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Jun 19, 2023

Wege zur Dekarbonisierung Folge sieben: Der elektrische Schmelzofen

16. Juni 2023 Principal Marketing Sustainability Projects Head of Technical Partnerships Principal Sustainability Partnerships Vice President Sales & Marketing Sustainability Am 23. März 2023, BHP

16. Juni 2023

Wichtigste Marketing-Nachhaltigkeitsprojekte

Leiter Technische Partnerschaften

Wichtigste Nachhaltigkeitspartnerschaften

Vizepräsident Vertrieb und Marketing Nachhaltigkeit

Am 23. März 2023 unterzeichnete BHP eine Vereinbarung mit dem globalen Ingenieurbüro Hatch über den Entwurf einer Pilotanlage für einen elektrischen Schmelzofen (ESF) mit dem Ziel, einen Weg zur Verringerung der Kohlendioxidemissionsintensität (CO2) bei der Stahlproduktion unter Verwendung von Eisenerz aus unserem Westen aufzuzeigen Bergbaubetriebe für australisches Eisenerz (WAIO). Diese Pilotanlage wird von entscheidender Bedeutung sein, um die Technologie zu optimieren und das Risiko zu verringern, um unsere Kunden zu unterstützen, die den Einsatz in vollem Umfang in Betracht ziehen. In dieser Folge unserer Reihe „Wege zur Dekarbonisierung“ untersuchen wir das Innenleben des ESF und die wichtige Rolle, die er in unserem aktualisierten Rahmenwerk zur Dekarbonisierung von Stahl spielen kann.

Die globale Lieferkette für Eisen und Stahl ist riesig und produziert jährlich fast 2 Milliarden Tonnen Stahlprodukte1, die in unseren Gebäuden, Autos, Haushaltsgeräten, Windkraftanlagen und zahlreichen anderen stahlhaltigen Gütern und Infrastrukturen verwendet werden. Während die Stahlindustrie gemeinsam daran arbeitet, die Herausforderung des Klimawandels zu bewältigen, ist die Navigation ungewiss. Wie wir in der sechsten Folge dieser Serie besprochen haben, gibt es mehrere zu erkundende Wege und viele Schritte, die unternommen werden können, um einen potenziellen grünen Endzustand zu erreichen. Dies ist die Phase unseres Stahl-Dekarbonisierungsrahmens, in der eine weit verbreitete „nahezu emissionsfreie Stahlproduktion“2 möglich wäre erreichbar sein. In diesem Zusammenhang ist die Aufrechterhaltung der Widerstandsfähigkeit der Lieferkette von größter Bedeutung, um sicherzustellen, dass die Stahlnachfrage während der gesamten Energiewende gedeckt wird.

Die Lieferkettenkonfigurationen, die beim Übergang zu einem grünen Endzustand vorherrschen, müssen eine umfassende Reduzierung der Treibhausgasemissionen kosteneffektiv ermöglichen und gleichzeitig Zuverlässigkeit und Flexibilität wahren.

Die Beschleunigung der Dekarbonisierung von Stahl bei gleichzeitiger Wahrung der Integrität der Lieferkette betrifft die gesamte Wertschöpfungskette. Wir agieren am Anfang der Kette und konzentrieren uns darauf, sicherzustellen, dass wir unseren Kunden leistungsstarke und konsistente Eisenerze und metallurgische Kohlen liefern, während wir an der Dekarbonisierung unserer Betriebe arbeiten. Für Emissionen in der Wertschöpfungskette, die außerhalb unserer direkten Kontrolle liegen, haben wir uns für 2030 das Ziel gesetzt, Stahlhersteller bei der Entwicklung von Technologien und Wegen zu unterstützen, mit denen sich die Emissionsintensität in der integrierten Stahlproduktion um 30 % reduzieren lässt. Die weitverbreitete Einführung wird nach 2030 erwartet. Darüber hinaus verfolgen wir ein langfristiges Ziel Langfristiges Ziel, bis 2050 für unsere Stahlproduktion und andere Kunden, unsere Lieferanten und den Versand von BHP-Produkten Netto-Null-Scope-3-Treibhausgasemissionen zu erreichen. Das Erreichen dieses Ziels ist ungewiss, insbesondere angesichts der Herausforderungen, die ein Netto-Null-Pfad für unsere Kunden in der Stahlerzeugung mit sich bringt, und wir können das Ergebnis nicht allein sicherstellen. Für die integrierte Stahlerzeugung – die heute den größten Beitrag zum von BHP gemeldeten Scope-3-Emissionsinventar leistet – verfolgen wir diese Ziele durch Forschungsprogramme, BHP Ventures-Investitionen und Partnerschaften mit unseren Kunden, Forschungseinrichtungen und Technologieanbietern.

Basierend auf unserer umfangreichen Forschung und unserem Fachwissen in der Stahlherstellungsprozesstechnologie haben wir potenzielle Pfade über vier Prozessrouten für die Primärstahlherstellung identifiziert, die am vielversprechendsten für das Erreichen des grünen Endzustands sind (Hinweis: Die Primärstahlherstellung ist die Stahlproduktion auf Eisenerzbasis, bei der die meisten Treibhausgasemissionen entstehen). erzeugt werden, im Gegensatz zur schrottbasierten Stahlproduktion, die weniger Emissionen verursacht, aber durch die Schrottverfügbarkeit eingeschränkt ist). Die vier identifizierten primären Stahlherstellungsprozessrouten sind:

Um die Branche auf allen möglichen Wegen über diese Prozessrouten voranzutreiben, ist eine umfassende Entwicklung anwendbarer Technologien, betrieblicher Fähigkeiten und unterstützender Infrastruktur erforderlich. Nicht alle diese Entwicklungen werden erfolgreich sein, und wenn sie Erfolg haben, werden die örtlichen Gegebenheiten Einfluss darauf haben, wo, wann, in welcher Kombination und in welchem ​​Umfang sie von den Stahlherstellern übernommen werden. Daher ist es ratsam, Wege für alle vier Prozessrouten zu verfolgen.

Weg 1: Die Reduzierung des Hochofens ist unerlässlich, wenn die Industrie die Treibhausgasemissionsintensität der Primärstahlproduktion in den 2030er Jahren deutlich reduzieren will.

Die Hochofenroute (BF) ist effizient, zuverlässig, großflächig und kann eine große Vielfalt an Eisenerzen verarbeiten. Heutzutage ist es in der Stahlindustrie weit verbreitet und macht etwa 70 % oder etwa 1,4 Milliarden Tonnen der jährlichen Rohstahlproduktion weltweit aus (der Anteil in China liegt mit etwa 90 % oder etwa 0,9 Milliarden Tonnen pro Jahr höher)3. Emissionsminderungstechnologien, die in die bestehende BF-Streckeninfrastruktur integriert oder „angeschlossen“ werden können, bieten wichtige Möglichkeiten zur Beschleunigung der Emissionsminderung in diesem und im nächsten Jahrzehnt. Sie können den enormen Kapitalstock nutzen, der bereits in den Sektor investiert ist, und die niedrige Fluktuationsrate der Branche umgehen, da sie das Potenzial haben, auf den großen Anteil der Primärstahlproduktion angewendet zu werden, den die dauerhafte BF-Flotte behalten wird. Wir sind der Ansicht, dass zur wesentlichen Reduzierung der Treibhausgasemissionsintensität der Primärstahlproduktion in den 2030er Jahren, die innerhalb der Betriebslebensdauer vieler dieser Anlagen liegen, die Entwicklung und der weitverbreitete Einsatz von BF-Modifikationstechnologien erforderlich sind, die die Emissionen verringern, parallel zu denen für andere Prozessrouten, bei denen es unseres Erachtens wahrscheinlich länger dauern wird, bis sie sich aus einem geringen oder gar keinem Anteil der heutigen Produktionskapazität ausreichend verbreiten.

BHP trägt durch technische Zusammenarbeit mit führenden Stahlherstellern zur Entwicklung der BF-Streckenvermeidung bei. Zu diesen Technologien gehören Gichtgasrecycling, CCUS, Wasserstoffinjektion und die Substitution von fossilem Kohlenstoff durch biogenen Kohlenstoff. Nicht alle Technologien werden in allen Regionen kommerziell realisierbar sein, aber wir glauben, dass Stahlherstellern immer mehr Zugang zu erheblichen kosteneffektiven Emissionsminderungen verschafft werden wird.

Rohstoffverbesserungen spielen eine wichtige Rolle bei der Entwicklung dieser Technologien. Zu diesem Zweck treiben wir die Bewertung von Kokskohlen mit niedrigem Aschegehalt voran, testen Verbesserungen unseres Eisenerzklumpenprodukts und unterstützen die Kundenakzeptanz von WAIO-Produkten für die Pelletproduktion.

BHP lehnt Technologien im Frühstadium mit hohem Minderungspotenzial nicht ab. Wir investieren in aufkommende Elektrolysetechnologien, die bei Erfolg eine neue Prozessroute realisieren werden (Route 4: Elektrochemische Reduktion durch Elektrolyse), einschließlich der Molten Oxide Electrolysis von Boston Metal und der Low Temperature Iron von Electra. Eine völlig neue Prozessroute im technisch anspruchsvollen Bereich der Stahlherstellung steht jedoch vor der Herausforderung, an mehreren Standorten/Regionen kommerziell rentabel zu sein. Wenn dies der Fall ist, müssen diese Technologien auch eine gleichwertige Stückproduktivität aufweisen und einen Weg zur Integration in bestehende Produktionslinien für den Mainstream-Einsatz bieten.

In dieser Folge konzentrieren wir uns auf die beiden Prozessrouten, die zwischen diesen Buchstützen liegen; diejenigen, die nutzenDirekt reduziertes Eisen(DRI) gekoppelt mit entweder einemElektrolichtbogenofen(EAF) oder einElektrischer Schmelzofen(ESF), das stillgelegte Hochöfen ersetzen oder neue Kapazitäten für die primäre Stahlerzeugung schaffen kann.

Typische Betriebszyklen von Lichtbogenöfen und Elektroschmelzöfen unter Verwendung von DRI, hergestellt aus Eisenerz vom Pilbara-Typ.4,5,6

Direktreduzierte Eisenrouten erleichtern das Wachstum der elektrifizierten Stahlerzeugung.

DRI ist eine feste metallisierte Form von Eisenerz, die in einer DRI-Anlage hergestellt wird, die bei einer Temperatur unterhalb des Schmelzpunkts des zugeführten Erzes arbeitet. Die Elektroofenrouten, die DRI verwenden, sind für eine tiefgreifende Reduzierung der Treibhausgasemissionen interessant, da die DRI-Anlage im Gegensatz zur BF keinen kohlenstoffhaltigen Koks für den Betrieb benötigt und stattdessen wasserstoffhaltige Gasmischungen verwendet, um Eisenerz chemisch in Eisen umzuwandeln, was zu einer Senkung der Treibhausgasemissionen führt die CO2-Emissionsintensität. Derzeit werden diese Prozessgasgemische aus fossilen Brennstoffen gewonnen,7 aber in Zukunft besteht die Möglichkeit, DRI-Prozessgas auf 100 % Wasserstoff umzustellen. Darüber hinaus findet in der DRI-Einheit kein Schmelzen statt und die Energie zum Schmelzen wird stattdessen hauptsächlich durch Elektrizität in einem separaten Elektroofen geliefert. Die Erzeugung von elektrolytischem „grünem“ Wasserstoff und der Betrieb des Elektroofens können mit fester erneuerbarer Energieversorgung betrieben werden, wenn dies wirtschaftlich ist, wodurch eine nahezu emissionsfreie Stahlproduktion in greifbare Nähe gerückt wird. Allerdings gibt es hier gute Gründe zur Vorsicht. Es müssen erhebliche technische Hürden überwunden werden, und an irgendeinem Punkt des Prozessweges muss noch Kohlenstoff eingeführt werden, da es sich bei Stahl um eine kohlenstoffhaltige Eisenlegierung handelt. Darüber hinaus ist das schiere Ausmaß der Nachfrage nach erneuerbarem Strom, die dieser Weg mit sich bringt, enorm. Wie wir in der zweiten Folge dieser Serie festgestellt haben, benötigt eine einzelne DRI-Anlage typischer Größe (dh 2 Millionen Tonnen DRI pro Jahr) die gleiche erneuerbare Energieversorgung wie ein kleines Kernkraftwerk, nur um den benötigten Wasserstoff bereitzustellen. Unter Berücksichtigung des Stroms für den Elektroofen liegt der gesamte feststehende Bedarf an erneuerbarer Energie in der Nähe eines typischen mittelgroßen Kernkraftwerks mit 1,0 GW. Um alle heute in Betrieb befindlichen BF-Streckenanlagen zu ersetzen, wären etwa 1.000 Anlagen dieser Größenordnung erforderlich.

Derzeit ist der EAF die etablierte Elektroofenkonstruktion für den DRI-Verbrauch, diese Konstruktion weist jedoch enge Betriebsschwellen auf. BHP hat den ESF als alternatives Ofendesign untersucht, das im Vergleich zum EAF8 eine bessere Leistung und Rohstoffflexibilität bieten könnte. Wir haben Untersuchungen durchgeführt, um die Eignung für die weitere Entwicklung zu ermitteln, und uns bei unseren Kunden für die Berücksichtigung des ESF eingesetzt. In Zusammenarbeit mit Hatch haben wir jetzt mit einer Designstudie für eine ESF-Pilotanlage begonnen.

Der ESF wurde kürzlich auch von den großen Stahlherstellern Tata Steel Europe, ThyssenKrupp, voestalpine, BlueScope und POSCO für die Entwicklung ausgewählt.

Abbildung 1: Vier primäre Prozessrouten der Stahlherstellung bieten potenzielle Wege zum grünen Endzustand in unserem Stahl-Dekarbonisierungsrahmen.

Um zu erklären, warum der ESF in unserem Entwicklungsprogramm vorrangig für die Skalierung getestet wurde, gehen wir noch einmal auf die wichtigsten Schritte zur Umwandlung von Eisenerz in Stahl ein und erläutern dann die unterschiedlichen Methoden, mit denen die DRI-EAF- und DRI-ESF-Prozessrouten diese Schritte erreichen.

Eisenerz besteht aus Eisenoxiden und anderen Verunreinigungen. Um es in Stahl umzuwandeln, durchläuft es Folgendes:

Dies sind nicht die einzigen Schritte, aber sie sind die Schlüssel.

Über die BF-Route,die ErmäßigungUndschmelzenwerden beide innerhalb des BF selbst erreicht undverfeinern wird in einem separaten Basic Oxygen Furnace (BOF) durchgeführt. Über die ESF-Route und die EAF-Route leistet die DRI-Einheit, die diese Öfen versorgt, ausschließlich Leistungdie Ermäßigungohne zu schmelzen, sodass alle Verunreinigungen im festen DRI verbleiben, das anschließend geschmolzen und raffiniert werden muss, um sie zu entfernen.

Der etablierte EAF ist für die Zufuhr von Stahlschrott ausgelegt.

Der EAF wurde ursprünglich für das schnelle Schmelzen von Schrottchargen mit starker Erwärmung durch einen Lichtbogen entwickelt und optimiert und weist enge Betriebstoleranzen auf.

EAFs eignen sich nicht zur Erzreduktion und können daher kein Eisen aus Eisenerz herstellen. Das Erz muss zuvor zu einem erzbasierten Metall reduziert (oder „metallisiert“) werden. Das Metall aus einem Hochofen und DRI sind beide erzbasierte Metalle und diese sind zu einem wichtigen EAF-Ausgangsmaterial geworden, um problematische Restverunreinigungen im Schrott zu verdünnen, die der Ofen nicht abtrennen kann, wie etwa Kupfer und Zinn. Da das Schrottangebot in Zukunft zunimmt, wird die Nachfrage nach erzbasierten Metallen zur Verdünnung von Schrottrückständen steigen.

Wenn EAFs jedoch mit einem höheren DRI-Gehalt betrieben werden, um die herkömmliche Primärstahlproduktion auf dem BF-Weg zu ersetzen, entstehen aus den Ganggesteinsverunreinigungen höhere Schlackenmengen, und Eisen geht leicht in dieser Schlacke verloren. Der Verlust von Eisen im Prozess ist teuer und ineffizient, nicht nur wegen des zusätzlichen Erzes, das zur Beschickung des Ofens benötigt wird, sondern höhere Metallverluste führen auch zu einem viel höheren Wasserstoffverbrauch und größeren technischen Schwierigkeiten bei der Minimierung der Treibhausgasemissionen9. Der elektrische Wirkungsgrad des Ofens und die Qualität des erzeugten Stahls hängen ebenfalls sehr stark von der Qualität der Beschickung ab.

Aus diesen Gründen werden bei der Herstellung von DRI für EAFs die höchsten Eisenerzqualitäten verwendet, typischerweise über 67 % Fe mit weniger als 2,5 % Ganggesteinsverunreinigungen und wenig Phosphor (die restliche Masse besteht hauptsächlich aus an das Fe gebundenen Sauerstoffatomen). Ziel des Reduktionsschrittes). Um die Eisenverluste im EAF zu begrenzen, ist die DRI-Einheit außerdem so konfiguriert, dass sie so viel Eisenerz wie möglich metallisiert, und das erzeugte DRI wird normalerweise mit mindestens 50 % Schrott gemischt. Selbst mit dieser hochwertigen Rohstoffmischung sind EAFs derzeit nicht für die Herstellung höchster Stahlqualitäten (z. B. Autobleche für die Automobilherstellung) geeignet. Dies ist heute kein sehr flexibler Prozess und der Rohstoffbedarf behindert eine breitere Einführung der DRI-EAF-Produktionsroute.

Wood Mackenzie schätzt, dass nur etwa 3 % des Eisenerzangebots auf dem Seeweg die oben beschriebenen typischen Qualitätsschwellenwerte erfüllen. Die Knappheit und die hohen Kosten dieses Eisenerzes „DR-Qualität“ haben die kommerzielle DRI-Produktion auf die wenigen Standorte beschränkt, die über geeignete Erzreserven verfügen und/oder wo Erdgas (oder Kraftwerkskohle) extrem billig ist, z. B. im Nahen Osten, in Nordafrika, den USA, Indien und Russland. DRI-Produzenten und EAF-Betreiber haben sich darauf eingestellt, bestimmte Arten minderwertiger Materialien in ihren Betrieben einzumischen, aber die DRI-EAF-Route bleibt von Natur aus empfindlich gegenüber der Qualität der Zufuhr und eignet sich daher nur für einen kleinen Teil der weltweiten Eisenerz- und Primärstahlproduktion.

Die bloße Eröffnung neuer Minen, die die typischen DR-Gehaltsspezifikationen erfüllen können (nach der Verarbeitung des Erzes), ist keine praktikable Option, um die Industrie in einen umweltfreundlichen Endzustand zu überführen. Geeignete Lagerstätten sind rar und aus vielen Gründen nur sehr schwer zu erschließen; oft eine Kombination aus geopolitischer Instabilität, Geologie, unzureichender unterstützender Logistikinfrastruktur und qualifizierten Arbeitskräften sowie unzähligen HSE-Risiken. Ironischerweise weisen diese Lagerstätten typischerweise einen geringen Eisenerzgehalt im Boden auf, was grundlegende Auswirkungen auf die Minenentwicklung hat. Das Erz durchläuft intensive Aufbereitungsprozesse (als „Aufbereitung“ bezeichnet), um die Produktspezifikation DR-Qualität zu erreichen. Auf diese Arten von Erzkörpern angewandte Aufbereitungsprozesse können bei der Trennung von Eisen vom Ganggestein zur Herstellung von DR-Produkten sehr effizient sein. Trotzdem ist die Gesamtmassenausbeute unvermeidbar gering, d. h. die Materialmenge, die für jeden abgebaut, bewegt und verarbeitet werden muss Tonne verkaufsfähiges Erzprodukt ist groß. Die Kapital- und Betriebskosten vervielfachen sich entsprechend und die betriebliche Komplexität erhöht die Anfälligkeit für Kostenüberschreitungen, Entwicklungsverzögerungen und Schwierigkeiten beim gleichzeitigen Erreichen von Produktionsvolumen und -qualität.

Diese Minen erzeugen bei der Aufbereitung große Mengen an Rückstandsabfällen. Die Minenplanung zur Bewirtschaftung von Abraumhalden kann je nach ihren Eigenschaften und den örtlichen Gegebenheiten (insbesondere der Landschaft und den Niederschlagsmustern) eine Herausforderung darstellen. In einigen Fällen sind Genehmigungen für die Einbeziehung des Tailings-Managements in Entwicklungspläne einfach nicht erhältlich, was die Erschließung von Minen verhindert. Der Einsatz von Aufbereitungsprozessen, wie z. B. das Zerkleinern von Erz zu sehr feinen Partikeln zur magnetischen Trennung, erhöht auch den Energieverbrauch und die geringe Massenrückgewinnung des Produkts aus abgebauten Materialien führt in der Regel zu höheren betrieblichen Treibhausgasemissionen in der vorgelagerten Abbaustufe.

Während wahrscheinlich eine kleine Anzahl neuer Minen entwickelt werden, die DR-Erz produzieren können, gehen wir davon aus, dass der Einfluss auf den globalen Erzmix, der der Stahlindustrie zur Verfügung steht, aufgrund von Größenbeschränkungen gering sein wird, mit der möglichen Ausnahme von Simandou-Eisen Erzprojekt in Guinea, wenn es gefördert wird (was nicht Teil der angekündigten Entwicklungspläne ist).

Die Industrie benötigt die Entwicklung von Wegen für nahezu emissionsfreien Stahl, die eine breite Palette von Eisenerzen nutzen können, deren Menge ausreicht, um den Stahlbedarf zu decken.

Bei Erzen aus Lagerstätten mit einem höheren Fe-Gehalt in situ, die einen ausreichenden Gehalt aufweisen, um mit minimaler Verarbeitung vermarktbar zu sein (sogenanntes Direct Shipping Ore oder DSO), können auch intensive Aufbereitungsmethoden angewendet werden, um die Qualität des geförderten Erzes weiter zu verbessern. Allerdings weisen viele dieser Erzlagerstätten, einschließlich derjenigen in unseren WAIO-Betrieben, einen schwächeren Magnetismus und Dichteunterschiede zwischen dem Eisen und den im Erz enthaltenen Verunreinigungen auf und reagieren daher weniger gut auf die Aufbereitung, deren Wirksamkeit auf diesen Eigenschaften beruht. Da das Gehaltsziel der Aufbereitungsanlage nach oben getrieben wird, geht immer schneller Eisen im aussortierten Abfall verloren, was die Minenproduktion verringert und die Ausbeute an Eisen, das aus der Lagerstätte gewonnen wird, schmälert. Für die meisten Minen stellt dies eine praktische Obergrenze für die erreichbare Produktqualität dar, die unter den aktuellen DR-Standards liegt, selbst wenn die beste verfügbare Aufbereitungstechnologie zum Einsatz kommt. In einigen Fällen kann die selektive Aufbereitung der reaktionsfähigsten Teile eines Erzkörpers DR-Qualitätsprodukte liefern, jedoch nur für einen Bruchteil der Minenproduktion.

BHP verfügt über ein laufendes Programm zur Entwicklung der Aufbereitungstechnologie, um die Leistung der Gehaltsgewinnung zu verbessern, und wir erwägen derzeit den Bau einer Aufbereitungsanlage in unserem Bergbaubetrieb Jimblebar. Allerdings ist es für Jimblebar und die meisten anderen Pilbara-Regionen unrealistisch, die aktuellen DR-Qualitätsschwellenwerte für die gesamte Minenproduktion zu erreichen Minen und Lagerstätten in absehbarer Zukunft.

Demonstration der Pelletierung von BHP-Eisenerz: In einigen Märkten herrscht die Auffassung, dass aus Pilbara-Erzen keine Pellets hergestellt werden können. Durch ein gemeinsames Forschungs- und Entwicklungsprogramm mit unseren Kunden in China, die Pelletanlagen betreiben, haben wir jedoch gezeigt, dass die WAIO-Produkte von BHP mit einer Vielzahl von Erzarten gemischt werden können (eine normale Praxis für ein Stahlwerk und die Art und Weise, wie Eisenerze gehandelt werden). werden derzeit verwendet), um Pellets von vergleichbarer Qualität wie andere kommerzielle Seepellets herzustellen. Wir haben auch Pilotmengen von 100 % BHP WAIO-Pellets hergestellt, die den metallurgischen Qualitätsanforderungen für die Verwendung von BF und DRI entsprechen. Indem wir diese Fähigkeit bei unseren Kunden unter Beweis stellen, eröffnen wir wertvolle Wege für potenziell schrittweise geringere Emissionen bei der BF-Produktion aus unseren Erzen sowie bei der DRI-Produktion mithilfe der pelletbeschickten Schachtofentechnologie, der heute in der Branche etablierten DRI-Technologie.

Abbildung 2: Indikative Massengewinnungskurven für die Aufbereitung einer Pilbara-Lagerstätte und einer Lagerstätte, die derzeit DR-Produkte produziert (veranschaulichender Durchschnitt für jede Lagerstätte). Pfeile geben die Richtung entlang der Kurve an, der das geförderte Erz während der Aufbereitung folgt.

Der elektrische Schmelzofen: ein Schlüssel zur flexiblen Direktreduktion von Eisenerz?

Im Gegensatz zu einem EAF ist der ESF speziell für die Verarbeitung von DRI konzipiert und kann für den Betrieb mit verschiedenen Qualitäten und physikalischen Formen von DRI (z. B. Pellets, Feinteilchen, Klumpen oder Briketts) angepasst werden. Dadurch erweitert sich der Bereich geeigneter Eisenerz-Rohstoffe um Erze mittlerer Qualität aus unseren WAIO-Betrieben, die natürlicherweise in Klumpen- und Feinkornform vorliegen, aber auch pelletiert und brikettiert werden können. Wichtig ist, dass das von der ESF produzierte Metall auch für die Veredelung in die gesamte Palette an fertigen Stählen geeignet ist, die die BF-Route produziert. In der Vergangenheit machte die Wettbewerbsfähigkeit der etablierten BF-Eisenherstellung die Kommerzialisierung der ESF-Technologie unattraktiv, aber das Streben nach einer nahezu emissionsfreien Primärstahlproduktion hat ihre Aussichten verändert.

Was ist also am ESF anders, das ihm diese umfassenderen Möglichkeiten verleiht? Wie beim EAF erfolgt bei einem ESF die Erzeugung von Wärme in einer Eisenmischung durch die Weiterleitung von Elektrizität zwischen Elektroden, die durch die Decke des Ofens abgesenkt werden. Die darin ablaufenden Prozesse unterscheiden sich jedoch stark von einem EAF. Der ESF ist für den kontinuierlichen Betrieb konfiguriert, wobei reduzierende Bedingungen durch Zugabe kleiner Mengen Kohlenstoff10 in den Ofen aufrechterhalten werden, der zur Vermeidung von Lufteintritt abgedichtet ist. Die Elektroden werden unterschiedlich betrieben, wodurch sich der elektrische Pfad, die Leistungsdichte und die damit verbundenen metallurgischen Prozesse rund um die Elektroden verändern. Dem Ofen wird kontinuierlich DRI zugeführt, um eine Schicht aus allmählich reduzierendem und schmelzendem Feststoff aufrechtzuerhalten, die die Elektroden umgibt und auf dem geschmolzenen Metall und der Schlacke schwimmt. Die Betriebsumgebung des Ofens ermöglicht auch die Steuerung der Schlackenchemie auf eine Art und Weise, die eher der BF-Schlacke als der EAF-Schlacke ähnelt. Das geschmolzene Metall und die Schlacke werden regelmäßig durch Abstichlöcher aus dem Ofen abgelassen, ohne dass der Ofenbetrieb unterbrochen wird.

Diese Unterschiede mögen recht subtil klingen, aber sie versprechen die Eröffnung eines neuen Stahlherstellungsprozesses, der sowohl flexibel als auch kostengünstig ist und eine tiefgreifende Reduzierung der Treibhausgasemissionen ermöglicht.

Abbildung 3: Typische Betriebsbereiche für die BF- und DRI-Prozessrouten

Synergien vor- und nachgelagert

Bei erfolgreicher Skalierung wäre die DRI-ESF-Route für den schrittweisen Ersatz des treibhausgasintensiven Frontends des Stahlwerks – Hochöfen, Sinteranlagen und Koksbatterien – geeignet, ohne dass die umfangreichen nachgelagerten Raffinierungs- und Verarbeitungsanlagen und die damit verbundenen Anlagen verloren gehen Logistikinfrastruktur, die für die Herstellung und Lieferung der Vielzahl fertiger Stahlprodukte an ihre Endverbraucher erforderlich ist.

Alternativ können eigenständige DRI- oder kombinierte DRI-ESF-Anlagen an einem wirtschaftlich günstigeren Standort errichtet werden (z. B. dort, wo grüner Wasserstoff billiger ist), ohne auf die Hebelwirkung der nachgelagerten Infrastruktur zu verzichten, da das DRI verschifft oder das Eisen durch die Kombination produziert werden kann DRI-ESF kann gegossen und dann zu einem bestehenden Stahlwerk transportiert werden (wobei zu beachten ist, dass das Umschmelzen dieses Eisens bei der Ankunft im Stahlwerk zusätzliche Energie erfordert, die mit einem DRI-ESF vor Ort im Stahlwerk vermieden wird).

Die Fähigkeit des ESF, geschmolzenes Metall und Schlacke zu produzieren, die denen eines BF ähneln, bietet auch vorgelagerte Synergien, indem die strengen DRI-Qualitätsschwellen, die für den EAF gelten, gelockert werden. Eisenverluste an die Schlacke sind geringer und Phosphor aus der Erzbeschickung kann durch die nachgeschalteten Raffinierungsprozesse verwaltet werden. Einige der anspruchsvollsten technischen Hürden bei der Herstellung von DRI hängen mit dem sich ändernden physikalischen Verhalten des DRI (insbesondere der Klebrigkeit) zusammen, wenn es den höchsten Metallisierungsgrad von über 90 % erreicht. Durch die Kombination der DRI-Einheit mit einem ESF anstelle eines EAF muss die Metallisierung möglicherweise nur 80–85 % erreichen, wodurch diese Probleme vollständig vermieden werden. Dies würde das Risiko für den Betrieb von DRI-Anlagen mit etablierten Schachtöfen verringern und auch die Tür für andere DR-Technologien wie Wirbelschichtkonstruktionen öffnen, die traditionell durch die Prozesskomplexität der Erzielung einer hohen Metallisierung herausgefordert werden und Feinerze (die am häufigsten vorkommende Form) reduzieren können von vermarktetem Eisenerz), ohne dass es zu Sinter, Nuggets oder Pellets vorverarbeitet werden muss. Daher ist der Metallisierungsgrad der DRI-Beschickung ein Schlüsselparameter, der bei der Pilotierung und Erweiterung des ESF untersucht werden muss. Der Nachweis der Wirbelschicht-DR-Technologie für feines Eisenerz ist hingegen für den Erfolg der DRI-ESF-Route für Erze vom Pilbara-Typ nicht unbedingt erforderlich, daher werden verschiedene DRI-Formen für die Anlage beschafft und getestet.

Es wird erwartet, dass die vom ESF produzierte Schlacke der BF-Schlacke ähnelt und daher als Zementersatz geeignet ist und nicht entsorgt werden muss. Durch den Ersatz der treibhausgasintensiven Zementproduktion dürften 150–200 kg CO2 pro Tonne Roheisen eingespart werden, das vom ESF11 produziert wird.

Übergang zum Pilotprojekt

Die Technologiekomponenten für den ESF sind in angrenzenden Industrien ausgereift (z. B. Ferrolegierungs-, Titandioxid- und Nickelproduktion), aber die metallurgischen, technischen und betrieblichen Anforderungen für seine Anwendung bei der Stahlproduktion mit geringen Treibhausgasemissionen aus Erzen des Pilbara-Typs wurden nicht ausreichend charakterisiert. Damit der ESF seine potenzielle Rolle bei der Reduzierung der Treibhausgasemissionsintensität der Primärstahlerzeugung voll ausschöpfen kann, muss seine Leistungsfähigkeit unter Beweis gestellt und geteilt werden, um eine breite Akzeptanz in der Industrie zu ermöglichen. Unsere lange Geschichte in der Stahlindustrie und unser umfassendes Know-how in der Primärstahlherstellung, das wir in Zusammenarbeit mit unseren Kunden in verschiedenen Märkten aufgebaut haben, versetzen BHP in die einzigartige Lage, die Entwicklung mit diesen Zielen vor Augen durchzuführen.

Die von BHP und Hatch entworfene ESF-Pilotanlage wird die erforderliche Plattform bieten, um die Technologie zur Verarbeitung von Pilbara-Erzen systematisch zu untersuchen und zu risikomindern und zu optimieren. Sie ist ein wichtiger Meilenstein auf dem Entwicklungsweg von Labortests bis hin zum erfolgreichen kommerziellen Einsatz.

Fußnoten

1 Die gesamte Rohstahlproduktion weltweit betrug im Jahr 2022 1,89 Milliarden Tonnen (World Steel Association).

2 In diesem Artikel wird „nahezu emissionsfreier Stahl“ verwendet, wie von der IEA definiert und im ResponsibleSteel International Standard V2.0 implementiert (Schwellenwert „nahezu null“ für Leistungsstufe 4). IEA (2022), Achieving Net Zero Heavy Industry Sectors in G7 Members, IEA, Paris, Lizenz: CC BY 4.0.

3 worldsteel.org/steel-topics/statistics/world-steel-in-figures-2023, World Steel Association

4 Die gezeigten DRI-, Schrott-, Flussmittel- und Kohlenstoffbeschickungsraten dienen der Veranschaulichung und gelten als typisch für einen effizienten Ofenbetrieb mit DRI, das aus Erzen des Pilbara-Typs hergestellt wird. Der EAF bietet die größte Flexibilität bei der Ausschussquote, wobei einige der wichtigsten Leistungskompromisse an anderer Stelle in diesem Artikel besprochen werden.

5 „Flüssiger Stahl“ aus einem EAF ist bereit zum Gießen. „Heißes Metall“ aus einem ESF, wie BF-Heißmetall, muss vor dem Gießen zu flüssigem Stahl veredelt werden. Dies wird typischerweise in einem Basic Oxygen Furnace (BOF) durchgeführt, kann aber auch in einem EAF durchgeführt werden.

6 Der größte Teil der Eisenverluste durch Elektroofenschlacke ist reoxidiertes Eisen (FeO), kleinere Verluste entstehen durch in der Schlacke suspendierte metallische Eisentröpfchen.

7 Reformiertes Erdgas oder vergaste Kohle, die ein Gasgemisch liefern, das hauptsächlich Wasserstoff und Kohlenmonoxid mit kleineren Mengen Kohlendioxid, Methan und Wasserdampf enthält. Der Wasserstoffgehalt beträgt typischerweise ~55 %.

8 Zwei prominente ESF-Typen sind der Submerged Arc Furnace (SAF) und der Open Slag Bath Furnace (OSBF), wobei letzterer besser für die Stahlherstellung geeignet ist. Der ESF wird manchmal auch als reduzierender Elektroofen oder Elektroschmelzofen bezeichnet (obwohl es sich technisch gesehen um einen Schmelzofen handelt, da er sowohl Reduktion als auch Schmelzen durchführt).

9 Die Emissionen in der Wertschöpfungskette werden durch Eisenertragsverluste verstärkt, selbst wenn das Erz mit 100 % Wasserstoff reduziert wurde. Dies wird durch höhere Flusskalzinierungsemissionen, erhöhte vorgelagerte Scope-3-Emissionen (Bergbau und Logistik) und erhöhte Scope-2-Emissionen verursacht, wenn der für den EAF gewonnene Strom nicht zu 100 % erneuerbar ist.

10 Schätzungsweise etwa 0,05–0,08 Tonnen Kohlenstoff pro Tonne Rohstahl, was 0,18–0,29 Tonnen CO2-Emissionen entspricht.

11 Unter der Annahme, dass 0,6 Tonnen CO2 pro Tonne Portlandzement emittiert werden, 250–330 kg Schlacke pro Tonne Roheisen erzeugt werden, das in einem ESF erzeugt wird, und ein Zement:Schlacke-Ersatzverhältnis von 1:1 nach Masse.

Chris kam vor zwei Jahren zu BHP und übernahm im Jahr 2022 die Leitung von Jasper Asia. Er ist stolz auf die integrative Kultur und das aktive Zuschauerprogramm von BHP und hofft, dass, wenn Kollegen schädliches Verhalten melden, dies dazu beiträgt, einen sicheren Raum für LGBTQ+-Personen zu schaffen Schreiben und teilen Sie ihre Geschichten.

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