I staden i Woburn, Massachusetts, en förort strax norr om Boston, inspekterade en kader av ingenjörer och forskare i vita rockar en välordnad hög med tegelstensstora, metallgrå ståltackor på ett skrivbord i ett neonupplyst labbutrymme.
Det de tittade på var ett parti stål skapat med en innovativ tillverkningsmetod, en sådan Boston Metal, ett företag som startade för ett decennium sedan från MIT, förhoppningar kommer dramatiskt att omforma hur legeringen har gjorts i århundraden. Genom att använda elektricitet för att separera järn från sin malm, hävdar företaget att det kan tillverka stål utan att släppa ut koldioxid, vilket erbjuder en väg till att städa upp en av världens värsta industrier för utsläpp av växthusgaser.
En viktig insats för teknik och konstruktion, stål är ett av de mest populära industriella materialen i världen, med mer än 2 miljarder ton produceras årligen. Detta överflöd kommer dock till ett brant pris för miljö. Ståltillverkning står för 7 till 11 procent av globala utsläpp av växthusgaser, vilket gör det till en av de största industriella källorna till luftföroreningar. Och för att produktionen kunde stiga med en tredjedel till 2050 kan denna miljöbelastning växa.
Det innebär en betydande utmaning för att tackla klimatkrisen. Förenta nationerna säger att avsevärt minska de industriella koldioxidutsläppen är avgörande för att hålla den globala uppvärmningen under 1.5 grader Celsius-gränsen som fastställts under klimatavtalet från Paris 2015. För att göra det måste utsläppen från stål och andra tunga industrier minska med 93 procent till 2050, enl. uppskattningar av International Energy Agency.
Inför det eskalerande trycket från regeringar och investerare att minska utsläppen, experimenterar ett antal ståltillverkare – inklusive både stora tillverkare och nystartade företag – med teknik med låga koldioxidutsläpp som använder väte eller elektricitet istället för traditionell kolintensiv tillverkning. Vissa av dessa ansträngningar närmar sig kommersiell verklighet.
"Vad vi pratar om är en kapitalintensiv, riskovillig industri där störningar är extremt sällsynta", säger Chris Bataille, energiekonom vid IDDRI, en Parisbaserad forskningstankesmedja. Därför, tillade han, "det är spännande" att det händer så mycket på en gång.
Ändå är experter överens om att förändra en global industri som vände över $ 2.5 biljoner år 2017 och sysselsätter fler än 6 miljoner människor kommer att kräva enorma ansträngningar. Utöver de praktiska hindren för att skala upp nya processer i tid för att nå globala klimatmål, finns det oro för Kina, där över hälften av världens stål tillverkas och vars planer på att koldioxidutlösa stålsektorn förblir vaga.
"Det är verkligen ingen lätt lösning att ta bort koldioxid från en industri som denna," sa Bataille. "Men det finns inget val. Framtiden för sektorn – och för vårt klimat – beror på just det.”
________
Modern ståltillverkning innebär flera produktionssteg. Vanligast är att järnmalm krossas och omvandlas till sinter (en grov fast substans) eller pellets. Separat bakas kol och omvandlas till koks. Malmen och koksen blandas sedan med kalksten och matas in i en stor masugn där ett flöde av extremt varm luft förs in från botten. Vid höga temperaturer brinner koksen och blandningen producerar flytande järn, känt som tackjärn eller masugnsjärn. Det smälta materialet går sedan in i en syrgasugn, där det blästras med rent syre genom en vattenkyld lans, som tvingar bort kol för att lämna råstål som en slutprodukt.
Denna metod, som först patenterades av den engelske ingenjören Henry Bessemer på 1850-talet, producerar koldioxidutsläpp på olika sätt. För det första resulterar de kemiska reaktionerna i masugnen i utsläpp, eftersom kol som fångas i koks och kalksten binder med syre i luften för att skapa koldioxid som en biprodukt. Dessutom förbränns vanligtvis fossila bränslen för att värma upp masugnen och för att driva sintrings- och pelletsanläggningar, såväl som koksugnar, som släpper ut koldioxid i processen.
Så mycket som 70 procent av världens stål produceras på detta sätt, genererar nästan två ton koldioxid för varje producerat ton stål. De återstående 30 procent nästan allt tillverkas genom ljusbågsugnar, som använder en elektrisk ström för att smälta stål – till stor del återvunnet skrot – och har mycket lägre CO2-utsläpp än masugnar.
Men på grund av det begränsade skrotutbudet kan inte all framtida efterfrågan tillgodoses på detta sätt, säger Jeffrey Rissman, en industriprogramchef och chef för modellering på det San Francisco-baserade energi- och klimatpolitiska företaget Energy Innovation. Med rätt policy på plats kan återvinning tillgodose upp till 45 procent av den globala efterfrågan år 2050, sa han. "Resten kommer att tillgodoses genom att smide primärt malmbaserat stål, det är där de flesta utsläppen kommer ifrån."
Så "om stålindustrin menar allvar" med sina klimatåtaganden, tillade han, "kommer den att i grunden behöva omforma hur materialet tillverkas - och göra det ganska snabbt."
________
En alternativ teknik som testas ersätter koks med väte. I Sverige, Hybrid– ett samriskföretag mellan ståltillverkaren SSAB, energileverantören Vattenfall och LKAB, en järnmalmsproducent – piloterar en process som syftar till att återanvända ett befintligt system som kallas direktreducerat järn. Processen använder koks från fossila bränslen för att extrahera syre från järnmalmspellets, vilket lämnar en porös järnpellet som kallas järnsvamp.
Hybritmetoden utvinner istället syret med fossilfri vätgas. Gasen skapas genom elektrolys, en teknik som använder en elektrisk ström – i det här fallet från en fossilfri energikälla – för att separera vatten till väte och syre. (Mest rent väte i dag är gjord med metan, som producerar CO2 vid förbränning.) Det resulterande järnsvampen går sedan in i en elektrisk ljusbågsugn, där det så småningom förädlas till stål. Processen frigör endast vattenånga som en biprodukt.
"Den här tekniken har varit känd ett tag, men den har bara gjorts i labbet hittills", säger Mikael Nordlander, chef för industriutsläpp av koldioxid på Vattenfall. "Vad vi gör här är att se om det kan fungera på industriell nivå."
I augusti förra året nådde Hybrit sin första milstolpe: SSAB, som producerar och säljer slutprodukten, levererade sitt första parti fossilfritt stål till biltillverkaren Volvo, som använde den i fordonsprototyper. Man planerar också en anläggning för produktion i kommersiell skala, som man siktar på att färdigställa till 2026.
En annan svensk satsning, H2 Green Steel, utvecklar en liknande vätestålfabrik i kommersiell skala med hjälp av 105 miljoner dollar som samlats in från privata investerare och företag inklusive Mercedes-Benz, Scania och IMAS Foundation, en organisation kopplad till Ikea. Företaget planer att börja producera senast 2024 och producera 5 miljoner ton nollutsläppsstål årligen i slutet av decenniet. Andra företag som testar vätedriven ståltillverkning inkluderar ArcelorMittal, ThyssenKruppoch Salzgitter AG i Tyskland; Posco i Sydkorea; och voestalpine i Österrike.
El kan också användas för att minska järnmalm. Boston Metal, till exempel, har utvecklat en process som kallas smält oxidelektrolys, där en ström rör sig genom en cell som innehåller järnmalm. När elektricitet färdas mellan cellens båda ändar och värmer upp malmen, bubblar syre upp (och kan samlas upp), medan järnmalm reduceras till flytande järn som samlas i botten av cellen och tappas med jämna mellanrum. Det renade järnet blandas sedan med kol och andra ingredienser.
"Vad vi gör är att i princip byta ut kol mot elektricitet som ett reduktionsmedel", förklarade Adam Rauwerdink, företagets senior vice president för affärsutveckling. "Detta gör att vi kan tillverka mycket högkvalitativt stål med mycket mindre energi och i färre steg än konventionell ståltillverkning." Så länge kraften kommer från fossilfria källor, tillade han, genererar processen inga koldioxidutsläpp.
Han sa att företaget, som för närvarande driver tre pilotlinjer vid sin Woburn-anläggning, arbetar för att få ut sitt laboratoriekoncept till marknaden, med hjälp av 50 miljoner dollar samlades in förra året från en investerargrupp inklusive Breakthrough Energy Ventures, med stöd av Bill Gates, och den tyska biltillverkaren BMW. En demonstrationsanläggning i kommersiell skala förväntas vara igång 2025.
"Jag känner att alla dessa lösningar har sin plats, beroende på plats, resurstillgänglighet och målinriktad produkt", säger Sridhar Seetharaman, professor i materialvetenskap och teknik vid Arizona State University. "Men jag tror för närvarande inte att någon ensam kommer att ge dig en silverkula för att möta efterfrågan."
"Väte har lite av ett försprång att vara baserat på ett etablerat system och det ligger också före i kommersialisering", säger Bataille, IDDRI:s energiekonom. "Men att uppnå en stålindustri med nettonoll kommer att kräva fler kolfria vägar, så jag tror att det kommer att finnas tillräckligt med utrymme på marknaden för dem alla i slutändan."
________
Även om grönare ståltillverkningsprocesser verkar ta fart, finns det fortfarande ett antal allvarliga utmaningar att möta. Den främsta bland dem är den massiva expansionen av infrastruktur för förnybar energi som en industriomfattande övergång till dessa nya metoder skulle innebära, säger Thomas Koch Blank, senior rektor vid den Colorado-baserade ideella organisationen Rocky Mountain Institute. Han uppskattar att världen skulle behöva upp till tre gånger de för närvarande installerade sol- och vindenergikällorna för att elektrifiera den befintliga primära stålproduktionen.
En annan barriär är kostnaden. Att byta till el eller vätgas skulle kräva stora investeringar för att bygga nya anläggningar och bygga om gamla. När det gäller metoden med rent väte kommer prislappen för stål att öka till stor del på grund av att stålproducenter ligger nära lågkostnadskokskol snarare än lågkostnadsväte, påpekade Koch Blank. "Dessa förhandskostnader kommer sannolikt att driva upp priset på både stål och slutprodukter, åtminstone i början."
Enligt Rissman, analytikern i San Francisco, kan lagstiftning på både utbuds- och efterfrågesidan hjälpa till att kompensera de högre kostnaderna och uppmuntra till fler investeringar i grönare teknik. Regeringar, sade han, skulle kunna stimulera användningen av lågkolhaltigt stål för byggnad och infrastruktur genom att kräva att statligt finansierade projekt använder lågkolhaltiga versioner av utsedda byggmaterial. De skulle också kunna genomdriva policyer som gör det dyrare att köpa från länder där reglerna för utsläpp är mindre stränga. Det kommer att hjälpa inhemska producenter att "förbli konkurrenskraftiga" när marknaden för rent stål "växer och nya produktionsprocesser uppnår skalfördelar", säger Rissman.
Den kanske största vägspärren är Kina, där ungefär 90 procent av stålproduktionen uppnås med masugnar. I september 2020, president Xi Jinping meddelade att landet siktar på att bli koldioxidneutralt 2060. I ett försök att minska föroreningarna från inhemska stålverk, vilket står för cirka 15 procent av landets totala koldioxidutsläpp har Peking också lovat uppnå maximala stålutsläpp till 2030. Trots det tillkännagavs 18 nya masugnsprojekt i Kina bara under de första sex månaderna 2021, enligt till den Helsingforsbaserade forskargruppen Centrum för forskning om energi och ren luft.
Stål är en av de viktigaste och mest utmanande industrierna att ta bort koldioxid, sa Rissman, så global samordning av det skulle hjälpa till mycket.
Tillbaka i Boston gick Rauwerdink överens om Boston Metals fabrikslinjer. "Det är en fantastisk utmaning som vi står inför," sa han. Men, tillade han, "Vi visar att lösningar finns - och fungerar."
Den här artikeln publicerades ursprungligen den Undark. Läs ursprungliga artikeln.
Image Credit: Třinecké železárny / Wikimedia Commons
