Vihreäteräs Euroopan autoteollisuuden käyttöön. 

Jyrki Itkosen Face-päivityksen innoittamana.

Vihreä teräs – mitä se oikeasti tarkoittaa

Euroopan autoteollisuudelle on asetettu yhä tiukempia päästövaatimuksia. Keskustelu ei koske enää pelkästään autojen pakokaasuja, vaan myös sitä, miten autot valmistetaan. Yksi keskeinen kysymys on teräs. Auton rakenteesta noin tonni on terästä, ja teräksen valmistus kuuluu maailman suurimpiin yksittäisiin hiilidioksidin lähteisiin.

Siksi autoteollisuudelle esitetään yhä useammin vaatimuksia käyttää niin sanottua vihreää terästä.

Ajatus kuulostaa yksinkertaiselta. Jos rautamalmi pelkistetään vedyn avulla hiilen sijaan ja teräs valmistetaan sähköuunissa, hiilidioksidipäästöt pienenevät merkittävästi. Kun tällaisesta teräksestä valmistetaan autoja, myös auton valmistuksen päästöt pienenevät.

Paperilla tämä näyttää suoraviivaiselta ratkaisulta.

Kun asiaa tarkastellaan lähempää, huomataan nopeasti että kyse ei ole yhdestä muutoksesta. Kyse on koko terästeollisuuden tuotantoketjun muuttamisesta. Teräksen valmistus ei ole yksi laite tai yksi prosessi. Se on kokonainen teollinen järjestelmä, jossa materiaali ja energia kiertävät useiden vaiheiden kautta.

Siksi vihreä teräs ei ole pelkkä uusi teknologia. Se on koko teollisen energiatalouden uudelleenjärjestely. 

Miten terästä tehdään tänään

Perinteinen terästehdas perustuu niin sanottuun integroituihin prosessiin. Rautamalmi pelkistetään masuunissa raudaksi. Pelkistyksessä käytetään koksia, joka toimii sekä polttoaineena että kemiallisena pelkistimenä.

Masuunista syntyy sulaa raakarautaa ja kuonaa.

Raakarauta siirtyy konvertteriin, jossa siitä valmistetaan terästä puhaltamalla sulaan metalliin happea. Happipuhallus poistaa hiiltä ja muita epäpuhtauksia.

Tämän jälkeen teräs valetaan aihioiksi ja siirtyy valssaamoihin, joissa siitä valmistetaan levyä, nauhaa tai muita tuotteita.

Prosessi on metallurgisesti hyvin tunnettu ja sitä on kehitetty yli sadan vuoden ajan. Samalla sen ympärille on syntynyt monimutkainen energiajärjestelmä.

---

Terästehdas tuottaa myös energiaa

Masuunissa syntyy masuunikaasua. Koksilaitoksessa syntyy koksikaasua ja konvertterissa niin sanottua LD-kaasua. Kun nämä kaasut puhdistetaan pölystä ja epäpuhtauksista, niitä voidaan käyttää voimalaitoksessa polttoaineena.

Niillä tuotetaan sähköä ja höyryä tehtaan omaan käyttöön.

Tämä tekee integroidusta terästehtaasta eräänlaisen energiakombinaatin. Prosessin sivutuotteena syntyvä energia kiertää takaisin tehtaan toimintaan.

Raahessa tämä näkyy hyvin konkreettisesti. Tehdas tuottaa sivukaasuista sähköä, höyryä ja lämpöä. Voimalaitokselta lähtee kuumaa paineistettua syöttövettä prosesseihin. Valssaamon askelpalkki- ja läpityöntöuunien jäähdytyksessä käytetään noin 140-asteista painevettä, joka kiertää takaisin energiajärjestelmään.

Lisäksi osa lämmöstä hyödynnetään kaukolämpönä kaupungille.

Terästehdas ei siis ole vain metallurginen laitos. Se on samalla myös merkittävä energiantuottaja.

---

Romuteräs ja sähköuuni

Yksi tapa vähentää päästöjä on käyttää romuterästä. Romu voidaan sulattaa sähkökaariuuneissa ja siitä valmistetaan uusi terästuote.

Tämä on jo nykyisin suhteellisen vähäpäästöinen tuotantotapa.

Romussa on kuitenkin rajoituksia. Romuteräs on lähes aina sekoitus erilaisia teräksiä. Se voi sisältää esimerkiksi kuparia, kromia, nikkeliä tai molybdeenia. Näitä epäpuhtauksia ei ole helppo poistaa sulasta teräksestä.

Autoteollisuuden käyttämä teräs vaatii erittäin tarkkaa koostumuksen hallintaa. Siksi romua käytetään usein vain osittain. Lopullisen koostumuksen varmistamiseksi tarvitaan myös puhdasta metallista raaka-ainetta.

---

Rautasieni – vihreän teräksen väliportaaksi jäävä prosessi

Kun rautamalmi ei enää mene masuunin kautta, se täytyy pelkistää toisella tavalla ennen kuin siitä voidaan valmistaa terästä.

Tässä kohtaa prosessiin tulee mukaan rautasieni.

Rautasieni syntyy, kun rautamalmi pelkistetään kiinteässä tilassa ilman että se sulaa. Prosessia kutsutaan suorapelkistykseksi. Englanniksi sitä kutsutaan nimellä Direct Reduced Iron.

Tuloksena syntyy huokoinen metallinen rakenne, joka muistuttaa ulkonäöltään sientä.

Rautasieni ei vielä ole terästä. Se on välituote, joka syötetään sähkökaariuuniin romun kanssa.

---

Vedyn rooli

Perinteisessä suorapelkistyksessä pelkistyskaasuna käytetään maakaasua. Vihreän teräksen mallissa maakaasu korvataan vedyllä.

Vety reagoi rautamalmin kanssa ja muodostaa vettä hiilidioksidin sijaan.

Kemiallisesti tämä on tunnettu prosessi. Haaste on mittakaava.

Vety täytyy valmistaa elektrolyysillä, joka kuluttaa suuria määriä sähköä. Lisäksi pelkistysreaktorit toimivat korkeassa lämpötilassa, joten prosessi vaatii myös lämpöenergiaa.

---

Energiatalous muuttuu

Kun masuuniprosessi poistuu, katoaa samalla myös sen tuottama energia.

Masuunikaasu, koksikaasu ja konvertterikaasu eivät enää kierrä voimalaitokseen. Sähköä ja höyryä ei enää synny prosessin sivutuotteena.

Samaan aikaan uusi tuotantotapa lisää sähkön tarvetta.

Sähkökaariuuni käyttää sähköä teräksen sulattamiseen. Vedyn valmistus lisää sähkön tarvetta entisestään.

Näin syntyy kaksoisvaikutus.

Vanhan prosessin energiantuotanto katoaa, ja uusi prosessi lisää sähkön kulutusta.

---

Mitä vihreä teräs siis tarkoittaa

Vihreä teräs ei ole vain uusi metallurginen menetelmä.

Se on koko terästeollisuuden energiajärjestelmän muutos.

Kun vanha tuotantotapa poistuu, katoaa samalla suuri määrä teollista energiantuotantoa. Tilalle tulee prosessi, joka tarvitsee enemmän sähköä kuin koskaan aikaisemmin.

Siksi vihreän teräksen keskustelu ei ole pelkkää metallurgiaa. Se on myös keskustelua energiasta.

Ja juuri siinä kohtaa nousee esiin kysymys, joka ratkaisee koko muutoksen.

Mistä se sähkö tulee?

Lähteet ja lisälukemista

World Steel Association
Steel Statistical Yearbook ja terästeollisuuden tuotanto- ja energiadata.

International Energy Agency (IEA)
Iron and Steel Technology Roadmap – analyysi terästeollisuuden päästöistä ja tulevista teknologioista.

European Commission
EU Steel Strategy ja teollisuuden vähähiilisyysstrategiat.

HYBRIT Development AB
Hydrogen Breakthrough Ironmaking Technology – vetypelkistykseen perustuvan teräksen valmistus.

SSAB
Fossil-free steel ja SSAB:n Raahen ja Luulajan tuotantoteknologian esittelyt.

H2 Green Steel / Stegra
Bodenin vetypohjaisen terästehtaan tekniset kuvaukset.

Midrex Technologies
Direct Reduced Iron – rautasienen valmistusprosessi.

International Energy Agency
Hydrogen in Industry – vedyn käyttö raskaassa teollisuudessa.

Eurofer – European Steel Association
European Steel in Figures – Euroopan terästeollisuuden tilastot.

U.S. Department of Energy
Steel Manufacturing and Energy Use – teräksen valmistusmenetelmien energiantarve.

Metallurgical and Materials Transactions / ASM International
Metallurgian ja teräksen valmistuksen tekniset perusteokset.

SSAB Europe – Raahen terästehdas
Tuotantoprosessin ja energiajärjestelmien esittelyaineisto.

Geologian tutkimuskeskus (GTK)
Rautamalmi ja metallien tuotanto – raaka-aineketjut ja mineraalitalous.

VTT – Teknologian tutkimuskeskus
Vetytalous ja teollisuuden sähköistyminen Suomessa.

Motiva / Energiavirasto
Suomen teollisuuden energiankäyttö ja energiatehokkuus.

Suomen teräsyhdistys
Kotimaisen terästeollisuuden tekniset katsaukset.