Kaupungissa Woburnissa, Massachusettsissa, Bostonin pohjoispuolella sijaitsevassa esikaupungissa, joukko insinöörejä ja tiedemiehiä valkotakkeissa tarkasteli neonvalaistun laboratoriotilan pöydällä olevaa tiilikokoista, metallinharmaata teräsharkkoa.
He katselivat erää terästä, joka oli luotu innovatiivisella valmistusmenetelmällä, sellaisella Boston metalliaMIT:stä vuosikymmen sitten eronnut yritys toivoo, että se muuttaa dramaattisesti tapaa, jolla metalliseos on valmistettu vuosisatojen ajan. Käyttämällä sähköä raudan erottamiseen malmista, yritys väittää voivansa valmistaa terästä vapauttamatta hiilidioksidia, mikä tarjoaa tien puhdistaa yksi maailman pahimmista kasvihuonekaasupäästöjen teollisuudenaloista.
Teräs on yksi maailman suosituimmista teollisuusmateriaaleista, ja se on tärkeä insinöörin ja rakentamisen panos 2 miljardia tonnia tuotettu vuosittain. Tämä runsaus on kuitenkin jyrkkä hinta ympäristö. Teräksenvalmistuksen osuus 7 on 11 prosenttia maailmanlaajuisista kasvihuonekaasupäästöistä, mikä tekee siitä yhden suurimmista teollisista ilmansaasteiden lähteistä. Ja koska tuotanto voisi nousta kolmanneksella vuoteen 2050 mennessä tämä ympäristökuormitus voi kasvaa.
Se on merkittävä haaste ilmastokriisin torjumiselle. Yhdistyneet kansakunnat sanoo Teollisuuden hiilidioksidipäästöjen merkittävä leikkaaminen on välttämätöntä ilmaston lämpenemisen pitämiseksi alle 1.5 celsiusasteen vuoden 2015 Pariisin ilmastosopimuksessa. Tätä varten terästeollisuuden ja muun raskaan teollisuuden päästöjä on vähennettävä 93 prosenttia vuoteen 2050 mennessä. arviot Kansainvälinen energiajärjestö.
Hallitukset ja sijoittajat kohtaavat lisääntyvän paineen vähentää päästöjä, ja monet teräksenvalmistajat – mukaan lukien sekä suuret tuottajat että startupit – kokeilevat vähähiilisiä teknologioita, joissa käytetään vetyä tai sähköä perinteisen hiiliintensiivisen valmistuksen sijaan. Jotkut näistä pyrkimyksistä ovat lähestymässä kaupallista todellisuutta.
"Puhumme pääomavaltaisesta, riskejä välttävästä toimialasta, jossa häiriöt ovat äärimmäisen harvinaisia", sanoi Chris Bataille, energiaekonomisti IDDRI:stä, Pariisissa sijaitsevasta tutkimushyökkääjästä. Siksi hän lisäsi, "on jännittävää", että siellä on niin paljon meneillään kerralla.
Silti asiantuntijat ovat yhtä mieltä siitä, että globaalin teollisuuden muuttaminen kääntyi $ 2.5 biljoonaa vuonna 2017 ja työllistää yli 6 miljoonaa ihmistä vaatii valtavasti vaivaa. Sen lisäksi, että uusien prosessien skaalaamiselle ajoissa globaalien ilmastotavoitteiden saavuttamiseksi on käytännön esteitä, huolenaiheita herättää Kiina, jossa valmistetaan yli puolet maailman teräksestä ja jonka suunnitelmat teräsalan hiilidioksidipäästöjen vähentämiseksi ovat edelleen epämääräisiä.
"Tällaisen teollisuuden hiilidioksidipäästöjen vähentäminen ei todellakaan ole helppoa", Bataille sanoi. "Mutta ei ole vaihtoehtoa. Alan – ja ilmastomme tulevaisuus – riippuu juuri siitä.
________
Nykyaikainen teräksenvalmistus sisältää useita tuotantovaiheita. Yleisimmin rautamalmi murskataan ja muutetaan sintteriksi (karkeaksi kiinteäksi aineeksi) tai pelleteiksi. Erikseen hiili paistetaan ja muunnetaan koksiksi. Malmi ja koksi sekoitetaan sitten kalkkikiveen ja syötetään suureen masuuniin, jossa äärimmäisen kuumaa ilmaa johdetaan pohjasta. Korkeissa lämpötiloissa koksi palaa ja seoksesta syntyy nestemäistä rautaa, joka tunnetaan nimellä harkkorauta tai masuunirauta. Sula materiaali menee sitten happiuuniin, jossa se puhalletaan puhtaalla hapella vesijäähdytteisen lansetin läpi, joka pakottaa hiilen jättämään raakateräksen lopputuotteeksi.
Tämä menetelmä, jonka englantilainen insinööri Henry Bessemer patentoi ensimmäisen kerran 1850-luvulla, tuottaa hiilidioksidipäästöjä eri tavoin. Ensinnäkin masuunin kemialliset reaktiot johtavat päästöihin, koska koksiin ja kalkkikiveen loukkuun jäänyt hiili sitoutuu ilman hapen kanssa muodostaen sivutuotteena hiilidioksidia. Lisäksi fossiilisia polttoaineita poltetaan tyypillisesti masuunin lämmittämiseen sekä sintraus- ja pelletointilaitosten sekä koksausuunien voimanlähteenä, jolloin syntyy hiilidioksidipäästöjä.
Jopa 70 prosenttia maailman teräksestä tuotetaan tällä tavalla, mikä tuottaa lähes kaksi tonnia hiilidioksidia jokaista tuotettua terästonnia kohden. The loput 30 prosenttia lähes kaikki valmistetaan valokaariuuneissa, jotka käyttävät sähkövirtaa teräksen – suurelta osin kierrätettyä romua – sulattamiseen. paljon pienemmät CO2-päästöt kuin masuuneja.
Mutta koska romun tarjonta on rajallista, kaikkea tulevaa kysyntää ei voida täyttää tällä tavalla, sanoi Jeffrey Rissman, teollisuuden ohjelmajohtaja ja mallinnuspäällikkö San Franciscossa toimivasta energia- ja ilmastopolitiikkayhtiöstä Energy Innovation. Oikeilla politiikoilla kierrätys voi tarjota jopa 45 prosenttia maailmanlaajuisesta kysynnästä vuonna 2050, hän sanoi. "Loput tyydytetään takomalla primäärimalmipohjaista terästä, josta suurin osa päästöistä tulee."
Joten "jos terästeollisuus suhtautuu vakavasti" ilmastositoumuksiinsa, hän lisäsi, "sen on muokattava perusteellisesti uudelleen tapa, jolla materiaali valmistetaan - ja tehdä se melko nopeasti."
________
Yksi testattava vaihtoehtoinen tekniikka korvaa koksin vedyllä. Ruotsissa, HybridiTeräksenvalmistajan SSAB:n, energiantoimittaja Vattenfallin ja rautamalmia tuottavan LKAB:n yhteisyritys pilotoi prosessia, jonka tarkoituksena on ottaa käyttöön olemassa oleva järjestelmä, jota kutsutaan suoraan pelkistetyksi rautaksi. Prosessi käyttää fossiilisista polttoaineista peräisin olevaa koksia hapen erottamiseen rautamalmipelleteistä, jolloin jäljelle jää huokoinen rautapelletti, jota kutsutaan sieniraudaksi.
Hybrit-menetelmä sen sijaan erottaa hapen käyttämällä fossiilivapaata vetykaasua. Kaasu syntyy elektrolyysillä, tekniikalla, joka käyttää sähkövirtaa - tässä tapauksessa fossiilivapaasta energialähteestä - veden erottamiseen vedyksi ja hapeksi. (Suurin osa puhdasta vetyä tänään on tehty metaanin kanssa, joka tuottaa CO2:ta poltettaessa.) Tuloksena oleva sienirauta menee sitten valokaariuuniin, jossa se lopulta jalostetaan teräkseksi. Prosessi vapauttaa sivutuotteena vain vesihöyryä.
"Tämä tekniikka on ollut tiedossa jo jonkin aikaa, mutta se on toistaiseksi tehty vain laboratoriossa", sanoi Mikael Nordlander, Vattenfallin teollisuuden hiilidioksidipäästöjen johtaja. "Se mitä teemme täällä, on nähdä, voiko se toimia [teollisella tasolla]."
Viime elokuussa Hybrit saavutti ensimmäisen virstanpylvään: SSAB, joka valmistaa ja myy lopputuotetta, toimitti ensimmäisen eränsä fossiilivapaata terästä autonvalmistaja Volvolle, joka käytti sitä ajoneuvojen prototyypeissä. Se suunnittelee myös kaupallisen mittakaavan tuotantolaitosta, jonka tavoitteena on saada valmiiksi vuoteen 2026 mennessä.
Toinen ruotsalainen yritys, H2 Green Steel, kehittää vastaavan kaupallisen mittakaavan vetyterästehdas 105 miljoonan dollarin avulla yksityisiltä sijoittajilta ja yrityksiltä, mukaan lukien Mercedes-Benz, Scania ja IMAS Foundation, Ikeaan liittyvä organisaatio. Yritys suunnitelmat aloittaa tuotannon vuoteen 2024 mennessä ja tuottaa 5 miljoonaa tonnia päästötöntä terästä vuosittain vuosikymmenen loppuun mennessä. Muita vetykäyttöistä terästä testaavia yrityksiä ovat mm ArcelorMittal, ThyssenKruppja Salzgitter AG Saksassa; POSCO Etelä-Koreassa; ja voestalpine Itävallassa.
Sähköä voidaan käyttää myös rautamalmin vähentämiseen. Esimerkiksi Boston Metal on kehittänyt sulan oksidin elektrolyysiksi kutsutun prosessin, jossa virta kulkee rautamalmia sisältävän kennon läpi. Kun sähkö kulkee kennon molempien päiden välillä ja lämmittää malmia, happea kuplii (ja voidaan kerätä), kun taas rautamalmi pelkistyy nestemäiseksi raudaksi, joka kerääntyy kennon pohjalle ja jota napautetaan ajoittain. Puhdistettu rauta sekoitetaan sitten hiilen ja muiden ainesosien kanssa.
"Se mitä teemme, on periaatteessa hiilen vaihtaminen sähköön pelkistimenä", kertoo Adam Rauwerdink, yrityksen liiketoiminnan kehitysjohtaja. "Tämän ansiosta voimme valmistaa erittäin korkealaatuista terästä käyttämällä paljon vähemmän energiaa ja harvemmilla vaiheilla kuin perinteinen teräksenvalmistus." Niin kauan kuin sähköä tulee fossiilivapaista lähteistä, hän lisäsi, prosessi ei tuota hiilidioksidipäästöjä.
Hän sanoi, että yritys, jolla on tällä hetkellä kolme pilottilinjaa Woburnin tehtaissaan, pyrkii tuomaan laboratoriokonseptinsa markkinoille käyttämällä Viime vuonna kerättiin 50 miljoonaa dollaria sijoittajaryhmältä, mukaan lukien Bill Gatesin tukema Breakthrough Energy Ventures ja saksalainen autonvalmistaja BMW. Kaupallisen mittakaavan koelaitoksen odotetaan valmistuvan vuoteen 2025 mennessä.
"Kaikilla näillä ratkaisuilla on mielestäni paikkansa riippuen sijainnista, resurssien saatavuudesta ja kohdennetusta tuotteesta", sanoi Sridhar Seetharaman, materiaalitieteen ja tekniikan professori Arizona State Universitystä. "En kuitenkaan usko, että kukaan yksin antaa sinulle hopealuodia vastatakseen kysyntään."
"Vedyllä on hieman etumatkaa vakiintuneen järjestelmän pohjalta ja se on edellä myös kaupallistamisessa", sanoi Bataille, IDDRI:n energiaekonomisti. "Mutta nettonolla-terästeollisuuden saavuttaminen vie enemmän hiilivapaata polkua, joten uskon, että markkinoilla on lopulta tarpeeksi tilaa niille kaikille."
________
Vaikka vihreämmät teräksenvalmistusprosessit näyttävät saavan vauhtia, edessä on edelleen useita vakavia haasteita. Tärkein niistä on uusiutuvan energian infrastruktuurin massiivinen laajentuminen, jonka alan laajuinen siirtyminen näihin uusiin menetelmiin johtaisi, sanoi Thomas Koch Blank, Coloradossa toimivan voittoa tavoittelemattoman organisaation vanhempi johtaja. Kalliovuorten instituutti. Hän arvioi, että nykyisen terästuotannon sähköistämiseksi maailma tarvitsisi jopa kolminkertaisesti aurinko- ja tuulienergialähteitä nykyiseen verrattuna.
Toinen este on hinta. Sähköön tai vetyyn siirtyminen vaatisi valtavia investointeja uusien laitosten pystyttämiseen ja vanhojen jälkiasentamiseen. Puhtaan vetymenetelmän tapauksessa teräksen hintalappu nousee pitkälti, koska teräksentuottajat sijaitsevat lähellä edullista koksihiiltä edullisen vedyn sijaan, huomautti Koch Blank. "Nämä ennakkokustannukset nostavat todennäköisesti sekä teräksen että lopputuotteiden hintaa ainakin alussa."
San Franciscon analyytikon Rissmanin mukaan sekä tarjontaa että kysyntää koskeva lainsäädäntö voisi auttaa tasoittamaan näitä korkeampia kustannuksia ja rohkaisemaan enemmän investointeja vihreämpään teknologiaan. Hän sanoi, että hallitukset voisivat kannustaa vähähiilisen teräksen käyttöä rakentamiseen ja infrastruktuuriin vaatimalla valtion rahoittamia hankkeita käyttämään vähähiilisiä versioita määrätyistä rakennusmateriaaleista. Ne voisivat myös panna täytäntöön politiikkaa, joka tekee ostamisesta kalliimpaa maista, joissa päästösäännöt ovat vähemmän tiukat. Tämä auttaa kotimaisia tuottajia "pysymään kilpailukykyisinä", kun puhtaan teräksen markkinat "kasvavat ja uudet tuotantoprosessit saavuttavat mittakaavaetuja", Rissman sanoi.
Ehkä suurin tiesulku on Kiina, missä noin 90 prosenttia terästuotannon osuus saavutetaan masuuneilla. Syyskuussa 2020 presidentti Xi Jinping ilmoitti että maa pyrkii hiilineutraaliksi vuoteen 2060 mennessä. Pyrkiessään vähentämään kotimaisten terästehtaiden aiheuttamaa saastumista, joka osuus on noin 15 prosenttia maan kokonaishiilipäästöistä, Peking on myös sitoutunut saavuttaa teräspäästöhuippu vuoteen 2030 mennessä. Siitä huolimatta Kiinassa julkistettiin 18 uutta masuuniprojektia vain vuoden 2021 kuuden ensimmäisen kuukauden aikana. mukaan helsinkiläiselle Energian ja puhtaan ilman tutkimuskeskukselle.
Teräs on yksi tärkeimmistä ja haastavimmista teollisuudenaloista hiilidioksidipäästöjen vähentämiseksi, Rissman sanoi, joten sen globaali koordinointi auttaisi suuresti.
Palattuaan Bostoniin Rauwerdink, joka tutki Boston Metalin tehdaslinjoja, suostui. "Se on fantastinen haaste, jota kohtaamme", hän sanoi. Mutta hän lisäsi: "Näytämme, että ratkaisuja on olemassa - ja ne toimivat."
Tämä artikkeli julkaistiin alunperin Undark. Lue alkuperäinen artikkeli.
Kuva pistetilanne: Třinecké železárny / Wikimedia Commons
