Stahl wird bis 2100 globale Veränderungen in der Nachfrage und in den Technologien erleben, und das wird hervorragende Ergebnisse für seine Kohlenstoffemissionen und damit für die globale Erwärmung haben. In einer kürzlich durchgeführten Bewertung habe ich Nachfrage- und Technologiekurven bis 2100 projiziert und die strategischen Treiber für eine steigende und sinkende Nachfrage erläutert, von denen ich dachte, dass sie im Laufe der Zeit auftreten würden.
Die Prognose zeigte einen Anstieg von der aktuellen Nachfrage bis 2060 und flachte dann ab. Und es zeigte sich, dass Hoch- und Herdöfen, die mit Kohle und Erdgas betrieben werden, verstummen und in die zunehmende Zahl von Elektrolichtbogenöfen eingespeist werden, die mit erneuerbarem Strom betrieben werden.
Millionen Tonnen Stahl pro Jahr nach Methode bis 2100, Diagramm vom Autor
Aber es stellt sich die Frage: Wie wird die Kohlenstoffkurve aussehen? Das massive Wachstum der Nachfrage von 1990 bis 2020, als China 850 Millionen Menschen aus der Armut und aus ländlichen Gebieten zu Bürgern der Mittelklasse führte, die in fortschrittlichen, modernen Städten lebten, ging mit einem ähnlichen Anstieg der CO2-Emissionen einher. Werden die CO2-Emissionen bei weiterhin steigender Nachfrage, wenn auch langsamer bis 2060, weiter steigen?
Die Antwort ist natürlich nein. Zunächst einmal wird alle Energie, die für die Stahlherstellung benötigt wird, zu Strom. Wir werden keine Hochöfen und Hochöfen mit offenem Herzen umrüsten, da wir das neue Eisen, das wir benötigen, mit Direktreduktionstechnologien herstellen werden. Im Rahmen des HYBRIT-Projekts ist es bereits gelungen, Stahl aus Eisenerz herzustellen, das in emissionsfreien Bergwerken unter Verwendung von grünem Strom und grünem Wasserstoff abgebaut wird. End-to-End ist der Prozess null Prozessemissionen, obwohl natürlich immer noch verkörperter Kohlenstoff in den Fahrzeugen und dem Stahl und Zement vorhanden ist, die zur Herstellung und zum Bau der Anlagen verwendet werden. DRI von Midrex stellt kohlenstoffärmeren Stahl unter Verwendung von Wasserstoff her, um einen Teil des aus Erdgas gewonnenen Syngases zu ersetzen, und kann durch die Verwendung von Ökostrom für Prozesswärme, grünem Wasserstoff und Biomethan noch viel kohlenstoffärmer werden.
Vergleich der veröffentlichten und harmonisierten Lebenszyklus-Treibhausgasemissionsschätzungen für ausgewählte Stromerzeugungstechnologien, von NREL
Aber mit immer mehr emissionsfreiem Stahl, der die Stahlinfrastruktur und die Lastwagen der Zukunft baut, wird auch der verkörperte Kohlenstoff sinken. Zur Erinnerung: Die Emissionen über den gesamten Lebenszyklus für die Windkraft- und Solarenergieerzeugung sind Kohlenstoff in Zement und Stahl sowie Emissionen aus der Verteilung, wenn sie Ozeane überqueren und Komponenten zu den Standorten transportiert werden. Da die erneuerbare Energieerzeugung in Zukunft aus emissionsfreiem Stahl und Beton gebaut und mit Elektrofahrzeugen an die Standorte gebracht wird, werden die wenigen Gramm CO2e pro kWh in den kommenden Jahrzehnten auf Null sinken.
Alle Energie wird elektrisch sein, und die gesamte Stromerzeugung wird immer weniger Kohlenstoff enthalten, ein positiver Kreislauf.
Die Bilanzierung von Biomethan beschäftigt mich zunehmend. Es gibt unzählige Organisationen, die versuchen, Biomethan zu einem Ersatz für Erdgas für Energie zu machen, anstatt hart daran zu arbeiten, die Biomethanerzeugung überhaupt zu minimieren. Deponien geben Methan aus Lebensmittelabfällen und der anderen Biomasse ab, die wir in den Müll werfen, und es ist viel sinnvoller, Abfallbiomasse stattdessen zur Erzeugung von Biokraftstoffen umzuleiten. Rindermist und Schweinegülle in anaerobe Fermenter zu füllen, um die Biomethanproduktion in einer diffusen und zweifellos undichten Lieferkette zu maximieren, ist meiner Meinung nach keine gute Klimaidee. Stattdessen ist es für diese Abfallströme die bessere Wahl, Gülle zu belüften, damit sie sich aerob in CO2 zersetzt, oder flüssige Biokraftstoffe für die Luft- und Schifffahrt zuzuführen.
Aber das bedeutet nicht, dass es keine Wertversprechen für das Biomethan gibt, die wir nicht mindern können, und es ist wahrscheinlich, dass die Herstellung von grünem Stahl einer davon ist. Das ist es, was das Midrex-Verfahren verwendet, und es wird wahrscheinlich eine der vorherrschenden Methoden für neuen Stahl in der Zukunft sein.
Da wir jedoch jedes Jahr immer mehr neuen Stahl herstellen, wird immer mehr Stahlschrott verfügbar. Die USA stellen heute 70 % der gesamten Stahlnachfrage aus Stahlschrott, der durch Elektrostahl-Minimills gespeist wird, und haben bereits vier Jahre lang Bedarf in ihren Pipelines für fossile Brennstoffe. Straßenfahrzeuge haben eine Lebensdauer von einem Jahrzehnt oder 15 Jahren, und die durchschnittlich 900 kg Stahl in Autos werden verschrottet und in Minimills eingespeist, um neue Autos herzustellen. Diese mit Schrott beschickten Minimills benötigen neuen Stahl für Qualität und die richtigen Legierungen, aber sie sind immer noch Elektrostahl-Minimills und werden in den kommenden Jahrzehnten mit immer kohlenstoffärmerem Strom gespeist. Und diese Minimills werden aus zunehmend kohlenstoffarmem Stahl hergestellt, bis sich ihr verkörperter Kohlenstoff ebenfalls Null nähert.
Millionen Tonnen CO2e aus Stahl pro Jahr nach Methode, Diagramm vom Autor
Und so mein erstes Szenario der globalen Kohlenstoffemissionen von Stahl. Ich prognostiziere einen angemessenen Anstieg von DRI und EAF im Jahr 2030 gegenüber den heutigen Verhältnissen und eine geringere Reduzierung von Hochöfen und offenen Herzöfen, sodass ihre geringeren Emissionen mit aktuellen Technologien eine Reduzierung der Emissionen im Jahr 2030 bewirken sollten. Mit mehr Verschrottung und direkterer Reduktion unter Verwendung von weniger Kohletechnologien wie DRI und HYBRIT von Midrex in jedem Jahrzehnt und die wahrscheinliche Errichtung dieser Anlagen näher an Eisenerzminen werden Hochemissionsöfen in den kommenden Jahrzehnten den Betrieb einstellen, da sie nicht in der Lage sind, zu dekarbonisieren.
Natürlich bleibt eine große Frage. Wie viel grüner Wasserstoff wird für die kohlenstoffarmen Lösungen Midrex und HYBRIT benötigt? Die Leute erinnern sich vielleicht, dass ich eine heterodoxe Prognose eines sinkenden Wasserstoffbedarfs bis 2100 habe. Darin habe ich mit der patentierten Mike Makes Stuff Up (MMSU)-Methode prognostiziert, dass wir in der zweiten Hälfte des Jahrhunderts einen neuen Wasserstoffbedarf von 40 Millionen Tonnen sehen könnten . Es war eine intuitive Vermutung, aber das war alles oder wurde behauptet. Ich habe es aufgenommen, weil es der einzige Bereich war, in dem ich einen starken Grund für eine steigende Nachfrage sah, und als solcher mindestens einen Platzhalter benötigte. (Wenn Sie denken, dass MMSU ein Witz ist, ist es das wirklich nicht. Ich verwende es in Kundeninteraktionen transparent als Teil eines Bayes’schen Prozesses, um Leerseitenitis zu vermeiden.)
Geht man von HYBRIT-Wasserstoffmengen aus, werden für jede Tonne neuen Stahls 51 kg grüner Wasserstoff benötigt. Da wir überwiegend Stahl verschrotten werden, um den gestiegenen Bedarf zu decken, müssen wir, wie die erste Hochrechnung zeigt, nicht jährlich 2.300 Millionen Tonnen Stahl mit Wasserstoff versorgen, sondern nur den DRI-Anteil von 600 Millionen Tonnen . Das bedeutet, dass wir am Ende einen Bedarf von etwa 30 Millionen Tonnen grünen Wasserstoff für Stahl haben, von heute so nahe bei Null, dass es nicht der Rede wert ist. Aber ich hatte dieses Back-End in meine Projektion geladen und ich denke, dass mehr Wasserstoff in Stahlherstellungsprozessen schneller auftreten wird als zuvor, so dass die Wasserstoffnachfrage aus der Entschwefelung von sauren Rohölen wie Albertas und Venezuelas etwas angepasst werden wird.
Projektion der Wasserstoffnachfrage bis 2100, Diagramm vom Autor
Und so eine aktualisierte Wasserstoffbedarfsprognose, die im Jahr 2100 von etwa 95 Millionen Tonnen jährlich auf etwa 85 Millionen Tonnen sinkt. Ich habe auch eine andere Sache aktualisiert. Paul Martin wies darauf hin, dass er meiner Hypothese, dass es bis 2030 einen geringeren Düngemittelbedarf für Wasserstoff geben würde, nicht zustimme, und nach Abwägung sei das zu aggressiv. Die Düngerbedarfskurve braucht am Ende etwas länger, um sich zu erarbeiten. Infolgedessen trägt dies dazu bei, dass die aktuelle Wasserstoffnachfrage etwas länger anhält, bevor sie deutlich zurückgeht.
Natürlich bedeutet eine geringere Wasserstoffnachfrage, dass am Ende weniger Ökostrom bei der Herstellung verbraucht wird. Bei etwa 50 MWh pro Tonne bedeutet die Reduzierung um 10 Millionen Tonnen, dass wir in unserer vollständig dekarbonisierten Zukunft 500 TWh nicht aus Wind, Wasser und Sonne erzeugen müssen. Aber der zukünftige Strombedarf und die Stahlnachfrage sind eine andere Einschätzung, mit einer anderen interessanten Wendung. Schließlich verbrauchen Wind- und Solarparks viel Stahl.
Es gibt vielversprechende Eisen- und Stahlprozesse in Laboren, die ganz ohne Wasserstoff auskommen. Boston Metals arbeitet an der Kommerzialisierung der Elektrolyse von geschmolzenen Oxiden, bei der Elektrizität in einer Zelle bei Temperaturen von 1.600 °C verwendet wird, um reines flüssiges Eisen herauszupumpen. Fortescue hat gerade bekannt gegeben, dass sie 150 kg Eisenerz mit einem neuartigen Verfahren bei viel niedrigeren Temperaturen, etwa 100 ° C, zu Eisen verarbeitet haben, aber es gibt keine Veröffentlichungen oder Bewertungen Dritter zu den Behauptungen, daher ist es an dieser Stelle nur interessant. Beide sind wahrscheinlich ein Jahrzehnt von der kommerziellen Verfügbarkeit entfernt, unterstützen aber meine Prämisse von grünem Stahl.
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