Elektrifierande Järn: Framtiden för grön stålproduktion

Vikten av järn

Järn ses ofta som en tråkig metall av investerare. Det följer mestadels globala konjunkturcykler och det är osannolikt att det får någon narrativ koppling. Ingen förväntar sig att järnbehovet ska tredubblas under det kommande decenniet på grund av batteriefterfrågan, solpanelproduktion, en rymdindustriboom mitt i ett rymdrace eller ökande risker för globala konflikter.

Men detta kan också vara en fördel. Ungefär 90 % av all metall som raffineras idag är järn.

• Infrastruktur: broar, järnvägar, hamnar.
• Byggnation: armerad betong, balkar, takläggning, spikar & skruvar, osv.
• Transport: bilar, tåg, fartyg.
• Industriella användningar: rör & pipelines, lagringstankar, tung utrustning,
• Försvar: krigsfartyg, stridsvagnar, artilleripjäser, gevär, kulor, osv.
• Energi: ugnar, turbiner, vindkraftverkspelare, solpanelramar, osv.
• Hälsovård: sängar, kirurgiska instrument, osv.
• Konsumentvaror: köksapparater, hushållsapparater, kaminer, osv.

Dock är produktionen av järn tyvärr en mycket koldioxidintensiv process, som mest förlitar sig på en speciell typ av kol: koksningkol.

Vissa försök har gjorts för att ersätta koksningkol med grön vätgas, men endast mycket högkvalitativ järnmalm kan användas med vätgas. Billigare malm med lägre järninnehåll skulle behövas för att kompensera de högre kostnaderna för vätgas jämfört med kol.

Vi diskuterade tidigare att den traditionella masugnsprocessen skulle kunna ersättas av en ny process kallad blixtjärnsmältning, mer lik en explosion än en långsam smältning av malmen.

Forskare från University of Oregon undersöker en ännu mer fascinerande möjlighet: att avskaffa höga temperaturer och rena järnmalm enbart med elektricitet. Detta skulle vara ett enormt framsteg för världen, eftersom grön el kan användas direkt, utan kostsam omvandling till vätgas, och skulle totalt minska de globala koldioxidutsläppen avsevärt.

De publicerade denna forskning i ACS Energy Letters¹, under titeln “Pathways to Electrochemical Ironmaking at Scale Via the Direct Reduction of Fe2O3”.

Järnmalm till järnmetall

Järn finns i naturen i oxiderad form, främst hematit (Fe2O3). För att vara användbart som en industriell metall måste syreatomerna avlägsnas.

Vanligtvis görs detta genom att tillsätta kol, där kolen omvandlas till CO2. Alternativt använder grön järn vätgas som omvandlas till vatten (H2O).

Ett annat alternativ är att tillföra järnoxiden tillräckligt med energi så att syreatomen separeras och bildar gasformig syre (O2). Detta är idén bakom elektrolytisk järnframställning. Det är en elektrokemisk reaktion som fungerar bäst i alkaliska förhållanden (motsatsen till sura).

Källa: ACS Energy Letters

Det bör noteras att denna process också måste vara mycket skalbar, eftersom den globala årliga järnproduktionen ligger på miljontonnivå.

Järn elektroreduktion

För att testa hur denna typ av reaktion kan göras mer effektiv designade forskarna ett skräddarsytt system som fungerar lite som ett batteri och opererar vid endast 82 °C (180 °F).

Källa: ACS Energy Letters

I den här uppsättningen är järnpartiklarna suspenderade i en natriumhydroxidlösning (NaOH), men smält salt (NaCl) är också möjligt och kan producera klor (Cl2) som biprodukt.

Täta järnoxider reducerades, eller omvandlades till elementärt järn, mest selektivt vid en strömtäthet på 50 milliampere per kvadratcentimeter, liknande snabb laddning av litiumjonbatterier.

De upptäckte att även om processen fungerade bra med testpartiklar av järn när naturlig malm med oregelbundet stora, täta partiklar och föroreningar användes, var processen inte tillräckligt selektiv och effektiv.

Hitta rätt förhållanden

Ett märkligt fenomen under de initiala testerna var att vissa partiklar omvandlades till metalliskt järn bättre än andra, utan någon korrelation till deras storlek, motsatt förväntningarna. Så forskarna började testa om den nanoskala strukturen hos partiklarna kunde vara en viktigare faktor.

Järnoxidpartiklar i mikrometerstorlek med kol- och bariumföroreningar testades och reducerades inte tillräckligt väl.

Alternativt underlättade lösa partiklar med högre porositet, och därmed större yta, en mer effektiv elektrolytisk järnproduktion jämfört med de som liknade den mindre porösa naturliga järnmalmen hematit.

Källa: ACS Energy Letters

Detta kan indikera att endast vissa former av järn är lämpliga för denna process.

“Att identifiera oxider som kan omvandlas till järnmetall vid låga temperaturer är ett viktigt steg i utvecklingen av helt elektrifierade processer för stålframställning.”
Paul Kempler – Ledande forskare vid the University of Oregon

Göra järn elektroreduktion konkurrenskraftig

Trots denna begränsning kan järn elektroreduktion fortfarande vara ekonomiskt hållbar. Detta beror på att metoden använder mycket mindre energi och lägre temperatur, vilket minskar den totala kostnaden för järnproduktion.

Med denna procedur skulle järnproduktionen kosta omkring $600 per ton. Detta är relativt ekonomiskt, men inte perfekt jämfört med den genomsnittliga kostnaden för stål producerat i masugn-/grundsyrefurnprocessen, som nyligen uppskattats till cirka $400 per ton.

Ett ytterligare steg för ökad lönsamhet kan vara att kombinera järnreduktion med kemisk produktion. Järnframställningens elektro-celler kan kombineras med klorproduktionsceller för att bilda en klor-järn produktionsenhet, som kan installeras i serie för att skapa en hel produktionsanläggning.

Källa: ACS Energy Letters

När produktionen av Cl2, en mycket användbar kemikalie som används i stora mängder av den kemiska industrin, tas med i beräkningen ser ekonomin för verksamheten bättre ut, vilket sannolikt för den mycket närmare masugnkostnaderna.

Ytterligare förbättringar

Problemet med att bara förlita sig på malm med rätt nanoskaliga strukturer är att det kan kraftigt begränsa potentialen för bred adoption av denna teknik, även om ekonomin är gynnsam. Sammantaget är det osannolikt att en omdesign av hela järngruvindustrin, som producerar mycket hematit med låg porositet, är realistisk.

Ett alternativ kan vara nya tekniker för att göra järnoxidråvaror mer porösa, eventuellt genom användning av elektricitet eller termisk chock.

Järngruvföretag

En minskning av kostnaderna för järnsmältning och koldioxidutsläpp kan göra stål till ett ännu mer populärt material än det är idag. När det gäller gruvdrift är skala och god geologi allt, där låga produktionskostnader möjliggör högre vinster och säkerhet under nedgångar, vilka är oundvikliga på råvarumarknaderna.

Det brasilianska företaget Vale är världens största producent av järn och nickel, med totalt 323–330 miljoner ton producerade år 2024.

Företaget är också producent av metaller som är relevanta för energitransitionen, såsom koppar. Även om dessa metaller kan bli viktigare i framtiden, är järn för närvarande företagets kärna.

Företaget var tidigare mer diversifierat men har de senaste åren fokuserat om kring järn, efter att ha avyttrat gruvor för olika andra metaller till ett värde av 2  miljarder dollar samt andra råvaror som palmolja.

Källa: Vale

Stort tillgångsbas

Vale klassas som ett medelstort verkstadsföretag, som driver egna järnvägar, tåg, hamnar och fartyg för att transportera malm från utvinning till leverans till kunder.

Det producerar också mycket av sin egen energi, eftersom det verkar i avlägsna regioner och inte kan förlita sig på den brasilianska regeringen för att utföra sitt arbete korrekt, särskilt med tanke på dess enorma energibehov.

Detta gjordes vanligtvis med vattenkraft, eftersom gruvdrift inte är så annorlunda än vattenkraftsbyggnation (jordarbete, sprängning av berg, enorma mängder betong, tung utrustning, megabyggnadsprojekt, hantering av regn, etc.).

Dessa infrastrukturer kompletteras av företagets FoU‑center, laboratorier, hundratals geologer, träningscenter, etc.

Att övervinna tidigare skulder

En stor risk med ett massivt gruvföretag som Vale är en enorm olycka som orsakar omfattande skador.

Detta hände 2015, med en enorm katastrof som inträffade efter att en av Vale byggd dam kollapsade. Och sedan en liknande incident 2019.

Översvämningen orsakade Brasiliens värsta miljökatastrof hittills, dödade 19 personer och påverkade 39 kommuner i två delstater, där de begravdes i gruvavfall.

Sedan dess har många liknande dammar reparerats och/eller förbättrats för att undvika en ny katastrof under regnperioden.

Företaget har också förändrat sin verksamhet genom att investera 2,5  miljarder dollar i fyra filtreringsanläggningar för att skapa torra avfall (krossad sten, damm och lera) istället för våta avfall som kräver dammar. Så i framtiden kommer järnutvinningsverksamheten inte längre att skapa den typ av avfall som kräver dammar alls.

Företaget arbetar också aktivt med att reparera sitt rykte, och betonar hur dess gruvverksamhet skapade ett stort naturreservat finansierat av företaget, vilket är en viktig bidragsgivare till bevarandet av den brasilianska regnskogen, medan resten av regionen har omvandlats till betesmark under de senaste decennierna.

Källa: Vale

Sammanfattningsvis övervinner Vale nu sina tidigare problem med ekologiska katastrofer och blir en av Brasiliens mest värdefulla tillgångar samt en central leverantör av järn till världen, och särskilt Kina, ett land som Brasilien fördjupar sina band med genom BRICS‑handelsnätverket och i samband med ökande tullar och spänningar med USA.

Senaste om Vale

Studier som refereras:

^{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}