Miljardi-investoinnin teknologiasta ei tiedetä paljoa – Kuinka terästä syntyy ilman päästöjä?

Norjalaissijoittaja ei ole kertonut suunnitellun terästehtaan teknologiasta juuri mitään, mutta esimerkiksi SSAB:lle hiilidioksiditonta terästä kehittävä Hybrit lisensoi teknologiaa myös muille yhtiöille.

Rautamalmipellettejä Ruotsin Luulajassa, missä SSAB kehittää vedyn varastointia ja hiilidioksittoman teräksen tuotantoa.

4.1. 11:38 | Päivitetty 4.1. 16:11

Norjalaisen Blastr Green Steelin Inkooseen kaavailema neljän miljardin euron hintainen vety- ja terästehdas tuottaisi hiilidioksiditonta terästä eli teräksen valmistukseen ei käytettäisi fossiilisia polttoaineita.

Hankkeessa moni kysymys on vielä auki: Mistä vasta runsaan vuoden toiminut yritys hankkii teräksen valmistusteknologian ja projektin vaatiman osaamisen? Mistä se saa rahoituksen ja mistä tehtaan tarvitseman sähkön?

Avoimet kysymykset huomioiden tavoite tuotannon alkamisesta vuonna 2026 on kunnianhimoinen.

Hiilidioksiditonta terästä ei tuoteta vielä missään teollisessa mittakaavassa. Ruotsalais–suomalainen SSAB on hiilidioksidittoman teräksen kehittämisessä pisimmällä. Yritys aikoo aloittaa sen teollisen mittakaavan tuotannon silti vasta vuonna 2026.

Vetypelkistystä kehitetään SSAB:n, energiayhtiö Vattenfallin ja kaivosyhtiö LKAB:n yhteisyrityksessä Hybritissä.

Oulun yliopiston metallurgian professori Timo Fabritius arvelee, että norjalaishanke käyttäisi juuri Hybritin teknologiaa. Kaksi muutakin vetypelkistykseen perustuvaa kehityshanketta on Euroopassa käynnissä, mutta Hybritin kuilu-uuniteknologia on lähimpänä teollista tuotantoa.

Hybrit on myös kertonut lisensoivansa patentoimaansa teknologiaa muille yhtiöille.

Fabritius johtaa julkista tutkimuspuolta Business Finlandin rahoittamassa TOCANEM- eli kohti hiilivapaita metalleja -hankkeessa.

Hybritin teknologia perustuu vedyn käyttämiseen rautamalmin pelkistyksessä. Rautamalmissa rauta on sitoutunut hapen kanssa rautaoksidiksi. Pelkistys tarkoittaa prosessia, jossa malmista erotetaan tuo happi ja tuotetaan metallista rautaa.

Perinteisessä teräksen valmistuksessa pelkistämiseen käytetään kivihiilestä valmistettua koksia. Prosessista vapautuu valtavat määrät hiilidioksidia.

Rautamalmissa rauta on sitoutunut happeen rautaoksidiksi. Siksi se voi olla ruosteenpunaista. Kuvassa australialaista malmia.

”Pohjoismaissa teräskilon valmistaminen tuottaa noin 1,6 kiloa hiilidioksidia. Maailmassa keskimäärin vielä enemmän eli vähän vajaa kaksi kiloa”, Fabritius sanoo.

Maailman hiilidioksidipäästöistä ja sattumoisin myös Suomen hiilidioksidipäästöistä noin seitsemän prosenttia syntyy teräksen valmistuksesta.

Esimerkiksi globaalin lentoliikenteen osuus maailman hiilidioksidipäästöistä oli lentoyhtiöiden etujärjestö IATA:n mukaan vuonna 2019 noin kaksi prosenttia.

Vihreän teräksen valmistuksessa hiilidioksidipäästöt saadaan lähes nollattua, kun tuotannon vaatima vety valmistetaan elektrolyysillä käyttämällä päästötöntä sähköä. Esimerkiksi Inkooseen tehdasta valmisteleva Blastr arvioi prosessin vähentävän teräksen valmistuksen hiilidioksidipäästöjä jopa 95 prosenttia.

Perinteisessä teräksenvalmistuksessa rautamalmipelletit kuumennetaan masuunissa noin 1 500 asteeseen koksin kanssa.

Koksin sisältämä hiili muodostaa ensin ilmassa olevan hapen kanssa häkää eli hiilimonoksidia. Se sitoo malmirikasteen rautaoksidista hapen eli pelkistää sen metalliseksi raudaksi. Samalla syntyy hiilidioksidia.

Pelkistetyt pelletit sulavat ja muodostavat masuunin pohjalle raakarautaa ja kuonaa. Raakaraudassa on 4,5 prosenttia hiiltä, rikkiä, piitä ja muita epäpuhtauksia.

Raakarauta siirretään sulana konvertteriin, jossa lämpötila nostetaan noin 1 700 asteeseen. Konvertteriin puhalletaan happea, jonka avulla raakaraudassa vielä oleva hiili palaa häkäkaasuksi ja hiilidioksidiksi. Prosessi tuottaa uunin tarvitseman lämmön.

Näin saatu raakateräs käsitellään vielä senkassa, jossa sulaan metalliin puhalletaan alhaalta päin argonkaasua. Se pitää sulan seoksen liikkeessä. Pinnalle laitetaan kuonan muodostajaa, kuten poltettua kalkkia, joka estää seosta reagoimasta ilman hapen ja typen kanssa.

Senkassa loputkin epäpuhtaudet saadaan pois ja toisaalta teräkseen voidaan sekoittaa sen ominaisuuksiin vaikuttavia seosaineita, kuten mangaania, vanadiinia tai titaania.

Senkasta laskettu teräs valetaan valmiiksi teräsaihioiksi, jotka sitten muovataan esimerkiksi valssaamalla asiakkaiden haluamaan muotoon.

Norjalaisyrityksen tehdas vastaisi tuotannoltaan SSAB:n Raahen-terästehdasta. Kuva on vuodelta 2018.

”Suurin osa hiilidioksidipäästöistä syntyy masuunissa. Vetypelkistyksessä juuri näistä päästöistä päästään eroon”, Fabritius sanoo.

Prosessissa syntyy hiilidioksidin sijaan puhdasta vettä.

Hybritin kehittämässä kuilu-uuniteknologiassa uuniin laitetaan samantyyppisiä rautaoksidipellettejä kuin perinteiseen masuuniin. Uunissa on noin 950 asteen lämpötila, jossa malmi ei vielä sula.

Alhaalta uuniin tulee vetykaasua, joka reagoi malmipelleteissä hapen kanssa ja muodostaa vesihöyryä. Uunista tulee tuotteena ulos niin sanottua rautasientä.

Pelletit ovat yhä melko saman näköisiä kuin uuniin mennessään, mutta ne ovat poistuneen hapen jäljiltä huokoisia.

Rautasienen sulatus ja jatkopuhdistus tapahtuu konvertterin sijasta valokaariuunissa, jossa rautasientä kuumennetaan sähköllä. Sen jälkeen valmistusprosessi jatkuu kuten perinteisellä teräksellä senkan ja valun kautta valmiiksi teräsaihioiksi.

Vetypelkistys ei sinänsä ole uusi keksintö, mutta vasta ilmastonmuutoksen torjunnan myötä sitä on alettu kehittää teolliseen mittakaavaan. Kuilu-uuneissa terästä on pelkistetty jo kymmeniä vuosia käyttäen maakaasua.

Silloin prosessista syntyy myös hiilidioksidia.

Terästä voi kutsua vihreäksi tai hiilidioksidittomaksi vain, jos valmistuksessa käytettävä vety on vihreää eli se on valmistettu päästöttömästi.

Teollisuuden käyttämä vety on perinteisesti valmistettu maakaasusta, mutta silloin valmistus vapauttaa ilmaan hiilidioksidia.

Vihreää vetyä sen sijaan tehdään elektrolyysillä vedestä. Elektrolyysissä vesimolekyyli, jossa on kaksi vetyatomia ja yksi happiatomi, hajotetaan sähkön avulla vedyksi ja hapeksi. Samalla syntyy lämpöä.

Fabritiuksen mukaan suunnitellun terästehtaan 2,5 miljoonan tonnin vuosituotannon valmistaminen vetypelkistyksellä vaatii niin paljon vihreää vetyä, että tehdas käyttäisi sähköä jopa 8–10 terawattituntia vuodessa.

”Itse vedyn tuottamisen vaatima energiamäärä voisi olla 5–7 terawattituntia. Koko tehtaan kulutus riippuu siitä, miten paljon valmistuksessa käytetään kierrätysterästä vetypelkistyksen sijaan”, hän sanoo.

Kahdeksan terawattituntia on noin kymmenesosa Suomen viime vuoden sähkönkulutuksesta. Tuon sähkömäärän tuottamiseen tarvittaisiin koko Loviisan ydinvoimalan vuosituotanto tai runsaat 3 000 megawattia tuulivoimatehoa.

Tuulivoimalat tuottavat sähköä keskimäärin noin kolmasosan saman nimellistehon ydinvoimalaan verrattuna.

Blastrin oma alustava arvio on, että tehdas vetylaitoksineen tarvitsisi sähköä kaiken kaikkiaan noin kuusi terawattituntia.

Tuulivoimaa Suomeen nouseekin vauhdilla. Nyt sitä on 5 200 megawattia, mutta jo runsaan kahden vuoden päästä 10 000 megawattia.

Siitä eteenpäin rakentamisen tahdin määrää kysyntä eli, jos vetyinvestointeja ja siihen liittyvää teollisuutta on tulossa paljon, myös uutta tuuli- ja aurinkovoimaa rakennetaan valtavia määriä lisää.

Teräksen tuotannon kannalta haaste on tuulituotannon epätasaisuus. Vetyä kannattaa tuottaa silloin, kun tuulisähköä syntyy paljon eli tuulisella säällä. Vetyä pitäisi siis pystyä varastoimaan.

”Teräksen valmistusprosessin pitäisi pystyä pyörimään tasaisesti, mutta vedyn varastointi suuressa mittakaavassa on haasteellista”, Fabritius sanoo.

Vety on hyvin pienimolekyylinen kaasu, joka tihkuu herkästi rakenteiden läpi. Ruotsissa Luulajan terästehtaan viereen on rakenteilla kallioluola, jossa varastointia testataan.

Maakaasua, jonka molekyylit ovat vetyä suurempia, on varastoitu vuosikymmenten ajan kalliovarastoissa Keski-Euroopassa. Esimerkiksi Fortumin entinen tytäryhtiö Uniper on harkinnut maakaasuvarastojen tiivistämistä vedyn varastointiin sopiviksi.