Ansätze für eine großflächige Grünstahl-Erzeugung

Die Pilotanlage wurde am 02. Dezember 2021 in Betrieb genommen (Quelle: Paul Wurth/SMS)

In den letzten Jahren ist die Kohlenstoffintensität der Stahlproduktion gesunken, was positiv zu bewerten ist. Andererseits ist die Nachfrage nach Stahl anhaltend hoch, was dazu führt, dass die weltweiten Gesamtemissionen der Stahlerzeugung zugenommen haben. Die Nachfrage nach Stahl wird weiter steigen, voraussichtlich um rund ein Drittel bis zum Jahr 2050. Umso wichtiger ist es, grünen Stahl nicht nur in Pilotanlagen, sondern in industriellem Maßstab produzieren zu können.

Die primäre Hochofenroute ist nach wie vor die wichtigste Quelle für Eisen und Stahl (Quelle: Kateryna Babaieva/pexels)

Welche Möglichkeiten gibt es für eine nahezu CO₂-neutrale Stahlerzeugung in industriellem Maßstab?

Stahl kann entweder aus recyceltem Schrott oder aus Eisenerz hergestellt werden, wobei 70 Prozent des weltweit produzierten Stahls aus Erz gewonnen wird – in der Regel im Hochofen. Die hohen Temperaturen, die für diesen Prozess erforderlich sind, werden traditionell mit kohlenstoffintensivem Koks erzeugt. Die Verarbeitung von recyceltem Schrott ist weniger emissionsintensiv, da sie auf Basis von Strom erfolgt. Die CO2-Emissionen im Gesamtsystem verringern sich dadurch jedoch nicht.

Indem aber Koks durch Erdgas ersetzt wird, können die Emissionen gesenkt werden.

Zeit- und kostenintensive Projektneuentwicklungen, die „auf der grünen Wiese“ aus dem Boden gestampft werden (Greenfield), werden hierbei aufgrund der langen Investitionszyklen für metallurgische Anlagen wohl eher die Ausnahme sein. Vielmehr wird ein großer Teil der zukünftigen CO2-Einsparungen aus der Umrüstung bestehender Hüttenwerke stammen (Brownfield). Hier gibt es kein Patentrezept für die „beste“ Option. Jedoch bieten Unternehmen wie die in Düsseldorf ansässige SMS group individuelle Lösungen für unterschiedliche Kundenszenarien.

EasyMelt soll mit einem Fünftel des heutigen Verbrauchs von 300 kg Koks und 200 kg Kohlenstaubeinblasung auskommen, solange nicht ausreichend Wasserstoff vorhanden ist (Quelle: think.steel)

Brownfield-Beispiel: Upgrade mit EASyMelt

Die Suche nach Möglichkeiten für eine nahezu CO₂-neutrale Stahlerzeugung im industriellen Maßstab hat die SMS group dazu veranlasst, das Emissionsreduktionspotenzial des ‚Blauen Hochofens‘ (Blue Blast Furnace) mithilfe des EASyMelt-Verfahrens weiterzuentwickeln. Merkmal des ‚Blauen Hochofens‘ ist die Erzeugung von Synthesegas (Kohlenmonoxid und Wasserstoff) und dessen Einleitung am unteren Teil des Hochofenschachts, um Koks als Reduktionsmittel zu ersetzen.

Das EASyMelt-Verfahren basiert auf einer elektrisch unterstützten Syngasschmelze und wird als vielversprechende Alternative zur Direktreduktion betrachtet. Im elektrifizierten Direktreduktions- und Metallisierungsverfahren wird der Heißwind durch Kokereigas, Erdgas, Wasserstoff oder Ammoniak substituiert. Hierfür wird nur eine geringe Menge an Koks benötigt. Mit diesem Ansatz sollen Emissionseinsparungen von über 60 Prozent im Vergleich zum herkömmlichen integrierten primären Hochofen (BF-BOF-Verfahren) erreicht werden, abhängig vom Energieeinsatz. Zur weiteren Reduzierung verbleibender Emissionen können Technologien wie Carbon Capture and Storage (CCS) oder die Nutzung von Biomasse oder Biogas als Ausgangsstoff in Betracht gezogen werden. Interessanterweise könnte die EASyMelt-Technologie auf bestehenden Anlagen weniger CAPEX-intensiv sein als andere Technologien zur emissionsreduzierten Eisenerzeugung.

Ein auffälliges Merkmal dieses Verfahrens ist seine Anpassungsfähigkeit an verschiedene Szenarien und die erhöhte Resilienz gegenüber Versorgungsengpässen. Vor allem kann in EASyMelt weiterhin herkömmliches Sintermaterial verwendet werden, was einen intensiven Wettbewerb um das begrenzte Angebot an hochwertigen Pellets vermeidet. Analog zur Umsetzung des ‚Blauen Hochofens‘ wird auch EASyMelt schrittweise realisiert, wobei verschiedene technologische Elemente zusammenwirken. Die zentralen Bestandteile umfassen die Schachtinjektion von Reduktionsgas, die plasmagestützte Überhitzung der Düseneinspritzung und schließlich die effiziente Abscheidung und Nutzung der verbleibenden Emissionen.

Greenfield-Beispiel: Direktreduktion im Elektrolichtbogenofen

Steht grüner Wasserstoff zu wettbewerbsfähigen Preisen in ausreichenden Mengen zur Verfügung, liegt der Schlüssel zur Dekarbonisierung nach Stand der Technik in der Kombination von Direktreduktion und Elektrostahlerzeugung.

Dekarbonisierung wird in diesem Modell durch die vollständige Elektrifizierung der Produktion erreicht, also dem Austausch der mit Koks oder Erdgas betriebenen Hochöfen durch Elektrolichtbogenöfen. In Elektrolichtbogenöfen lassen sich dann sogenannte Direktreduktionsanlagen betreiben. Diese arbeiten auf Grundlage von Wasserstoff und je nachdem, wie der Wasserstoff hergestellt wird, könnten die Emissionen bei der Primärstahlerzeugung um bis zu 90 Prozent gesenkt werden. Eine bestimmte Menge an Restemissionen sowie eingekaufte Emissionen im Verlauf der Lieferkette sind nach heutigem Stand der Technik unvermeidbar.

Grüner Wasserstoff, der nur mit erneuerbaren Energien erzeugt wird, ist in Deutschland in den nächsten Jahren allerdings kaum verfügbar. Insofern muss auf Erdgas als Brückentechnologie zurückgegriffen werden.

Eisenproduktion mit der MIDREX-Technologie

Die im Portfolio von Paul Wurth befindlichen MIDREX-Direktreduktionsanlagen bieten drei Haupttechnologien zur Überbrückung des Übergangs von 100 Prozent Erdgas zu 100 Prozent Wasserstoff:

– Mit MIDREX NG können bis zu 30 Prozent Erdgas durch Wasserstoff ersetzt werden, ohne dass die Ausrüstung verändert werden muss

– MIDREX Flex arbeitet mit jeder beliebigen Mischung von Erdgas und Wasserstoff, bis hin zu einem reinen Wasserstoffbetrieb

– MIDREX H2 ist für die Verwendung von bis zu 100 Prozent Wasserstoff in einem MIDREX-Schachtofen ausgelegt

Funktionsweise eines Hochofens nach dem Midrex-Verfahren (Quelle: Midrex Technologies Inc.)

Mit 2 Milliarden Euro fördern der Bund und das Land Nordrhein-Westfalen den Bau und Betrieb der ersten Direktreduktionsanlage von thyssenkrupp Steel. (Quelle: thyssenkrupp)

In den erdgasbasierten Direktreduktionsanlagen werden die vorreduzierten Eisenerzpellets in einem MIDREX-Schacht reduziert und dann als heißer DRI in einen Elektrolichtbogenofen geleitet. Im Lichtbogenofen wird das Material geschmolzen und flüssiger Stahl erzeugt. Es bedarf keines Zwischenschritts und, je nach verwendeter MIDREX-Technologie, nur einer geringfügigen Aufkohlung, um den Stickstoffgehalt des Stahls zu reduzieren.

Der Kohlenstoffgehalt von kohlenstoffarmem bis kohlenstofffreiem DRI aus Wasserstoff-Reduktion kann im unteren Konus des Schachtofens, auch Kühlzone genannt, verändert werden. Darüber hinaus kann Schrott in den Elektrolichtbogenofen chargiert werden. Der erforderliche Reinheitsgrad des Schrotts ist dabei lediglich durch die Qualitätsanforderungen nachgeschalteter Verarbeitungsstufen bedingt. Dieser Weg ist besonders interessant für Greenfield-Projekte.

Ein Beispiel für die Anwendung dieses Verfahrens ist das H2-Green-Steel-Projekt im nordschwedischen Boden. Dort entsteht das erste nahezu kohlenstoffneutrale Stahlwerk der Welt. Die Anlage soll ab 2025 grünen Stahl produzieren und die Machbarkeit der Herstellung von hochwertigem DRI unter Verwendung von 100 Prozent Wasserstoff nachweisen.

„tkH2Steel“: Thyssenkrupp setzt Kurs auf Green Steel

Im August dieses Jahres bestätigte Vizekanzler und Bundesminister für Wirtschaft und Klimaschutz Robert Habeck die Förderzusage für das Dekarbonisierungsprojekt „tkH2Steel“ in Höhe von rund zwei Milliarden Euro. Das Land Nordrhein-Westfalen beteiligt sich an der Gesamtförderung mit bis zu 700 Millionen Euro. Die Eigeninvestitionen seitens thyssenkrupp liegen bei knapp einer Milliarde Euro. Damit ist der Startschuss für eines der weltweit größten Dekarbonisierungsprojekte gefallen.

Ambitionierter Wasserstoffhochlauf

Der Schlüssel des Transformationsprojektes ist der äußerst ambitionierte Hochlauf des Wasserstoffeinsatzes, mit dem schnell große Mengen CO2 eingespart werden. Es handelt sich um die erste Anlagenkombination dieser Art weltweit. Kern des Konzeptes ist die Integration einer technologisch neuen Anlagenkombination in das größte europäische Hüttenwerk. Die kohlebasierten Hochöfen werden dabei durch eine 100 Prozent wasserstofffähige Direktreduktionsanlage mit zwei Einschmelzern und einer Produktionskapazität von 2,5 Millionen Tonnen direkt reduziertem Eisen pro Jahr ersetzt. Das dort entstehende Eisen wird in nachgeschalteten und speziell entwickelten Einschmelzaggregaten zu Roheisen verflüssigt. Alle nachfolgenden Produktionsschritte können in der bestehenden Anlagenstruktur einschließlich der Stahlwerke erfolgen.

Die Anlage zur Direktreduktion von Eisenerz soll im Jahr 2026 fertig sein, aber zunächst mit Erdgas arbeiten. Es werden jährliche Einsparungen von bis zu 3,5 Millionen Tonnen CO2 erwartet – das sind bereits knapp fünf Prozent der Emissionen des Ruhrgebietes. Ab voraussichtlich 2029 soll Wasserstoff verfügbar sein, sodass die Anlage dann mit rund 143.000 Tonnen Wasserstoff pro Jahr betrieben werden kann – der Strombedarf für die Herstellung dieser Menge entspricht der Erzeugung von etwa 500 Windrädern. Nötige Voraussetzungen, um dieses ambitionierte Ziel zu erreichen, sind daher ein massiver Ausbau von erneuerbaren Energien und der rasche Hochlauf eines funktionierenden Wasserstoff-Marktes.

Die Transformation zur Klimaneutralität ist von der Verfügbarkeit von grünem Strom und klimaneutralem Wasserstoff abhängig. Technologien zur emissionsreduzierten Stahlerzeugung gibt es bereits. Anlagenbauer können sie schon heute in eine Vielzahl bestehender und zukünftiger Anlagen verbauen.

Erfahren Sie mehr über die Möglichkeiten einer emissionsreduzierten Stahlproduktion und besuchen Sie vom 15.-19. April 2024 die wire & Tube in Düsseldorf! Hier können Sie unter anderem die SMS group, thyssenkrupp, Paul Wurth und H2 Green Steel live erleben und mehr über den aktuellen Stand ihrer Dekarbonisierungsprojekte erfahren.