Reinheit durch Wasserstoff

Nachhaltige Stahlproduktion hat viele Facetten. Um CO2-Emissionen dauerhaft zu senken, hat ArcelorMittal eine Strategie für emissionsarme Technologien entwickelt, die neben der Umwandlung von CO2-Emissionen und der Verwendung von alternativen Einsatzstoffen auch die direkte Vermeidung von Kohlenstoff (Carbon Direct Avoidance, kurz CDA) zum Ziel hat.

Dieses Jahr startet der Konzern ein neues Projekt im Hamburger ArcelorMittal-Werk, um erstmals großtechnisch Wasserstoff bei der Direktreduktion von Eisenerz im Stahlproduktionsprozess einzusetzen. Eine Pilotanlage soll dann in den kommenden Jahren errichtet werden.

Bereits heute hat das Hamburger Werk auf Grund des Einsatzes von Erdgas in einer Direktreduktionsanlage (DRI) eines der effizientesten Produktionsverfahren der ArcelorMittal-Gruppe. Ziel des neuen wasserstoffbasierten Verfahrens ist es, Stahl mit geringsten CO2-Emissionen herstellen zu können. Die Projektkosten betragen rund 65 Millionen Euro.

Außerdem ist eine Kooperationsvereinbarung mit der Universität Freiberg geplant, um das Verfahren in den kommenden Jahren auf dem Hamburger Werksgelände zu testen. Dabei soll die wasserstoffbasierte Reduktion von Eisenerz zunächst im Demonstrationsmaßstab mit einer Jahresproduktion von 100 000 Tonnen stattfinden.

"Unser Hamburger Werk bietet optimale Voraussetzungen für dieses innovative Vorhaben. Ein Elektrolichtbogenofen mit DRI-Anlage und Eisenerzpellets-Lager sind ebenso vorhanden wie jahrzehntelanges Knowhow in diesem Bereich. In einem neuen Schachtofen soll nun der Einsatz von Wasserstoff als Reduktionsmittel getestet werden", kommentiert Frank Schulz, CEO von ArcelorMittal Germany.  

In dem Verfahren soll die Abtrennung von H2 mit einer Reinheit von mehr als 95 Prozent aus dem Gichtgas der Bestandsanlage durch so genannte Druckwechseladsorption erreicht werden. Das Verfahren wird zunächst mit grauem Wasserstoff (erzeugt bei Gastrennung) geprüft, um einen wirtschaftlichen Betrieb zu ermöglichen. In Zukunft soll die Anlage ebenso mit grünem Wasserstoff (erzeugt aus regenerativen Quellen) betrieben werden können, wenn dieser in ausreichenden Mengen zur Verfügung steht.

Mit dem Hamburger Wasserstoffprojekt entwickelt ArcelorMittal wegweisende Technologien für die direkte CO2-Vermeidung (CDA) als einen der möglichen Wege für eine emissionsarme Stahlerzeugung. Der Konzern investiert bereits mehr als 250 Millionen Euro in verschiedene Technologien zur Verringerung der CO2-Emissionen, beispielsweise in Gent, wo Kohlendioxidabgase zur Herstellung alternativer Kraftstoffe genutzt oder in chemischen Produkten verwendet werden. Ebenso werden Verfahren getestet, in denen Biokohle aus Restholz anstatt von Kokskohle als Reduktionsmittel im Hochofen verwendet wird.

Inzwischen wurde der Technologieanbieter Midrex Technologies damit beauftragt, eine Demonstrationsanlage am Standort Hamburg zu errichten. Beide Unternehmen haben bereits eine Rahmenvereinbarung unterzeichnet, um bei mehreren Projekten zusammenzuarbeiten, die von Forschung und Entwicklung bis zur Implementierung neuer Technologien reichen.

Diese Rahmenvereinbarung wird durch eine Reihe von Abkommen zur Entwicklung unterschiedlicher Projekte ausgefüllt, in die die Fachkenntnisse von Midrex und ArcelorMittal einfließen. Das erste Abkommen soll dazu dienen, in Hamburg die großtechnische Herstellung und Verwendung von direktreduziertem Eisen (Direct Reduced Iron - kurz DRI) zu demonstrieren. Dabei soll das DRI mit 100 Prozent Wasserstoff als Reduktionsmittel hergestellt werden.  

Die Demonstrationsanlage wird in den kommenden Jahren rund 100.000 Tonnen direkt reduziertes Eisen pro Jahr produzieren - zunächst mit grauem Wasserstoff aus Erdgas. Die Umstellung auf grünen Wasserstoff aus erneuerbaren Energiequellen erfolgt nach ausreichender Verfügbarkeit und zu wirtschaftlichen Kosten. Die Energie für die Wasserstofferzeugung könnte aus den Windparks vor der Küste Norddeutschlands stammen. Die Anlage wird die weltweit erste Direktreduktionsanlage im industriellen Maßstab sein, die mit Wasserstoff betrieben wird.

"Wir arbeiten mit Midrex Technologies als einem der weltweit führenden Anbieter zusammen, weil wir Kenntnisse darüber aufbauen wollen, wie man reines Eisen für die Stahlherstellung in großem Maßstab nur mit Wasserstoff produziert. Dieses Projekt in Kombination mit unseren laufenden Projekten zur Verwendung von nicht-fossilem Kohlenstoff und zur Kohlenstoffabscheidung ist entscheidend, um in Europa im Jahr 2050 klimaneutral zu sein. Großtechnische Tests sind entscheidend, um unsere Ziele unter Beweis zu stellen. Es wird allerdings von den politischen Rahmenbedingungen abhängen, wie schnell die Transformation stattfinden kann", kommentiert Carl de Maré, Vizepräsident bei ArcelorMittal und verantwortlich für die Technologiestrategie.

ArcelorMittal Hamburg produziert bereits Stahl auf Basis der DRI-Technologie. Während des Prozesses werden Eisenoxid-Pellets zu metallischem Eisen, dem Rohstoff für hochwertigen Stahl, reduziert, indem Sauerstoff mit Erdgas entzogen wird.

"Unser Standort ist die energieeffizienteste Produktionsanlage von ArcelorMittal", sagt Dr. Uwe Braun, CEO bei ArcelorMittal Hamburg. Die bestehende Midrex-Anlage in Hamburg ist zudem bereits heute das Werk mit den niedrigsten CO2-Emissionen für die Produktion von hochwertigem Stahl in Europa.

"Mit der neuen, auf Wasserstoff basierenden DRI-Anlage, die wir jetzt planen, werden wir die Stahlproduktion auf ein völlig neues Niveau heben, als Teil unseres europaweiten Bestrebens, bis 2050 klimaneutral zu sein", schließt Dr. Braun.

„Dieses Projekt im industriellen Maßstab wird den Weg für die Herstellung von Eisen und Stahl auf Wasserstoffbasis ebnen", sagt Stephen C. Montague, Präsident und CEO von Midrex Technologies Inc. „Wir freuen uns, mit ArcelorMittal als Vorreiter für die Nutzung erneuerbarer Energien in unserer Branche zusammenzuarbeiten."