Odborné články

Snížení uhlíkové stopy při výrobě oceli za pomoci biomasy a vodíku

Výroba oceli je energeticky velice náročný proces využívající primárně neobnovitelných zdrojů s velkou uhlíkovou stopou. Potřeby naší společnosti s vývojem nových technologií a zvyšování životního komfortu s sebou přináší rovněž i zvyšující se potřebu konstrukčních materiálů, včetně oceli. Například v roce 2022 se celosvětově vyrobilo 1,9 miliardy tun surové oceli, což představuje nárůst o 120 % oproti roku 2000. V průměru na jednu vyrobenou tunu oceli připadá zhruba 1,9 tun emisí CO2. Odhaduje se, že celkové množství emisí z výroby oceli představuje 7 až 9 % celkové antropogenní emisní zátěže CO2. Z tohoto důvodu se hledají nové technologie umožňující výrobu oceli s nižší uhlíkovou stopou, a to za pomoci obnovitelných zdrojů energie. V tomto článku vám představíme dva pilotní projekty, které jsme navštívili. Bruselskou ocelárnu v Gentu, ve které využívají biomasu a rakouskou ocelárnu v Linci, kde využívají pro výrobu oceli vodík.

Obrázek 1: Ocelárna v belgickém Gentu (zdroj: CZ Biom)

Historicky se k výrobě oceli používala biomasa. Dřevěné uhlí spalované v pecích uvolňovalo nejen svou energii, ale i legující uhlík. Později v 17. století bylo dřevěné uhlí nahrazeno koksem, čímž se odstranila závislost výroby oceli na dostupnosti dřeva. V současné době se dřevěné uhlí při výrobě oceli ve světě příliš nevyužívá, spíše jen okrajově, nejvíce v Brazílii. Biomasu lze však při výrobě oceli využít i pro nahrazení zemního plynu pomocí anaerobní digesce a následně spalovat bioplyn. V případě, že výroba bioplynu bude vzdálená od ocelárny, je možné nahradit zemní plyn biometanem distribuovaným běžnou plynárenskou sítí.

Obrázek 2: Výroba ocelových plechů válcováním (zdroj: CZ Biom)

Zajímavý pilotní projekt jsme měli možnost vidět v belgickém Gentu, kde se nachází ocelárna největšího světového výrobce oceli ArcelorMittal. Kombinují zde dva procesy: “Torero” a “Steelanol”. V rámci prvního procesu vyrábí pomocí torefakce z odpadní dřevní biomasy biouhel, který se dále využívá jako palivo pro výrobu oceli. Princip torefakce spočívá v transformaci biomasy při teplotě 250-320 °C bez přístupu kyslíku. Lignin, celulóza a hemicelulóza mění svou chemickou strukturu a odpařuje se vlhkost. Takto upravená biomasa se používá k částečnému nahrazení koksu, prozatím v této ocelárně jen v malém měřítku. Ovšem dosavadní výsledky jsou slibné a naznačují, že do budoucna bude možné využít biomasu ve větším měřítku.

Obrázek 3: Bioreaktor na výrobu etanolu z oxidu uhelnatého (zdroj: CZ Biom)

Druhý proces, nazývaný “Steelanol” principiálně transformuje industriální odpadní plyny z výroby oceli do pokročilého bioetanolu pomocí nové fermentační technologie. Ve vysokých pecích se uvolňuje velké množství odpadních plynů bohatých na oxid uhelnatý, oxid uhličitý a vodík. Ačkoliv se jedná o odpadní plyny, existuje již několik technologií, které dokáží oxid uhličitý a uhelnatý spotřebovat a dát za vznik novému produktu, který může sloužit jako palivo. V bioreaktoru se pěstuje speciální kultura mikroorganismů, která spotřebovává oxid uhelnatý s vodíkem a produkuje jako odpad etanol. Výsledný bioetanol má široké využití. V tomto případě se dále využívá v dopravě. Většina zemí EU má povinné přimíchávání bioetanolu do benzínu, tudíž je po tomto palivu vysoká poptávka. Etanol však lze využít i v chemickém průmyslu například při výrobě plastů, nebo dalších chemických sloučenin. Tato technologie má tedy dvojí dopad, snižuje množství emisí skleníkových plynů vypouštěných do atmosféry a zároveň vyrábí kapalné biopalivo.

Obrázek 4: Princip výroby bioetanolu z odpadních industriálních plynů (Zdroj: @Steelanol)

Tento ambiciózní pilotní projekt má za cíl vyzkoušet především inovativní technologie v praxi. Do roku 2050 chce společnost ArcelorMittal vyrábět ocel pouze s klimaticky neutrálním dopadem. Tyto pilotní projekty jsou velmi důležité v cirkulární ekonomice a udržitelnosti. Ocelárna v Gentu je důkazem toho, že i tak náročný proces, jako je výroba oceli, může být jednoho dne klimaticky zcela neutrální.

Nové inovativní technologie sázejí i na vodík

Minulý rok jsme měli možnost v rámci přeshraniční spolupráce s našimi rakouskými sousedy navštívit pilotní zařízení na výrobu vodíku H2FUTURE v Linci. Tento unikátní projekt zkoumá možnosti moderní výroby oceli s využitím tzv. zeleného vodíku. Jedná se o vodík, který vzniká elektrolýzou vody za pomoci elektřiny z obnovitelných zdrojů. Největší potenciál má v tomto ohledu přebytek z fotovoltaických systémům, kdy výroba zeleného vodíku je v podstatě ekvivalentní ukládání energie. A právě v ocelárnách Voestalpine vyvinuli a uvedli do provozu nové technologie, které zkoumají využití vodíku v různých fázích výroby oceli.

Obrázek 5: Zařízení na výrobu zeleného vodíku pomocí elektrolýzy vody (Zdroj: ©VERBUND)

Ve vysoké peci při se při vysokých teplotách ze železné rudy odstraňují oxidy železa (nejčastěji oxid železitý, Fe2O3). Tento proces je z energetického pohledu nejvíce náročný a například zde může být vodík velice přínosný. Standardně se pro redukci oxidu železitého používá oxid uhelnatý za vzniku potřebného železa a odpadního oxidu uhličitého a uhelnatého. K redukci oxidu železitého je však možné použít právě vodík a jako odpadní meziprodukty vznikají voda a část vodíku.

Fe2O3 + 6CO = 2Fe + 3CO2 + 3CO

Fe2O3 + 6H2 = 2Fe + 3H2O + 3H2

Samotný elektrolyzér pro výkon 6 MW používá elektřinu z obnovitelných zdrojů a je konstruován stavebnicovou technologií. Nejedná se tedy o jeden velký elektrolyzér, ale o soustavu menších, které umožňují kontinuálnější výrobu se snadnou regulací produkce. Za hodinu je toto zařízení schopné z vody vyrobit 1 200 m3 čistého zeleného vodíku. Cílem projektu je vyvíjet nové inovativní procesy a technologie pro výrobu bezemisní oceli a již nyní při realizaci projektu učinili k naplnění tohoto cíle významný krok.

Obrázek 6: Šest PEM (Protone Exchange-Membrane) elektrolyzérů s protonově výměnnou membránou separující z vody vodík a kyslík (Zdroj: ©VERBUND)

Článek byl publikován v časopisu Biom 2/2023 Alternativní využití biomasy v bioenergetice i k ochraně životního prostředí.

Článek: Tisknout s obrázky | Tisknout bez obrázků | Poslat e-mailem

Související články:

Využití produkce biomasy rychle rostoucích dřevin k dekontaminaci půdy
Jak to vypadá na jedné z největších čistíren odpadních vod na světě
Dlouhodobé sledování a pěstování perspektivní energetické plodiny ozdobnice (Miscanthus sp.) v ČR
Zápisky z rozhovoru o společnosti vyrábějící české kotle značky MultiBio
Návštěva italské biometanové stanice Cooperativa Agricola Speranza
Topení ozdobnicí v kotlích Fröling
Lesní biomasa z pohledu dodavatele paliv pro teplárny a elektrárny na dřevní štěpku
Nová směrnice o obnovitelných zdrojích energie
Biologicky rozložitelné odpady v našich popelnicích chybí na polích

Zobrazit ostatní články v kategorii Bioplyn, Obnovitelné zdroje energie, Spalování biomasy

Datum uveřejnění: 7.9.2023
Poslední změna: 28.11.2023
Počet shlédnutí: 804

Citace tohoto článku:
POSPÍŠIL, Vojtěch: Snížení uhlíkové stopy při výrobě oceli za pomoci biomasy a vodíku. Biom.cz [online]. 2023-09-07 [cit. 2024-06-17]. Dostupné z WWW: <https://biom.cz/cz/odborne-clanky/snizeni-uhlikove-stopy-pri-vyrobe-oceli-za-pomoci-biomasy-a-vodiku>. ISSN: 1801-2655.

Komentáře:
ilustrační foto ilustrační foto ilustrační foto ilustrační foto ilustrační foto