DIE GRÜNE STAHLPRODUKTION
IM JAHR 2045
Der Primärstahl der Zukunft wird mit grünem Wasserstoff produziert. Die deutsche Stahlbranche will einen entscheidenden Beitrag zur Erreichung der Klimaziele leisten und mithilfe von grünem Wasserstoff bis 2045 nahezu emissionsfreie Stähle produzieren. Die Reform des Klimaschutzgesetzes zur Erreichung der Klimaneutralität bis 2045 stellt die Branche in Deutschland vor enorme Herausforderungen.
Um die deutschen und europäischen Klimaziele zu erreichen, muss die Stahlbranche, die aktuell für etwa 6 % der CO2-Emissionen Deutschlands verantwortlich ist, transformiert werden. Dafür wird die konventionelle Hochofen-Route durch die wasserstoffbasierte DRI-Produktionsroute ersetzt. Diese Produktionsroute braucht vier wesentliche Güter, um nahezu emissionsfrei produzieren zu können: grünen Wasserstoff, erneuerbare Energie, Eisenerzpellets und Stahlschrott. Im DRI-Prozess wird der Sauerstoffanteil aus den Eisenerzpellets mithilfe von Wasserstoff in Direktreduktionsanlagen reduziert und der erzeugte Eisenschwamm (DRI) anschließend in einem elektrischen Einschmelzaggregat (z.B. einem Elektrolichtbogenofen) unter Zugabe von Stahlschrott zu Rohstahl weiterverarbeitet. Wird ausschließlich grüner Wasserstoff eingesetzt, lassen sich die CO2-Emissionen dieses Prozesses nachhaltig nahezu vollständig auf Null senken. Es verbleiben lediglich geringe unvermeidbare Emissionen durch den Elektrodenabbrand und den Einsatz von Schäum- bzw. Blaskohle im elektrischen Schmelzaggregat.
Neben den kapitalintensiven Investitionen in Technologien und Produktionsanlagen für die Stahlindustrie müssen auch die erneuerbaren Energien, die grüne Wasserstoffproduktion, die Stromnetze und die Gasinfrastruktur in einem immensen Umfang und mit beschleunigtem Tempo entsprechend ausgebaut oder umgebaut werden. Durch europäische und internationale Energiepartnerschaften müssen Importe von erneuerbaren Energien und grünem Wasserstoff vorangetrieben werden, da die heimische Produktion den steigenden Bedarf nicht decken wird. Für die Versorgung der Industrie- und in diesem Kontext vor allem der Stahlproduktionsstandorte mit grünem Wasserstoff für die grüne Stahlproduktion ist der Aufbau eines umfangreichen und belastbaren europäischen Wasserstoffpipelinenetzes nötig, um große Mengen schnell und effizient transportieren zu können. An dieses Pipelinenetz müssen ausreichend große Wasserstoffspeicher angeschlossen sein. Durch die fluktuierende Einspeisung des Wasserstoffs in das Netz, muss zu jederzeit eine ausreichende Abgabemenge gedeckt werden können.
In Deutschland lagern aktuell in künstlich angelegten unterirdischen Salzkavernen Erdgasreserven für etwa 42 Tage. Für die Gasspeicherung, auch von Wasserstoff, über einen langen Zeitraum in großen Mengen sind solche geologischen Formationen durch ihre Dichtigkeit und minimale Belastung durch Bakterien oder anorganische bzw. organische Stoffe ideal geeignet. Weiterhin eignen sich für die industrielle Speicherung von Wasserstoff erschöpfte Öl- und Gasfelder, Grundwasserleiter sowie geologisch bereits vorhandene Höhlenspeicher. Solche Speicherkavernen haben typischerweise ein Fassungsvermögen von 250.000 bis 750.000 m³, bei einer Speicherdichte von 8 – 11 kg/m³.
Die HySteel-Fachkommission arbeitet seit ihrer Gründung im Jahr 2020 intensiv an der Umsetzung der ganzheitlichen Transformation. Die beteiligten Stahlhersteller, Hersteller der Anlagen für die Stahl- und Wasserstoffproduktion, Produzenten für erneuerbare Energien, Netzbetreiber, Universitäten, Institute, Forschungseinrichtungen und Gewerkschaften sind gewillt die Transformation umzusetzen und haben bereits Projekte initiiert.
Die deutsche Stahlindustrie hat die Chance, durch die Einführung innovativer Technologien und neuer Verfahren, die Grundlage für zukunftsfähige gutbezahlte Industriearbeitsplätze in Deutschland zu legen. Das HySteel-Cluster wird weiter am Abbau der bestehenden Barrieren für die Einführung grüner Stahlprodukte arbeiten, um Technologieführer bei der emissionsarmen Stahlherstellung zu werden und grünen Stahl „Made in Germany“ zu einer Benchmark zu machen.
Die folgende Grafik stellt ein mögliches Konzept der grünen Stahlherstellung im Jahr 2045 vor.
© Deutscher Wasserstoff- und Brennstoffzellen-Verband e.V. (DWV)
DIREKTREDUKTION MIT
GRÜNEM WASSERSTOFF
Eine nahezu emissionsfreie Stahlproduktion ist nur durch den Einsatz von grünem Wasserstoff in innovativen Produktionsprozessen möglich. Zur Verminderung bzw. Vermeidung von CO2-Emissionen können Eisenerze, statt im Hochofen (auf Basis von Koks bzw. Kohle), in einer sogenannten Direktreduktionsanlage mit grünem Wasserstoff als Reduktionsgas zu Eisenschwamm (Direct Reduced Iron, DRI) reduziert und anschließend unter Verwendung von erneuerbarem Strom zu Rohstahl weiterverarbeitet werden. Die notwendige Menge an grünem Wasserstoff kann dabei sowohl direkt am Standort hergestellt oder über ein Pipelinenetz bereitgestellt werden.
Die Direktreduktion von Eisenerzen mit Erdgas, dessen Hauptbestandteil Methan aus den Reduktionsmitteln Kohlenstoff und Wasserstoff besteht, Erdgas/Wasserstoff-Beimischungen und perspektivisch steigenden Anteilen an grünem Wasserstoff ist als Brückenlösung ab 2025 bis 2030 großtechnisch verfügbar. Wird ausschließlich grüner Wasserstoff eingesetzt, ist eine CO2-Minderung von ca. 95 % gegenüber den CO2-Emissionen der Hochofenroute möglich. CO2-Emissionen entstehen bei der Produktion über die DRI-EAF-Produktionsroute nur durch den Elektrodenabbrand sowie den Einsatz von Schäum- bzw. Blaskohle, solange der benötigte Wasserstoff sowie der genutzte Strom erneuerbar erzeugt worden sind. Im Vergleich zur Hochofenroute, bei der etwa 1,7 t CO2/t Rohstahl emittiert werden, erzeugt die wasserstoffbasierte Direktreduktion keinerlei Emissionen, lediglich die anschließende Weiterverarbeitung im Schmelzaggregat erzeugt aus den genannten Gründen etwa 30 kg CO2/t Rohstahl.
Hochgerechnet auf 29,7 Mio. t Rohstahl, die über die Hochofen-Route erzeugt werden, könnten die Emissionen der Stahlherstellung somit auf etwa 0,9 Mio. t CO2 gesenkt werden. Aktuell wird der Elektrolichtbogenofen dafür genutzt Stahlschrott durch elektrische Energie einzuschmelzen und zu Rohstahl zu verarbeiten. Diese Art des Recyclings von Stahl spart schon jetzt eine große Menge Treibhausgase ein. Derzeit wird allerdings zu etwa 70 % die Hochofenroute und nur zu 30 % das Elektrolichtbogenofenverfahren genutzt, was an der Verfügbarkeit von Stahlschrott in ausreichenden Mengen und Qualität liegt.
© Salzgitter AG
Einblasen von Wasserstoff
in den Hochofen
Ein erster kurzfristig realisierbarer Schritt, um anfallendes CO2 bei der Stahlherstellung im Hochofenprozess einzusparen, ist das Einblasen von reinem Wasserstoff oder einem Synthesegas, das aus Wasserstoff, Koksgas und Hochofengas besteht, in den Hochofen. Dieses Synthesegas bzw. der enthaltene Wasserstoff dient dabei als zusätzliches Reduktionsmittel neben dem üblichen Koksgas. Diese Technologie kann ohne größere Veränderungen am Produktionsprozess umgesetzt werden. Ohne die Anreicherung des Synthesegases mit Wasserstoff ist auf diese Weise eine CO2-Reduktion von bis zu 12 % möglich, bei einer Anreicherung mit
Wasserstoff sogar etwa 20 %. Das im konventionellen Hochofenprozess entstehende Hochofengas wird dabei in einen Kreislauf gebracht, um das Restreduktionspotenzial des Gases so effizient wie möglich zu nutzen.
Für die Erreichung der Treibhausgasneutralität bis 2045 wird dieses Verfahren, aufgrund des relativ geringen Emissionseinsparpotentials, allerdings nur eine Übergangslösung sein. Eine vollständige und dauerhafte Lösung zur Erreichung der Treibhausgasneutralität der Stahlindustrie bietet nach aktuellem Stand der Erkenntnisse nur die Direktreduktion mit grünem Wasserstoff.
© Paul Wurth S.A.
CO2-Nutzung zur Produktion von
chemischen Grundstoffen
Eine weitere Methode CO2 und andere anfallende Hüttengase, wie Stickstoff, Kohlenstoffmonoxid, Wasserstoff und Methan zu nutzen, ist die Verwendung bei der Herstellung chemischer Grundstoffe. Stickstoff und Wasserstoff lassen sich zu Ammoniak umwandeln, der als Ausgangsstoff zur Kunstdüngerproduktion dient.
Kohlenstoffdioxid, -monoxid und Wasserstoff sind die Grundlage für Methanol, der zu Treibstoff weiterverarbeitet werden kann. Diese Mehrfachnutzung senkt die Emissionen der Stahlerzeugung deutlich. Perspektivisch könnten durch einen solchen Prozess 20 Millionen Tonnen des jährlichen CO2-Ausstoßes der Stahlbranche in Deutschland nutzbar gemacht werden.
© thyssenkrupp Steel Europe AG
Wasserstoffplasma-Schmelzreduktion
Eine technologische Innovation zur Dekarbonisierung der Stahlindustrie, die sich noch im Forschungsstadium befindet, ist die Nutzung eines Wasserstoffplasmas zur Reduktion sowie zum Einschmelzen des Eisenerzes. Der Wasserstoff wird dabei einerseits als Reduktionsmittel genutzt und im weiteren Verlauf durch die hohe Energie in der Plasmaphase zum Schmelzen des Eisens verwendet. Die Prozesse der Direktreduktion und des Einschmelzens werden somit gleichzeitig und in einer Anlage durchgeführt.
Da hierbei nur Wasserdampf und Rohstahl entstehen, können die üblichen CO2-Emissionen gänzlich vermieden werden. In einer Laboranlage am Lehrstuhl für Eisen- und Stahlmetallurgie an der Montanuniversität Leoben in einer Größe von 100 g pro Versuchsdurchgang konnte bereits Eisenerz auf diese Weise eingeschmolzen werden. Ein Scaleup des Reaktors soll eine Schmelzleistung von etwa 90 kg besitzen.
Das beschriebene Forschungsprojekt mit dem Namen „SuSteel“ wird von den Projektpartnern K1-MET GmbH, voestalpine und der Montanuniversität Leoben in Donawitz (Österreich) durchgeführt.
© K1-MET GmbH
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