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Journal Articles Matériaux & Techniques Year : 2021

Hydrogen steelmaking, part 2: competition with other net-zero steelmaking solutions – geopolitical issues

La réduction à l’hydrogène, partie 2 : concurrence avec d’autres filières de production net-zéro – questions géopolitiques

Jean-Pierre Birat
  • Function : Author
Fabrice Patisson
Olivier Mirgaux
  • Function : Author
  • PersonId : 769193
  • IdRef : 153082526

Abstract

Hydrogen direct reduction is one of the technological process solutions for making steel, explored in the framework of reducing GHG emissions from the steel sector (Net-Zero steel). However, there are many other solutions, which have been explored since the 1980s or earlier. The present paper starts by comparing all these different options in terms of 3 criteria: energy needs, GHG emissions and total production cost of steel. The extensive simulations carried out as part of the ULCOS Program, which are still fully valid, indeed show that, while energy is always rather close to the efficient integrated steel mill benchmark (within 15–20%), there are a series of solutions for significantly cutting GHG emissions, some of which even leading to negative emissions. Two families of solutions can usefully be compared with each other, as they are both based on the use of electricity: hydrogen direct reduction, from green hydrogen generated from green electricity, and electrolysis of iron ore, such as the ΣIDERWIN process, also based on zero-carbon electricity. They are quite close with regards to the 3 above criteria, with a slight advantage for electrolysis. Focusing now on hydrogen steelmaking, the process developed over the last 70 years: the H-Iron process was first explored in 1957 at laboratory level, then it was followed by an industrial first plant in the late 1980s, which did not fully deliver (CIRCORED); a sub-project within ULCOS (2000s) followed, then some projects in Germany and Austria (SALCOS, SUSTEEL, MATOR, based on direct reduction and smelting reduction, 2010s) and then, very recently, occurred an explosion of projects and announcements of industrial ventures, both for generating hydrogen and for producing DRI, located in Europe, Russia and China. Broader questions are then tackled: how much hydrogen will be called upon, compared to today and future needs, regarding in particular H 2 -e-mobility; carbon footprint and costs; maturity of the various processes; and geopolitical issues, such as possible locations of H 2 -generation and H 2 -steel production.
La réduction directe à l’hydrogène est l’une des filières de production d’acier qui est explorée par le secteur de la sidérurgie pour réduire ses émissions de gaz à effet de serre (GES). Cependant, il existe un grand nombre d’autres filières possibles qui ont été étudiées depuis les années 1990 ou avant. Cette publication compare d’abord toutes ces solutions par rapport à 3 critères : les besoins en énergie, les émissions de GES et les coûts de production globaux de l’acier. Les simulations très détaillées conduites dans le cadre du programme ULCOS, qui n’ont pas pris une ride, montrent que le niveau d’énergie est toujours proche de celui d’une usine intégrée de référence de bon niveau (à 15–20% près), alors qu’il existe un grand nombre de solutions pour réduire les émissions de GES, dont certaines conduisent même à des émissions négatives. Deux familles de solutions particulières méritent d’être comparées entre elles, car toutes deux utilisent l’électricité comme source d’énergie : la réduction directe à l’hydrogène vert issu d’électricité verte et l’électrolyse du minerai de fer, par le procédé ΣIDERWIN par exemple, basée, elle aussi, sur de l’électricité verte. Ces deux familles de procédés sont très proches l’une de l’autre, avec un léger avantage à l’électrolyse. En ce qui concerne la réduction à l’hydrogène, la filière s’est développée conceptuellement au cours des 70 dernières années: au départ le procédé H-Iron en a exploré le principe en 1957, puis une première usine de production a suivi à la fin des années 1980, mais sans confirmation véritablement industrielle; un sous-projet du programme ULCOS a suivi (années 2000) ; des projets sont alors apparus en Allemagne et en Autriche (SALCOS, SUSTEEL, MATOR, basés sur la réduction directe et la réduction-fusion, années 2010) ; très récemment, une explosion de projets et d’annonces de projets industriels pour produire de l’hydrogène et/ou du DRI, en Europe surtout mais aussi en Russie et en Chine. Puis, on soulève une série de questions plus larges : de combien d’hydrogène aura-t-on besoin par rapport à la répartition actuelle de la demande et à celle qu’on attend dans l’avenir, compte-tenu, en particulier, de la e-mobilité liée à ce gaz ; empreintes carbones et coûts attendus ; maturité des différentes filières ; questions géopolitiques, telles que la localisation géographique des usines d’hydrogène et de réduction du fer. « La vraie générosité envers l’avenir consiste à tout donner dans le présent. » Albert Camus

Dates and versions

hal-03606406 , version 1 (11-03-2022)

Identifiers

Cite

Jean-Pierre Birat, Fabrice Patisson, Olivier Mirgaux. Hydrogen steelmaking, part 2: competition with other net-zero steelmaking solutions – geopolitical issues. Matériaux & Techniques, 2021, 109 (3-4), pp.307. ⟨10.1051/mattech/2021023⟩. ⟨hal-03606406⟩
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