Ağır sanayi için temiz teknoloji

Çelik üretimi önemli miktarda karbondioksit emisyonuna neden olmaktadır. Fraunhofer araştırmacıları, TS ELINO GmbH ve Salzgitter AG, çelik üretimini ve yüksek karbondioksit emisyonlarını karbondan arındırmak için mevcut bir çelik fabrikasını iklim-nötr üretim yöntemlerine dönüştürmek için çalışıyor. Amaç, demir cevherinin hidrojenle doğrudan indirgenmesi yoluyla çelik üretmektir; bu yöntem, indirgeyici madde olarak zararlı kok kömürünün yerini tamamen alacaktır. Bu yöntem için gerekli olan hidrojen, yenilenebilir enerji kaynaklarından elde edilen elektrikle elektroliz işlemleri kullanılarak üretilmektedir. Bu da karbondioksit emisyonlarını yüzde 97'ye varan oranda azaltabilir. Dolayısıyla çelik endüstrisinin karbondan arındırılması iklimin korunmasına önemli ölçüde katkıda bulunacaktır.

Direktreduktionsanlage im Labormaßstab für reaktionskinetische Untersuchungen und Modellierung des Schachtofens
© Fraunhofer IKTS
Reaksiyon kinetik incelemeleri ve şaft fırını modellemesi için laboratuvar ölçeğinde doğrudan indirgeme tesisi.
μDRAL-Anlage - einem integrierten Hüttenwerk içinde Wasserstoff ve Erdgas betriebene Direktreduktionsanlage ile en esnek
© Salzgitter AG
μDRAL tesisi - entegre bir değirmende hidrojen ve doğal gazla esnek bir şekilde çalışan ilk doğrudan indirgeme tesisi.
Çelik birçok faydalı niteliğe sahiptir ve mukavemet, işlenebilirlik ve stabilitenin temel özellikler olduğu hemen hemen tüm ürünlerde bulunur. Binalarda, araçlarda, makinelerde veya ev aletlerinde çelik vazgeçilmez bir bileşendir - ancak Enerji Yoğun Endüstrilerde İklim Değişikliğinin Azaltılması Yetkinlik Merkezi'ne (KEI) göre, sadece Almanya'da çelik üretiminden her yıl yaklaşık 55 milyon ton CO2 salınmaktadır. Dolayısıyla çelik endüstrisi, Alman endüstrisi tarafından üretilen toplam CO2 emisyonlarının yaklaşık %28'inden sorumludur. Bunun başlıca nedeni, demir cevherinden oksijeni uzaklaştırmak ve pik demiri çıkarmak için yüksek fırınlarda gerekli olan kok kömürünün kullanılmasıdır.

Yıllardır üretimi karbondan arındırmak için yeni teknolojiler geliştirme çalışmaları devam etmektedir. Fraunhofer Seramik Teknolojileri ve Sistemleri Enstitüsü IKTS, ortak enstitüler Fraunhofer Sistem ve İnovasyon Araştırmaları Enstitüsü ISI ve Fraunhofer Çevre, Güvenlik ve Enerji Teknolojisi Enstitüsü UMSICHT ile Salzgitter AG hidrojen bazlı doğrudan indirgeme üzerine odaklanmaktadır. Bir reaktörde doğrudan indirgeme sırasında, demir cevheri yüksek sıcaklıkta hidrojen ile reaksiyona girer. Bu hidrojen indirgeyici bir madde olarak işlev görür ve demir cevherinden demir oksidi uzaklaştırır. Geriye ham pik demir kalır. "Yenilenebilir enerji kaynaklarından elde edilen elektriğin kullanılmasıyla hidrojen üretimi tamamen CO2 emisyonu içermiyor. Bu da ham çelik üretiminde yeşil hidrojen kullanarak zararlı karbondioksitten yüzde 97'ye kadar tasarruf edebileceğimiz anlamına geliyor" diyor Fraunhofer IKTS Enerji ve Proses Mühendisliği Bölüm Başkanı Dr. Matthias Jahn.

Yüksek sıcaklıkta elektrolizden elde edilen yeşil hidrojen
Prensip olarak yeşil hidrojen, buharı hidrojen ve oksijene ayırmak için bir elektrik voltajının uygulandığı elektroliz kullanılarak üretilir. Özellikle katı oksit elektroliz hücrelerine (SOEC) dayalı yüksek sıcaklık elektrolizi Fraunhofer IKTS'de uzun bir geçmişe sahiptir. Yüksek sıcaklık proseslerinden kaynaklanan atık ısının elektrik verimliliğini artırmak için kullanılabileceği düşünüldüğünde, bu durum özellikle çelik üretiminde diğer elektroliz proseslerine kıyasla önemli avantajlar sunmaktadır. Fraunhofer IKTS araştırmacıları kendi bünyelerinde elektroliz hücreleri ve yığınları geliştirmiş ve proses konseptinin tekno-ekonomik değerlendirmesi için kendi işletim verilerini kullanmışlardır. Ayrıca konsorsiyum, hem MACOR çalışmasında hem de BeWiSe takip projesinde yeni prosesin fizibilitesini göstermiştir.

Şirket tesislerindeki demonstrasyon tesisi
Alman Federal Eğitim ve Araştırma Bakanlığı (BMBF) tarafından finanse edilen yeni BeWiSe projesini başlatan araştırmacılar ve endüstriyel ortakları, şimdi tüm süreç zincirini kaynak ve enerji verimliliği açısından daha da optimize ediyor. Bu amaçla, Salzgitter AG tesislerinde yaklaşık 30 metre yüksekliğinde bir doğrudan indirgeme demonstrasyon tesisi de kullanılıyor. Örneğin proje, çelikte gerekli karbon içeriğini ayarlamak için biyojenik malzemelerin kömür ve doğal gaz yerine nasıl kullanılabileceğini araştırıyor. Diğer şeylerin yanı sıra, yeşil çelik üretimi sırasında elektroliz için büyük miktarlarda su gerektiği göz önüne alındığında, proje aynı zamanda su kullanımının nasıl optimize edileceğine de odaklanıyor. Sonuç olarak, demir cevherinin hidrojenle indirgenmesi sırasında oluşan su, yeniden kullanım için mümkün olduğunca işlenecektir.

Çelik üretimi önemli miktarda karbondioksit emisyonuna neden olmaktadır. Fraunhofer araştırmacıları, TS ELINO GmbH ve Salzgitter AG, çelik üretimini ve yüksek karbondioksit emisyonlarını karbondan arındırmak için mevcut bir çelik fabrikasını iklim-nötr üretim yöntemlerine dönüştürmek için çalışıyor. Amaç, demir cevherinin hidrojenle doğrudan indirgenmesi yoluyla çelik üretmektir; bu yöntem, indirgeyici madde olarak zararlı kok kömürünün yerini tamamen alacaktır. Bu yöntem için gerekli olan hidrojen, yenilenebilir enerji kaynaklarından elde edilen elektrikle elektroliz işlemleri kullanılarak üretilmektedir. Bu da karbondioksit emisyonlarını yüzde 97'ye varan oranda azaltabilir. Dolayısıyla çelik endüstrisinin karbondan arındırılması iklimin korunmasına önemli ölçüde katkıda bulunacaktır.

Direktreduktionsanlage im Labormaßstab für reaktionskinetische Untersuchungen und Modellierung des Schachtofens
© Fraunhofer IKTS
Reaksiyon kinetik incelemeleri ve şaft fırını modellemesi için laboratuvar ölçeğinde doğrudan indirgeme tesisi.
μDRAL-Anlage - einem integrierten Hüttenwerk içinde Wasserstoff ve Erdgas betriebene Direktreduktionsanlage ile en esnek
© Salzgitter AG
μDRAL tesisi - entegre bir değirmende hidrojen ve doğal gazla esnek bir şekilde çalışan ilk doğrudan indirgeme tesisi.
Çelik birçok faydalı niteliğe sahiptir ve mukavemet, işlenebilirlik ve stabilitenin temel özellikler olduğu hemen hemen tüm ürünlerde bulunur. Binalarda, araçlarda, makinelerde veya ev aletlerinde çelik vazgeçilmez bir bileşendir - ancak Enerji Yoğun Endüstrilerde İklim Değişikliğinin Azaltılması Yetkinlik Merkezi'ne (KEI) göre, sadece Almanya'da çelik üretiminden her yıl yaklaşık 55 milyon ton CO2 salınmaktadır. Dolayısıyla çelik endüstrisi, Alman endüstrisi tarafından üretilen toplam CO2 emisyonlarının yaklaşık %28'inden sorumludur. Bunun başlıca nedeni, demir cevherinden oksijeni uzaklaştırmak ve pik demiri çıkarmak için yüksek fırınlarda gerekli olan kok kömürünün kullanılmasıdır.

Yıllardır üretimi karbondan arındırmak için yeni teknolojiler geliştirme çalışmaları devam etmektedir. Fraunhofer Seramik Teknolojileri ve Sistemleri Enstitüsü IKTS, ortak enstitüler Fraunhofer Sistem ve İnovasyon Araştırmaları Enstitüsü ISI ve Fraunhofer Çevre, Güvenlik ve Enerji Teknolojisi Enstitüsü UMSICHT ile Salzgitter AG hidrojen bazlı doğrudan indirgeme üzerine odaklanmaktadır. Bir reaktörde doğrudan indirgeme sırasında, demir cevheri yüksek sıcaklıkta hidrojen ile reaksiyona girer. Bu hidrojen indirgeyici bir madde olarak işlev görür ve demir cevherinden demir oksidi uzaklaştırır. Geriye ham pik demir kalır. "Yenilenebilir enerji kaynaklarından elde edilen elektriğin kullanılmasıyla hidrojen üretimi tamamen CO2 emisyonu içermiyor. Bu da ham çelik üretiminde yeşil hidrojen kullanarak zararlı karbondioksitten yüzde 97'ye kadar tasarruf edebileceğimiz anlamına geliyor" diyor Fraunhofer IKTS Enerji ve Proses Mühendisliği Bölüm Başkanı Dr. Matthias Jahn.

Yüksek sıcaklıkta elektrolizden elde edilen yeşil hidrojen
Prensip olarak yeşil hidrojen, buharı hidrojen ve oksijene ayırmak için bir elektrik voltajının uygulandığı elektroliz kullanılarak üretilir. Özellikle katı oksit elektroliz hücrelerine (SOEC) dayalı yüksek sıcaklık elektrolizi Fraunhofer IKTS'de uzun bir geçmişe sahiptir. Yüksek sıcaklık proseslerinden kaynaklanan atık ısının elektrik verimliliğini artırmak için kullanılabileceği düşünüldüğünde, bu durum özellikle çelik üretiminde diğer elektroliz proseslerine kıyasla önemli avantajlar sunmaktadır. Fraunhofer IKTS araştırmacıları kendi bünyelerinde elektroliz hücreleri ve yığınları geliştirmiş ve proses konseptinin tekno-ekonomik değerlendirmesi için kendi işletim verilerini kullanmışlardır. Ayrıca konsorsiyum, hem MACOR çalışmasında hem de BeWiSe takip projesinde yeni prosesin fizibilitesini göstermiştir.

Şirket tesislerindeki demonstrasyon tesisi
Alman Federal Eğitim ve Araştırma Bakanlığı (BMBF) tarafından finanse edilen yeni BeWiSe projesini başlatan araştırmacılar ve endüstriyel ortakları, şimdi tüm süreç zincirini kaynak ve enerji verimliliği açısından daha da optimize ediyor. Bu amaçla, Salzgitter AG tesislerinde yaklaşık 30 metre yüksekliğinde bir doğrudan indirgeme demonstrasyon tesisi de kullanılıyor. Örneğin proje, çelikte gerekli karbon içeriğini ayarlamak için biyojenik malzemelerin kömür ve doğal gaz yerine nasıl kullanılabileceğini araştırıyor. Diğer şeylerin yanı sıra, yeşil çelik üretimi sırasında elektroliz için büyük miktarlarda su gerektiği göz önüne alındığında, proje aynı zamanda su kullanımının nasıl optimize edileceğine de odaklanıyor. Sonuç olarak, demir cevherinin hidrojenle indirgenmesi sırasında oluşan su, yeniden kullanım için mümkün olduğunca işlenecektir.