Suuria päästövähennyksiä terästeollisuudessa bioenergian avulla 

Terästeollisuus vastaa globaalisti noin 7 %:sta maailman hiilidioksidipäästöistä ja 5 % EU:ssa. Teräksen valmistuksen uudet innovaatiot ovat olleet vahvasti esillä viime vuosina.  Biomassan käyttö ja CCUS-teknologiat voivat olla myös osaratkaisuja niin, että saman tuotteen tai tehtaan toiminnassa käytetään molempia.   

Biomassan rooli teräksen tuotannossa voi olla monessa eri vaiheessa. Biomassasta tuotettua paahdettua tuotetta, torrefioitua biopolttoainetta, voidaan käyttää masuunissa korvaamaan fossiilista koksia. Toinen vaihtoehto on tuottaa pidemmälle ja kuumemmaksi pyrolysoitua biomassaa, biohiiltä. Sitä voidaan käyttää injektoitavana hiilipölynä masuunin kuumentamisessa ja tuomaan tarvittavaa hiiltä terässeoksiin. Teräksissä on hiiltä yleensä 1–1,7 % painosta.  

Kolmas merkitys biohiilellä on toimia teräksen tuotannossa pelkistimenä. Pelkistimenä toimiessaan biohiili poistaa metalleista happea ja hapettuu hiilimonoksidiksi sekä hiilidioksidiksi. Kun nämä otetaan talteen ja viedään pysyvään varastoon, saadaan aikaan negatiiviset päästöt. Vaihtoehtoisesti kaasuista voidaan valmistaa vedyn kanssa synteettisiä polttoaineita. 

Pelkistyksessä käytetyn fossiilisen hiilen korvaaminen biohiilellä vähentää päästöjä ja päästökustannuksia. Vetypelkistys ei silti täysin poista hiilen tarvetta, esim. valokaariuunissa. 

Metsäperäisellä biokoksilla merkittävät päästövähennykset 

Outokumpu Oyj on valmistelemassa investointipäätöstä 2023 aikana biokoksin valmistamiseksi Torniossa korvaamaan ruostumattoman teräksen tuotannossa käytetyn fossiilisen koksin. Biokoksi tuotettaisiin metsäperäisistä raaka-aineista ja samassa laitoksessa tuotettaisiin rinnalla biometaania. Outokummun mukaan hanke vähentäisi hiilidioksidipäästöjä yli 200 000 tonnia vuodessa. Yhtiö on jo aloittanut hankkeen ympäristövaikutusten arvioinnin. 

Kahden tekniikan taktiikka 

ArcelorMittal, yksi maailman suurimpia teräs- ja kaivosyhtiöitä pyrkii vähentämään oman tuotantonsa CO2-ekvivalenttipäästöjä 25 % konsernitasolla ja 30 % Euroopan yksiköissään vuoteen 2030 mennessä. Tähän tavoitteeseen pyritään lisäämällä romumetallia SmartCarbon-tekniikoiden ja vetytekniikoiden avulla.  

Gentin tehtaalla Belgiassa on kehitetty SmartCarbon-teknologian käyttöönottoa yhdistämällä kaksi toisiaan täydentävää laajamittaista teollista pilotti- ja demonstraatiohanketta: Torero ja Steelanol. Hankkeiden yhteenlasketut investointikustannukset ovat 210 miljoonaa euroa ja ne ovat käynnistymässä täysipainoisesti tänä vuonna. 

Biokoksi pelkistää terästä 

Torero-projektissa on rakennettu laajamittainen demonstraatioyksikkö, jonka tavoitteena on tuottaa biohiiltä torrefioimalla. Tämä biokoksi käytetään korvaamaan fossiilisen hiilen käyttö masuunissa. Torrefiointilaitos käsittelee noin 180 000 tonnia B-luokan kierrätyspuuta ja muuntaa sen 75 000 tonniksi biokoksia. Biokoksi jauhetaan ja yhteisinjektoidaan jauhehiilen kanssa masuunissa ja se korvaa noin 5 % fossiilisesta hiilestä. Kierrätyspuu tulee lähialueen teollisuudesta. Välivarastoon mahtuu noin kahden päivän kulutuksen verran. Puu on tullessaan 15–30 % kosteuspitoisuudessa ja haketetaan enintään 2 cm3 paloiksi. Rumpukuivurissa voidaan kuivata 8 tn massaa tunnissa tavoitteena 10 % kosteustaso. Sen jälkeen siirrytään pyrolysointiuuniin, missä sitä pidetään noin 300 asteessa vain muutaman minuutin. Torrefiointilaitos perustuu hollantilaisen Torrcoalin omistamaan teknologiaan. 

Reaktorista löytyy tehoa 8 MW ja biokoksia syntyy 3,3–6 tn tunnissa. Reaktoriosan jälkeen on pitkä horisontaalinen jäähdytysruuvi, mistä saadaan lämpöä talteen. Valmis koksi siirretään 40 m3 kontteihin, jotka siirretään seosmyllyjen luokse jauhettavaksi kivihiilen kanssa hiilipölyksi. Biokoksin hiilipitoisuus asettuu 55–60 % tasolle. Tavoitteena ei ole päästä korkeampaan hiilipitoisuuteen, koska silloin prosessi siirtyisi kaasutuksen suuntaan ja tuotteina syntyisi myös tisleitä.  

Biokoksilla voidaan vähentää 112 500 tonnia hiilidioksidipäästöjä vuodessa. ArcelorMittal on ilmoittanut aikomuksestaan asentaa toinen samankokoinen reaktori ensimmäisen viereen 2024 aikana.  

Tuotekaasu on mikrobien ruokaa 

Teräsmassa lämmitetään tuotannossa 1200 asteeseen. Tässä yhteydessä syntyy tuotekaasua, joka sisältää pääasiassa hiilimonoksidia, hiilidioksidia ja vetyä. Tätä tuotekaasua poltetaan normaalisti laitoksen omassa 300 MW voimalaitoksessa tuottamaan sähköä.  

Steelanol-projekti on 2022 lopulla käynnistynyt laajamittainen teollinen pilottiyksikkö, joka hyödyntää 15–20 % tuotekaasusta ja vastaa noin 6 % biogeenistä hiilidioksidiosuutta. Kaasun vety ja hiili toimivat mikro-organismien ruokana. Kyseessä on maailman ensimmäinen tämän kokoluokan toteutus.  

Amerikkalaisen teknologiayritys LanzaTechin toimittamat mikro-organismit ovat luonnollisia, mutta monen sukupolven valinnan avulla jalostettuja anaerobisia Clostridium bakteereita. Ennen mikrobeille syöttöä tuotekaasu puhdistetaan kevyesti ja paineistetaan 8–9 bariin syötettäväksi PSA-suodattimelle. Sen avulla siitä saada hiilimonoksidi- ja vetyrikkaampaa, mistä mikrobit pitävät. Toisaalta mikrobit ovat hyvin robusteja. Esimerkiksi ammoniakki tuotekaasussa ei niiden menoa haittaa. 

Mikrobimassa hyötykäyttöön 

Hiilimonoksidirikas liuos tarjoillaan mikrobeille ihmisen ruumiinlämpöisenä ja toiminta on kuin oluen panemista. Prosessi on jatkuvatoiminen, ei panostoiminen. Vitamiineja ja hivenravinteita lisätään kaasussa tulevien pääravinteiden lisäksi. Osa mikrobeista pitää kerätä välillä pois niiden syötyä itsensä kylläisiksi ja kuollessa. Kuollut mikrobimassa otetaan talteen pohjalta ja se mädätetään viereisessä biokaasulaitoksessa, joka tuottaa 2 MW lämpöä ja 2 MW sähköä. 

Bioperäinen hiilidioksidi kierrätetään etanoliksi 

Etanoli erittyy mikrobeista veden sekaan ja sitä pitää poistaa. Tämä tapahtuu kahdessa vaiheessa. Ensin nostamalla lämpötila 41 asteeseen, jolloin etanoli erottuu pinnalle. Tämä hieman lamauttaa mikrobeita, mutta ne virkoavat. Erottelun jälkeen vesiseos väkevöidään erillään höyrystämällä. Steelanol-konseptin kokonaishyödyntämistehokkuus on korkea; noin 80 % tuotekaasun energiasisällöstä on etanolissa. 

Syntyvä etanoli voidaan katsoa olevan bioperäistä, kun sitä tuotetaan biokoksista syntyvän biogeenisen hiilen määrän suhteessa. Tämä osoitetaan massatasekirjanpidolla. Muussa tapauksessa tuote katsottaisiin niin sanotuksi kierrätyshiilipolttoaineeksi RED2-direktiivin mukaisesti. Tuotekaasusta erotettu CO2 puhdistetaan 99 %:ksi ja otetaan talteen. Suunnitteilla on sen vieminen pysyvään hiilidioksidivarastoon, kuten Northern Lightsiin, sanoo kehitysinsinööri Stefan van De Casteele. Koska biogeeninen hiili kohdistetaan massataseessa etanoliin, yritys ei voi väittää teräksen olevan vihreää terästä, mutta CCS:llä voidaan vähentää hiilijalanjälkeä. 

Puolet bioetanolin velvoitteesta 

ArcelorMittalin Gentin laitos tuottaa myöhemmän laajentumisen jälkeen täydellä kapasiteetillaan 80 miljoonaa litraa etanolia. Tämä vastaa lähes puolesta Belgian kehittyneen etanolin sekoitusvelvoiteosuudesta. Hankkeen odotetaan vähentävän 125 000 tonnia hiilidioksidipäästöjä vuodessa. Tähän jatkoinvestointiin ArcelorMittal etsii muuta toteuttajaa, esimerkiksi kemianteollisuudesta. 

ArcelorMittal ja LanzaTech tutkivat myös käyttösovelluksia, joissa tuotekaasusta voitaisiin tuottaa suoraan muunlaisia orgaanisia yhdisteitä käymisen kautta. Näitä voisi käyttää kemianteollisuuden rakennuspalikkoina muovien valmistamisessa. 

Terästeollisuudella on ArcelorMittalin esimerkin perusteella vielä matkaa hiilineutraaliuteen. Seuraavaan kymmeneen vuoteen ei hänen mukaansa tule vielä olemaan riittävästi edullista vetyä. Gentin tehtaalla on piakkoin tulossa yhden masuunin uudistus ajankohtaiseksi ja siinä yhteydessä vetypelkistystä arvioidaan.