Innovatie

Recycling van staal vraagt om aandacht voor kwaliteit

De staalindustrie is een belangrijke bron van broeikasgassen (8% van het totaal voor staalproductie, exclusief verder verwerking en logistiek), met name ten gevolge van de productie van vers staal uit ijzererts en cokes met behulp van hoogovens.

Ongeveer de helft van alle staal wereldwijd wordt nu geproduceerd in hoogovens uit ijzererts, en de andere helft uit oud ijzer (schroot). Dat laatste heeft veel minder impact op het klimaat. Nu wordt al zo’n 90% van alle beschikbare schroot gerecycled. In de toekomst zal naar verwachting de wereldwijde behoefte aan staal licht blijven groeien, maar zal de beschikbaarheid van schroot veel sneller groeien, omdat de levensduur van staal niet oneindig is (ca. 75 jaar).

Hierdoor zal er uiteindelijk – als de wereldbevolking stabiel is, rond 2100 – bijna geen vers staal meer nodig zal zijn. Het goede nieuws is dat we daarmee uitkomen op een vrijwel gesloten staalkringloop, met nauwelijks behoefte aan ijzererts en een veel lager energieverbruik. Het mogelijk slechte nieuws is dat dat steeds hogere eisen gaat stellen aan de kwaliteit van de schrootvoeding.

Gerecycled schroot bevat meer schadelijke verontreinigingen dan vers staal. Veel daarvan kan worden verwijderd, maar met name koper wordt een probleem in sommige hoogwaardige toepassingen. Bedrijven als TataSteel in IJmuiden gebruiken daarom nu veel vers staal en hebben in de toekomst schoner schroot nodig.

Recyclingtechnologie

Recycling van staal begint met gescheiden inzameling en scheiding van andere metalen op basis van de  magnetische eigenschappen van staal. Het schrootproduct wordt vervolgens verwerkt tot staal met behulp van elektriciteit in grote vlamboogfornuizen (EAF, Electric Arc Furnace) (1). In deze fornuizen wordt het ijzer gesmolten, bij ca. 1600 °C. Er is geen cokes nodig om ijzererts te reduceren en daarom is de klimaatimpact via CO2-uitstoot veel lager dan bij hoogovens. Er wordt nog steeds cokes gebruikt, maar veel minder (1,2%/staal): om het voor staal juiste koolstofgehalte in te stellen, om slakken te kunnen verwijderen, om versneld te kunnen verwarmen en om resten van ongewenste gasverontreinigingen weg te spoelen. Eventueel worden ook legeringsmetalen toegevoegd om de juiste staalkwaliteit te verkrijgen. Er zijn twee bijproducten waarmee veel verontreinigingen worden afgevoerd, vloeibare slakken en gas. De slakken bevatten veel fosfor en zwavel, en metalen die minder edel zijn dan ijzer (silicium, aluminium, chroom, mangaan, vanadium, molybdeen). Het gas bevat bijvoorbeeld zink.

Staalkwaliteit

Recycling is een moeilijke tak van sport. Je zit meestal opgescheept met een verontreinigde afvalstroom. Een eenvoudig voorbeeld: in het geval van glas kun je geen wit glas maken uit een mengsel van wit en gekleurd glas. Dat lukt alleen wanneer wit en gekleurd glas gescheiden worden, hetzij door de consument hetzij door sortering in de recyclefabriek. Ook bij staal is er sprake van een diverse verontreinigingen, vooral metalen. Sommige zijn er bewust aan toegevoegd als legeringsmetalen om de eigenschappen te verbeteren, zoals nikkel, chroom, molybdeen, vanadium en silicium. Andere metalen, zoals koper, komen in het staal door een onvoldoende scherpe scheiding in het recycleproces. Veel verontreinigingen zijn geen probleem, omdat ze de eigenschappen niet negatief beïnvloeden (zoals nikkel) of omdat ze tijdens de staalproductie in de EAF verwijderd worden (zie hierboven).

Koper

Koper is het belangrijkste metaal dat nu niet voldoende afgescheiden wordt en wel schadelijk is (2). In concentraties boven de 0,1% zorgt het – samen met zwavel, fosfor en tin – voor de zogenoemde ‘hot shortness’, een soort brosheid waardoor bij heet walsen oppervlaktebeschadigingen ontstaan. Typische kopergehaltes van vers en recyclestaal zijn 0,02 en 0,15%. Zogenoemde ‘lange’ producten zoals constructiebalken hebben geen scherpe koperspecificatie: tot 0,4% koper is geen probleem. Maar voor andere producten, zoals dunne platen en buizen, kan de koperspecificatie veel scherper zijn, tot bv. maximaal 0,06% voor speciale trekstalen.

Pr van de staalindustrie

Bijzonder is dat de staalindustrie zelf het kwaliteitsissue niet expliciet benoemt, waarschijnlijk omdat ze in hun public relations de duurzaamheid en recyclebaarheid van staal wil benadrukken, en ze nu nog geen grote problemen ondervindt van de lagere kwaliteit van recyclestaal. TataSteel (3) stelt dat ‘staal een uitstekend materiaal is voor de circulaire economie en zijn kwaliteit behoudt bij elke recycleslag’, dat ‘staal voor 100 procent recyclebaar is, zonder verlies van kwaliteit’. De World Steel Association (4) zegt: ‘At the end of a product’s life, steel’s 100% recyclability ensures that the resources invested in its production are not lost and can be infinitely reused.’

Strategieën om de kwaliteit te bewaken

Er zijn verschillende strategieën die de staalindustrie nu gebruikt om de hoeveelheid schadelijke verontreiniging onder controle te houden:

  1. De meeste EAF-producenten accepteren elke schrootkwaliteit, inclusief verhoogd koper. Ze leveren al hun producten aan de constructie-industrie (vooral de bouw). Dit gebeurt met name in ontwikkelingslanden, waar constructie verreweg de belangrijkste staaltoepassing is.
  2. Maar er zijn ook EAF-producenten die alle gewenste producten kunnen leveren (zoals Nucor in de VS), door selectief bepaalde schrootvoedingen in te nemen met relatief laag kopergehalte, vers ijzer toe te voegen (uit hoogovens of DRI), en door procesaanpassingen die ‘hot shortness’ helpen voorkomen, zoals aanpassingen van de staalformulering (minder tin, meer nikkel en silicium).
  3. De meeste hoogovens gebruiken vers staal. Ze gebruiken tot 30% schroot zonder enig issue met productkwaliteit. Fat schroot zorgt voor energiebesparing, en wordt ingezet als voorkoeling voor ruwijzer uit de hoogovens.

Met deze strategieën zijn alle problemen met koper op wereldschaal oplosbaar tot ca. 2050, waarbij schroot soms over grote afstanden vervoerd moet worden. Maar voor sommige fabrieken kunnen er nu al problemen zijn naar aanleiding van de klimaattransitie. Bijvoorbeeld  de nieuwe plannen van TataSteel in IJmuiden van juli 2023 zijn gebaseerd op een overgang naar hoofdzakelijk schrootrecycling, waarbij de cokesproductie en de hoogovens verdwijnen en vervangen worden door EAF. Het kan dan zijn dat sommige speciale producten, met name voor de auto-industrie, moeilijker te maken zijn. TataSteel gaat zo over van strategie 3 naar strategie 2: niet alle schroot is nu geschikt en enige verdunning met schoon staal is dan ook nodig om aan de scherpste koperspecificaties te voldoen. Daarvoor moet een DRI-fabriek (Direct Reduced Iron) gebouwd worden, die met groene waterstof groen ijzer maakt uit ijzererts.

Import van groen staal

Na de zomer van 2023 zal TataSteel meer details geven over haar plan. TataSteel plant zijn DRI nu in IJmuiden, terwijl groen staal, vanwege de schaarste en kosten van groene waterstof in Nederland, goedkoper geïmporteerd kan worden uit landen met veel zon en ruimte. In een recent artikel in de NRC (5) worden bedenkingen geuit tegen de productie van groen staal in ontwikkelingslanden zoals Tunesië. Watervoeding voor elektrolyse moet geproduceerd worden door ontzouting van zeewater. Dit is bekende en schone technologie voor hete landen, en concurreert niet met watergebruik voor lokale landbouw. Grondgebruik voor zonne-energie is grootschalig, maar kan in de woestijn plaatsvinden en hoeft niet ten koste te gaan van gebruik van vruchtbare grond voor de landbouw. Het zal mogelijk wel ten koste gaan van beschikbare weidegrond voor nomaden. Het heeft grote economische voordelen voor Tunesië. Er ontstaat werkgelegenheid tijdens de constructie en productie. Maar van belang is vooral het gebruik van eigen hulpbronnen (zon/oppervlak), zodat ze staal kunnen verkopen/exporteren in plaats van kopen/ importeren en daar geld mee kunnen verdienen, en de kans hebben om een eigen staalindustrie op te bouwen. Meer economische activiteit in Tunesië zal leiden tot minder migratie. Bedrijven als TataSteel dienen via joint ventures landen als Tunesië te helpen om deze plannen te verwezenlijken, waarbij een aanzienlijk deel van de winst in Tunesië dient te blijven.

De rol van de auto-industrie

De auto-industrie speelt een grote rol als afnemer van de staalindustrie. Na de bouw is het de grootste klant en ze vraagt om de meeste speciale stalen die scherpe koperspecificaties hebben. Bij de recycling van autostaal worden vooral hamermolens gebruikt die met brute kracht grote stukken staal versnipperen, waarbij koperonderdelen deels vastklinken aan de staaldelen en vervolgens niet meer goed magnetisch afgescheiden kunnen worden. Het autoschroot bevat daarom veel koper en recycling van autostaal is nu feitelijk alleen downcycling: startend met hoogwaardige dunne stalen platen eindigen we bij recycling met laagwaardige constructiebalken. Het probleem wordt in de nabije toekomst nog groter door de komst van de elektrische auto: deze bevat tweemaal zoveel koper als de benzineauto. De EU mikt via de ‘End-of-Life Vehicles Regulation’ van 2010 op 95% recycling van auto’s, waarvan staal een belangrijk deel is. Inmiddels is in 2023 89% recycling gehaald. Maar de EU stelt geen eisen aan verontreinigingen zoals koper om downcycling te voorkomen. Dit kan heel anders: regelgeving van de EU zou gericht moeten zijn op recycling binnen dezelfde industrie, zonder kwaliteitsverlies. Dit vraagt om recycling met zorgvuldige scheiding van staal en koper bij ontmanteling en magnetische scheiding. Als dat gebeurt, dan kan TataSteel ook probleemloos het schroot van die industrie als voeding innemen en is er uiteindelijk geen behoefte aan vers groen staal.

Tot slot

Bij recyclen is er altijd een kwaliteitsaspect. Opbouw van verontreinigingen dreigt altijd de gesloten kringloop te verstoren. Bij staal is koper het grootste probleem, speciale stalen hebben scherpe specificaties waardoor schroot niet altijd een geschikte voeding is. In het geval van koper is de auto-industrie het grootste probleem: ze gebruikt veel staal, stellen de hoogste eisen aan de kwaliteit, maar maken van de recycling een rommeltje. Hoog tijd om de auto-industrie aansprakelijk te stellen en 100% recycling te eisen binnen hun eigen industrie. De EU moet hier helpen met betere regelgeving.

Referenties

  1. Satyendra, K.S., website Ispat Guru, 30-4-2022, https://www.ispatGuru.com/steelmaking-in-electric-arc-furnace (over EAF technologie)
  2. Daehn, K.E., et al., Environmental Science & Technology 2017, vol. 51, p. 6599-6606, https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.est.7b00997 (over koperverontreiniging van staal)
  3. Ten Brinck, T., website ‘Duurzaambedrijfsleven’, 23-1-2016 (interview met Tata: Bauke Hoekstra Bonnema en Robert Moens), https://www.change.inc/circulaire-economie/tata-steel-staal-behoudt-kwaliteit-bij-elke-recycleslag-12087
  4. World Steel Association, https://worldsteel.org/wp-content/uploads/Fact-sheet-raw-materials-2023.pdf
  5. Aarts, P., NRC, 3-9-2023, https://www.nrc.nl/nieuws/2023/09/03/tunesie-eu-partner-in-de-groene-transitie-waterstof-maakt-de-problemen-daar-alleen-maar-groter-a4173380
Deel deze blog:

Duurzame ambitie

De transitie naar een duurzamere wereld gaat veel te traag als we die overlaten aan de politiek en het bedrijfsleven. 

Consumentenactivisme en onze politieke stem laten gelden zijn zeker belangrijk, maar er is meer nodig. Gelukkig kan iedereen het verschil maken.

Schrijf je in voor de Ecosofie nieuwsbrief en ontvang direct het eerste hoofdstuk gratis!