Technik, Energie und Nachhaltigkeit

Kurs: Technik, Energie und Nachhaltigkeit | OnCourse UB

• Lektion 6
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    Wasserstoff in der Eisen- und Stahlindustrie

    Die Treibhausgasemissionen (THG-Emissionen) des Industriesektors entstehen vor allem in den energieintensiven Branchen: Stahl, Chemie, Nichteisenmetalle, Zement, Kalk, Glas, Papier und Zellstoff sowie Keramik. Dabei müssen die folgenden THG-Emissionsquellen unterschieden werden:

    1. Direkte energiebedingte THG-Emissionen: aus der Verwendung von fossilen Brennstoffen z.B. Prozesswärme, Dampf, mechanische Arbeit
    2. Indirekte energiebedingte THG-Emissionen: Erzeugung des verwendeten Stroms in einem Kohle- oder Erdgaskraftwerk
    3. Prozessbedingte THG-Emissionen: entstehen technologie- bzw. verfahrensbedingt durch den Einsatz von Rohstoffen (z.B. Koks bei der Stahlherstellung; Kalkstein bei der Zement- und Kalkproduktion)

    Bei der Stahlherstellung sind beispielsweise 32% der CO₂-Emissionen prozessbedingt. Die Industrie trägt in Deutschland zu 22% an den THG-Emissionen bei. Stahl hat mit 28% bei den energieintensiven Branchen den höchsten Anteil vor der Grundstoffchemie (19%) und der Zementindustrie (10%) (vgl.: Kompetenzzentrum Klimaschutz in energieintensiven Industrien 2017).

    
    

    Die Bedeutung von Wasserstoff in der Transformation der Stahlindustrie zu einer klimaneutralen Industrie - also der Dekarbonisierung durch den Wegfall von Koks und Kohle als Energieträger - soll beispielhaft erläutert werden.
    Wasserstoff dient bei der Dekarbonisierung der Verfahren als Reduktionsmittel im Hochofenprozess.
    
    Zunächst zum Stahlherstellungsprozess im Allgemeinen:
    

    • Primärstahl wird bisher weltweit zu 70% über die Hochofen-Konverter-Route erzeugt.
    • Sekundärstahl wird aus Stahlschrott hergestellt, dabei wird der Schrott unter Einsatz von elektrischer Energie im Elektrolichtbogenofen eingeschmolzen. 

    
    Wichtig zu klären ist: woher kommen die CO₂-Emissionen in der Eisen- und Stahlindustrie?
    Die wesentlichen CO₂-Emissionen der Hochofen-Konverter-Route, also bei der Herstellung von Primärstahl, sind durch den prozessbedingten Einsatz von Kohlenstoff (Koks, hergestellt aus Kohle in der Kokerei) zur Reduzierung der Eisenerze bedingt. Reduktion bedeutet hier die Entfernung von Sauerstoff aus Eisenerz, das Koks dient hierbei als Reduktionsmittel.
    
    => Die CO₂-Emission dieses klassischen Verfahrens liegt bei 1,5 bis 1,7 t CO₂ pro t Rohstahl. 
    
    Herstellung von grünem Stahl
    Deshalb werden in den nächsten Jahren die Eisen- und Stahlwerke in Deutschland ihre Verfahren auf die sogenannte Direktreduktions-Elektrolichtbogenofen-Route (DRI-EAF) umstellen.
    
    
    Das Verfahren unterscheidet sich in der Rohstoffbehandlung: aus dem Eisenerz werden Eisenerzpellets/Stückerz hergestellt. Der Hauptschmelzprozess erfolgt im Direktreduktions-Schachtofen (DRI), der sich von einem klassischen Hochofen unterscheidet. Es wird im DRI-Schachtofen bei rund 8000°C grüner Wasserstoff als Reduktionsmittel anstelle von Koks injiziert. Es entsteht als Produkt ein DRI-Eisenschwamm, der zusammen mit Stahlschrott im Elektrolichtbogenofen verarbeitet werden kann. Der Wasserstoffbedarf ist dabei sehr hoch.
    
    => Bei einer Produktion von 1t Stahl im DRI-Verfahren auf Wasserstoffbasis werden rund 600 Nm³ Wasserstoff benötigt. Die CO₂-Emission kann dabei auf rund 25 bis 60 kg CO₂/t Rohstahl gesenkt werden.
    
    Zusätzlich kommt der Elektrolichtbogenofen zum Einsatz, in dem klimaneutraler Stahlschrott verarbeitet werden kann. Im Falle des Einsatzes eines Stahlkonverters können aus den Konvertergasen chemische Produkte hergestellt werden (Smart Carbon Usage).
    
    

    Potential von Grünem Wasserstoff für die energieintensiven Branchen

    Laut Berechnung der Wirtschaftsvereinigung Stahl lassen sich pro Tonne eingesetztem klimaneutralen Wasserstoff im Vergleich zu anderen Sektoren am meisten CO₂ einsparen, nämlich 28t CO₂. Im Vergleich dazu reduziert eine Tonne Wasserstoff bei der Ammoniak-/Methanolsynthese 10t CO₂, eine Tonne Wasserstoff spart 5t CO₂ bei synthetischen Kraftstoffen, eine Tonne Wasserstoff spart 17t CO₂ bei Brennstoffzelleneinsatz und 11t CO₂ bei einer Gebäudeheizung (Erdgas) ein (Berechnungen der WV Stahl, unter Einholung einer Stellungnahme des Fraunhofer-Instituts für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik UMSICHT).

    Die milliardenschweren Investitionen in die neuen Schachtöfen und Herstellung von Eisenerzpellets erfolgt in den Hüttenwerken in Deutschland unter Einwerbung von massiven Fördermitteln der EU bzw. der Bundesregierung. Es ist eine der gewaltigsten Anstrengungen im einer der CO₂-intensivsten Industriezweige in Deutschland.

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