Metalliska material är ryggraden i moderna ekonomier. Dock, stora mängder CO ₂ produceras under deras produktion och bearbetning. Metallindustrin måste därför använda mer klimatvänliga processer i framtiden. Kompaniet ₂ balansen mellan legeringar och deras komponenter måste också förbättras under hela deras livslängd. Dierk Raabe, Direktör vid Max-Planck-Institut für Eisenforschung i Düsseldorf, redogörs för de möjligheter som industriföretagen redan har i detta avseende samt de uppgifter som metallurger måste ta sig an för att nå målet om en hållbar metallindustri.

Professor Raabe, vad kan stålindustrin och andra metallbearbetningssektorer göra idag för att minska sin resursförbrukning och sin CO ₂ fotavtryck snabbt och märkbart?

Korrosionsskydd har en betydande effekt eftersom det gör produkterna mer hållbara. Det här handlar inte bara om järn, som rostar, men även andra material som aluminium eller nickel. Det handlar också om korrosion av väte, till exempel, som har en mycket mer extrem effekt på metaller än vatten och syre. Det kan orsaka väteförsprödning, skada som kan leda till plötsligt katastrofalt fel på komponenter. Detta var en av orsakerna till Deep Water Horizon-katastrofen, till exempel. Dock, det spelar också en roll i kraftverk, industribyggnader, och transport, särskilt om vi vill lita mer på väte som energikälla i framtiden. Även om korrosionsskydd inte låter så spännande för lekmän, det har en betydande hävstångseffekt eftersom upp till 4 % av världens ekonomiska produktion förstörs av korrosion varje år.

I vilka områden är korrosion ett särskilt stort problem?

I vissa områden är korrosionsskydd redan ganska utbrett. Till exempel, inom fordonsindustrin. Det brukade vara en viktig fråga när man köpte en bil:hur snabbt rostar den? Det är nu ett minne blott. Dock, industriell infrastruktur, skyskrapor, broar, kraftstationer eller tåg – tänk bara på järnvägsolyckan nära Eschede 1998 – är fortfarande mycket känsliga för korrosion. Och detta kommer bara att föröka sig när väte tillsätts som energikälla under de kommande tio åren.

Var ser du andra möjligheter att göra stål och andra metalliska material mer hållbara?

Elektrifieringen av metallproduktionen kommer också att få stort inflytande. aluminium, det näst viktigaste metalliska materialet efter stål för flyg- och fordonsindustrin, har länge syntetiserats genom elektrolytisk reduktion av aluminiummalm. Detta kräver mycket el, varav en del redan erhålls från förnybara källor som vattenkraft. Du kan också producera andra metaller – även järn – genom elektrolys. Dock, detta är inte värt besväret på grund av de höga elpriserna. Allt som allt, elektrifiering är en av de största hävstångarna för hållbarheten i primärproduktion och vidareförädling av metaller om elen uteslutande kommer från förnybara källor.

Vilka förutsättningar krävs för att producera järn med el?

Den tröga utbyggnaden av kraftledningarna för grön el borde äntligen få fart på takten. För det måste tydligt anges att i regioner som Ruhr, där järn produceras, du kommer att behöva vänta många år till på en anslutning till en grön strömkälla som är tillräcklig för sådana industrier som en blick på hemsidan för Federal Network Agency visar. Dessutom, marknadsuppskattningar av Wuppertal Institute, till exempel, visa att det kan ta upp till 20 år innan helelektriska processer blir konkurrenskraftiga.

För stålindustrin, dock, det skulle innebära att man måste gå från masugnsproduktion till helt nya processer. Är det realistiskt?

Även för enskilda delar av integrerade stålverk och aluminiumsmältverk, investeringskostnaderna är så höga att branschen inte har råd att bygga om dem vart tionde år. Initialt, dock, masugnarna kunde till och med lämnas som de är. Industrin kan ersätta kolet för reduktion (d.v.s. koks, kol, biomassa, och plastavfall) med upp till 20 % väte, vilket skulle, självklart, måste genereras från vatten med hjälp av regenerativ el. Och eftersom stålindustrin står för cirka 6 % av världens totala CO ₂ utsläpp, detta skulle få en betydande inverkan. Dessa processer testas redan på flera platser runt om i världen. Industrin kan också på medellång sikt lägga om produktionen till direkt minskning. Processen går ut på att fylla granulära oxidpellets (som de som levereras av gruvor efter malmbearbetning) som fasta ämnen i en ugn och omvandla dem direkt med metan. Detta har länge gjorts i länder där metan är överkomligt. Denna process har fördelen att växterna kan, i princip, omvandlas till upp till 100 % väte.

Så när kommer järn att smältas med väte?

Den helt vätebaserade processen kommer att ta 10 till 12 år innan den kan släppas ut på marknaden. Man räknar med att de blir ca. 30 % dyrare än nuvarande masugnsproduktion. Och CO ₂ prishöjningen är ännu inte helt fastställd. Det kan därför vara så att om 10 år, en höjning på 30 % blir ett konkurrenskraftigt marknadspris om motsvarande mindre hållbara konkurrerande material från länder utanför EU utsätts för jämförbara villkor. Det värsta av alla lösningar vore att metallproduktionen försvinner från Europa och att vi köper ohållbara metaller från länder utanför EU. Europa behöver en oberoende och hållbar metalltillverknings- och bearbetningsindustri, inte minst för att den genererar omkring 400 miljarder euro per år.

Vilket intresse kan industrin i länder som Tyskland ha av att byta ut sina anläggningar mot direktreduktionsanläggningar?

Å ena sidan, stålindustrin kan producera järn i en CO ₂ -reducerat sätt. Företag ser redan behovet av detta eftersom de kan uppskatta att kostnaderna kommer att stiga under de kommande åren på grund av CO ₂ prissättning och eftersom biltillverkare, till exempel, hoppas kunna använda en ökande andel av CO ₂ -reducerat stål i framtiden. Å andra sidan, den direkta minskningen gör det också möjligt för företag att bli mer flexibla. En masugn måste hållas igång kontinuerligt. Annat, det kommer att gå sönder. Med ugnar för direkt reduktion, företag kan anpassa sig mycket mer flexibelt till marknaden och tillverka stål i olika kvaliteter. Vi är också förvånade över att stålindustrin redan planerar och planerar omställningen till sådana anläggningar i massiv skala över hela världen. Vissa befintliga anläggningar håller redan på att omvandlas till väte. Under de nya åren, metallindustrin kommer att genomgå en av historiens största omvälvningar. I över 3500 år, järn har (i princip) framställts med samma reduktionsprocess.

Vilka politiska ramvillkor måste skapas för att göra metallproduktionen mer hållbar?

När man fattar politiska beslut, vi borde, hur som helst, analysera hur lagstiftningsåtgärder som subventioner eller förbud påverkar CO ₂ balans över hela livscykler. Till exempel, om du pumpade mycket pengar på att tillverka stål helt elektrolytiskt, det skulle låta bra. Dock, en titt på elmixen visar att, som med elbilen, det finns fortfarande 25 % brunkolselektricitet. Då har vi inte vunnit något. Hållbarhet måste också tänkas igenom på ett hållbart sätt. Det är ingen idé att visa upp sig.

Enligt din åsikt, var skulle rättsliga regler vara meningsfulla?

Till exempel, i incitament för slutna skrotkretslopp inom industrin. Jag ska ge dig ett exempel:Det finns några bilföretag som redan huvudsakligen endast tillverkar aluminiumbilar i premiumsegmentet och, i vissa fall, bearbeta upp till 300, 000 ton aluminium årligen. Dock, när komponenterna stansas ut ur plåten, upp till 45 % av materialet går förlorat. Nu skulle man kunna tro att de skulle samla sitt eget skrot. För när aluminiumet är så rent, det är som kontanter i handen. Men bara ett fåtal företag gör detta konsekvent. Till exempel, här i EU. Annars är det fortfarande mycket billigare för många företag att köpa nytt material på marknaden istället för att etablera slutna skrotcykler. Och det mesta metallskrotet är också redan blandat, vilket minskar dess värde till så lågt som en tiondel. Till exempel, Att skapa skatteincitament för separata skrotcykler i ett tidigt skede skulle göra mycket mer än att bara samla in kaffekapslar eller folieomslag, som vi som konsumenter producerar. Därmed inte sagt att vi inte ska bry oss om dem. Men jämfört med industriavfall, det är en fråga om decimaler.

Vilka forskningsbehov ser du för hållbara metallmaterial?

Just nu, många olika legeringar används i många produkter eftersom de alla har någon speciell egenskap. Initialt, vi tittar på vilka grundämnen som förekommer i legeringar när en viss mängd skrot används. Till exempel, du kan redan hitta det extremt dyra neodymet från elmotorerna till fönsterrullar och liknande i det återvunna aluminiumet som används i bilar idag, eftersom de inte separeras innan de smälts ner. Vi hittar alltså över 20 grundämnen i legeringar som vi inte hade tidigare. Vi undersöker hur sådana föroreningar förändrar egenskaperna hos legeringar. Vi hoppas få reda på hur orent ett material kan vara och ändå uppfylla sitt syfte. Om vi ​​vetenskapligt kan bevisa att ett material kan vara mindre rent, vi kan öka skrothalten och därmed kraftigt minska koldioxiden ₂ fotavtryck.

Kan skrot från en bransch återvinnas i en annan?

Vi undersöker sådana möjligheter. Vi tittar systematiskt på var mycket material går åt och om vi kan tillverka legeringar som tål mer föroreningar. Till exempel, vi har funnit att byggindustrin använder allt mer aluminiumlegeringar relaterade till aluminium-manganlegeringen av dryckesburkar för takpannor, beklädnad, lastbärande element, hissar, och liknande. När det gäller burkar, andelen återvinning och därmed mängden föroreningar är redan ganska hög, eftersom legeringen är relativt godmodig och inte behöver kunna göra så mycket. Vi vill nu undersöka om burkskrotet, som många länder producerar i större kvantiteter än i Tyskland, kan även användas för byggnadsändamål.

Vad är det andra steget för forskning?

Vi försöker minska antalet legeringar och utveckla en sorts enhetslegering. Detta skulle vara mycket bättre att återvinna eftersom mycket mindre sortering skulle krävas. Tills nu, Specialiseringen av material har alltid erhållits till priset av en kemisk förändring:Materialforskare fifflar med den kemiska sammansättningen fram till fendern, flygplanskomponent, eller turbinen blir bättre. Vi skulle vilja minska denna extrema diversifiering av sorter, vilket försvårar återvinning. A specific example:a car manufacturer could demand that a steel or aluminum producer use only two alloys instead of five, all of which have been perfected to impart a certain property such as strength or surface quality.

How could the diversity of alloys be limited?

The fundamental question here is whether we can achieve diversification not only through chemical composition but also primarily through changes in the micro- and nanostructure. This has traditionally worked well with metals. Dock, you must invest a lot more effort in the production in order to achieve a certain size and orientation of the crystals (as an example). This approach shifts the basic approach of material production from materials chemistry to metal physics.

How many alloys do you expect would remain?

Till exempel, if you purchase an aluminum alloy today, you can choose between up to 280 alloys that can do anything that aluminum should be able to do. But if you look at what is really sold in large quantities, there are only 50 or 60 alloys left. And if you take a closer look at exactly what these alloys are supposed to achieve, you might end up with only 20 or 30 alloys. Självklart, that's just a rough estimate.

Kompaniet ₂ emissions of the metal industry could also be reduced by using less material. Do you see possibilities to make car bodies lighter, for example?

First of all:cars have become bigger and heavier in the past decades, partly because of additional equipment such as air conditioning, ledningar, or on-board computers, which are considered the minimum standard today. And of course the situation is quite extreme with electric vehicles in which the battery alone weighs up to 800 kg. But you could add another 200 or 300 kg if the bodies hadn't already become much lighter because the alloys were getting harder and harder. Ändå, the competition among material manufacturers is still continuing to see who can supply the strongest steels and aluminum alloys. Because we are still at only about one tenth of the theoretically possible strength of these materials. So there is still a lot of research to be done to bring the materials to their physical limits.

Perhaps you as a metal researcher are not the right addressee for the next question. Nevertheless:would it make sense to replace metallic materials with plastics in some places?

You really are asking the wrong person. Faktiskt, polymer materials with carbon fibers have been propagated time and again for car bodies. But in terms of the ecological balance, this is really nonsense. The production of carbon fibers requires an extremely high amount of energy and releases large amounts of CO ₂ . And in the end, you can only throw most of these materials into the waste incineration plant. It is often stated that these polymer-based materials can be recycled. But you can really only chop them up and make mats out of them. Metaller, å andra sidan, can be recycled infinitely often, provided that the scrap is collected by type, the effect of impurities is understood and controlled, and the variety of alloys used is reduced. And lightweight magnesium components already come very close to polymer components in terms of weight but are completely recyclable.