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.

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.

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.

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.

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.

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.

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

Tweet

Bioplynová stanice s kogeneračními jednotkami TEDOM

Olej pro plynové motory – klíčová volba pro kogenerační jednotky

Kam směřuje české odpadové hospodářství z pohledu prevence jejich vzniku?

Jak získat udržitelnou biomasu

Biometan se vyplatí a má budoucnost