Elektrificerend Ijzer: De Toekomst van Groen Staalproductie

Het Belang van Ijzer

Ijzer wordt door beleggers vaak gezien als een saaie metaal. Het volgt voornamelijk de wereldwijde economische cycli en zal waarschijnlijk geen eigen verhaal krijgen. Niemand verwacht dat de vraag naar ijzer in het komende decennium zal verdrievoudigen door de vraag naar batterijen, de productie van zonnepanelen, een ruimtevaartboom te midden van een ruimtewedloop, of de toenemende risico’s van wereldwijde conflicten.

Maar dit kan ook een kwaliteit zijn. Ongeveer 90% van al het metaal dat tegenwoordig wordt geraffineerd, is ijzer.

Ijzer en staal (gemaakt van 97% ijzer) zijn absoluut alomtegenwoordig in alles wat we dagelijks gebruiken in de moderne wereld:

• Infrastructuur: bruggen, spoorwegen, havens.
• Constructie: gewapend beton, balken, dakbedekking, spijkers & schroeven, enz.
• Transport: auto’s, treinen, schepen.
• Industriële toepassingen: pijpen & leidingen, opslagtanks, zware machines,
• Defensie: oorlogsschepen, tanks, artilleriegranaten, geweren, kogels, enz.
• Energie: ovens, turbines, windturbinepijlers, zonnepanelenframes, enz.
• Gezondheidszorg: bedden, chirurgische instrumenten, enz.
• Consumentenproducten: keukenapparaten, apparaten, haarden, enz.

Echter, het produceren van ijzer is helaas een zeer koolstofintensief proces, grotendeels afhankelijk van een speciaal type kolen: cokeskolen.

Er zijn pogingen ondernomen om cokeskolen te vervangen door groene waterstof, maar alleen zeer hoogwaardig ijzererts kan met waterstof worden gebruikt. Goedkoper erts met een lager ijzergehalte zou nodig zijn om de hogere kosten van waterstof ten opzichte van kolen te compenseren.

We previously discussed that de traditionele hoogovensprocedure zou kunnen worden vervangen door een nieuw proces genaamd flash-ijzer smelten, meer vergelijkbaar met een explosie dan met een langzaam smelten van het erts.

Onderzoekers van de University of Oregon onderzoeken een nog intrigerender mogelijkheid: het afschaffen van hoge temperaturen en het raffineren van ijzererts met alleen elektriciteit. Dit zou een enorme vooruitgang voor de wereld betekenen, aangezien groene elektriciteit direct kan worden gebruikt, zonder dure omzetting naar waterstof, en zou wereldwijd de koolstofuitstoot aanzienlijk verminderen.

Ze publiceerden dit onderzoek in ACS Energy Letters¹, onder de titel “Pathways to Electrochemical Ironmaking at Scale Via the Direct Reduction of Fe2O3”.

IJzererts naar IJzer Metaal

Ijzer komt in de natuur voor in geoxideerde vorm, met name hematiet (Fe2O3). Om bruikbaar te zijn als industrieel metaal moeten de zuurstofatomen worden verwijderd.

Normaal gebeurt dit door kolen toe te voegen, waarbij het koolstof in CO2 wordt omgezet. Alternatief gebruikt groen ijzer waterstof die verandert in water (H2O).

Een andere optie is om het ijzeroxide voldoende energie te geven zodat het zuurstofatoom zich kan scheiden en gasvormig zuurstof (O2) vormt. Dit is het idee achter elektrochemisch ijzer maken. Het is een elektrochemische reactie die het beste werkt onder alkalische omstandigheden (het tegenovergestelde van zuur).

Bron: ACS Energy Letters

Het moet worden opgemerkt dat dit proces ook zeer schaalbaar moet zijn, aangezien de jaarlijkse wereldwijde productie van ijzer zich op een schaal van miljoenen ton per jaar bevindt.

Ijzer Elektroreductie

Om te testen hoe deze reactie efficiënter kan worden gemaakt, ontwierpen de onderzoekers een aangepast systeem dat een beetje werkt als een batterij en opereert op slechts 82°C (180°F).

Bron: ACS Energy Letters

In deze opstelling worden de ijzerdeeltjes gesuspendeerd in een natriumhydroxide (NaOH) oplossing, maar gesmolten zout (NaCl) is ook mogelijk en kan chloor (Cl2) als bijproduct produceren.

Dichte ijzeroxiden werden gereduceerd, of omgezet in elementair ijzer, het meest selectief bij een stroomdichtheid van 50 milliampère per vierkante centimeter, vergelijkbaar met het snel opladen van lithium-ionbatterijen.

Ze ontdekten dat hoewel het proces goed werkte met testijzerdeeltjes bij gebruik van natuurlijk erts met onregelmatig gevormde, dichte deeltjes en onzuiverheden, het proces niet selectief en efficiënt genoeg was.

De Juiste Condities Vinden

Een vreemde gebeurtenis tijdens de eerste tests was dat sommige deeltjes beter in metaalijzer werden omgezet dan andere, zonder correlatie met hun grootte, in tegenstelling tot de verwachtingen. Dus begonnen de onderzoekers te testen of de nanoscopische structuur van de deeltjes een belangrijkere factor kon zijn.

Micrometer-brede ijzeroxide-deeltjes met koolstof- en bariumonzuiverheden werden getest en reduceerden niet voldoende.

Alternatief vergemakkelijkten losse deeltjes met hogere porositeit, en dus een groter oppervlak, een efficiëntere elektrochemische ijzerproductie, vergeleken met die die lijken op het minder poreuze natuurlijke ijzererts hematiet.

Bron: ACS Energy Letters

Dit zou kunnen aangeven dat alleen een bepaalde vorm van ijzer geschikt is voor dit proces.

“Het identificeren van oxiden die bij lage temperaturen kunnen worden omgezet in ijzermetaal is een belangrijke stap in het ontwikkelen van volledig geëlektrificeerde processen voor staalproductie.”
Paul Kempler – Hoofdonderzoeker aan the University of Oregon

Ijzer Elektroreductie Competitief Maken

Ondanks deze beperking zou ijzer elektroreductie nog steeds economisch haalbaar kunnen zijn. Dit komt doordat de methode veel minder energie en lagere temperaturen gebruikt, waardoor de totale kosten van ijzerproductie dalen.

Met deze procedure zou de ijzerproductie ongeveer $600 per ton kosten. Dit is relatief economisch, maar niet perfect vergeleken met de genormaliseerde kostprijs van staal geproduceerd in het hoogoven-/basisch-zuurstofovenproces, recent geschat op ongeveer $400 per ton.

Een extra stap voor verdere winstgevendheid zou kunnen zijn om ijzerreductie te combineren met chemische productie. De ijzerproductie-elektrocellen kunnen worden gecombineerd met chloorproductiecellen om een chloor-ijzerproductie-eenheid te vormen, die in serie kan worden geïnstalleerd om een volledige productiefaciliteit te creëren.

Bron: ACS Energy Letters

Wanneer rekening wordt gehouden met de productie van Cl2, een zeer nuttige chemische stof die in enorme hoeveelheden door de chemische industrie wordt gebruikt, zien de economische cijfers er beter uit, waardoor het waarschijnlijk veel dichter bij de kosten van een hoogoven komt.

Verdere Verbeteringen

Het probleem van uitsluitend afhankelijk zijn van erts met de juiste nanoschaalstructuren is dat dit de potentie voor brede adoptie van deze technologie ernstig kan beperken, zelfs als de economie gunstig is. Over het geheel genomen is het onwaarschijnlijk dat het herontwerpen van de volledige ijzer-mijnindustrie, die veel hematiet met lage porositeit produceert, realistisch is.

Een alternatief zou nieuwe technieken kunnen zijn om ijzeroxide-voedingsstoffen poreuzer te maken, mogelijk door gebruik van elektriciteit of thermische schok.

IJzer Mijnbedrijf

Een daling van de ijzer-smeltkosten en koolstofemissies zou staal tot een nog populairder materiaal kunnen maken dan het nu is. Als het om mijnbouw gaat, zijn schaal en goede geologie alles, waarbij lage productiekosten hogere winsten en veiligheid tijdens neergangen mogelijk maken, wat onvermijdelijk is in grondstoffenmarkten.

Het Braziliaanse bedrijf Vale is ‘s werelds grootste producent van ijzer en nikkel, met een totaal van 323-330 miljoen ton geproduceerd in 2024.

Het bedrijf produceert ook metalen die relevant zijn voor de energietransitie, zoals koper. Hoewel deze metalen in de toekomst belangrijker kunnen worden, is ijzer momenteel de kern van het bedrijf.

Het bedrijf was vroeger meer gediversifieerd, maar heeft zich de afgelopen jaren opnieuw op ijzer geconcentreerd, waarbij het activa ter waarde van $2 miljard heeft afgestoten uit diverse andere metaalmijnen en andere grondstoffen zoals palmolie.

Bron: Vale

Grote Activa

Vale kwalificeert zich als een middelgroot nutsbedrijf, dat zijn eigen spoorweg, treinen, havens en schepen exploiteert om erts van de winning tot levering aan klanten te transporteren.

Het produceert ook veel van zijn eigen energie, aangezien het opereert in afgelegen gebieden en niet kan vertrouwen op de Braziliaanse overheid om zijn taak goed uit te voeren, vooral gezien de enorme energiebehoefte.

Dit werd doorgaans gedaan met waterkracht, aangezien de mijnbouw niet zo verschillend is van waterkrachtconstructie (grondwerk, het delven van rots met explosieven, enorme hoeveelheden beton, zware machines, megaconstructieprojecten, het beheren van regen, enz.).

Deze infrastructuren worden aangevuld met het R&D-centrum van het bedrijf, laboratoria, honderden geologen, opleidingscentra, enz.

Overwinnen van Verleden Verplichtingen

Een groot risico voor een enorm mijnbouwbedrijf als Vale is een grootschalig ongeluk dat enorme schade veroorzaakt.

Dit gebeurde in 2015, met een enorme ramp die plaatsvond nadat een door Vale gebouwde dam instortte. En vervolgens een soortgelijk incident in 2019.

De overstroming veroorzaakte de ergste milieucatastrofe in de geschiedenis van Brazilië, waarbij 19 mensen omkwamen en 39 gemeenten in twee staten werden getroffen, begraven onder mijnbouwafval.

Sindsdien zijn veel vergelijkbare dammen gerepareerd en/of verbeterd om een nieuwe catastrofe tijdens het regenseizoen te voorkomen.

Het bedrijf heeft ook zijn werkwijze veranderd, door $2,5 miljard te investeren in vier filtratieinstallaties om droge slib (het gebroken gesteente, stof en modder) te creëren in plaats van natte slib die dammen vereist. Dus in de toekomst zal ijzerwinning geen afval meer produceren dat dammen nodig heeft.

Het bedrijf werkt ook actief aan het herstellen van zijn imago, door te benadrukken hoe zijn mijnbouwactiviteiten een groot natuurreservaat hebben gecreëerd dat door het bedrijf wordt gefinancierd, wat een belangrijke bijdrage levert aan het behoud van het Braziliaanse regenwoud, terwijl de rest van de regio de afgelopen decennia is omgevormd tot weide.

Bron: Vale

Over het geheel genomen overwint Vale nu zijn eerdere problemen met ecologische rampen en wordt het een van Brazilië’s meest waardevolle activa en een centrale leverancier van ijzer aan de wereld, en in het bijzonder aan China, een land waarmee Brazilië via het BRICS-commerciële netwerk diepere banden smeedt, temidden van stijgende tarieven en spanningen met de VS.

Laatste Nieuws over Vale

Gerefereerde Studies:

^{1. Anastasiia Konovalovaet al. (2025). Pathways to Electrochemical Ironmaking at Scale Via the Direct Reduction of Fe2O3. ACS Energy LettersVol 10/Issue 4. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenergylett.5c00166}