Omschakelen naar waterstof voor de productie van staal lijkt de enige uitweg voor het broeikasgassen en schadelijke stoffen spuiende Tata Steel. Er ligt nu een plan dat de route uitstippelt.

Tekst: Pieter van den Brand | Beeld: Tata Steel

Staal produceren op basis van waterstof lijkt de enige overlevingskans voor Tata Steel IJmuiden. Aan de realisatie kleven nog veel haken en ogen, en het geduld bij overheid en omgeving lijkt op. Maar technisch en economisch gezien kan Tata Steel in 15 jaar tijd overstappen op de staalproductie op basis van waterstof. Dat is de conclusie van onderzoeksbureau Roland Berger dat op verzoek van Tata en vakbond FNV het ambitieuze plan ‘Groen Staal’ onder de loep nam. Terwijl velen zo snel mogelijk van de staalmaker in IJmuiden af lijken te willen, zijn zo’n 11.000 mensen (en gezinnen) voor hun inkomen wel direct van werkgever Tata afhankelijk. Los nog van de vele toeleveranciers en klanten. De voorheen gerespecteerde banenmotor staat met een jaaruitstoot van ruim 12 miljoen ton CO2 echter te boek als ‘s lands grootste klimaatvervuiler (7% van de totale landelijke emissies), en als veroorzaker van gezondheidsschade aan omwonenden vanwege zijn loodemissies, aldus onderzoek van het RIVM van september 2021.

DRI-proces

In het groene staalplan zijn de ogen gericht op de productietechnologie met de naam DRI (Direct Reduced Iron). De bouw van verschillende DRI-installaties kan de uitstoot van broeikasgassen in stappen terugbrengen tot zo’n 40% in 2030 met als einddoel 0 emissies in 2050, onder voorbehoud van een waslijst aan randvoorwaarden. Niet alleen is een miljardeninvestering nodig, de markt moet bereid zijn een hogere prijs te betalen voor het duurzame staal. De productie zal duurder uitvallen dan die van het huidige hoogovenstaal, zeker wanneer de overgang wordt ingezet van aardgas naar waterstof. Tata wil een beroep doen op het ‘klimaat- en transitiefonds’ van 35 miljard euro van het nieuwe kabinet voor de bouw van een elektrolyser (100 MW) samen met partner HyCC (Hydrogen Chemistry Company). Volgens het coalitieakkoord is 15 miljard euro uit dit klimaatfonds bedoeld voor de bouw van waterstof- en elektrolysecapaciteit. Een eerste DRI-installatie – die tussen 2028 en 2030 in bedrijf zou kunnen zijn – levert een reductie op van 3,1 tot 3,8 miljoen ton CO2 per jaar. De overstap op waterstof betekent ook dat de Kooks-gasfabriek-2 sluit. Juist deze fabriek is nu een grote bron van overlast voor de omgeving.

Verstrengeld

Eenvoudig lijkt de technische overgang op het eerste oog niet. Het immense bedrijfsterrein van Tata Steel in IJmuiden – in totaal 750 hectare groot – herbergt 17 fabrieken en aanpalende installaties die intensief zijn verstrengeld, van de aanvoer van grondstoffen tot het verladen van de kant-en-klare rollen staal naar de klant. Het hele jaar door wordt 24/7 staal geproduceerd, als Tata op volle capaciteit draait in totaal zo’n 7 miljoen ton. Het bedrijf maakt al sinds 1918 staal van kolen en ijzererts en heeft dit basisproces tot een efficiënt ambacht weten te smeden. De kolen worden in cokes, of kooks, omgezet in de twee kooks-gasfabrieken op het terrein. In de sinterfabriek wordt ijzererts – door het te verhitten – omgezet in poreuze brokken. De sinters gaan samen met kooks en pellets van ijzererts (gemaakt in de pelletfabriek) de hoogoven in om ruwijzer te maken. In IJmuiden staan twee hoogovens. Het 1500 °C hete, vloeibare ruwijzer gaat vervolgens in de staalfabriek in een converter (een enorm rond vat dat kan kantelen), waar eerst als koelmiddel schroot in is gestort. Door met zuivere zuurstof te blazen wordt daar uit het ruwijzer staal gemaakt. Het vloeibare staal wordt tot plakken gegoten, die tot rollen worden uitgewalst in de warmbandwalserij. Afhankelijk van de klantvraag kan het staal daarna nog worden koudgewalst, vertind, verzinkt of geverfd (denk aan het emailleerstaal van de wasmachine thuis).

Schachtoven

Volgens de DRI-technologie vindt de reductie van ijzererts direct plaats met behulp van aardgas of waterstof (of een combinatie van beide). Dat gebeurt in een ‘schachtreactor’ bij een relatief lage temperatuur tot ongeveer 1000 °C. Het waterstof fungeert als aanjager van het reductieproces en als energiebron voor dit proces. Het gereduceerde ijzer wordt, met toevoeging van koolstof, in een elektrische oven tot vloeibaar ruwijzer verwerkt, dat vervolgens via de staalfabriek en de walserijen weer tot rollen staal kan worden verwerkt. Van belang voor Tata is dat het met de DRI-technologie staal van hoge kwaliteit kan blijven produceren.

Bijproduct

Het DRI-proces kan de hoogovens in het bestaande staalproductieproces vervangen, waardoor kolen niet meer nodig zijn. Het enige ‘bijproduct’ is water. De zuurstof uit het ijzererts kleeft namelijk niet vast aan de koolstof maar aan waterstof en wordt daardoor water. Bij gebruik van waterstof in het DRI-proces komt geen CO2 meer vrij, alleen nog bij het pelletiseerproces van het ijzererts en het downstream staalproductieproces, maar dat is niet de hoofdmoot van de huidige CO2-emissies.

Overstap

Het scenario voor Tata Steel is in vijf jaar tijd van aardgas over te stappen op groene waterstof, gemaakt met de eigen electrolyser op het terrein of deels aangevoerd via de waterstof-infrastructuur. Een tweede DRI-installatie (naar verwachting te realiseren in 2032-2037) kan een extra jaarlijkse reductie van 4,4 tot 6,4 miljoen ton CO2 opleveren. Naast de eerste en tweede DRI-installatie zou de resterende uitstoot dan teruggaan naar nul door (meer) waterstof te gebruiken en andere additionele maatregelen te nemen.

Niet nieuw

De DRI-technologie wordt al wereldwijd toegepast, maar nog niet grootschalig. Hoewel complex is de techniek volgens experts relatief goed in bestaande staalfabrieken in te passen. De productie van staal met waterstof is zeker niet nieuw. In Trinidad produceerde ArcelorMittal in het begin van deze eeuw gedurende een aantal jaren op commerciële wijze staal op basis van grijze waterstof. In het Circored-proces werden voor de reductie van ijzererts geen schachtovens maar wervelbedreactoren gebruikt. De waterstof werd ter plekke gemaakt uit aardgas volgens het traditionele proces van stoom-methaanreforming. In 2016 trok ArcelorMittal de stekker uit de installatie, omdat het bedrijf er niet meer mee kon concurreren vanwege de lage staalprijs op dat moment. In Zweden nam het Zweeds-Finse staalbedrijf SSAB samen met ijzerertsproducent LKAB en energiebedrijf Vattenfall in augustus 2021 de HYBRIT-proeffabriek in gebruik. Doel is vanaf 2026 jaarlijks volgens het DRI-procedé 1,5 miljoen ton waterstofstaal te maken (wat vergeleken met de wereldwijde jaarproductie van 1,2 miljard ton op kolen gebaseerd staal nog een druppel op een gloeiende plaat is).

Schroot

Voor Tata Steel biedt de DRI-technologie nog meer voordelen naast een fors lagere CO2-uitstoot bij het primaire staalproductieproces. In het DRI-proces kan namelijk ook schroot worden verwerkt, wat de circulariteit ten goede komt. De toevoeging van koolstof blijft nodig om het staal zijn gewenste eigenschappen te geven, dus fossielvrij is het proces niet, tenminste zolang daar gepulveriseerde kolen voor nodig zijn. Op termijn is een hoge kwaliteit biomassa een optie.

4x zoveel elektriciteit nodig

Maar er is ook kritiek: de productie volgens DRI-technologie zou erg veel elektriciteit nodig hebben, en die hoeveelheden stroom vergen een substantiële uitbreiding van wind- en zonne-energie. Het kabinet heeft daar nu gehoor aan gegeven en het doel van 11 GW aan offshore windstroom in 2030 verhoogd naar 21 GW in 2031. De stroomkabels die aan de kust bij Tata aan land komen, kunnen de geplande elektrolyser van het bedrijf van duurzame stroom voorzien. Eind december 2021 sloot Tata een contract met TenneT voor een aansluiting op het landelijke elektriciteitsnet voor de afname van voldoende groene stroom. Het staalbedrijf verwacht voor het DRI-proces vier keer zoveel elektrisch vermogen nodig te hebben als nu. Tata Steel is vastbesloten de staalproductie met het DRI-proces versneld te vergroenen. Onder de druk van Rijk en provincie gaat het bedrijf bovendien versneld een aantal uitstootverlagende maatregelen doorvoeren. De emissies van lood moeten niet in 2025 maar al in 2023 met 70% zijn teruggebracht – middels een doekfilter op een van de schoorstenen – en de uitstoot van PAK’s zal in 2022 niet met 30% maar met 50% worden verlaagd met behulp van koolstoffilters en naverbranding.

Tatawaterstof