Grüne Stahlproduktion

Andrea Gillhuber,

Stahl soll CO2-neutral werden

Stahl gilt als der „Werkstoff des Lebens“. Ob bei Mobilität, Architektur, Maschinenbau, Möbeln, Schrauben oder Besteck – ein Leben ohne Stahl dürfte kaum vorstellbar sein. Das Problem: Die Herstellung von Stahl setzt sehr viel COfrei – für rund 7 Prozent der weltweit emittierten CO2-Menge zeichnet die Stahlindustrie verantwortlich. Das soll sich nun ändern.

Grüne Stahlproduktion: Stahl soll CO2-neutral werden. © Kuznechik/Shutterstock.com

Arcelor Mittal hat angekündigt, in Europa, wo der Stahlkonzern seinen größten Fußabdruck hinterlässt, bis 2050 CO2-neutral zu werden. Ein gewagtes Versprechen, denn die Technologien, mit denen eine CO2-neutrale Stahlproduktion möglich ist, gibt es bis heute noch gar nicht. Dass der Stahlhersteller dennoch zuversichtlich ist, dieses Ziel zu erreichen, liegt an einer Reihe von technologischen Entwicklungen, die der Konzern mit hoher Taktzahl vorantreibt, allen voran den Ersatz fossiler Energieträger durch Wasserstoff bei der Eisengewinnung.

Einfache Idee – komplexe Umsetzung

Zunächst einmal klingt das Projekt ganz einfach: Stahl und sein Ausgangsmaterial Eisen liegen in der Natur praktisch nicht in reiner Form vor, sondern als Eisenerz, das vor allem aus Eisenoxid, sprich: Eisen plus Sauerstoff, besteht. Dabei löst man für die Gewinnung von reinem Eisen den Sauerstoff klassisch mit Kokskohle, alternativ funktioniert es auch mit aus Methan gewonnenem Synthesegas. Das Verfahren ist fast so alt wie die Menschheit: Wird das Eisenerz sehr stark mithilfe des Energieträgers Kohle erhitzt, bindet sich der Sauerstoff unter der hohen Temperaturen an den Kohlenstoff. So entsteht auf der einen Seite (fast) reines Eisen, auf der anderen Seite CO2. In einem zweiten Schritt kann das gewonnene Roheisen nun veredelt werden. Zusätze wie Mangan, Chrom, Nickel, Cobalt oder Wolfram machen ihn wahlweise zum Ausgangsprodukt für biegsame Stähle, aus denen etwa Kugelschreiberfedern oder Stahlgürtelreifen hergestellt werden, oder für harte Stähle, aus denen Autobleche, Baggerschaufeln oder Stahlkabel für die Verankerung von Bohrinseln gefertigt werden. Immer allerdings ist der erste Schritt die Gewinnung von möglichst reinem Eisen, bei dem ein Großteil der CO2-Mengen in der Stahlproduktion anfällt.

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Neben dem klassischen Hochofenverfahren mit Kokskohle hat sich Anfang der 1970er Jahre ein weiteres Verfahren etabliert, das Roheisen aus Eisenerzpellets mittels der so genannten Direktreduktion gewinnt – das Midrex-Verfahren. Dabei werden die Pellets erhitzt und mit Methan umspült. Der Sauerstoff wird reduziert und es entsteht Roheisen in Form von Eisenschwamm, so genanntem direkt reduziertem Eisen (DRI), das dann weiter verarbeitet werden kann. In Hamburg betreibt Arcelor Mittal europaweit das einzige Werk, das diese Midrex-Technologie derzeit einsetzt. Deswegen will das Unternehmen im Hamburger Stahlwerk, bereits heute das energieeffizienteste der Gruppe, nun Methan durch Wasserstoff ersetzen. Dabei könnte der frei werdende Sauerstoff an Wasserstoff statt an Kohlenstoff gebunden werden. Das Ergebnis wäre Eisen und als Nebenprodukt Wasser.

Nadelöhr: grüner Wasserstoff für 100.000 Tonnen Stahl

Was so einfach klingt, hat allerdings viele Fallstricke. Im Labor ist das Verfahren erfolgreich. Ob es in industriellem Maßstab funktioniert, das gilt es noch auszuprobieren. Und eines der ersten Probleme, welches sich stellt, ist das Ausgangsmaterial. Denn Wasserstoff ist in den hier geforderten Mengen bis heute gar nicht verfügbar. Deswegen will man zunächst eine Demonstrationsanlage bauen – den kleinen Bruder der 50 Jahre alten Midrex-Anlage. Das Budget ist riesig – auf 65 Millionen Euro taxiert man die Investitionen im Moment. Und der Technologieanbieter Midrex ist wieder mit im Boot. Gerade hat Arcelor Mittal bei ihm die Planung beauftragt.

Die geplante Anlage soll ab 2024 immerhin 100.000 Tonnen direkt reduziertes Eisen herstellen – ein Material, das physikalisch nicht ganz dem Roheisen aus dem Hochofen und auch nicht dem direkt reduzierten Eisen aus der Midrex-Anlage entspricht. Die Frage, wie das mit der Wasserstoff-Reduktion gewonnene Eisen künftig gelagert und weiterverarbeitet wird, ist Teil des Projekts, das in diesen Tagen immer mehr an Geschwindigkeit aufnimmt.

Eine weitere Klippe bildet der fehlende Wasserstoff. Grüner Wasserstoff (lesen Sie dazu auch "Was ist grüner und grauer Wasserstoff?" am Ende dieses Beitrags) steht in den benötigten Mengen bisher nicht zur Verfügung. Allerdings besteht die Möglichkeit, aus der eigenen Midrex-Anlage grauen Wasserstoff auszukoppeln, der im bisherigen Prozess sowieso entsteht. Wie das gehen soll, ist zumindest auf dem Papier klar. Mit einer Reinheit von mehr als 97 Prozent soll die Abtrennung von Wasserstoff aus dem Gichtgas (Gemisch aus hauptsächlich Kohlenmonoxid, Kohlendioxid und Wasserstoff) der Bestandsanlage durch eine so genannte Druckwechseladsorption erreicht werden. Und in Zukunft will man, wenn verfügbar und bezahlbar, mit erneuerbaren Energien hergestellten Wasserstoff nutzen, damit am Ende auch die Ökobilanz stimmt.

Regionalplanung für optimierte Infrastruktur

H2, chemische Formel von molekularem Wasserstoff. © petrmalinak/Shutterstock.com

Der fehlende Wasserstoff ist ebenfalls ein Grund, warum sich Arcelor Mittal für den Standort Hamburg entschieden hat. Denn hier gibt es bereits eine Planung, im Hamburger Hafen, in direkter Nachbarschaft zum Unternehmen, das größte Elektrolyse-Werk der Welt zu bauen. Es soll vor allem mit Strom aus Offshore-Windparks betrieben werden und zwar immer dann, wenn das Stromnetz die überschüssige Strommenge nicht aufnehmen kann. So ließe sich erneuerbare Energie in Form von Wasserstoff lagern und dann ohne lange Wegstrecken im Stahlwerk einsetzen. Wenn alle Räder ineinandergreifen, könnte das Hamburger Werk damit zu einem Pilot-Stahlwerk der Branche werden und zeigen, dass eine CO2-neutrale Stahlproduktion machbar und wirtschaftlich möglich ist. Beim Stahlproduzenten ist man heute bereits davon überzeugt, dass man die Stahlproduktion grundlegend verändern kann – sofern in Europa das Engagement in eine ökologisch sinnvolle Produktion unterstützt wird und Wasserstoff zu wirtschaftlichen Preisen zur Verfügung gestellt werden kann. Dazu gehört auch die Schaffung von für alle Marktteilnehmer gleichen Wettbewerbsbedingungen – besonders bei Stahlimporten, die den europäischen Umweltstandards nicht genügen und die damit heute den Wettbewerb verzerren.

Die Hamburger Demonstrationsanlage ist eben nicht nur in technologischer Hinsicht Neuland. Auch die regionale Energiestrukturplanung und die politischen Regularien bedürfen der weiteren Entwicklung, damit CO2-neutraler Stahl in der Fläche Wirklichkeit werden kann.

Nach Unterlagen von Arcelor Mittal / ag

 Was ist grüner und grauer Wasserstoff?

Unter „grünem Wasserstoff“ versteht man Wasserstoff, der CO2-neutral hergestellt wird. Da zur Aufspaltung von Wasser in seine beiden Bestandteile Sauerstoff und Wasserstoff Energie benötigt wird, muss der Strom für diesen Prozess aus erneuerbaren Energien gewonnen werden, sprich: Wind- oder Solarenergie-Anlagen.

Unter „grauem Wasserstoff“ wird im Umkehrschluss nicht-CO2-neutraler Wasserstoff verstanden, der aber nicht gesondert hergestellt werden muss, sondern als Nebenprodukt in der Industrie sowieso anfällt. Als Beispiel ist hier Wasserstoff zu nennen, der aus Erdgas gewonnen wird.

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