Stahlerzeugung mit grünem Wasserstoff

ArcelorMittal
Reduktionsanlage von ArcelorMittal, © M. Hölling

Um die sehr ambitionierten Klimaziele der Bundesregierung und der EU bis 2050 zu erreichen, wird eine Umstellung der Stromerzeugung alleine nicht ausreichen. In allen Wirtschaftszweigen bedarf es einschneidender Veränderungen, damit die Transformation in eine CO2-freie Zukunft gelingen kann. So steht auch die Stahlindustrie, die rund sechs Prozent der CO2-Emissionen in Deutschland erzeugt, vor großen Herausforderungen, um innerhalb der EU überleben zu können. Eine Option zur Reduktion ihres CO2-Fußabdrucks könnte die Nutzung von grünem Wasserstoff und Strom aus erneuerbaren Quellen sein, und diese scheint durchaus technisch machbar. Aus heutiger Sicht wäre dies aber mit sehr hohen Kosten verbunden, die ohne Förderung von keinem Stahlwerk getragen werden können.

Konventionelle Stahlerzeugung

Zur Herstellung hochwertiger Stahlgüter, wie sie zum Beispiel im Automobilsektor benötigt werden, ist eine Produktion auf Basis von Eisenerzen, die einen hohen Anteil an Eisenoxiden aufweisen, erforderlich. Nur so kann die geforderte Reinheit gewährleistet werden, um leichte und gleichzeitig hochfeste Stahlsorten herstellen zu können. Die Reduktion von Erz zu Eisen erfolgt heute zum Großteil in Hochöfen, die Koks als Reduktionsmittel einsetzen. Trotz einer sehr hohen Effizienz ist dieser Vorgang mit Emissionen von mehr als einer Tonne CO2 pro Tonne Stahl verbunden. Ein alternativer Prozess, der beispielsweise bei der ArcelorMittal Hamburg GmbH genutzt wird, ist die sogenannte Direktreduktion. Hierbei wird Erdgas anstelle von Koks als Reduktionsmittel eingesetzt. Über einen Dampfreformer wird aus dem Erdgas ein Reduktionsgas erzeugt, dass zu rund 60 % aus Wasserstoff besteht. Es stehen somit schon heute Prozesse zur Verfügung, die einen hohen Wasserstoffanteil verwenden.

In Kooperation mit der ArcelorMittal Hamburg GmbH hat die Hochschule für Angewandte Wissenschaften (HAW) Hamburg untersucht, wie sich der Prozess der Direktreduktion von Eisenerz auf 100 % Wasserstoff umstellen lässt (s. Abb. 1). Als Energiequelle kann Strom aus erneuerbaren Energien genutzt werden, so dass in diesem Fall von einem CO2-freien Vorgang ausgegangen werden kann. Über eine Power-to-Gas-Anlage kann Wasserstoff erzeugt werden, der in den Prozess eingespeist wird. Nach einer Vermischung mit rezykliertem Wasserstoff wird dann eine Aufheizung auf rund 900 °C, die für die chemische Reaktion erforderlich sind, erfolgen.

Im Schachtofen erfolgt dann die Reduktion von Erz zu metallischem Eisen und die anschließende Brikettierung. Zur Kenntlichmachung, dass es sich bei dem Ergebnis um ein neues Produkt handelt, wird der Begriff H2BI (= Hydrogen Hot Briquetted Iron) eingeführt. Bei der Reaktion wird Wasserstoff zu Wasserdampf oxidiert, was aufgrund eines chemischen Gleichgewichts aber nicht vollständig geschieht. Aus dem Schachtofen tritt somit eine Mischung aus Wasserstoff und Wasserdampf aus. Der Wasserdampf kann anschließend über Kondensation abgeschieden werden, so dass der verbleibende Wasserstoff wiederverwendet werden kann. Lediglich ein kleiner Anteil wird zur Vorwärmung des Reduktionsgases verbrannt.

Dieser zunächst hypothetische Gesamtprozess ist stark an einen klassischen Direktreduktionsprozess angelegt, wie er bei ArcelorMittal Hamburg seit 1971 in Betrieb ist. Der Hauptunterschied zum bisherigen Verfahren ist, dass der Dampfreformer durch einen Elektrolyseur ersetzt wird, so dass reiner Wasserstoff verwendet wird. Eine technische Umsetzung erscheint aus heutiger Sicht möglich.

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Autor: Prof. Dr.-Ing. Marc Hölling, Hochschule für Angewandte Wissenschaften (HAW) Hamburg

1 Gedanke zu “Stahlerzeugung mit grünem Wasserstoff

  1. Neue E Locks mit H2 Hybrid elektrisch zur Überwindung von Strecken ohne elektischen Fahrdraht. Z.B. Hindenburgdamm nach Sylt. Fahrdraht- Itzehoe bis Niebüll. Weiter mit e- H2 Hybrid Locks. Technisch eine klar machbare saubere Sache.
    1) „Coradia iLint“, fährt nun im Linienverkehr zwischen Bremervörde, Cuxhaven, Bremerhaven und Buxtehude:
    https://www.butenunbinnen.de/nachrichten/gesellschaft/weltpremiere-wasserstoffzug-niedersachsen-100.html

    2) Die EU-Ratsvorsitzende für Energiefragen, Österreichs Ministerin Elisabeth Köstinger für Nachhaltigkeit und Tourismus, wirbt alle Energieminister der EU: Nur mit „grünem“ Wasserstoff wird die Stahlerzeugung von Koks auf schadstoffarme Energie umgestellt. Nur wenn die Eisen- und Stahlindustrie diesen Sprung schafft, wird es gelingen, das Klimaschutzziel von minus 80 Prozent Treibhausgasausstoß bis 2050 zu erreichen.

    Moin, moin …

    Wer kann H2 in großen Mengen produzieren? Offshore!

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