Review

Net-Zero transition in the steel sector: beyond the simple emphasis on hydrogen, did we miss anything?^☆

La transition écologique « net-zéro » de la sidérurgie : en dehors de l’attention portée à l’hydrogène, y a-t-il des questions qui demandent encore à être approfondies ? Presentée comme conference invitée à « H₂ for Green Steel, 2nd International Conference », Jouy-en-Josas, 29 novembre – 1^er décembre, 2022

IF STEELMAN, Semécourt, France

^* e-mail: jean-pierre.birat@ifsteelman.eu

Received: 2 January 2023
Accepted: 8 March 2023

Abstract

There is an explosion of publications and of various announcements regarding the use of hydrogen in the steel sector as a way to arrive at Net-Zero steel production − particularly in Europe. Most of them describe process technologies on the one hand and commitment to implement them quickly in the steel sector in the form of roadmaps and agendas, on the other hand. The most popular process technology is H₂ Direct Reduction (H₂-DR) in a shaft furnace. Available technical literature, as abundant as it may be, is still fairly incomplete in making the pathway to Net-Zero explicit and credible. This paper tries to identify important issues which are not openly discussed nor analyzed in the literature, yet. Process-wise, open questions in technical papers are: (1) what are the best-fitted iron ores for H₂-DR, (2) what downstream furnace, after H₂-DR, can accommodate various raw materials, (3) how and how much carbon ought to be fed into the process, (4) what is the best design for the shaft, (5) should it be designed for both natural gas and H₂ operations, or simply for H₂, (6) how should the progress of R&D be organized from pilot plants up to full-scale FOAK plants and then to a broad dissemination of the technology, (7) what kind of refractories should be implemented in the various new reactors being imagined, etc. Cost issues are also widely open, as a function of green hydrogen, green electricity and carbon prices. How is hydrogen fed to the steel mill and what exactly is the connection to renewable electricity? Is the infrastructure that this calls for planned in sufficiently details? What is still missing is a full value chain picture and planning from mining to steel mills, including electricity and hydrogen grids. Two years after our last review paper on hydrogen, the overall picture has changed significantly. Countries beyond Europe, including China, have come up with roadmaps and plans to become net-zero by 2050, plus or minus 10 years. However, they do not rely as much on H₂ alone, as Europe seems to be doing. What is most likely is that several process routes will develop in parallel, including, beyond H₂-DR, Blast Furnace ironmaking and NG Direct Reduction with CCS, electrolysis of iron ore and scrap-based production in EAFs fed with green electricity, which would single-handedly support the largest part of production by the end of the century; as more and more scrap is to become available and be actually used. There is also a question for historians. The influence of Climate Change on Steel has been discussed continuously for more than 30 years. Why has the commitment to practical answers only solidified recently?

Résumé

Il y a une explosion de publications et d’annonces de toutes sortes à propos de l’utilisation d’hydrogène pour atteindre le « net-zéro » dans la sidérurgie, en particulier en Europe. La plupart d’entre elles décrivent, d’une part, les procédés et, d’autre part, les engagements pris pour les mettre en œuvre rapidement dans le secteur de l’acier, via des feuilles de route avec échéanciers. Le procédé dont on parle le plus est la réduction directe à l’hydrogène, notée H₂-DR, dans un four à lit fixe. La littérature existante, bien qu’abondante, est encore plutôt insuffisante pour rendre crédible et bien décrite les chemins techniques qui y mènent. L’article s’attache à identifier les questions importantes qui ne sont pas suffisamment discutées de façon ouverte pour l’instant. En ce qui concerne les procédés, les questions qui restent ouvertes dans la littérature sont les suivantes : (1) quelle est la nature des minerais les mieux adaptés pour le H₂-DR, (2) quel type de four utiliser en aval du H₂-DR en fonction du type de minerai, (3) comment et jusqu’à quel niveau ajouter du carbone au DRI ainsi produit, (4) comment redessiner le four de réduction pour prendre en compte les propriétés de l’hydrogène, (5) faut-il prévoir de fonctionner avec aussi bien du gaz naturel que de l’hydrogène ou seulement avec H₂, (6) comment planifier la montée en échelle des procédés, du pilote aux unités industrielles, (7) quels réfractaires prévoir dans les réacteurs successifs de la filière hydrogène, etc. Les questions de coûts restent largement ouvertes en fonction des prix de l’hydrogène, de l’électricité verte et du carbone. Comment instaurer la liaison entre hydrogène, électricité verte el l’aciérie H₂ ? Est-ce que la construction des infrastructures que cela implique est prévue et planifiée suffisamment en détails ? Ce qui manque encore c’est une vision précise et planifiée de la chaîne de valeur qui va de la mine à l’aciéire en passant par les fermes de renouvelables et les électrolyseurs d’hydrogène. Deux ans après notre précédent article de revue sur l’hydrogène, le panorama global du domaine a changé de façon significative. Des pays extra-européens comme la Chine ont publié des feuilles de route pour atteindre le net-zéro en 2050, plus ou moins environ 10 ans. Cependant, ils ne mettent pas tous leurs œufs dans le panier hydrogène, comme semble le faire l’Europe. Le plus probable est que plusieurs filières de production vont coexister en parallèle, à côté du H₂-DR : le haut fourneau et la réduction directe au gaz naturel avec CSC, l’électrolyse du minerai de fer et la production en four électrique à base de ferraille. Celle-ci va d’ailleurs vers la fin du siècle assurer la fraction la plus importante de la production d’acier puisque de plus en plus de ferraille va apparaître sur le marché et qu’elle sera effectivement utilisée. Il reste une question pour les historiens. Cela fait en effet 30 ans que les conséquences du changement climatique sur la production d’acier ont été analysées. Pourquoi a-t-il fallu tout ce temps pour que la feuille de route des applications concrètes de ce travail soit lancée sérieusement ?