Staal is onmisbaar én supervervuilend. Hoe ziet een duurzame ijzertijd eruit?

Henry Bessemer weet wat hij wil. Zijn school heeft hij nooit afgemaakt. In plaats daarvan is hij op zijn zeventiende eigen baas – als uitvinder. Voor zijn dertigste heeft hij de suikerrietpers, een goudverf gemaakt van brons, en een methode om van grafietpoeder potloden te maken op zijn naam staan. Met zijn patenten, 110 in totaal, heeft hij dan al een klein fortuin vergaard.

Maar de grootste klapper moet nog komen.

Want in 1856, op 43-jarige leeftijd, brengt Bessemer een revolutie teweeg met een materiaal dat onze stedenbouw, onze infrastructuur, onze gebruiksvoorwerpen – eigenlijk onze hele maatschappij – volledig zal veranderen en domineren.

‘De omvang en het belang van deze uitvinding van mr. Bessemer kan nauwelijks worden overschat’, schrijft The Times op 23 augustus 1856.

Hij blaast er eerst wel bijna zijn werkplaats in St. Pancras, Londen mee op.

Want wat Bessemer doet, is vloeibaar, witheet ruwijzer in een groot peervormig vat gieten en er van onderen lucht doorheen blazen. Met gebulder en enorme vonkenregens tot gevolg – een soort extreme variant van lucht in je barbecue blazen. Het resultaat: Bessemer-staal.

Daarvoor was staal maken slechts weggelegd voor een kleine groep vakmensen. Smeden die in staat waren op gevoel de hoeveelheid koolstof in ijzer te reguleren. Staal is namelijk ijzer met een klein beetje koolstof. Het is gewild, want het combineert het beste van twee werelden: harder dan het gewone smeedijzer van de smid, maar nog wel flexibel – in tegenstelling tot het brosse gietijzer uit fabrieken.

Bessemer-staal is dus niet alleen efficiënter dan eerdere ijzerproductie, het proces is ook veel gemakkelijker. Bovendien kost het geen extra brandstof om meer te produceren. Het enige wat je nodig hebt is lucht. Met deze uitvinding wordt staal voor het eerst in de geschiedenis een massaproduct. Kost in 1867 één ton staal, gecorrigeerd naar huidige prijzen, ongeveer 2.500 euro, in 1884 betaal je er nog maar 750 euro voor.

En zo komt het dat we leven in een wereld van staal. De Brooklyn Bridge en de Erasmusbrug, het Empire State Building, het Chrysler-gebouw – staal maakt het mogelijk. Staal is de Titanic, maar ook de romp van moderne vrachtschepen. Van staal zijn ieder van de miljoenen containers die ze vervoeren. Staal zit verstopt in beton als wapening. Het is de anderhalf miljoen kilometer aan spoorrails wereldwijd en zit in de treinen die erop rijden. Er gaat gemiddeld 900 kilo staal in een auto en we maken er fietsen van. We bewaren ons voedsel in stalen blikjes en warmen het op in stalen pannen. En we steken staal dagelijks in onze mond, in de vorm van bestek.

We bouwen onze wereld met staal. En tegelijkertijd maken we haar ermee kapot. Want de geschiedenis van ijzer en staal is er een van wapengekletter en megalomaan rijke mannen. En van vervuiling – heel veel vervuiling.

Drie keer heeft ijzer de wereld veranderd

Op de keper beschouwd kunnen we niet simpelweg over staal spreken alsof het één materiaal is. Er zijn meer dan 3.500 soorten staal en de ruime meerderheid daarvan bestond twintig jaar geleden nog niet. Alle soorten zijn echter gemaakt van ijzer. Spreek over staal en je spreekt over ijzer.

IJzer en staal zijn al duizenden jaren in gebruik. Voor de Egyptenaren was ijzer een hemels metaal. In het Oud-Egyptisch duidt men ijzer aan met bia en pet: metaal uit de lucht. Dat klinkt als een mythe, maar is vrij accuraat. Het vroegste ijzer werd gewonnen uit meteorieten – de farao Toetanchamon is begraven met een dolk gemaakt uit meteorisch ijzer. Pas honderden jaren later wordt in de aardkorst gezocht naar ijzerertsen om daar door middel van verhitting ijzer uit te winnen.

Maar liefst driemaal heeft ijzer de wereld veranderd, in drie verschillende gedaanten: als smeedijzer, gietijzer en Bessemer-staal. Benamingen die verwijzen naar de productietechniek en die elkaar grofweg chronologisch opvolgen. Weinig andere materialen hebben zo veel impact gehad op de loop van de geschiedenis.

IJzertijd

De eerste keer dat ijzer een nieuwe samenleving creëert is in de lange overgang van de bronstijd naar de ijzertijd. Archeologen zien de bronstijd als een periode van handel en connectiviteit, met name dankzij koper en tin, de twee relatief zeldzame metalen waarmee brons wordt gemaakt om werktuigen, wapens en sieraden van te gieten. Het zijn de olie en het gas van drieduizend jaar geleden en ze verbinden prehistorisch Europa.

De vraag naar koper en tin leidt tot alsmaar verdere concentratie van macht en rijkdom in een paar centra in Europa, die de handel in de zeldzame metalen beheersen. Die machtscentra steken er letterlijk en figuurlijk bovenuit: ze worden ‘hillforts' genoemd.

Een voorbeeld is Mont Lassois bij Vix in Frankrijk, waar archeologen in 1953 een graf vonden van een jonge vrouw die rond 500 voor Christus was begraven met een gouden nekring van bijna een halve kilo, en een 209 kilo zwaar bronzen wijnvat. Het graf in Mont Lassois is de zwanenzang van een elite die de handel in brons in handen had – het prehistorische equivalent van een gouden hotel midden in Las Vegas.

IJzer breekt deze wereld open.

IJzererts is ruim voorhanden. Het maakt 5 procent van de aardkorst uit. In slechts enkele tientallen jaren, zo rond 500 v.Chr., vallen de bronzen machtscentra om. Vaak door geweld, omdat van ijzer betere, maar vooral méér wapens te maken zijn dan van brons.

Het oude verbonden Europa fragmenteert – ieder volk gaat zijn eigen ijzer produceren, er eigen wapens mee maken en daarmee een eigen regio leiden. De Belgae, de Boii, de Frisii, de Helvetii: het zijn de naamgevers van de territoria van vandaag. België, de Bohemen, Friesland, Zwitserland.

Gietijzer

Productie van ijzer is lange tijd een kleinschalige aangelegenheid. IJzer wordt gemaakt door ijzererts in lemen of stenen ovens te verhitten en het gewonnen ruwijzer te smeden. Die ovens worden gestookt op houtskool.

In 1720 zijn er in Engeland zestig ovens in gebruik die tezamen jaarlijks ongeveer 830.000 ton hout voor houtskool verbruiken. Aan het begin van de industriële revolutie is er dan ook geen gebrek aan ijzererts. Er is gebrek aan bos.

Een cruciale technologische ontwikkeling is de hoogoven gestookt op cokes. Met deze alternatieve energiebron, waarmee de Britse ondernemer Abraham Darby in 1709 voor het eerst een hoogoven stookt, schiet de productie van ijzer omhoog. In 1700 is de Britse ijzerproductie 12.000 ton per jaar, in 1850 praten we over 2.000.000 ton per jaar.

Bovendien is de temperatuur in hoogovens hoog genoeg om ijzer te smelten en vervolgens te gieten, waardoor veel meer mogelijk is – van ploegscharen tot brugonderdelen. In 1851 wordt zo’n beetje alles wat er van ijzer te maken is tentoongesteld in de eerste Grote Tentoonstelling in het Crystal Palace – inclusief het gebouw zelf, dat van gietijzer gemaakt was.

Er is gietijzer nodig voor stoommachines en schepen. De eerste gietijzeren brug wordt gebouwd. Bovenal zijn er rails nodig; heel veel rails. In 1830 wordt de eerste 56 kilometer aangelegd, van Liverpool naar Manchester. Dertig jaar later ligt er wereldwijd al 100.000 kilometer. Met gemiddeld 25 kilo ijzer per meter spoorrails hebben we het over 2,5 miljard kilo ijzer.

De industriële revolutie is niets minder dan een tweede ijzertijd.

En dat is vóórdat Bessemer met zijn bijna-ontplofte werkplaats een beter en goedkoper ijzer introduceert: staal.

Als Bessemer zijn uitvinding presenteert voor de crème de la crème van de Britse wetenschap, zegt hij: ‘De productie van ijzer is zo belangrijk voor dit land dat iedere verbetering in deze nationale industrie van algemeen belang is.’ En hij krijgt gelijk.

Bessemer-staal

Met Bessemer begint niet alleen een derde ijzertijd, er komt ook langzaam meer kennis over de processen die zich afspelen in ijzer en staal. Sinds 1905 kunnen we dankzij röntgenstralen in metaal kijken en kristalstructuren ontwaren. Naast vakmanschap is er nu wetenschap. De combinatie daarvan blijkt uitermate vruchtbaar.

Ontwikkelingen volgen elkaar rap op. Enkele jaren na Bessemer komt er nóg een mogelijkheid om staal op industriële schaal te produceren met de vlamoven van Siemens-Martin. Anderen verbeteren de methode van Bessemer, waardoor het mogelijk wordt om de tot dan toe problematische fosforrijke ijzererts te smelten. Goedkoop staal overspoelt de markt, maar er is vraag genoeg.

Wederom zijn het vooral rails, maar staal is ook cruciaal voor de scheepvaart en auto-industrie. Stalen ploegen openen de Amerikaanse vlaktes en staal brengt een revolutie teweeg in de constructie-industrie. In 1885 wordt voor het eerst staal gebruikt in een tien verdiepingen tellend gebouw in New York City. De wolkenkrabber is geboren.

Dit is het begin van de staalmagnaten: families Thyssen en Krupp, Carnegie, Tata, maar ook Gilette, die slim gebruik maakt van het goedkope plaatstaal om wegwerpmesjes te maken.

Aan het begin van de ijzertijd wordt een extreem rijke elite neergeslagen met ijzer; hier staat er een op. En het zijn machtige heren. Ieder zichzelf respecterend geïndustrialiseerd land wil staal produceren. Staal is van de mannen. Staal is nationale trots.

De fraaiste ode aan dit materiaal staat in het hart van Europa: het Atomium, een ijzerkristal van roestvrij staal, in 1958 ter gelegenheid van de Wereldtentoonstelling in Brussel neergezet.

Treffend, want het is mede aan staal te danken dat we van een Europese Unie kunnen spreken, ontstaan uit de Europese Gemeenschap voor Kolen en Staal.

Europa heeft stalen botten. Staal verbindt dit continent; letterlijk, met duizenden kilometers spoorlijn en figuurlijk, in economische zin. Hard maar plastisch, zelfs vloeibaar te maken, democratisch en modern. Wat in de prehistorie met ijzer is afgebroken staat nu weer in steigers van staal: een verbonden Europa.

Maar wat heeft dat ons gekost?

Staal als grote vervuiler

Er is één groot probleem dat alle ijzertijden tekent: de enorme vervuiling die ijzer en staal met zich meebrengen.

Het prachtige Toscaanse landschap is rijk aan metalen én zwaar verontreinigd, al sinds de prehistorie. Op Elba is de vervuiling van ijzerproductie uit de derde eeuw voor Christus nog steeds meetbaar in grondmonsters. Op het vasteland zijn in een haar van een vrouw uit 350 voor Christus zware metalen aangetroffen; een aanwijzing voor metaalvergiftiging.

IJzerproductie is verantwoordelijk voor de ontbossing van Engeland in de zestiende eeuw. Het is de reden waarom inwoners van Sussex in 1548 de koning verzoeken om hoogovens te verbieden. Al het bos in een straal van vier kilometer rondom een hoogoven gaat in vlammen op. Het is een klimaatprotest avant la lettre.

En in de 21ste eeuw is die vervuiling alleen maar toegenomen. China, de grootste staalproducent van de wereld, stikt in het staal. Letterlijk. De lucht in Beijing heeft een fijnstofgemiddelde ruim boven de gezondheidsnorm van de WHO: naast energiecentrales is de staalindustrie hoofdverantwoordelijk voor het verbranden van de kolen die fijnstof veroorzaken.

Staal is bovendien verantwoordelijk voor 7 procent van de totale wereldwijde CO2-uitstoot.

Waarom blijven we het dan toch gebruiken? Simpel: staal is belachelijk goedkoop. Om in een modern staalbedrijf een ton staal te maken is er 1.370 kilogram ijzererts nodig, 600 kilo cokes, 270 kilo kalksteen en 125 kilo schroot. Daarmee zijn de kosten voor een ton staal 500 euro, oftewel 50 cent per kilo. Een kilo aardappelen kost je meer.

Met de verstedelijking van Azië en Afrika zal het gebruik van staal alleen maar toenemen. En ook in de EU blijft staal een geliefd materiaal. Hoewel de Europese staalproductie sinds 1950 met de helft is afgenomen, gebruiken we er niet minder van. Sterker, het staalverbruik per capita in de EU is gestegen van 278 kilo in 2012 naar 310 kilo in 2019. De EU is wereldwijd dan ook de grootste importeur van staal: 40 miljoen ton in 2019.

In datzelfde jaar werd er wereldwijd 1,8 miljard ton staal geproduceerd. De staalindustrie zelf ziet dat getal minstens verdubbelen in 2050.

Maar waar niemand naar kraait: die ton staal van 500 euro, kost óók 1,85 ton aan CO2-emissies. En dat terwijl de productie van ijzer en staal al vele malen efficiënter en schoner geworden is. Het is de paradox van efficiëntie. Wat winnen we als er zo veel meer van wordt gebruikt?

Het goede nieuws is: het kán ook duurzaam

We zijn simpelweg te afhankelijk van staal. Het is maar de vraag of we de klimaatafspraken kunnen halen zónder staal. Waar zijn windmolens van gebouwd, bijvoorbeeld?

In een ontluisterend artikel rekent wetenschapper Vaclav Smil ons voor wat hij ziet wanneer hij naar een windmolen kijkt. De grote 5-megawatt-variant bevat maar liefst 900 ton staal – oftewel een kleine 700 ton kolen. ‘Een windmolen is de belichaming van fossiele brandstof’, schrijft hij droogjes.

Maar kunnen we van staal af?

‘Willen we dat dan?’ is het antwoord van Erik Offerman. Hij is materiaalkundige aan de TU Delft – een soort ijzersmid van de 21ste eeuw.

‘Staal is sterk, goedkoop en een enorm veelzijdig materiaal. En omdat het gerecycled kan worden past het in een circulair verhaal.’

Juist: staal is niet alleen het meest gebruikte metaal ter wereld, maar ook het meest hergebruikte. Het voordeel van staal – van metaal in het algemeen – is dat het oneindig te recyclen is. Ook dat gebeurde al in een ver verleden. Misschien kunnen staal en duurzaamheid dus wel heel goed samen gaan.

Maar er is een maar.

Willen we staal veelvuldig hergebruiken, dan is het noodzaak om het zo puur mogelijk te houden. Aan ijzer worden vaak andere elementen toegevoegd, zoals silicium en mangaan. Maar ook chroom, vanadium, niobium, nikkel en molybdeen worden gebruikt om staal bijvoorbeeld roestvrij, sterker of juist rekbaarder te maken.

Zulke hoogwaardige staallegeringen zijn lastiger te recyclen. Immers, smelt een hoop verschillende staallegeringen en je eindigt met mengelmoesstaal waarvan de eigenschappen moeilijk te voorspellen zijn. Het wordt laagwaardig staal dat vervolgens slechts nog gebruikt kan worden in laagwaardige toepassingen, zoals wapening van beton.

En dus zijn er allerlei innovatieve onderzoekers die proberen staal zo goed recyclebaar mogelijk te maken. Zoals Offerman. Hij beïnvloedt de microstructuur van staal met behulp van walsen en temperatuur, om hoogwaardige staalsoorten te kunnen produceren met een beperkt palet aan legeringselementen. Zo laat het zich gemakkelijker recyclen én is er minder van nodig.

En er zijn nog meer routes naar duurzamer staal.

Net zoals in de achttiende eeuw is een cruciale verandering nodig in het brandstofgebruik en het proces om erts te reduceren. De energiebehoefte van de ijzer- en staalindustrie is groot en wordt nog te veel gevoed met fossiele brandstof.

Een veelbelovende ontwikkeling is om staal te produceren op basis van waterstof. Een initiatief op dat gebied is de ‘Hydrogen Breakthrough Ironmaking Technology’, waarbij duurzaam geproduceerde waterstof wordt gebruikt voor de productie van staal. HYBRIT is een samenwerking van drie relatief kleine Zweedse bedrijven met grootse plannen: het fossielvrij maken van de Zweedse ijzer- en staalindustrie.

Onlangs is de eerste fabriek geopend, maar groen staal is nog altijd 20 à 30 procent duurder dan gewoon staal. In 2040 moet dit staal, volgens HYBRIT, concurrerend worden geproduceerd.

En dan zijn er nog de vlamboogovens die overal ter wereld staan en circa 40 procent van de Europese staalproductie op zich nemen. Relatief kleinschalige fabrieken die met behulp van elektriciteit in plaats van cokes staal maken. Ze richten zich op het hersmelten van schroot; recyclen dus. Het uitbreiden van deze productie zou helpen, maar betekent het terughalen van staalproductie naar Europa. Reshoring, zoals economen dat graag noemen.

We moeten naar een vierde – duurzame – ijzertijd

Groen staal en op grote schaal hergebruiken. Technisch gezien is dat dus mogelijk. Maar deze transitie vergt een andere manier van denken: circulair denken in plaats van lineair, lange termijn in plaats van korte termijn.

Voor groen staal moeten we niet voor efficiënt maar voor duurzaam kiezen, niet voor goedkoop en veel, maar voor minder en beter. Dat is mogelijk. Het kan zelfs kenmerkend zijn voor staal made in Europe.

Maar het vergt een mentaliteit die niet goed resoneert bij mannen van staal. Ons denken over ijzer en staal – het materiaal van wapens, van de zware industrie die voor veel landen nog altijd de nationale trots is en van economische vooruitgang – moet op de schop.

Dan kan staal, in plaats van het meest vervuilende jongetje van de klas, hét materiaal worden van een sterke en duurzame wereld, een die gebouwd is op een schoon materiaal dat oneindig te recyclen is.

Dat is een duurzame vierde ijzertijd. En die is helaas nog ver weg.