Die Rolle von Schrott in der grünen Transformation

Während die Stahlindustrie bestrebt ist, ihre Kohlenstoffemissionen zu verringern, avanciert Schrott zunehmend zum Material der Wahl. Prognosen der Boston Consulting Group (BCG) zufolge wird der Schrottanteil in der Stahlproduktion bis 2030 von heute 35 % auf 50 % anwachsen. Der jährliche Schrottverbrauch dürfte bis dahin sowohl in China als auch in den USA um 40 bis 50 % steigen, hauptsächlich bedingt durch einen zunehmenden Stahlbedarf. Gleichzeitig wird mit der Verlagerung auf die Stahlerzeugung im Elektrolichtbogenofen (EAF), die sich auf recycelten Schrott stützt, die Schrottnachfrage weiter vorangetrieben.

Sowohl Stahlhersteller als auch Schrottzulieferer werden sich auf diesen Wandel einstellen und den veränderten Markt berücksichtigen müssen.

1. Herausforderung Versorgungsengpässe

Die verarbeitende Industrie steht vor der großen Herausforderung, dass der verfügbare Stahlschrott nicht ausreichen wird, um die steigende weltweite Nachfrage zu decken. Es ist zu erwarten, dass der wachsende Inlandsverbrauch dazu führt, dass Länder ihre Exporte drosseln. BCG prognostiziert, dass der heutige Überschuss von 9 Millionen Tonnen Stahlschrott sich bis 2030 in ein beachtliches Defizit von 15 Millionen Tonnen verwandeln wird. Das trifft vor allem Länder, die auf Schrottimporte angewiesen sind.

Entwicklungsländer stehen vor zusätzlichen Schwierigkeiten beim Aufbau einer Recycling-Infrastruktur, was ihre Fähigkeit beeinträchtigt, Schrott effektiv zu verwerten.

Länder, die einen großen Prozentsatz ihres Schrottbedarfs importieren, werden in erheblichem Maße betroffen sein, wenn sie es nicht schaffen, genügend Schrott in den benötigten Qualitäten sicherzustellen. Es ist abzusehen, dass mit versiegenden Schrottimporten die Rohstoffpreise steigen und wahrscheinlich die Gewinnspannen der Stahlindustrie schmälern werden. Unternehmen und politische Entscheidungsträger müssen sich auf die bevorstehende Verknappung vorbereiten, um Strategien zum Schutz der heimischen Stahlindustrie zu entwickeln. Nicht weniger als 60 Länder beschränken bereits die Schrottexporte.

In der Beschaffung zeigt sich bereits der Trend, dass einige Stahlhersteller Schrottplätze erwerben. Sie wollen sich dadurch eine gleichbleibende Versorgung sichern. In den USA befinden sich bereits 25 bis 30 % des Schrottangebots von Schrottplätzen im Besitz von Stahlwerken. In Europa hat beispielsweise das luxemburgische Unternehmen ArcelorMittal vor kurzem eine Reihe von Schrottrecyclinganlagen von der deutschen Alba International gekauft.

TSR40 – Hochreiner Schrott für die Hochofenbeschickung

In der Vergangenheit haben Stahlwerke versucht, höhere Rohstoffpreise durch den Import von Halbfertigprodukten wie Knüppel und Brammen aus Niedriglohnländern auszugleichen. Mit steigenden CO2-Preisen wird der Import von Halbfertigprodukten zum Materialmix der Stahlwerke jedoch immer unrentabler. Die Schmelzoptimierung ist hingegen ein effektiver Ansatz, um das sich verknappende Gut effektiv zu nutzen.

Hierzu setzen die Stahlhersteller fortschrittliche Techniken wie KI-gestützte Programme ein, um ihre Schrotteinkäufe zu bewerten und die kosteneffizienteste Mischung dieser Rohstoffe zur Herstellung der gewünschten Stahlsorten zu ermitteln. Hierdurch kann vermieden werden, dass der Stahl den Anforderungen an Qualität und Klassifizierung nicht entspricht. Dies führt zu erheblichen Effizienzsteigerungen und Kosteneinsparungen.

TSR40 ist eine verbesserte Variante des Standardschrotts E40, der aus geschredderten Autos und Haushaltsgeräte gewonnen wird und sich durch einen geringen Anteil kritischer Elemente wie Kupfer und Chrom auszeichnet. Das Produktionsverfahren wird im Rahmen des seit 2019 laufenden Forschungsprojekts REDERS mit den Projektpartnern VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH, Hüttenwerke Krupp Mannesmann GmbH und thyssenkrupp Steel kontinuierlich weiterentwickelt. Im April 2023 weihte die deutsche Recyclinggruppe TSR ihre Aufbereitungsanlage, die zum Teil vom Land Nordrhein-Westfalen finanziert wird, in Duisburg ein. Jährlich werden nun bis zu 450.000 Tonnen unterschiedliche Inputmaterialien – wie etwa Altkarossen, Mischschrotte oder Haushaltsgroßgeräte – zum Recyclingprodukt TSR40 aufbereitet.

„Es ist wie das Rezept eines Kuchens – wir geben den Stahlherstellern ein Material mit einem klar definierten Inhalt“, sagt Christian Blackert, Leiter der TSR-Niederlassung Rhein-Ruhr. während der Präsentation des Projekts am ecoMetals Day letzten Herbst. „Mit TSR40 verlassen wir den Weg, im Wesentlichen Abfall zu verkaufen, sondern beginnen, Schrott den Status eines Produkts zu geben.“

2. Metallurgie heißt Denken in Kreisläufen

Derzeit sind Recyclingprozesse im Automobilbereich mit einem hohen manuellen Arbeitsaufwand sowie einer begrenzten Materialreinheit verbunden und daher nur für wenige Fahrzeugkomponenten wirtschaftlich attraktiv. Allerdings wächst die Anzahl an Beispielen für die erfolgreiche Anwendung der Kreislaufwirtschaft, insbesondere in Fahrzeugen.

Das Projekt Car2Car ist ein innovativer Ansatz für das Fahrzeugrecycling, der darauf abzielt, Materialkreisläufe zu schließen und die Qualität von Sekundärrohstoffen zu verbessern. Ein Konsortium, dem große Industrieunternehmen wie BMW, thyssenkrupp Steel Europe und andere angehören, arbeitet an der Verbesserung der Recyclingprozesse für Stahl, Aluminium, Glas, Kunststoffe und Kupfer. Diese Initiative umfasst die Entwicklung automatisierter Demontage- und fortschrittlicher Verarbeitungstechniken, bei denen künstliche Intelligenz zur Optimierung der Recyclingeffizienz und der Materialreinheit eingesetzt wird.

Das Helmholtz-Institut Freiberg für Ressourcentechnologie (HIF) entwickelt seit mehreren Jahren Lösungen zur nichtinvasiven sensorbasierten Identifizierung von Rohstoffen. Im Rahmen der Car2Car-Kampagne mit 500 Altfahrzeugen wird die laserinduzierte Breakdown-Spektroskopie (LIBS) in Kombination mit optischen Sensoren zur Metall- und Legierungstypidentifikation im Schreddergutstrom eingesetzt. Die Leistungsfähigkeit des Verfahrens zur Aufschlüsselung der Komponenten in den Materialgemischen wird anhand einer am HIF installierten Demonstrationsanlage untersucht.

© Quelle: Gramlich A. & Krupp, U. (2022). Grüner Stahl mit rotem Problem - Stahlrecycling im Kontext der Kreislaufwirtschaft

© Vergleich der aktuellen Stahlerzeugung mit einer klimafreundlichen, recyclingbasierten Stahlerzeugung. Der Anstieg des akkumulierten Kupfergehalts im recycelten Stahl wird als das „rote Problem“ bezeichnet.

Georgsmarienhütte und Volkswagen sind Partner beim Recycling zur Herstellung von grünem Stahl. Die Partnerschaft ist ein Beispiel für einen geschlossenen Recyclingprozess, bei dem Metallabfälle aus dem Volkswagenwerk Osnabrück im Stahlwerk Georgsmarienhütte zu neuem Hightech-Stahl verarbeitet werden, der dann wieder in die Produktion von Volkswagen zurückfließt. Die GMH Gruppe nutzt ihr Know-how in der Stahlproduktion und berichtet, dass alle ihre Stahlprodukte vollständig aus Schrott gewonnen werden. Dieses Verfahren verringert den mit der Stahlproduktion verbundenen CO2-Fußabdruck erheblich.

Die beiden Beispiele verdeutlichen das Potenzial von Schrottrecycling und den Einsatz erneuerbarer Energien zur Verringerung der Emissionen in den Lieferketten und in den Endprodukten.

3. Schrott – Das „rote Problem“

Das Schmelzen von Schrott (bzw. DRI) im Elektrolichtbogenofen benötigt nur 20 % der Energie der Primärroute und kann je nach eingesetztem Strommix bereits klimaneutral durchgeführt werden. Grundsätzlich kann über die Elektro-Lichtbogen-Route, je nach Qualität des metallischen Einsatzes, jede Stahlsorte erzeugt werden. Dennoch gilt in der Branche Elektrostahl häufig noch als qualitativ minderwertig. Das liegt aber nicht am Aggregat selbst, sondern an den Einsatzstoffen, heute in der Regel Schrotte.

Insbesondere beim Recycling von legierten Stählen sind einige technische Probleme zu beachten. Während einige Legierungselemente beim Umschmelzen an die Schlacke verloren gehen, neigen andere Elemente wie Kupfer oder Molybdän dazu, sich im Laufe der Zeit anzureichern. Während geringe Konzentrationen von Molybdän in den meisten Fällen nicht schädlich, sondern für die Stahleigenschaften vorteilhaft sind, können lokale Anreicherungen von Kupfer bei der Warmverformung zu Sprödbruch führen und die Verarbeitbarkeit von Stählen beeinträchtigen.

Beim Umschmelzen und Raffinieren im Elektrolichtbogenofen lassen sich einige der Verunreinigungen im Schrott jedoch nicht auf wirtschaftliche Weise entfernen, sodass eine allmähliche Anreicherung von schädlichen Verunreinigungen zu einer Qualitätsverschlechterung führt.

Beispielsweise ist eine selektive Oxidation von Kupfer aus Stahlschmelzen nicht möglich, da die Sauerstoffaffinität von Kupfer geringer ist als die von Eisen. Eine kreislauforientierte Stahlwirtschaft, die auf dem Recycling von Schrott basiert, wird durch die zunehmende Anhäufung von Cu (insbesondere von elektrischen und elektronischen Komponenten von Fahrzeugen) jedoch in Bezug auf Verarbeitung, Anwendung und Sicherheit von Stählen stark behindert.

© Vergleich der erreichbaren Kupferkonzentration und des geschätzten relativen Energie- und Kostenaufwands von Kupfertrennverfahren.. Published under the terms of the CC-BY license Copyright 2017, American Chemical Society, https://doi.org/10.1021/acs.est.7b00997

Bislang wurde die zunehmende Cu-Kontamination mit frischem Primäreisen verdünnt, was jedoch CO2-Emissionen aus konventionellen Reduktionsprozessen hervorruft. Zudem widerspricht die Zugabe von Primärwerkstoff dem Ziel, den Recycling-Anteil zu erhöhen. Besonders bei der Produktion verunreinigungsarmer Stähle besteht die Herausforderung also darin, mit Verunreinigungen in Schrott umzugehen. Forschung ist notwendig, um den Schrottanteil zu erhöhen und gleichzeitig die Qualität zu wahren, um die anspruchsvollen Spezifikationen von Flacherzeugnissen, z. B. in der Verpackungs- oder Automobilindustrie, zu erfüllen.

Ulrich Krupp und Alexander Gramlich erforschen am RWTH Aachen beispielsweise den Einfluss von Elementen wie Kupfer auf die Eigenschaften und die Verarbeitbarkeit verschiedener Stahlsorten und arbeiten an neuen Ansätzen für die Tolerierung höherer Kupferkonzentrationen.

Ihre Forschungsergebnisse zeigen, dass die beim Stahlrecycling unvermeidliche Kupferkontamination das Potenzial hat, die Härte und Festigkeit von hochfesten Stählen zu erhöhen, wenn sie während der Verarbeitung kontrolliert werden kann. Wird die Wärmebehandlung entsprechend angepasst, kann sich die Anreicherung von Kupfer sogar positiv auf die mechanischen Eigenschaften auswirken.

In einer anderen Forschung zeigen Isnaldi R. Souza Filho (Forschungsgruppenleiter am Max-Planck-Institut für Eisenforschung in Düsseldorf) et al., dass Kupfer aus Eisen-Kupfer-Sauerstoff-Schmelzen während der wasserstoffplasmabasierten Schmelzreduktion effektiv verdampft werden kann. Selbst ohne Wasserstoffpräsenz können Kupfer-Konzentrationen von 1 Gew.-% auf unter 0,1 Gew.-% reduziert werden. Die gereinigte resultierende Eisen-Sauerstoff-Schmelze könnte für einen nachfolgenden Reduktionsschritt verwendet werden. Es wird vorgeschlagen, dass nach Erreichung eines akzeptablen Kupferniveaus die Inertplasmaquelle durch eine mäßig reduzierende ersetzt wird, um die Oxidschmelze in reines Eisen umzuwandeln. Dieser Reduktionsschritt könnte entweder mit Wasserstoff oder mit anderen zirkulären, kohlenstoffbasierten Reduktionsmitteln durchgeführt werden. Das Ergebnis wäre eine Schmelze, die von Kupferverunreinigungen befreit ist und sich für die Weiterverarbeitung zu hochwertigem Eisen als Basis für die Stahlproduktion eignet.

4. Fazit: Schrott als Schlüsselressource für die nachhaltige Stahlproduktion

Für die grüne Transformation der Stahlindustrie ist Schrott nicht nur ein Abfall, sondern eine wertvolle Ressource, die den Weg zu einer nachhaltigeren Produktion ebnet. Innovative Projekte wie Car2Car und die Forschungsarbeiten von führenden Experten unterstreichen das enorme Potenzial von recyceltem Material in der Reduzierung der CO2-Emissionen und der Schonung primärer Ressourcen.

Die Herausforderungen, die mit der steigenden Schrottverwendung einhergehen, insbesondere in Bezug auf die Qualität und der Umgang mit Verunreinigungen, erfordern weiterhin intensive Forschungs- und Entwicklungsarbeit. Doch die Bemühungen von Stahlproduzenten, Recyclingunternehmen und Wissenschaftlern zeigen deutlich, dass eine kreislauforientierte Wirtschaft im Stahlsektor nicht nur möglich, sondern auch essenziell für die Erreichung globaler Klimaziele ist.