Vodik v jeklarstvu: pričakovanja, resničnost in omejitve

Vodik je postal ena izmed najbolj izpostavljenih rešitev za razogljičenje jeklarske industrije.

Pri proizvodnji jekla iz železove rude lahko bistveno zmanjša emisije obsega 1, saj v procesu redukcije nadomesti ogljik. 

V konvencionalni proizvodnji jekla v plavžu največ emisij CO₂ nastane zaradi kemijske reakcije pri redukciji železove rude. Kisik iz rude se veže z ogljikom in nastane CO₂. 

Če ogljik zamenjamo z vodikom, se kisik veže z vodikom in nastane H₂O. 

Zato lahko vodik zmanjša emisije obsega 1 pri proizvajalcih primarnega jekla. Kljub temu pa ostajajo njihove emisije obsega 3 višje od emisij proizvajalcev, ki uporabljajo jekleni odpadek v elektroobločni peči (EOP), zaradi emisij iz rudarjenja, transporta itd. 

Toda mi se emisijam, ki jih vodik poskuša odpraviti, že zdaj v celoti izognemo. 

V Skupini SIJ jeklo proizvajamo s pretaljevanjem jeklenega odpadka v elektroobločnih pečeh, ne z redukcijo železove rude. Zato se največjemu viru emisij proizvodnje primarnega jekla v celoti izognemo. 

Omejitve vodika 

Tehnologije uporabe vodika so obetavne, vendar imajo tudi omejitve, ki so pogosto premalo izpostavljene. 

Učinkovitost 

Konvencionalna proizvodnja jekla v plavžu je energetsko učinkovitejša od redukcije z vodikom. Premog in zemeljski plin sta učinkovitejša reducenta kot vodik, ki za enako kemijsko reakcijo potrebuje več energije in toplote. 

Vodik je tudi manj uspešen pri sami redukciji, saj zahteva visokokakovostno železovo rudo s 67 % železa, ta pa je redka. Uporaba čistega vodika za redukcijo lahko povzroči razlike v sestavi neposredno reduciranega železa (DRI), kar lahko zahteva prilagoditve v nadaljnjih proizvodnih fazah. 

Potreba po velikih količinah obnovljivih virov 

Večina vodika se danes proizvaja s parnim reformingom metana (SMR), ki pri tem sprošča ogljikov monoksid (CO). 

Za dejansko zmanjšanje emisij, ne le njihov premik iz obsega 1 v obseg 3, potrebujemo zeleni vodik, proizveden z elektrolizo vode z obnovljivimi viri energije. 

Toda elektroliza vode je energetsko intenzivna in manj učinkovita od SMR. 

Za proizvodnjo 1 kg zelenega vodika je potrebnih približno 56 kWh obnovljive elektrike. 

Za proizvodnjo jekla z zelenim DRI pa potrebujemo okoli 60 kg vodika na tono jekla. 

To pomeni več kot 3.000 kWh obnovljive elektrike na tono jekla, samo za proizvodnjo vodika. 

Za zanesljivo delovanje v industrijskem obsegu bi bile potrebne ogromne količine obnovljive energije. Ta pa je omejena, nezanesljiva in draga. 

Poraba vode

Pri elektrolizi vode z uporabo električne energijo se molekule H₂O razcepijo na vodik in kisik. 

Pri tem je potrebna visokokakovostna voda, saj lahko nečistoče povzročijo degradacijo opreme. 

Za proizvodnjo 1 kg vodika je potrebnih približno 10 litrov vode. 

Velika poraba lahko obremeni lokalne vodne vire in povzroči dodatne okoljske izzive. 

Skladiščenje in transport vodika

Vodik je zelo zahteven za varno skladiščenje in transport. 

Povzroča krhkost in pokanje jeklenih cevi ter posod. Zaradi njihove majhnosti molekule zlahka uhajajo skozi tesnila in materiale. 

Zato je infrastruktura za vodik draga, tehnološko kompleksna in zahteva posebne varnostne ukrepe. 

Skladiščenje in transport DRI

Tudi DRI, reduciran z vodikom, predstavlja izzive. 

DRI je zelo reaktiven in nagnjen k oksidaciji, kar poslabša njegovo kakovost. Pri rjavenju se sprošča toplota, ki se pri skladiščenju velikih količinah DRI lahko nakopiči v tolikšni meri, da povzroči samovžig. 

Za varno ravnanje so potrebni inertni plini, stalno spremljanje in strogi varnostni postopki, kar podraži celotno verigo. 

Kako lahko vodik kljub temu igra vlogo v Skupini SIJ 

Čeprav vodik ni ključni dejavnik pri razogljičenju našega procesa, ki temelji na pretaljevanju jeklenega odpadka v EOP, lahko vseeno prispeva k zmanjšanju emisij na določenih točkah naše proizvodnje. V zadnjih letih smo v naših ogrevalnih pečeh namestili gorilnike, ki so pripravljeni na uporabo vodika (»hydrogen-ready«). To nam omogoča postopno zamenjavo zemeljskega plina z vodikom. Lokalno proizvodnjo vodika vidimo kot orodje za obvladovanje odstopanj od napovedane porabe električne energije. 

V sodelovanju s partnerjem proučujemo proces mikrovalovne plazme, ki razgradi zemeljski plin na vodik in grafen. Vodik lahko vmešamo v naš interni plinovod in ga uporabimo v ogrevalnih pečeh, grafen pa lahko prodamo ali uporabimo v naši proizvodnji. 

Testiranja že potekajo. V jeklarni smo preizkusili grafitne elektrode z dodatkom grafena, ki povečajo električno prevodnost in lahko znižajo porabo elektrod. Rezultati še niso znani, vendar prve ocene kažejo obetavne možnosti za izboljšanje učinkovitosti in trajnosti. 

Vodik ne bo preoblikoval našega osnovnega postopka izdelave jekla, vendar lahko ob ustrezni uporabi na pravih mestih pomaga zmanjšati emisije ter izboljšati energetsko in procesno učinkovitost. 

Global Efficiency Intelligence. (2024). Green H₂-DRI Steelmaking: 15 Challenges and Solutions 
World Steel Association. (2022). Fact sheet, Hydrogen (H₂)-based ironmaking.