Ein CO₂-armes Stahlwerk und seine Stromversorgung

Der Klimawandel stellt die Branche vor große Herausforderungen. Eine Antwort der deutschen Stahlindustrie ist die Entwicklung und Erprobung neuer Produktionsverfahren mit dem Ziel der CO₂-Vermeidung. „Grüner“ Wasserstoff als Reduktionsmittel soll mit Strom aus erneuerbaren Energien gewonnen werden. Doch die erneuerbare Stromwirtschaft stößt zunehmend an technisch-ökonomische und auch ökologische Grenzen – das wird zur Herausforderung für ein CO₂-armes Stahlwerk.

Zur Autorin: Dr. Anna Veronika Wendland ist Osteuropa- und Technikhistorikerin und beschäftigt sich in ihrer Forschung unter anderem mit Energie- und Reaktorsicherheit. Sie ist Teilprojektleiterin am Sonderforschungsbereich Transregio SFB-TR 138 „Dynamiken der Sicherheit“ (Marburg / Gießen).

Etwa 6 % des in Deutschland ausgestoßenen anthropogenen CO₂ stammt aus den Produktionsketten der Roheisen- und Stahlgewinnung. Die weltweit etablierte und optimierte integrierte Route der Stahlerzeugung mit Kokskohle als Reduktionsmittel und Primärenergieträger emittiert große Mengen CO₂. Die Stahlindustrie ist daher im Fokus von Politiken und Technologien zur CO₂-Vermeidung. Internationale Abkommen und nationale Festlegungen zur CO₂-Bepreisung setzen insbesondere die europäischen Erzeuger zunehmend unter Druck. In diesem Setting hat die Nase vorn, wer früh in Technologien zur CO₂-Vermeidung investiert.

Neue Reduktionsverfahren

Eine Antwort der Stahlindustrie ist die Entwicklung und Erprobung neuer Produktionsverfahren mit dem Ziel der CO₂-Vermeidung. Im Zentrum solcher Verfahren steht „grüner“ Wasserstoff als Reduktionsmittel anstelle der Kokskohle zwecks Entfernung des Eisenerz-Sauerstoffs. Bei diesem Verfahren wird nur Wasserdampf freigesetzt, beim traditionellen Verfahren CO₂. So erproben mehrere Hersteller eine CO₂-Direktvermeidung (CDA), bei der die schrittweise Ablösung der Hochofen-Blasstahlwerk-Route (BF-BOF) durch Wasserstoff-Direktreduktion von Eisenerz-Pellets und Weiterverarbeitung des Eisenschwamms zu Flüssigstahl im Elektro-Lichtbogen-Ofen (DR- EAF-Route) vorgesehen ist.¹ Ein weiteres Verfahren ist die HIsarna-Technologie, die das Eisenerz in einem Reaktor direkt verflüssigt und mittels Pulverkohle reduziert. Sie soll bis zu 50 % CO₂-Ausstoß vermeiden.²

Herkömmliche und „grüne“ Direktreduktion

In herkömmlichen Verfahren zur Direktreduktion werden Erdgas und Gichtgas in einen Umformer geleitet, wo durch eine katalytische Reaktion Wasserstoff abgespalten wird. In einem Schachtofen werden Eisenerz-Pellets in dem so entstehenden, zu 60 % aus Wasserstoff bestehenden rund 1 000 Grad Celsius heißen Reduktionsgasstrom zu metallischem Eisenschwamm reduziert. Dabei wird zwar weniger CO₂ freigesetzt als auf der Hochofenroute, aber das Verfahren ist nicht CO₂-emissionsfrei.

Daher soll in Zukunft der Wasserstoff ausschließlich durch Wasserspaltung aus Elektrolyse gewonnen werden. Der Elektrolyseur wiederum soll mit „grünem“, CO₂-arm produzierten Strom betrieben werden. Auch der Strom für den nach- geschalteten Lichtbogenofen sollte aus CO₂-armer Energieumwandlung stammen. Solche Verfahren werden wiederum als wichtige Säulen der sogenannten Sektorkopplung angesehen, d.h. der Dekarbonisierung durch die energetische Kopplung von Strom-, Wärme-, Verkehrs- und Industriesektor.

National unterschiedliche Ansätze

Als Stromlieferanten für eine CO₂-arme Elektrolyse kommen die Umgebungsenergien Wasserkraft, Biomasse, PV und Windkraft genauso in Frage wie die Kernenergie. Wasserkraft und Biomasse sowie Kernenergie haben den Vorteil, sowohl CO₂-armen als auch planbaren Strom zu liefern; Windkraft und Photovoltaik haben den Nachteil, intermittierende Erzeuger zu sein. Frankreich setzt vor allem auf Atomstrom, Österreich auf Wasserkraft, Schweden auf beides; auch in der Ukraine und Russland stammt CO₂-arme Bandenergie für die Industrie vor allem aus Kern- und Wasserkraftwerken. In Deutschland jedoch, das weder über nennenswerte Wasserkraftreserven verfügt noch Kernenergie akzeptieren möchte, bleiben nur Windkraft und Photovoltaik.

1: SALCOS – schrittweise, flexible Dekarbonisierung auf Basis bewährter Technologie, in: stahl und eisen 138 (2018), Nr. 11, 95-101; Pablo Duarte / Markus Dorndorf, Technological achievements and experience on H2 use for DRI production in Energiron Plants, in. stahl und eisen 139 (2019) Nr. 10, 38-43.
2: Tata Steel geht wichtige Schritte bei nachhaltiger Stahlproduktion, in: stahl und eisen 139 (2019), Nr. 1, 46-47.