Wetenschappers hebben een revolutionair elektrochemisch proces ontwikkeld dat ijzer produceert zonder steenkool en met veel minder uitstoot. Het proces is bijna net zo goedkoop is als de klassieke hoogoven.
Staal is letterlijk de ruggengraat van de moderne wereld. Van wolkenkrabbers en spoorbruggen tot auto’s en wasmachines: zonder staal valt onze infrastructuur uit elkaar.
Maar achter dit robuuste bouwmateriaal schuilt een milieuvervuilende waarheid: de productie van staal is verantwoordelijk voor zo’n 7 tot 9% van de wereldwijde CO2-uitstoot. Het grootste probleem zit in de productie van ijzer, de basisgrondstof van staal, die nog steeds grotendeels afhankelijk is van koolstofrijke hoogovens.
Een team onderzoekers uit de VS, onder leiding van chemicus Paul Kempler aan de University of Oregon, is vastbesloten om daar verandering in te brengen. Met een elektrochemisch proces dat draait op elektriciteit in plaats van kolen, lijkt een veel schoner alternatief binnen handbereik.
Staal zonder kool
De klassieke route naar ijzer is al meer dan een eeuw nauwelijks veranderd. Ijzererts wordt verhit met cokes (gezuiverde steenkool) in een hoogoven, waarbij CO2 vrijkomt als bijproduct van het reductieproces. Het alternatief dat Kempler en zijn team voorstellen, is gebaseerd op elektrolyse: een proces waarbij elektrische stroom ijzeroxide omzet in zuiver ijzer in een zoutwateroplossing, en bij veel lagere temperaturen. Dit elektrochemische proces is niet alleen schoner, maar ook veel flexibeler. Het kan draaien op hernieuwbare stroom, vermijdt CO2-uitstoot volledig, en levert bovendien een waardevol bijproduct op: chloor.
Volgens het onderzoek, gepubliceerd in ACS Energy Letters, biedt deze techniek een veelbelovend pad richting een groenere staalindustrie, één die kan bijdragen aan het verminderen van vervuiling zonder concessies te doen aan prestaties of winstgevendheid.
Niet elk ijzererts is gelijk
Een belangrijk knelpunt bij eerdere labexperimenten was de zuiverheid van het gebruikte ijzeroxide. In de praktijk zijn natuurlijke ijzerertsen veel complexer. Daarom onderzocht het team welke typen ijzeroxide zich goed lenen voor elektrochemische omzetting. Onder leiding van postdoc Ana Konovalova en promovendus Andrew Goldman analyseerde het team hoe de structuur van de ijzerdeeltjes invloed heeft op het proces. Het resultaat: poreuze deeltjes, met veel intern oppervlak, leveren sneller en efficiënter ijzer op dan dichte deeltjes.
Efficiëntie als sleutel tot kostenconcurrentie
Efficiëntie is niet alleen een wetenschappelijke trofee, maar essentieel voor economische haalbaarheid. Grootschalige elektrochemische installaties vragen forse investeringen. Hoe sneller zo’n systeem ijzer produceert, hoe eerder het rendabel is. Volgens de onderzoekers is het nu al mogelijk om ijzer te produceren voor onder de $600 per ton. Dat is een prijsniveau dat in de buurt komt van conventionele staalproductie. Met verdere optimalisaties in elektrodeontwerp en feedstock-materialen kan dat nog gunstiger worden.
Schalen naar industrie
Om de stap van laboratorium naar industrie te versnellen, werkt het team samen met civiel ingenieurs van Oregon State University en een fabrikant van elektrodes. Deze multidisciplinaire aanpak is cruciaal, want nieuwe technologieën moeten niet alleen technisch kloppen, maar ook robuust zijn, schaalbaar, én integreerbaar in bestaande staalprocessen. Volgens Kempler is de technologie niet bedoeld als niche-alternatief, maar als een reëel alternatief voor de traditionele hoogoven: “Dit proces is schaalbaar, schoon en snel genoeg om mee te kunnen doen in de wereldmarkt.”
Staal zonder schuldgevoel?
Het idee dat we staal kunnen produceren zonder klimaatschade, leek tot voor kort bijna utopisch. Maar dit onderzoek laat zien dat elektrochemische ijzerproductie niet alleen mogelijk is, maar ook efficiënt én commercieel haalbaar.
“We hebben zeker nog niet alle problemen opgelost,” zegt Goldman. “Maar dit is een mooi voorbeeld van technologie die laat zien dat industriële vooruitgang niet ten koste hoeft te gaan van het milieu.”
Met dank aan Technisch Weekblad