25.10.2022

Beitragsreihe Wasserstoff Deep Dives: Stahlherstellung

Im Verlauf der letzten Jahre ist im Bereich Wasserstoff eine immense Dynamik zu verspüren. Gleichzeitig wurden in der Forschung und Entwicklung an vielen Stellen der Wertschöpfungskette große Fortschritte gemacht und wichtige Erkenntnisse erzielt. In unserer ersten Beitragsreihe zu Wasserstoff wurden die Grundlagen des Gases entlang seiner Wertschöpfungskette von Produktion über Transport und Speicherung bis hin zu Anwendung erläutert.

In dieser nun zweiten Reihe wird auf einzelne Fokusthemen im Detail eingegangen und der aktuelle Wissensstand zusammengefasst. Der erste Artikel beschäftigt sich mit der Verwendung von Wasserstoff in der Stahlherstellung.

Übersicht über die Themen der Beitragsreihe Wasserstoff

  1. Verwendung von Wasserstoff in der Stahlherstellung
  2. Ressourcenbedarf der Wasserstoffproduktion
  3. Ökobilanz von Wasserstoff
  4. Was kostet grüner Wasserstoff?
  5. Effizienz des Wasserstofftransports
  6. Roadmaps zum Aufbau einer Wasserstoffinfrastruktur

Für die Herstellung von Stahl aus Eisenoxiden werden heutzutage große Mengen an aus Kohle gewonnenem Koks eingesetzt. Das Koks sorgt im Hochofenprozess bei hohen Temperaturen für die Reduktion der Eisenoxide in mehreren Rektionsschritten zu Roheisen, welches anschließend im Stahlwerk zu den gewünschten Stählen weiterverarbeitet wird. Hierbei werden Treibhausgasemissionen in relevantem Umfang frei. Der Einsatz von aus regenerativen Quellen produziertem Wasserstoff kann in einem ersten Schritt durch die Beimischung im Hochofenprozess helfen, die Treibhausgasemissionen zu reduzieren. Um eine klimaneutrale Stahlherstellung zu realisieren, gilt die Umstellung auf Reduktionsverfahren, die mit 100 % Wasserstoff betrieben werden und ohne fossile Energieträger auskommen können, als eine vielversprechende Möglichkeit.

Beimengung von Wasserstoff zum Hochofenprozess

Ein erster, vergleichsweise einfach zu realisierender Einsatz von Wasserstoff in der Eisen- und Stahlindustrie ist das Einblasen von Wasserstoff im Hochofenprozess. Wasserstoff ist  genau wie Kohlenstoff in der Lage, Eisenoxide zu Roheisen zu reduzieren. Jedoch ist es nicht möglich, einen Hochofen ausschließlich mit Wasserstoff zu betreiben. Dies begründet sich mit Problemen der Gasdurchlässigkeit des Reaktors sowie der Ableitung von Gasen, Schlacken und Metallen. Aufgrund seines endothermen Verhaltens – im Gegensatz zur exothermen Reduktion durch Koks – ist eine Beimengung von Wasserstoff auch nur bis zu einem gewissen Punkt energetisch sinnvoll. Höhere Wasserstoffanteile erhöhen den Gesamtenergiebedarf und damit auch den Bedarf an Koks [1].

Eine solche Beimengung von Wasserstoff in einen Hochofen wird im Rahmen des zu den „Reallaboren der Energiewende“ zählenden Projektes H2-Stahl am Standort von thyssenkrupp Steel in Duisburg erprobt [2]. Hierbei wird eine mögliche Reduzierung der CO2-Emissionen um 20 % angestrebt [2]. Die FfE begleitet dieses sowie weitere Reallabore wissenschaftlich gemeinsam mit weiteren Partnern im Projekt Trans4ReaL.

Nachhaltiger Stahl aus mit Wasserstoff betriebenen Direktreduktionsanlagen

Um zukünftig möglichst nachhaltig Stahl produzieren zu können, ist es möglich, vom Hochofenprozess auf andere Verfahren umzustellen. Das Verfahren mit der momentan höchsten Technologiereife ist das Direktreduktionsverfahren (direct reduced iron, DRI) pelletierter Eisenerze [3]. Anders als beim Hochofenprozess werden die Erze nicht aufgeschmolzen und als flüssiges Roheisen abgestochen. Durch die geringeren Temperaturen von knapp über 1000°C des in den Reaktor eingeleiteten Reduktionsgases – im Vergleich zu den bis zu 2000°C, die im Hochofen erreicht werden – bleiben die Erze im festen Zustand und werden zum „Eisenschwamm“ reduziert [2–5]. In der weiteren Folge wird der erzeugte Eisenschwamm in einem Elektrolichtbogenofen (electric arc furnace, EAF) unter Anlegen von Hochspannung aufgeschmolzen, die für die gewünschte Stahlsorte erforderlichen Legierungselemente beigemengt und anschließend der so entstandene Rohstahl abgegossen. Elektrolichtbogenöfen sind in der Sekundärstahlherstellung – der Produktion von Stahl aus Eisenschrott – technisch etabliert.

Als Reduktionsgas dient in heutigen Direktreduktionsanlagen ein Gasgemisch aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff, welches aus Erdgas gewonnen wird. Entsprechende Anlagen werden daher bis heute vor allem in Regionen mit Zugang zu billigem Erdgas, wie in Russland, den USA oder auf der arabischen Halbinsel betrieben [3]. In den letzten Jahren konnte der Anteil an Wasserstoff im Reduktionsgas sukzessive gesteigert werden. Bei entsprechender Wärmezufuhr und Anpassung der Prozesse wäre auch der Betrieb mit bis zu 100 % Wasserstoff technisch möglich [5]. Hierbei handelt es sich allerdings zum jetzigen Zeitpunkt noch um kein großtechnisch etabliertes Verfahren, so dass es die optimalen Betriebsbedingungen und die optimale Prozessführung der verfahrenstechnisch komplexen Reduktion noch zu ermitteln gilt [5]. Bei einer Umstellung auf 100 % regenerativ erzeugten Wasserstoff als Reduktionsgas und einer Wärmebereitstellung aus ebenfalls klimaneutralen Quellen wäre somit eine klimaneutrale Roheisenerzeugung möglich. Wenn die daran anschließende Stahlherstellung im Elektrolichtbogenofen unter Einsatz von Strom aus regenerativen Quellen erfolgt, ist eine nahezu CO2-neutrale Stahlproduktion aus Eisenoxiden möglich.

Da es sich bei den Anlagen der Eisen- und Stahlindustrie um auf eine lange Lebensdauer ausgelegte Anlagen handelt, wird eine Umstellung der entsprechenden Betriebe auf die DRI EAF Route nur sukzessive erfolgen können. Entsprechende Vorhaben der deutschen Stahlkonzerne liegen bereits vor. Beispielhaft wären hierbei jene jüngst von thyssenkrupp Steel kommunizierten Pläne zu nennen. Es ist geplant, am Standort Duisburg bis 2025 eine DRI-Anlage mit einer Kapazität von 2,5 Millionen t Roheisen pro Jahr zu errichten [6].

Die Eisen- und Stahlindustrie als bedeutendes Einsatzgebiet für grünen Wasserstoff

Zukünftig ist davon auszugehen, dass die Eisen- und Stahlindustrie ein bedeutender Abnehmer für grünen Wasserstoff sein und auch in der Phase des Markthochlaufs der Wasserstoffwirtschaft in den nächsten Jahren eine zentrale Rolle einnehmen wird. So wird bei Einhaltung der deutschen Klimaziele bereits bis 2030 der Einsatz von 10-26 TWh Wasserstoff pro Jahr in der Eisen- und Stahlindustrie verortet [7–9]. Bei Erreichen der Klimaneutralität würde der Wasserstoffbedarf auf 35 – 75 TWh/a ansteigen [7–9]. Gemäß Hübner et al. könnte sich der Bedarf der deutschen Eisen- und Stahlindustrie bei einer vollständigen Umstellung auf DRI und EAF sogar auf 92 TWh/a belaufen [10].

Literatur

[1]         D. Spreitzer und J. Schenk, „Reduction of Iron Oxides with Hydrogen – A review“, Steel Research International, Nr. 90, 2019, Art. no. 1900108. [Online]. Verfügbar unter: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1002/srin.201900108

[2]        Energiesystemforschung, Projekt H2Stahl. [Online]. Verfügbar unter: https://www.energiesystem-forschung.de/forschen/projekte/reallabor-der-energiewende-h2-stahl (Zugriff am: 9. September 2022).

[3]        I. Hartbrich, „Direktreduktion: Diese Technik wird bei Thyssenkrupp und Co. den Hochofen beerben“, VDI Verlag GmbH, 7. Apr. 2022, 2022. [Online]. Verfügbar unter: https://www.vdi-nachrichten.com/technik/werkstoffe/direktreduktion-diese-technik-wird-den-hochofen-beerben/. Zugriff am: 9. September 2022.

[4]        Y. Ma et al., „Hierarchical nature of hydrogen-based direct reduction of iron oxides“, Scripta Materialia, Jg. 213, S. 114571, 2022, doi: 10.1016/j.scriptamat.2022.114571.

[5]        A. Bhaskar, M. Assadi und H. Nikpey Somehsaraei, „Decarbonization of the Iron and Steel Industry with Direct Reduction of Iron Ore with Green Hydrogen“, Energies, Jg. 13, Nr. 3, S. 758, 2020, doi: 10.3390/en13030758.

[6]        thyssenkrupp, thyssenkrupp beschleunigt grüne Transformation: Bau der größten deutschen Direktreduktionsanlage für CO2-ar. [Online]. Verfügbar unter: https://www.thyssenkrupp-steel.com/de/newsroom/pressemitteilungen/bau-der-groessten-deutschen-direktreduktionsanlage-fuer-co2-armen-stahl-entschieden.html (Zugriff am: 9. September 2022).

[7]        Prognos, Öko-Institut und Wuppertal-Institut, „Klimaneutrales Deutschland 2045“, 2021.

[8]        Deutsche Energie-Agentur GmbH (dena), Hg., „dena-Leitstudie Aufbruch Klimaneutralität“, Berlin, 2021.

[9]        Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung ISI und Consentec GmbH, „Langfristszenarien für die Transformation des Energiesystems in Deutschland 3“, Karlsruhe, 2021.

[10]       T. Hübner, A. Guminski, S. Pichlmaier, M. Höchtl und S. von Roon, „European Steel with Hydrogen: FfE Discussion Paper 2020-04“, München, 2020. [Online]. Verfügbar unter: https://www.ffe.de/veroeffentlichungen/ffe-discussion-paper-european-steel-with-hydrogen/