Elektrikaarahju ja kõrgahju võrdlus: CO2 heitkogused, kulud ja terasetootmise tulevik

Elektrikaarahju ja kõrgahju määratlus
Kõrgahi (BF) kasutab raudmaaki ja koksistuvat kivisütt sulava raua tootmiseks, mis seejärel muudetakse hapnikukonverterahjus (BOF) teraseks. Elektrikaarahju (EAF) puhul kasutatakse terasevanametalli sulatamiseks vedelaks teraseks kõrgepingelisi elektrikaari. Kõrgahju tehnoloogia tekitab umbes 2,33 tonni CO2 ühe tonni terase kohta; elektrikaarahju tehnoloogia umbes 0,77 tonni. Globaalne terasetootmine jaguneb ligikaudu 70% BF-BOF ja 30% EAF meetodi vahel, kuid see tasakaal nihkub seoses dekarboniseerimise surve kasvuga.

---

Sisukord

1. Kõrgahju tehnoloogia: raudmaagist teraseks
2. Elektrikaarahju tehnoloogia: vanametallist teraseks
3. CO2 heitkoguste võrdlus
4. Kulude võrdlus: kapitali- ja tegevuskulud
5. Mida EAF toota ei suuda: terase klasside piirangud
6. Ülemaailmne osakaal: miks eksisteerib 70/30 jaotus
7. Rohelise vesiniku DRI: kolmas tee
8. Mida see tähendab toorainekaubanduse jaoks
9. Korduma kippuvad küsimused
10. Peamised järeldused

---

Kõrgahju tehnoloogia: raudmaagist teraseks

Kõrgahi on olnud domineeriv terasetootmise tehnoloogia üle 150 aasta. See on massiivne ja pidev protsess, mis töötab 24 tundi ööpäevas kuni 20 aastat suurte kapitaalremontide vahel.

Raudmaak — tavaliselt raudmaagipelletid või paak (peenestatud maagi küpsetatud aglomeraat), mille rauasisaldus on 62-65% Fe — laaditakse kõrgahju tippu koos koksiga (poorne süsinikmaterjal, mida toodetakse koksistuva kivisöe küpsetamisel ahjudes ilma hapnikuta) ja lubjakiviga (räbusti, mis eemaldab lisandid).

Kuum õhk (mõnikord hapnikuga rikastatud) puhutakse sisse altpoolt düüside kaudu, mida nimetatakse tuyeres. Koks põleb ja tekitab üle 1500°C temperatuuri. Põlevast koksist eralduv süsinikmonooksiid redutseerib maagis oleva raudoksiidi sularauaks. Lubjakivi reageerib lisanditega (ränidioksiid, alumiiniumoksiid), moodustades räbu — kergema vedeliku, mis ujub raua peal ja juhitakse eraldi välja.

Sularaud — mida nimetatakse malmiks või kuummetalliks — lastakse ahju põhjast torpeedovagunitesse ja transporditakse hapnikukonverterahju (BOF). BOF-is puhutakse läbi kuummetalli suurel kiirusel puhast hapnikku. See põletab kiiresti ära liigse süsiniku ja muud lisandid (umbes 20 minutiga), muutes malmi sulateraseks.

Seejärel valatakse teras tahvliteks, toorikuteks või kantsikuteks edasiseks valtsimiseks ja töötlemiseks.

Üks suur kõrgahi võib toota 10 000–12 000 tonni kuummetalli päevas. Suurte integreeritud terasetehaste (kõrgahi + BOF) hulka kuuluvad ArcelorMittal tehased Belgias ja Saksamaal, Tata Steel Port Talboti tehas (UK) ning massiivsed POSCO ja NSSMC rajatised Lõuna-Koreas ja Jaapanis.

---

Elektrikaarahju tehnoloogia: vanametallist teraseks

Elektrikaarahju (EAF) tehnoloogia on põhimõtteliselt lihtsam kui kõrgahju oma. See on sisuliselt suur tulekindla tellisvoodriga ämber, mis on varustatud kolme suure grafiitelektroodiga. Kui kõrgepingeelekter läbib elektroode, tekivad nende ja metallilaengu vahel elektrikaared — kaare läheduses ületab temperatuur 3500°C.

Peamine laengumaterjal on terasest vanametall — lõigatud, purustatud ja tüübi järgi sorditud:

• Raske sulatuse vanametall (HMS 1&2): suur konstruktsiooniteras, lammutatud tööstusseadmed
• Purustatud vanametall: purustatud autod ja kodumasinad
• Tööstuslik vanametall: uued jäätmed stantsimisoperatsioonidest, ehitusest ülejäänud tükid
• Otseselt redutseeritud raud (DRI) / kuumbriketitud raud (HBI): kasutatakse kõrvaliste elementide lahjendamiseks (vt piirangute jaotist allpool)

Vanametall laaditakse ahju, elektroodid langetatakse ning kaar kuumutab ja sulatab materjali 40-60 minutiga. Süsiniku ja lisandite väljapõletamiseks süstitakse hapnikku. Räbu moodustamiseks lisatakse lupja. Sihtmärgiks oleva terase keemilise koostise saavutamiseks lisatakse sulameid (mangaan, räni, kroom).

Tulemuseks on vedel teras, mis juhitakse kulpi ja mida töödeldakse enne pidevvalu veel kulpahjus temperatuuri ja keemia kohandamiseks.

EAF-id on väiksemad ja paindlikumad kui kõrgahjud. Tüüpiline EAF toodab 200–400 tonni terast ühe sulatustsükli kohta, tehes päevas mitu sulatust. EAF-tehaseid saab kõrge elektrihinna ajal välja lülitada ja hiljem uuesti käivitada — see on pidevalt töötava kõrgahjuga võimatu.

---

CO2 heitkoguste võrdlus

Siin erinevad need kaks teed kõige drastilisemalt.

Teekond	CO2 intensiivsus	Heitkoguste allikad
BF-BOF (integreeritud)	~2,33 t CO2 terasetonni kohta	Koksistuva kivisöe põletamine, raudmaagi redutseerimine, energiakasutus
EAF (vanametallipõhine)	~0,77 t CO2 terasetonni kohta	Elektritootmine (võrk), elektroodide tarbimine, räbusti
DRI-EAF (gaasipõhine)	~1,0–1,4 t CO2 terasetonni kohta	Maagaas DRI redutseerimiseks, elekter
H2-DRI-EAF (roheline vesinik)	<0,1 t CO2 terasetonni kohta	Ainult taastuv elekter

World Steel Associationi andmetel eritab BF-BOF tehnoloogia umbes 2,33 tonni CO2 ühe tonni toorterase kohta. Valdav osa nendest heitkogustest pärineb koksistuvast kivisöest — süsinik on kõrgahjuprotsessis keemiliselt vajalik nii kütusena kui ka redutseerijana. Kõrgahjust ei saa kivisütt eemaldada, ilma et raua tootmine peatuks.

EAF tehnoloogia eritab umbes 0,77 tonni CO2 ühe tonni terase kohta, peamiselt kaare käitamiseks vajaliku elektri tõttu. See number sõltub kriitiliselt elektrivõrgu CO2 intensiivsusest. 100% taastuvenergial töötav EAF eritab peaaegu nullilähedaselt otsest CO2. Söel põhineval elektril töötav EAF eritab rohkem.

EL-i kontekstis: EL-i heitkogustega kauplemise süsteemi (EU ETS) CO2 hind (praegu 50–70 eurot tonni kohta) tähendab, et integreeritud BF-BOF terasetootmisel on nüüd varjatud süsinikukulu umbes 115–165 eurot terasetonni kohta. See on märkimisväärne konkurentsieelis EAF-tootjate või ilma CO2-hinnastuseta riikidest pärit impordi ees — just seetõttu loodi EL-i CBAM (süsinikdioksiidi piirimeede).

---

Kulude võrdlus: kapitali- ja tegevuskulud

Kahel teel on vastandlikud kulustruktuurid.

Kapitalikulud (tehase ehitamine):

Teekond	Tüüpiline kapitalikulu	Märkused
Integreeritud BF-BOF (uus ehitis, 3-4 Mtpa)	2-4 miljardit USD	Sisaldab kõrgahju, koksi ahjusid, BOF-i, valtsveskeid
EAF minitehas (uus ehitis, 1-2 Mtpa)	300-600 miljonit USD	Palju madalam tootmisvõimsuse tonni kohta

Kõrgahi nõuab tervet integreeritud kompleksi: koksivabrik, paagivabrik, kõrgahi, kuumvalts- või plaadiveski ja kogu seotud infrastruktuur. Kapitalikulu aastase tootmisvõimsuse tonni kohta on 600–1000 USD.

EAF minitehase saab ehitada 300–400 USD eest aastase tootmisvõimsuse tonni kohta. Seetõttu on EAF-tehnoloogia võimaldanud „minitehastel“ — nagu Nucor, Steel Dynamics ja Commercial Metals USA-s — ehitada regionaalseid terasetehaseid palju madalamate kuludega kui integreeritud terasetehased.

Tegevuskulud:

BF-BOF tehaste toorainekulud (raudmaak + koksistuv kivisüsi) on kõrged, kuid kui ahi kord töötab, on ühikumajandus suhteliselt etteaimatav. Koksistuv kivisüsi moodustab tavaliselt 30–40% BF-BOF tegevuskuludest. Kõrgahju ei saa odavalt välja lülitada ja uuesti käivitada — see töötab pidevalt või üldse mitte.

EAF-tehastel on madalamad toorainekulud (vanametall on odavam kui neitsiraud tonni raua kohta), kuid need on väga tundlikud elektrihindade suhtes. Elekter võib moodustada 25–35% EAF-i tegevuskuludest. Kui elektrihinnad hüppavad — nagu Euroopas 2022. aastal — EAF-tehased kas neelavad kulu või kärbivad toodangut. Mitmed Euroopa EAF-terasetehased vähendasid 2022. aastal toodangut just seetõttu, et elektrihinnad muutsid terasetootmise majanduslikult ebamõistlikuks.

EAF pakub ka operatiivset paindlikkust: tehaseid saab kõrge elektrihinnaga perioodidel seisata ja hiljem käivitada. See on märkimisväärne eelis suure volatiilsusega elektriturgudel.

---

Mida EAF toota ei suuda: terase klasside piirangud

EAF-meetodil on fundamentaalne metallurgiline piirang: saastumine kõrvaliste elementidega vanametallist.

Terasest vanametall ei ole puhas raud. See sisaldab algse terase koostisest pärit legeerivaid elemente: vaske, tina, niklit, molübdeeni, kroomi. Need elemendid säilivad sulatamise ajal ja neid ei saa oksüdeerimise teel eemaldada (erinevalt süsinikust, ränist ja väävlist, mida saab välja põletada). Need kuhjuvad sulametalli.

Peamine süüdlane on vask. Vask terases üle teatud piirmäära (tavaliselt 0,1–0,2%) halvendab kuumtöödeldavust — terase pind praguneb kuumvaltsimise ajal. Seda nimetatakse kuumhapruseks. Tavapäraste teraseklasside (sarrusteras, konstruktsiooniprofiilid, traatvarras) puhul on vase tolerantsid laiad ja EAF vanametallipõhine tootmine toimib hästi. Lehtterase toodete puhul, nagu autokeredetailid, elektriteras ja tinatatud pakenditeras, peab vase sisaldus olema väga madal — sageli alla 0,04%.

Vedelast terasest vase eemaldamiseks pole majanduslikult praktilist meetodit. Ainus lahendus on lahjendamine — vaba vasega neitsiraua (malm, DRI või HBI) lisamine. EAF-tehased, mis toodavad kvaliteetset lehtterast (nagu Nucori Crawfordsville’i tehas), teevad just seda, segades ostetud malmi või DRI-d vanametalliga.

Praktiline tagajärg: autotööstuse terase, elektriterase ja kõrgekvaliteedilise valtsitud lehtterase turge teenindavad endiselt suuresti integreeritud BF-BOF tootjad, kuna nad kasutavad neitsimaaki, milles pole kõrvaliste elementide saastumist. EAF on suurepärane pikkade toodete (sarrusteras, profiilid, traat) ja madalama klassi lehttoodete tootmisel.

See piirang muutub üha olulisemaks, kuna vanametalli ringlussevõtu määrad kasvavad ja vanametalli kvaliteet langeb koos kogunenud kõrvaliste elementidega.

---

Ülemaailmne osakaal: miks eksisteerib 70/30 jaotus

Ülemaailmne toorterase tootmine on umbes 1900 miljonit tonni aastas (2023. aasta andmed). Jaotus:

• BF-BOF: ligikaudu 70% (~1330 miljonit tonni)
• EAF: ligikaudu 29% (~550 miljonit tonni)
• Muu (siemen-marteni, induktsioonahjud): ~1%

BF-BOF domineerimise põhjus on Hiina. Hiina toodab üle 50% maailma terasest — umbes 1000 miljonit tonni aastas — ja ligikaudu 90% Hiina toodangust kasutab BF-BOF meetodit. Hiina on viimase 30 aasta jooksul ehitanud tohutu integreeritud terasetehaste baasi ning vanametalli pakkumist on piiranud Hiina suhteliselt noor tööstusvaru (enamik infrastruktuuri ja hooneid on ehitatud hiljuti ja need pole veel jõudnud vanametalliks muutumise ikka).

Väljaspool Hiinat on EAF-i osakaal palju suurem:
– Ameerika Ühendriigid: ~70% EAF, 30% BF-BOF. Nucor, Steel Dynamics ja Commercial Metals on peamised EAF-tootjad.
– EL: ~40% EAF (riigiti erinev — Itaalias lähedal 70% EAF; Saksamaal endiselt BF-küllane autotööstuse nõudluse tõttu)
– Türgi: ~70% EAF (suur vanametalli importija, kasutades Vahemere vanametallivooge)

Kuna Hiina tööstusbaas vananeb ja vanametalli kättesaadavus suureneb, eeldatakse, et Hiina EAF-i osakaal tõuseb 2035. aastaks ~10%-lt 20–25%-ni, mis on märkimisväärne muutus globaalses turudünaamikas.

---

Rohelise vesiniku DRI: kolmas tee

Kõige olulisem areng terasetootmise tehnoloogias järgmisel kümnendil on vesinikupõhine raua otseredutseerimine (H2-DRI) koos EAF terasetootmisega.

Otseselt redutseeritud raud (DRI) on raud, mida toodetakse raudmaagipelletite redutseerimisel redutseeriva gaasiga (traditsiooniliselt maagaas — peamiselt metaan) temperatuuridel alla sulamispunkti (~800-1100°C). Maak jääb tahkeks, kuid redutseeritakse keemiliselt raudoksiidist metalliliseks rauaks. Tulemuseks on poorne metallmaterjal, mida saab otse EAF-i vanametalli asendajana lisada.

Tavapärane DRI-protsess (maagaasi kasutades) eritab umbes 1,0–1,4 tonni CO2 DRI-tonni kohta — parem kui kõrgahi, kuid mitte süsinikuvaba.

Läbimurre on maagaasi asendamine rohelise vesinikuga — vesinik, mida toodetakse vee elektrolüüsil taastuvelektrit kasutades. Kui vesinik redutseerib raudmaaki, on ainsaks kõrvalproduktiks vesi (H₂O), mitte CO2. Kombineerituna taastuvenergial töötava EAF-terasetootmisega saab kogu H2-DRI-EAF teekond toota terast vähem kui 0,1 tonni CO2-ga tonni kohta — ~95% vähenemine võrreldes BF-BOF-iga.

Seda tehnoloogiat juhivad kaks suurt projekti:

HYBRIT (Hydrogen Breakthrough Ironmaking Technology): SSAB (Rootsi), LKAB (Rootsi suurim raudmaagitootja) ja Vattenfalli (Rootsi energiakompanii) ühisettevõte. HYBRIT tootis 2021. aastal maailma esimese vesinikuga redutseeritud terase, mis tarniti kliendile (Volvo AB). Kommertstootmine on planeeritud SSAB Luleå tehases aastateks 2026–2030.

H2 Green Steel (nüüd Stegra): Rootsis Bodenis ehitatav uus roheline tehas. Eesmärgiks 5 miljonit tonni rohelist terast aastas aastaks 2030, mida toidab Rootsi hüdro- ja tuuleenergia ning mis kasutab H2-DRI-EAF tehnoloogiat.

Teiste sarnaseid teid järgivate ettevõtete hulka kuuluvad ArcelorMittal (MIDREX-põhised DRI-tehased koos vesiniku üleminekuga), thyssenkrupp (tkH2Steel projekt Duisburgis) ja Salzgitter (SALCOS programm).

Kommertskatsumus: roheline vesinik maksab praegu 4–8 USD/kg, võrreldes maagaasiga, mille energiaekvivalent on 1–2 USD/kg. H2-DRI kaudu toodetud rohelisel terasel on 100–300 USD/tonn maksev hinnapreemia võrreldes tavapärase BF-BOF terasega. See, kas seda preemiat saab “roheliste preemiate” kaudu ostjatele edasi kanda või CO2-hinnastuse kaudu absorbeerida, on terasetööstuse dekarboniseerimise keskne kommertsküsimus.

---

Mida see tähendab toorainekaubanduse jaoks

EAF/BF-BOF jaotusel on otsesed tagajärjed toorainekaubanduse voogudele, mis mõlemat teed toetavad.

BF-BOF nõudmised: Rauamaak (veetakse Austraaliast, Brasiiliast) ja koksistuv kivisüsi (veetakse Austraaliast, USA-st, Kanadast, Venemaalt). Need on kaks maailma suurima mahuga meritsi transporditavat puistlasti kaubandust. BF-BOF-ist loobumine vähendab otseselt nõudlust koksistuva kivisöe ja esmaklassiliste raudmaagipelletite järele — pikaajaline tagasilöök nendele tooraineturgudele.

EAF nõudmised: Elekter ja terasevanametall. Ülemaailmne vanametallikaubandus on märkimisväärne — Türgi on maailma suurim terasevanametalli importija, hankides seda USA-st, EL-ist ja UK-st. EAF-tootmise kasv ülemaailmselt tähendab kasvavat nõudlust vanametalli järele, mis tõstab vanametalli hindu ja muudab selle hankimise konkurentsitihedamaks.

H2-DRI nõudmised: Kõrgekvaliteedilised raudmaagipelletid (DRI nõuab kõrgemat rauasisaldust — 67%+ Fe — kui tavaline BF-BOF kõrgahjumaak). See loob esmaklassilise turu LKAB (Rootsi), CVRD/Vale (Brasiilia) ja Bahrain Steeli kõrgekvaliteedilistele raudmaagipelletitele. H2-DRI üleminek on “bullish” (hinda tõstev) kõrgekvaliteedilise raudmaagi jaoks ja “bearish” (hinda langetav) keskmise kvaliteediga kõrgahjumaagi jaoks.

---

Korduma kippuvad küsimused

Kumb on odavam käitada, kõrgahi või EAF?

See sõltub toorainete hinnast igas asukohas. Seal, kus vanametall on odav ja elekter taskukohane, on EAF odavam käitada. Seal, kus vanametalli on napilt ja elekter kallis, on BF-BOF-il eelis. USA EAF-minitehastel on järjepidevalt madalamad kulud kui USA integreeritud BF-BOF-tootjatel, kuna USA vanametall on rikkalik ja suhteliselt odav. Euroopa EAF-tootjad sattusid 2022. aastal raskustesse, kui elektrihinnad gaasikriisi tõttu hüppasid.

Kas elektrikaarahjuga saab toota autotööstuse terast?

Mõnega saab, kuid oluliste täiendustega. Kvaliteetne autotööstuse lehtteras nõuab väga madalat vase taset (alla 0,04%), et vältida kuumhaprust valtsimise ajal. EAF-tehased, mis toodavad autoklassi terast, peavad vanametalli lahjendama vasevaba neitsirauaga — malmi, DRI või HBI-ga. Nucori Gallatini ja Crawfordsville’i lehtterase tehased teevad just seda. Kuid EAF-i lehtterase kvaliteedilagi on madalam kui integreeritud BF-BOF tehastel ilma märkimisväärse DRI lisamiseta.

Mis on roheline teras ja kui palju see rohkem maksab?

Roheline teras on teras, mida toodetakse tavapärasest terasetootmisest märkimisväärselt madalamate CO2 heitkogustega — tavaliselt defineeritakse see kui alla 0,5 tonni CO2 terasetonni kohta. Juhtiv tee on H2-DRI-EAF, kasutades taastuvenergial põhinevat rohelist vesinikku. Praeguse rohelise terase hinnapreemia on 100–300 USD tonni kohta võrreldes tavapärase terasega, olenevalt rohelise vesiniku maksumusest. Taastuvenergia kulude langedes peaks see preemia vähenema.

Miks Hiina domineerib BF-BOF teed?

Hiina ehitas suurema osa oma terasetootmisvõimsusest viimase 30 aasta jooksul kasutades BF-BOF tehnoloogiat, kuna see oli odavaim viis tootmist kiiresti mastaapida, kuna koksistuv kivisüsi oli kättesaadav ja kuna kiiresti industrialiseeruvas majanduses oli vanametall napp. Hiina toodab üle 1 miljardi tonni terast aastas, ~90% BF-BOF kaudu. Kuna Hiina tööstusbaas vananeb ja vanametalli kättesaadavus tõuseb, kasvab selle EAF-i osakaal järk-järgult praeguselt ~10%-lt.

Mis on HYBRIT ja miks see oluline on?

HYBRIT on SSAB, LKAB ja Vattenfalli ühisettevõte, mille eesmärk on toota fossiilivaba terast kasutades vesiniku otseredutseerimist. 2021. aastal tarnis see maailma esimese fossiilivaba terase — toodetud ilma koksistuva kivisöe ja maagaasita — Volvo AB-le. HYBRIT on oluline, kuna see tõestab, et H2-DRI-EAF tee saab kommertslikult toimida. Kui see mastaapida, võiks see kõrvaldada ligikaudu 2,33 tonni CO2 terasetonni kohta kogu BF-BOF tööstuses.

---

Peamised järeldused

• Kõrgahju-BOF teekond (BF-BOF) kasutab raudmaaki ja koksistuvat kivisütt; elektrikaarahju (EAF) kasutab terasevanametalli ja elektrit. Need on fundamentaalselt erinevad tooraine tarneahelad.
• BF-BOF eritab ligikaudu 2,33 tonni CO2 terasetonni kohta; EAF eritab ligikaudu 0,77 tonni — 67% vähenemine.
• EAF-il on palju madalamad kapitalikulud kui BF-BOF-il (~300–400 USD tootmisvõimsuse tonni kohta vs 600–1000 USD) ja suurem operatiivne paindlikkus, kuid see on tundlik elektrihindade suhtes.
• EAF ei suuda hõlpsasti toota kõrge puhtusastmega lehtterasest klasse autotööstuse rakendusteks, lisamata neitsirauda, et lahjendada vanametallist kogunevaid kõrvalisi elemente — eriti vaske.
• Globaalne terasetootmine on ligikaudu 70% BF-BOF ja 30% EAF; EAF-i osakaal kasvab, kuna vanametalli kättesaadavus suureneb ja dekarboniseerimise surve intensiivistub.
• EL-i ETS CO2 hind (~50–70 eurot tonni CO2 kohta) lisab BF-BOF terasele 115–165 eurot tonni kohta varjatud süsinikukulu, tekitades konkurentsisurve, millega EAF ja ilma CO2-hinnastuseta import ei pea võrdselt silmitsi seisma.
• Rohelise vesiniku DRI (H2-DRI-EAF) on kõige madalama CO2-heitega terasetootmise tee, vähendades CO2 heitmeid kuni 95% võrreldes BF-BOF-iga; HYBRIT ja Stegra Rootsis on juhtivad kommertsiaalses mastaabis projektid.
• Üleminek BF-BOF-ilt EAF/DRI-EAF-ile on pikaajaliselt “bearish” koksistuva kivisöe ja standardse raudmaagi jaoks ning “bullish” kõrgekvaliteediliste raudmaagipelletite ja terasevanametalli jaoks.

Related Reading

To deepen your understanding of the topics covered in this article, explore these related guides: the full ferrous chain from iron ore to finished steel, the scrap grades and pricing mechanisms that feed electric furnaces and how carbon pricing policies affect the cost gap between the two routes.