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Green steel - life cycle modeling of an integrated steel site : carbon footprint and energy transformation analysis of decarbonized steel production

Suer, Julian^RWTH*

2023

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Julian Suer

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2023

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2023, Kumulative Dissertation

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak03

Hauptberichter/Gutachter
Traverso, Marzia (Thesis advisor)^RWTH* ; Deike, Rüdiger (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2023-07-21

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2023-07732
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/963309/files/963309.pdf

Einrichtungen

1. Lehrstuhl und Institut für Nachhaltigkeit im Bauwesen (316710)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
carbon footprint assessment (frei) ; direct reduction (frei) ; electric melting (frei) ; life cycle assessment (frei) ; steel (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 624

Kurzfassung
Die Stahlindustrie steht im Fokus, umweltfreundlicher zu produzieren. Stahl wird typischerweise primär aus Eisenerzen in integrierten Hüttenwerken und sekundär durch Recycling von Stahlschrott in elektrischen Lichtbogenöfen produziert. Klassische integrierte Hüttenwerke bestehen aus der Roheisenproduktion über die Hochofenroute, der Rohstahlherstellung in Konvertern, der Sekundärmetallurgie, dem Stranggießen sowie dem Warmwalzen. Für die Bewertung von Umwelteinwirkungen eignet sich die international etablierte Lebenszyklusanalyse (engl.: Life Cycle Assessment – LCA) nach ISO 14040/44. Mithilfe der LCA-Methodik werden die Umwelteinwirkungen der primären Stahlproduktion über die Hochofenroute sowie der sekundären Stahlproduktion über das Stahlschrottrecycling in Lichtbogenöfen bewertet. Diese Produktionsrouten repräsentieren den Stand der Technik. Darauf aufbauend werden Strategien zur Dekarbonisierung analysiert mithilfe der - Product Carbon Footprint (PCF) - Methodik nach ISO 14067. In Hochöfen werden Eisenerze mithilfe von Kohle und Koks reduziert und eingeschmolzen. Die Dekarbonisierung der Stahlindustrie erfordert einen Wechsel von kohlebasierter Metallurgie zu wasserstoff- und strombasierter Stahlerzeugung, bzw. rein strombasiert, wenn der Wasserstoff aus Elektrolyse stammt. Der Hochofen kann substituiert werden durch eine Direktreduktionsanlage (DR-Anlage) mit nachgeschalteten elektrischen Einschmelzaggregaten. In DR-Anlagen können Eisenoxide mit Erdgas oder auch reinem Wasserstoff reduziert werden. Die Anlagen haben bereits den Hochöfen ähnliche Produktionskapazitäten erreicht. Während die Mehrheit der europäischen Stahlproduzenten DR-Anlagen bereits als Schlüsseltechnologie identifiziert hat, werden die darauffolgenden Prozessschritte intensiver diskutiert. Zwei Routen stechen hierbei heraus: (1) Das direkt reduzierte Eisen (DRI) wird in einem elektrischen Lichtbogenofen (engl.: electric arc furnace - EAF) eingeschmolzen und direkt zu Rohstahl gegossen; (2) Das DRI wird in einem elektrischen Einschmelzer eingeschmolzen und zu Roheisen aufgekohlt. Das Roheisen wird anschließend wie gewohnt in Konvertern zu Rohstahl verarbeitet. Auch wenn die erste Route zielgerichteter erscheint, so müssen einige metallurgische Aspekte diskutiert werden. Basierend auf der PCF-Methodik werden verschiedene Szenarien einer schrittweisen Transformation bewertet und Einsparungen an CO2-equivalenten werden gekoppelt an Verbräuche von Wasserstoff, Strom, Erdgas und Kohle. Während die klassische Hochofenroute bspw. einen Stromüberschuss von etwa 0,7 MJ/kg Warmband generiert, so dreht sich dieser Überschuss in ein Defizit von etwa 17 MJ/kg für eine wasserstoffbasierte Stahlproduktion. Auf der anderen Seite, während der Stahl, produziert über die Hochofenroute, einen PCF von etwa 2,1 kg CO2eq/kg Warmband aufweist, so kann dieser PCF reduziert werden zu 0,75 kg CO2eq/kg für die wasserstoffbasierte Route, vorausgesetzt der Strom sowie der Wasserstoff stammen aus erneuerbaren Energien. Dabei kann der Einfluss der Prozesse eines integrierten Hüttenwerkes sogar bis auf 0,15 kg CO2eq/kg Warmband reduziert werden. Der verbliebene CO2-Fußabdruck wird durch die vorgelagerten Prozesse verursacht, für die keine Verbesserungen angenommen sind. Wenn der Strominput jedoch nicht erneuerbar ist, sondern bspw. aus dem derzeitigen deutschen Strommix stammt, so erhöht sich der PCF auf 3,0 kg CO2eq/kg Warmband für die H2-basierte Produktionsroute. Die erdgasbasierte DR-Route führt zu einem PCF zwischen 1,4 und 1,7 kg CO2eq/kg Warmband in Abhängigkeit des verwendeten Strommixes. Eine detaillierte Break-even Analyse wird in dieser Dissertation durchgeführt, in der der Einsatz von Erdgas mit Wasserstoff aus verschiedenen Strommixen verglichen wird. Übergangsszenarien zur klimaneutralen Stahlproduktion können dabei unterstützen, die Anlagenkonfigurationen sowie die damit verbundenen Material- und Energieinputs schrittweise anzupassen. Dabei bieten sie gleichzeitig die Chance erste PCF-Einsparungen zu erzielen. In dieser Dissertation werden die Szenarien Einblasen von Wasserstoff und Erdgas sowie der Einsatz von vorreduziertem Eisen im Hochofen analysiert.

The steel industry is focused on reducing its environmental impact. Steel is typically produced primarily from iron ores in integrated sites and secondarily from scrap recycling in electric arc furnaces (EAF). Traditional integrated sites include hot metal generation via the blast furnace route, basic oxygen steelmaking (BOF), continuous casting, and subsequent hot-rolling. For the evaluation of environmental impacts generated by the product, the life cycle assessment (LCA) methodology according to ISO 14040/44 has been used. The LCA is internationally recognized and standardized. Using the LCA methodology, the impacts of primary steel production via the blast furnace route and the secondary scrap-based steel production via the EAF route are assessed. These production routes represent the state-of-the art. Subsequently, decarbonization strategies are analysed using the product carbon footprint (PCF) methodology according to ISO 14067. In a blast furnace coal and coke are used for the reduction and melting of iron ores. The decarbonization of the steel industry requires a shift from a coal-based metallurgy towards a hydrogen and electricity-based steel production, or purely electric, if the utilized hydrogen stems from electrolysis. The blast furnace can be substituted by direct reduction (DR) plants with subsequent electrical melting. In DR plants, iron oxides can be reduced by natural gas as well as pure hydrogen. DR plants have reached capacities, which allow replacing blast furnaces on a direct basis. While the majority of European steel producers have pointed to direct reduced iron (DRI) production as a key part of their decarbonization targets, the next steps are highly discussed. Two main routes stand out: (1) Melting and processing the DRI in an EAF directly to crude steel; (2) Melting and carburizing the DRI in an electric melting unit to hot metal. The hot metal is then further refined in a BOF to crude steel. Whereas the first route seems to be more straightforward, some metallurgical points require discussion. On the basis of the carbon footprint methodology different scenarios of a stepwise transition are evaluated and values of possible CO2equivalent (CO2eq) reduction are coupled with the demand of hydrogen, electricity, natural gas, and coal. For example, while the traditional blast furnace - BOF route delivers a surplus of electricity in the range of 0.7 MJ/kg hot-rolled coil; this surplus turns into a deficit of about 17 MJ/kg hot-rolled coil for a hydrogen-based steel production route. On the other hand, while the product carbon footprint of the blast furnace-related production route is 2.1 kg CO2eq/kg hot-rolled coil; this footprint can be reduced to 0.75 kg CO2eq/kg hot-rolled coil for the hydrogen-related route, obtained with electricity input generated by renewable sources. Thereby the direct impact of the processes of the integrated site can even be reduced to 0.15 kg CO2eq/kg hotrolled coil. The remaining carbon footprint is caused by upstream processes for which no improvements are considered. However, if the electricity input has a carbon footprint related to the German or European electricity grid mix, the respective carbon footprint of hot-rolled coil increases up to 3.0 kg CO2eq/kg hot-rolled coil. A natural gas-based DR production route leads to a carbon footprint of 1.4 - 1.7 kg CO2eq/kg hot-rolled coil, depending on the electricity mix used for the steel production processes. A detailed break-even analysis is given, comparing the use of natural gas and hydrogen using different electricity mixes. Intermediate scenarios can enable a stepwise transition of changed plant configurations and material and energy related feedstocks. Simultaneously, the intermediate scenarios lead to PCF reductions in time. In this dissertation the scenarios hydrogen and natural gas injection into a blast furnace and the use of hot briquetted iron (HBI) in a blast furnace are analyzed.

OpenAccess:
PDF
(zusätzliche Dateien)

Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis

Format
online

Sprache
English

Externe Identnummern
HBZ: HT030338277

Interne Identnummern
RWTH-2023-07732
Datensatz-ID: 963309

Beteiligte Länder
Germany