Kyslíkový konvertor Scunthorpe Steelworks. Kredit: Alan Murray-Rust. CC BY-SA 2.0

Moderní doba má kostru z oceli. Bez tohoto vylepšeného železa by to nešlo anebo by všechno bylo podstatně komplikovanější. Problém je, že výroba oceli zodpovídá asi za 8 procent globálních emisí uhlíku, což z ní dělá největší industriální zdroj skleníkových plynů na planetě. Na tento problém cílí nová technologie dekarbonizace výroby oceli, která by měla být jak šetrná vůči prostředí, tak i zisková, což je v daném kontextu klíčové.

Koloběh materiálu v modernizovaném systému. Kredit: University of Birmingham.

V dlouhodobě výhledu je řešení emisí výroby oceli poměrně jasné. Bude nutné přejít na elektrické pece a redukci s využitím zeleného vodíku. Při důsledné výrobě tohoto typu bude odpadním produktem pouze voda. Jenže, dělat změny tohoto typu není snadné. Ani trochu.

Lidstvo v současnosti vyrábí asi tak 2 miliardy tun oceli ročně. Je to kolosální průmysl, protkaný sítěmi ekonomických i jiných vazeb. Přechod na zelenou ocel vyžaduje hodně času a ohromnou spoustu peněz. Fatální překážkou je v současnosti výrobní cena zelené oceli, která asi o 60 procent převyšuje cenu fosilní oceli.

Proto se i v budoucnu, zřejmě ještě desítky let, budeme setkávat s fosilní výrobou oceli, tj. s vysokými pecemi a kyslíkovými konvertory (BF-BOF, Blast-Furnace/Basic Oxygen Furnace). To je skvělá příležitost pro pozoruhodný modernizační systém fosilní výroby oceli, který vyvinul tým vedený Harrietou Kildahlovou z britské University of Birmingham. Není to sice kompletně „zelená“ technologie, ale mohl by to být jeden z největších pokroků směrem k zelenému průmyslu, přinejmenším v tomto roce.

Koloběh energie v modernizovaném systému. Kredit: University of Birmingham.

O co vlastně jde? Modernizační systém nahrazuje zhruba 90 procent koksu používaného ve vysoké peci přímým vpouštěním oxidu uhelnatého. Ten pochází ze systému, který zachycuje a recykluje odpadní plyn vytvořený samotnou vysokou pecí. Za vysoké teploty z něho separuje oxid uhelnatý, oxid uhličitý, vodík a dusík, které pak dále zpracovává dvoureaktorový redoxní systém a udržuje uhlík uvnitř procesu.

V jednom z reaktorů dochází k termochemické oxidaci perovskitového materiálu BCNF1 za teploty kolem 800 °C a za vysoké koncentrace oxidu uhličitého, přičemž dochází k jeho přeměně na oxid uhelnatý, s účinností asi 10,1 procent při každém průchodu reaktorem. Ve druhém reaktoru zase dochází k termochemické redukci materiálu BCNF1 za přítomnosti dusíku a vodíku, při teplotě zhruba 700 °C, přičemž se z materiálu BCNF1 uvolňuje čistý kyslík. Tento kyslík vstupuje do kyslíkového konvertoru, jehož odpadní plyn opět vstupuje do systému pro separaci plynů. Asi po 24 hodinách dojde k zahlcení struktur BCNF1 v oxidačním i redukčním reaktoru, přičemž stačí přepnout jejich vstupy a vše jede dál.

Modernizační systém týmu Kildahlové velice efektivně recykluje uhlík a teplo. Kvůli odstranění většiny koksu z výroby oceli ale potřebuje vnější dodávky energie, přibližně 306 kWh elektřiny na tunu vyrobené surové oceli. Pokud ale půjde o elektřinu z obnovitelných zdrojů, nebude její dodávání zvyšovat emise celého procesu.

Zásadní je, že by modernizační systém měl podstatně zlevnit výrobu oceli. Vědci to propočítali na příkladu ocelárny společnosti British Steel ve Scunthorpe. Potřebovali by tam celkem 10 přepínatelných redox reaktorů s BCNF1, každý o zhruba o výšce 15 m a průměru 9,5 m, při celkových nákladech asi 445 milionů dolarů. Zároveň by ale ušetřili 232 milionů dolarů ročně za koks a vydělali 16 milionů za prodej přebytečného kyslíku. Po pěti letech by ocelárna byla v plusu 740 milionů dolarů. Každých 5-10 let by bylo nutné vyměnit perovskitový materiál BCNF1, což by stálo cca 248 milionů dolarů.

Třešničkou na dortu je asi 94procentní pokles emisí uhlíku. Technologie fosilní výroby oceli BF-BOF představují asi 70 procent světové produkce oceli. Potenciál pro dekarbonizaci s využitím modernizace stávajících zařízení je zřejmě obrovský. Zatím je to ale jen na papíře. Teď je nutné dotáhnout vývoj modernizačního systému, postavit prototyp, vyzkoušet ho a pak uvidíme, jak to funguje.

Vide: Decarbonising steelmaking

Literatura

New Atlas 29. 1. 2023.

Journal of Cleaner Production online 17. 1. 2023.