Stahlproduktion im Umbau

Stahl ohne CO2 – das ist das neue Ziel der Hersteller. Zwar berichten die Unternehmen der Branche schon über Lieferungen und Abschlüsse. Doch in der Praxis sind die Produkte recht unterschiedlich und der Weg zu klimaneutralem Stahl ist lang.

Rund 1.000 t CO2-reduzierten Bluemint-Stahl liefert Thyssenkrupp für ein Wasserversorgungsprojekt in Angola, der Rohrhersteller Corinth Pipeworks setzt erstmals Stahl des Konkurrenten Arcelormittal mit niedrigen CO2-Emissionen ein. Die Beispiele zeigen: Es tut sich was in der Stahlindustrie. Gänzlich Klimaneutral ist der Stahl jedoch noch nicht, die Hersteller setzen erst einmal auf weniger Emissionen. Denn für fossilfreien Stahl muss die Produktion komplett umgestellt werden – ein gigantischer Kraftakt.

CO2-Reduktionen sind bereits möglich

Schon mit weniger Aufwand können die Stahlhersteller CO2 teilweise vermeiden. Bei der Partnerschaft zwischen Arcelormittel und Corinth Pipeworks liefert der Stahlhersteller ein Produkt namens „XCarb recycled and renewably produced“. Dabei handelt es sich um einen CO₂-reduzierten Stahl, der im Elektrolichtbogenofen mit einem Schrottanteil von mindestens 75 % und 100 % erneuerbarer Energie hergestellt wird. Dieser Produktionsprozess reduziert die CO₂-Emissionen im Vergleich zur klassischen Hochofenroute um 65 %, wie Arcelormittel berichtet. Für warmgewalzte Coils liegt der CO₂-Fußabdruck bei XCarb RRP bei 600 kg CO₂-Äquivalent je Tonne – im Vergleich zu 2.230 kg bei konventioneller Produktion. Langprodukte wie Profile oder Bewehrungsstahl erreichen damit CO₂-Emissionen von 300 bis 333 kg CO₂-Äquivalent je Tonne Fertigprodukt. Das Unternehmen baut zudem einen neuen Elektrolichtbogenofen am Standort Gijón in Spanien. Die Anlage mit einem Investitionsvolumen von 213 Mio. Euro soll noch in diesem Jahr die Produktion aufnehmen.

Die CO2-reduzierten Bluemint-Stähle des Konkurrenten Thyssenkrupp basieren auf zwei unterschiedlichen Verfahren. Für die eine Variante spart der Stahlhersteller einen Teil der Kokskohle im Hochofen durch bereits reduzierten, also entoxidierten, Eisenschwamm ein. Dadurch sinken die direkten Emissionen und somit auch die CO2-Intensität des auf diese Weise produzierten Stahls um 70 %. Bei der anderen Variante setzt Thyssenkrupp ein Schrott-Recyclingprodukt im Hochofen ein. Auch damit lässt sich Kokskohle sparen, der CO2-Ausstoß sinkt um 64 %. Thyssenkrupp hat sich die Einsparungen bei den Emissionen von den Zertifizierern DNV beziehungsweise Tüv Süd bestätigen lassen.

Schwedische Unternehmen gehen voran

Klimaneutraler Stahl ist damit noch nicht erreicht. Geschafft hat dies bereits der schwedische Hersteller SSAB als Vorreiter der Branche, seit März 2023 ist der Stahl „SSAB Zero“ kommerziell erhältlich. Hergestellt wird er aus Stahlschrott und mit fossilfreier Energie, wobei der schwedische Strommix – circa 40 % Wasserkraft, 27 % Atomenergie, 21 % Windkraft – bei den CO2-Einsparungen hilft. Nicht einberechnet sind die Scope3-Emissionen, die bei den Zulieferern und beim Transport entstehen. Im Endergebnis betragen die fossilen Kohlenstoffemissionen bei der Produktion von SSAB Zero laut Hersteller weniger als 50 kg CO2-Äquivalent je Tonne Stahl in Scope 1 und 2 des GHG-Protokolls. Auch müssen die Schweden einräumen: Der CO2-reduzierte Stahl ist teurer.

Diese Vorgehensweise hat jedoch Grenzen, denn Stahlrecycling kann den globalen Bedarf nicht decken. Um aus Eisenerz fossilfreien Stahl herzustellen, ist es unumgänglich, die Kokskohle durch einen anderen Stoff zu ersetzen, der mit dem Sauerstoff im Eisenoxid des Erzes reagiert. Das Schlüsselelement hier ist: Wasserstoff. Bisher hat nur SSAB eine Pilotanlage in Lulea eröffnet, zusammen mit dem Bergbauunternehmen LKAB und dem Energieversorger Vattenfall. In der Anlage wird die Kokskohle durch Wasserstoff ersetzt, der aus fossilfreiem Strom und Wasser gewonnen wird. Ein Prozess, der als Direktreduktion bezeichnet wird, löst den konventionellen Hochofenprozess ab. Das Nebenprodukt ist Wasser statt CO2. Seit 2020 produzierte die Pilotanlage mehr als 5.000 t wasserstoffreduzierten Eisenschwamm. Dadurch konnte das Verfahren zumindest im halbindustriellen Maßstab validiert werden.

Wasserstoff wird Stahlerzeugung beherrschen

Auf diesen Zug sind trotz offener technischer Fragen weitere Stahlhersteller aufgesprungen. So hat Thyssenkrupp Steel den Anlagenbauer SMS Group mit der ersten wasserstoffbetriebenen Direktreduktionsanlage am Standort Duisburg beauftragt. Dies bedeutet eines der weltweit größten industriellen Dekarbonisierungsprojekte, mit dem zukünftig über 3,5 Mio. t CO2 pro Jahr vermieden werden können. Das Auftragsvolumen für SMS beträgt über 1,8 Mrd. Euro. Die Fertigstellung der Anlage mit einer Kapazität von 2,5 Mio. t direkt reduziertem Eisen ist für 2027 geplant. Inzwischen wurde die erste Stütze des Direktreduktionsturms (DR-Turm) montiert. Das Stahlbauteil ist circa 18 m hoch und wiegt knapp 70 t.

Die Inbetriebnahme und das Hochfahren der Direktreduktionsanlage geschehen dann mithilfe von Erdgas. Anschließend wird der Wasserstoffanteil sukzessive erhöht. Bis zum Jahr 2045 soll die Stahlproduktion von Thyssenkrupp Steel in Duisburg klimaneutral werden.

Auch Salzgitter arbeitet bereits an der Dekarbonisierung, wie Dr.-Ing. Alexander Redenius von der Salzgitter Mannesmann Forschung GmbH auf dem EFB-Kolloquium in Würzburg erläuterte. Mit dem Projekt Salcos (Saszgitter CO2-reduzierte Stahlherstellung) Salzgitter Flachstahl eine nahezu CO2-freie Stahlerzeugung realisieren. Die konventionelle Stahlherstellroute aus Hochofen und Stahlwerkskonverter von Salzgitter Flachstahl soll bereits ab 2027 zu mehr als einem Drittel durch eine Direktreduktionsanlage in Kombination mit einem Elektrolichtbogenofen ersetzt werden. Die Direktreduktionsanlage wird anfangs hauptsächlich mit Erdgas betrieben. „Das führt schon zu einer CO2-Einsparung von mehr 50 % im Vergleich zur konventionellen Route“, erläuterte Redenius. Zusätzlich wird in einer 100 MW Elektrolyse anteilig grüner Wasserstoff hergestellt. Ab Mitte der 2030-er Jahre soll die Transformation des Hüttenwerks abgeschlossen sein.

Prüflabor bereitet neue Untersuchungen vor

Wie sehr sich die Bedingungen bei der neuen Direktreduktionsroute von der klassischen Hochofenroute unterscheiden, zeigt sich auch darin, dass Thyssenkrupp Steel 2,4 Mio. Euro in ein neues Prüflabor investiert. Das metallurgische Labor in Schwelgern verfügt bereits heute über Prüfkapazitäten für klassische Hochofen-Einsatzstoffe. Für die neuen Anforderungen der wasserstoffbasierten Direktreduktion wird nun das Labor erweitert.

Denn die Prozessbedingungen der Direktreduktionsanlage unterscheiden sich von denen der Hochofenroute. Während im Hochofen CO‑reiche Prozessgase und Temperaturen über 1.000 °C vorherrschen, arbeitet der Direktreduktionsprozess mit wasserstoffreichen Gasen bei Temperaturen von etwa 1.000 °C oder weniger. Die Pellets und Stückerze müssen daher geprüft werden, ob sie während der Reduktion zum Verkleben oder Verklumpen neigen, wie stark sie zum Reduktionszerfall tendieren und wie gut ihre Reduzierbarkeit ist. Letztere ist ein entscheidender Faktor für die Produktivität der Anlage, da sie die Reaktionsgeschwindigkeit im Reduktionsprozess unmittelbar beeinflusst.

Web:
www.thyssenkrupp-steel.com
www.arcelormittal.com
www.ssab.com
www.sms-group.com
www.salzgitter-ag.com