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Der lange Weg zum grünen Stahl

Der lange Weg zum grünen Stahl

Die Stahlproduzenten gehören mit ihren Produktionsanlagen zu den ganz großen CO2-Emittenten. Wegen des Hochofenprozesses gelangen jedes Jahr rund 1,7 Gigatonnen Kohlenstoffdioxid in die Atmosphäre. Das sind rund fünf Prozent der weltweiten CO2-Emissionen. Grund genug, um über andere Herstellungsverfahren nachzudenken.

20. Dezember 2019
Der lange Weg zum grünen Stahl
Hochofen 5 A von Arcelor Mittal in Eisenhüttenstadt am Oder-Spree-Kanal.
(Bild: Stahlzentrum/Arcelor Mittal)

Würde bei der Stahlherstellung Kohlenstoff (Koks) durch Wasserstoff ersetzt werden, könnte am Ende der Prozesskette statt CO2 nur noch Wasser anfallen.

Neue Wege zu weniger Kohlenstoffdioxid kennt man zumindest schon in der Theorie. Die notwendige Anlagentechnik ist auch weitgehend bekannt. Allerdings sind die wirtschaftlichen Rahmenbedingungen überhaupt nicht zufriedenstellend. Doch es muss und wird auf diese Technologie hinauslaufen, wenn CO2 bei der Stahlerzeugung eingespart werden soll.

Auch die großen Stahlproduzenten in Deutschland sind sich inzwischen einig, Kohlenstoffdioxid muss bei der Stahlerzeugung ganz oder zumindest in hohem Maße reduziert werden. Die Macher in den Konzernzentralen sprechen von einem langen, aber gangbaren Weg zum ›grünen Stahl‹.

Wasserstoff statt Kohlenstoff

Deutsche Branchengrößen wie Salzgitter oder Thyssenkrupp forschen intensiv nach neuen Technologien, den enormen CO2-Ausstoß zu vermeiden. Bei Thyssenkrupp Steel in Duisburg heißt ein Projekt ›Carbon2Chem‹. Hier soll das Hochofen-Hüttengas aus der Stahlproduktion als Rohstoffquelle für die chemische Industrie genutzt werden.

Ziel des vom BMBF geförderten Verbundprojekts ist, Methanol zu gewinnen. Dieses chemische Produkt ist vielseitig als Basischemikalie oder als synthetischer Kraftstoff einsetzbar. Schon im Herbst 2018 wurde erstmals Methanol aus Hüttengasen im Carbon2Chem-Labor am Fraunhofer-Institut Umsicht in Oberhausen hergestellt. Was im Labormaßstab gelang, wird nun für die großtechnische Umsetzung vorbereitet. Eine Pilotanlage in Stahlwerk Duisburg soll ab 2020 arbeiten. In Duisburg werden dann bis zu 75 Liter Rohmethanol am Tag aus Hüttengasen produziert werden.

Um diese Methode im großen Maßstab zu nutzen, sind allerdings noch hohe Investitionen notwendig, zum Beispiel für den Bau eines kompletten Chemiewerks in der Nachbarschaft der Stahlproduktion. Die Hüttengase sind dann Ausgangsstoff zur Herstellung von Kraftstoffen oder Düngemitteln. Geschätzt wird, dass dieses Konzept im Jahr 2030 großindustriell angewendet werden kann.

Natürlich braucht ein solches Stahlwerk weiterhin Strom. Hier kommen dann zwangsläufig erneuerbare Energien ins Spiel. Wind- oder Sonnenenergie werden für die Chemieproduktion genutzt, um aus Hüttengasen Ammoniak und Methanol zu produzieren.

CO2-Verringerung mit Salcos

In den Hüttenwerken von Salzgitter fallen jährlich rund acht Millionen Tonnen CO2 an, die prozessbedingt unvermeidbar sind. Um den CO2-Ausstoß über das jetzige Maß hinaus zu vermindern, wollen die Experten dort ebenfalls neue Wege beschreiten. Unter dem Projektnamen ›Salcos‹ beschäftigen sich Fachleute des Konzerns in Zusammenarbeit mit Fraunhofer-Instituten und weiteren Partnern mit neuen Technologien und deren Einbindung in ein integriertes Hüttenwerk. So könnten dort die CO2-Emissionen massiv gesenkt werden.

Bei dem von Salzgitter favorisierten Modell geht es um eine neue Kombination bereits vorhandener Technologien. Dabei kommt als zusätzliche Komponente Erdgas ins Spiel. Erdgas ist im Wesentlichen Methan mit darin gebundenem Wasserstoff. Bei der Verwendung dieses Rohstoffes können bereits 50 Prozent der Emissionen verhindert werden, die mit reinem Wasserstoff zu erzielen sind.

Entsprechende Anlagen mit industriellen Größenordnungen der Produktion würden schon betrieben. So zum Beispiel dort, wo Erdgas relativ preiswert ist, etwa in Nordafrika, im Mittleren Osten, am Golf von Mexiko sowie in den USA. Der Clou: Anlagen, die auf Erdgas-Basis laufen, können mit der in Salzgitter entwickelten Technik später auf den Betrieb mit Wasserstoff umgerüstet werden. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Anlagen mit jedem beliebigen Mischungsverhältnis mit Erdgas funktionieren.

Erdgas als Brückenmedium

Beim Umstieg auf Erdgas könnten auch hierzulande große CO2-Mengen vermieden werden. Betreibt man Hüttenwerke ausschließlich mit Erdgas, läge das Einsparpotenzial der Emissionen im Vergleich zu heute bei rund 60 Prozent. Beim halben Einsatz von Erdgas und Wasserstoff beträgt die Reduzierung dann schon gut 80 Prozent. Nur bei dem letztendlich anvisierten Sparziel von 95 Prozent der CO2-Emissionen müsste man ausschließlich auf Wasserstoff setzen.

Doch ein Umstieg auf klimafreundliche Stahlproduktion ist nicht zum Nulltarif zu haben. Die wirtschaftlichen Hürden sind höher als die technischen. Die Kosten für Erdgas, Wasserstoff und die notwendige regenerative Energie sind im Vergleich zur heute eingesetzten Kohle sehr hoch. Investitionen in neue Anlagentechnik im industriellen Maßstab wären betriebswirtschaftlich aus Sicht der Unternehmen aber nur gerechtfertigt, wenn damit weiterhin wettbewerbsfähig Stahl produziert werden kann.

Wasserstoff-Anlage in Hamburg

Auch Arcelor Mittal als weltweit größter Stahlkonzern will weniger CO2 ausstoßen. Deshalb startet der Konzern ein Wasserstoff-Projekt im Hamburger Hafen. Geplant ist eine Wasserstoff-Gewinnungsanlage, die mit einer Leistung von 100 Megawatt die größte Anlage der Welt werden soll.

Ziel von Arcelor Mittal ist, die Stahlproduktion schrittweise auf Wasserstoffnutzung umzustellen. In Auftrag gegeben wurde bereits die Planung eines Schachtofens, in dem Eisenerz nahezu klimaneutral in einer Direktreduktionsanlage zu Eisenschwamm reduziert werden kann. In etwa fünf Jahren sollen mit dieser Anlage rund 100.000 Tonnen Eisenschwamm pro Jahr hergestellt werden.

Die Kosten für dieses Projekt sollen rund 65 Millionen Euro betragen, und soll zum Teil öffentlich gefördert werden. Konzipieren und bauen wird den Schachtofen die Technologiefirma Midrex. Dieses Unternehmen hatte schon vor Jahren eine Anlage am Hamburger Standort gebaut, in der das Eisenerz mithilfe von Erdgas reduziert wird.

Läuft eine neue Demonstrationsphase erfolgreich, können später ohne großen technischen Aufwand weitere Anlagen auf Wasserstoffbetrieb umgestellt werden. So will auch Arcelor Mittal in Europa bis 2050 klimaneutral produzieren. Zur Bereitstellung der notwendigen regenerativen Energie ist der Bau von 175 Windkraftanlagen mit einer Leistung von je fünf Megawatt geplant. Die so bereit gestellte Energie von 3.100 Gigawattstunden würde für die Produktion von einer Million Tonnen Rohstahl ausreichen.

Hans-Ulrich Tschätsch

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