Op een groene en schonere manier staal produceren

Staal is onmisbaar in onze moderne maatschappij. Bruggen, auto’s, schepen, treinen en appartementencomplexen, maar ook bestek, fietsen, batterijen en sloten. Dagelijks maken we veelvuldig gebruik van staal. Helaas komt er bij het maken van staal veel CO₂ vrij. Jarenlang wordt er al wetenschappelijk onderzoek gedaan naar de ontwikkeling van een goed alternatief. Door de functionaliteit van staal op grote schaal is dit nog niet gelukt. Ook zal het nog even duren voordat dit probleem opgelost is. Maar dat het kan is zeker. Dit zegt wetenschapper Yongxiang Yang van de TU Delft. Hij is al decennia gefascineerd door methodes om staal op een groene manier te maken.

“Staal is een van de belangrijkste materialen ooit. Iedereen kent wel de steen- brons-, en ijzertijd. De laatste honderdvijftig jaar is staal zo belangrijk geworden, dat ik dit de staaltijd noem”, zegt Yang. Hij weet waar hij het over heeft. De TU Delft werkt al lange tijd samen met Tata Steel, onder meer masterstudenten en promovendi doen hun onderzoek (deels) bij het bedrijf. Yang is groepsleider Metals Production, Refining en Recycling van de faculteit ME.

De laatste honderdvijftig jaar is staal zo belangrijk geworden, dat ik dit de staaltijd noem.

Aan de huidige manier van staal produceren kleven ook flinke nadelen, geeft Yang direct toe. Zo komen er veel vervuilende stoffen zoals het broeikasgas CO₂ vrij bij het produceren. In Nederland wordt bij Tata Steel in IJmuiden staal gemaakt en met de huidige processen is het bedrijf ook een van de grootste vervuilers van het land. Bovendien kampen omwonenden van hun fabriek met gezondheidsklachten.

Nieuwe manier van staalproductie

Maar er is een oplossing, volgens Yang. Samen met andere wetenschappers werkt hij aan een andere route om staal te maken. “Hierdoor is het mogelijk om veel minder schadelijke stoffen uit te stoten. We houden dan staal als zeer belangrijk materiaal voor allerlei voertuigen, bruggen, woningen, verpakkingen en vele andere toepassingen. Maar we hebben dan veel minder last van de vervuiling. Hier werken we al decennia aan. Het is mijn groene droom dat dit uitkomt”, zegt hij.

Het gaat hierbij om een nieuwe manier van staalproductie. Nu gebeurt dat nog met behulp van enorm hoge torens van wel veertig meter hoog, die daarom hoogovens worden genoemd. Daarin wordt ijzer uit de erts gehaald. Bij dit proces komt onder meer het broeikasgas CO₂ vrij, dat bijdraagt aan de opwarming van de aarde. In een tweede stap wordt van het ijzer staal gemaakt, waar ook weer CO₂ bij wordt uitgestoten.

“Het kan anders door een schonere aanpak te kiezen”, zegt Yang. Dit heet DRI (direct-gereduceerd ijzer). Deze groene route is momenteel volop in ontwikkeling. Onder meer in Zweden zijn de experimenten al vergevorderd, ook op pilotschaal. “Hierbij gebruiken we waterstof om ruwijzer en daarna staal te maken en hebben we de hoogovens niet meer nodig.”

De groene route

Dit is een veel groenere aanpak, omdat er geen CO₂-uitstoot meer is als je de waterstof maakt uit een schone energiebron, zegt Yang. In Zweden doen ze dat met waterkrachtcentrales. “In Nederland kunnen we elektriciteit winnen uit windmolenparken op zee.”

Het gaat hierbij om gigantische aantallen. “Waarschijnlijk hebben we 1500 middelgrote turbines (4 GW capaciteit) nodig om op een groene manier genoeg elektriciteit te produceren voor de staalindustrie”, aldus Yang. IJmuiden ligt aan zee, hetgeen goede mogelijkheden biedt om de elektriciteit van windmolens op zee naar de fabriek te krijgen. “Een alternatief is om eerst nog met aardgas te werken, maar dat is minder goed voor het milieu en een fossiele brandstof. Dit zou wel in een tussenfase mogelijk zijn.”

Dat Yang een groene route onderzoekt, is geen toeval. Hij is al zo’n veertig jaar gefascineerd door metaalproductie. “In de jaren negentig ging ik vanuit China naar Finland om efficiëntere productiemethoden voor metalen te onderzoeken. Ik vond het boeiend, omdat je metalen, en met name staal, overal tegenkomt. Van conservenblikken tot wolkenkrabbers. In de jaren tachtig en negentig werd nog veel onderzoek naar staalmaken gedaan, maar daarna stopten veel onderzoeksgroepen ermee. Het idee was dat dit proces wel was uitontwikkeld en het werd daardoor minder aantrekkelijk. Veel collega’s zochten ander werk. Ze gingen bijvoorbeeld aan de slag in de computerwetenschappen of richtten zich op moderne materialen zoals composieten.”

Yang trok dat niet aan en wilde niets anders dan zijn favoriete materiaal blijven onderzoeken. “Ik geloof niet zo in hypes en ben ook een beetje koppig. Metalen waren niet sexy destijds, maar ik vond het nog steeds interessant. Toen al wilde ik het op een milieuvriendelijkere manier maken, daar zag ik toekomst in.”

Er is niet één route en maar één oplossing, maar er zijn meerdere mogelijkheden om staal op een schonere manier te produceren.

Milieuvriendelijke productie van staal

Samen met collega’s en de Nederlandse staalindustrie bedacht hij toen al technologie om dit voor elkaar te krijgen. “De afgelopen jaren is er plots veel meer aandacht voor groen staal en staat het materiaal weer in de schijnwerpers, tot mijn grote vreugde. Het is belangrijk dat we investeren in duurzame oplossingen. Het is mijn filosofie dat je naar een schoner systeem toewerkt, waarbij je weinig of, liever nog, geen uitstoot hebt.”

Yang noemt ook nog andere mogelijkheden om milieuvriendelijker staal te produceren. “Zo is er een manier om via directe elektrolyse staal te maken. In Europa en de Verenigde Staten zijn wetenschappers hier al mee bezig. Maar dat is nog minder ver dan DRI met waterstof. Ook is het mogelijk om bij de huidige manier van staal maken de CO₂ af te vangen en op te slaan in lege gasvelden, bijvoorbeeld onder de Noordzee. Er is niet één route en maar één oplossing, maar er zijn meerdere mogelijkheden om staal op een schonere manier te produceren.”

De toekomst van staal ziet hij zonnig in. “Er zijn veelbelovende oplossingen voor de lange termijn. DRI in combinatie met waterstof zie ik tussen 2030 en 2050 commercieel gebruikt worden. De methode met elektrolyse komt daarna in het vizier. Het is ons doel om in 2050 CO₂-neutraal staal te maken. Dat moet lukken. Ik ben dan bijna 90 jaar. Ik hoop dat ik dat ga meemaken. Ik heb de afgelopen decennia grote veranderingen gezien in de aandacht voor staal en hoe het wordt geproduceerd. Ik ben ervan overtuigd dat het nog beter kan en daar blijf ik ook met veel plezier aan werken.”