahlindustrie

So schrubben Sie die Kohlenstoffemissionen der Stahlindustrie Lichtbogenöfen können zur Dekarbonisierung des Stahlherstellungsprozesses verwendet werden. Oleksiy Mark / Shutterstock

Kohle erzeugte weniger als 2% des britischen Stroms in 2020, obwohl es sieben Jahre zuvor die größte einzelne Energiequelle war. Während der Strom des Landes jedes Jahr sauberer wird, gibt es einen Sektor, in dem dieser kohlenstoffreiche fossile Brennstoff schwer zu ersetzen ist: die Stahlherstellung.

Im Falle einer Genehmigung wäre die Zeche Woodhouse in Cumbria die erste tiefe Kohlemine, die seit 30 Jahren in Großbritannien eröffnet wird, und würde jährlich 2.7 Millionen Tonnen Kokskohle für die Stahlindustrie produzieren.

Stahl hat ein hohes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht und ist relativ billig herzustellen - Eigenschaften, die das Material im Baugewerbe und in der Automobilindustrie von unschätzbarem Wert machen. Stahl wird als Hauptbestandteil von Windkraftanlagen auch ein wichtiger Bestandteil des Übergangs zu grüner Energie sein.

Dies ist teilweise der Grund, warum die weltweite Nachfrage nach Stahl voraussichtlich um steigen wird mehr als ein Drittel bis 2050. Dies könnte jedoch eine schlechte Nachricht für den Planeten sein, da die Stahlherstellung bereits dafür verantwortlich ist 7% der CO₂-Emissionen weltweit . 2.7% der britischen Emissionen.

Die Welt muss einen Weg finden, viel Stahl herzustellen und gleichzeitig den COXNUMX-Fußabdruck der Branche zu verringern. Und das unabhängige Klimakomitee der Regierung hat empfohlen, dass die Stahlherstellung in Großbritannien bis 2035 nahezu keine COXNUMX-Emissionen mehr erreichen sollte. Was ist also der beste Weg zu einer kohlenstoffarmen Stahlindustrie?

Wie man Stahl macht

Zur Herstellung von Stahl wird Eisenerz abgebaut, verarbeitet und anschließend mit Kohlenstoff und anderen Elementen legiert. Kokskohle, eine Form von Kohle mit hohem Kohlenstoffgehalt, spielt dabei drei verschiedene Rollen. Es kann helfen, Eisenerz in Eisen umzuwandeln, Eisen zu Stahl zu verarbeiten, und es ist auch ein Brennstoff, der diese Prozesse antreiben kann.

In einem integrierten Stahlwerk wird Kokskohle auf etwa 1,100 ° C erhitzt, um eine reine Kohlenstoffform namens Koks zu erzeugen. Koks reduziert das Erz in einem Hochofen zu Eisen, indem er mit Sauerstoff unter Bildung von Kohlenmonoxid reagiert. Ein Molekül Eisenerz reagiert mit drei Molekülen Kohlenmonoxid und hinterlässt zwei Eisenatome und drei Moleküle Kohlendioxid. Das Treibhausgas wird dann als Abfall in die Atmosphäre freigesetzt.

Schließlich wird Eisen durch Ändern seines Kohlenstoffgehalts in einem basischen Sauerstoffofen in Stahl umgewandelt. Weltweit sind 90% des aus Eisenerz hergestellten Stahls hergestellt nach diesem Verfahren.

Eine klimaneutrale Stahlindustrie könnte in jedem Schritt dieses Prozesses Kohle ersetzen. Derzeit ist Kohle jedoch in den meisten Fällen die kostengünstigste Option.

Was sind die Alternativen?

Integrierte Stahlwerke sind jedoch nicht der einzige Ort, an dem Stahl produziert wird - 630 Millionen Tonnen Stahlschrott jedes Jahr recyceltDies spart viel Energie und 950 Millionen Tonnen CO₂, was mehr als die jährlichen Emissionen des gesamten EU-Verkehrssektors ist. Das Recycling erfolgt hauptsächlich in einem Lichtbogenofen, in dem Elektrizität zum Schmelzen und Verarbeiten von Altmetall verwendet wird.

Dies hängt jedoch von großen Mengen an Stahlschrott ab, und eine Studie aus dem Jahr 2015 ergab, dass bereits 85% Edelstahl vorhanden sind nach dem ersten Gebrauch recycelt. Es gibt wenig Raum, um den Anteil von Schrott in neuem Stahl in Europa zu erhöhen, so dass die Herstellung von Stahl aus Eisenerz auch in Zukunft notwendig sein wird.

Die direkte Reduktion von Eisenerz zu Eisen ist ein weiterer Prozess, der weniger Energie verbraucht als ein Hochofen. Erdgas ist der fossile Brennstoff der Wahl für 90% der Anlagen, die diese Methode verwenden, und konzentriert sich auf den Nahen Osten und Nordamerika, wo die Gaspreise niedrig sind. Nur im Jahr 2018 100.5 Millionen Tonnen aus Stahl wurden auf diese Weise hergestellt - nur 5.6% zufriedenheitsgarantie von der Gesamtmenge.

Die direkte Reduktion von Eisenerz unter Verwendung von Wasserstoff, der durch sauberen Strom erzeugt wird - auch als grüner Wasserstoff bekannt - und die anschließende Verarbeitung in einem Lichtbogenofen, der ebenfalls mit grünem Strom betrieben wird, ist eine Methode zur Erzeugung kohlenstoffarmen Stahl. Fortsetzung der Verwendung von Kohle in integrierten Stahlwerken, aber Gewinnung und beides Verwendung von oder das Speichern des emittierten CO & subXNUMX; ist eine andere.

Direkte Elektrolyse, wo Eisenerz mithilfe von Elektrizität direkt in Stahl umgewandelt wird, hat ebenfalls Potenzial, ist aber weit davon entfernt, wirtschaftlich rentabel zu sein. Da die Zeit knapp wird, besteht der sicherste Weg bis zur Entkohlungsfrist 2035 darin, die direkte Reduktionsmethode mit Wasserstoff in Lichtbogenöfen oder Kohle in integrierten Stahlwerken mit Kohlenstoffabscheidung und -speicherung zu verwenden. Weltweit dürften beide eine Rolle spielen.

In Großbritannien stammen 95% der Emissionen aus der Stahlherstellung aus gerechten zwei Standorte. Hier wird der Weg des Landes zu einem dekarbonisierten Stahlsektor entschieden. Das kürzlich veröffentlichte industrielle Dekarbonisierungsstrategie gibt nicht an, welche Technologien verwendet werden müssen, und schließt daher die fortgesetzte Verwendung von Kokskohle nicht aus, solange die Kohlenstoffemissionen erfasst und verwendet oder gespeichert werden können.

Die Kohlenstoffabscheidung ist bereits eine wettbewerbsfähige Option für die Dekarbonisierung industrieller Prozesse wie z Ammoniakproduktion. CO₂ vermischt sich jedoch mit anderen Gasen in den Emissionen des Stahlwerks und macht den Abscheidungsprozess schwieriger.

Weltweit ist es wahrscheinlich, dass Kohle in den 2030er Jahren und darüber hinaus aufgrund der Lebensdauer bestehender Anlagen und der Unreife kohlenstoffarmer Alternativen weiterhin zur Stahlherstellung verwendet wird. Glücklicherweise wäre der Einsatz von Kohle in der Stahlherstellung bis 2050 immer noch kompatibel Das Pariser AbkommenSolange die Emissionen 40% des heutigen Niveaus betrugen und etwa ein Drittel davon erfasst wurden. Wasserstoff und Elektrifizierung würden den Rest der Arbeit erledigen.

Die Verwendung von Kohle in der Stahlherstellung muss nicht sofort eingestellt werden, aber um sicherzustellen, dass die Zukunft der Stahlerzeugung kohlenstoffarm sein wird, müssen jetzt Maßnahmen ergriffen werden. Die fortgesetzte Nutzung von Kohle muss mit radikalen Verbesserungen in der Technologie zur Kohlenstoffabscheidung und -speicherung einhergehen - hier muss die Industrie zeigen, dass sie mithalten kann.Das Gespräch

Über den Autor

Stephen Carr, Dozent für Energiephysik, University of South Wales

Dieser Artikel wird erneut veröffentlicht Das Gespräch unter einer Creative Commons-Lizenz. Lies das Original Artikel.

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