50 Millionen Tonnen CO2 pro Jahr – diese gigantische Menge an Treibhausgasen entlässt die Stahlindustrie allein in Deutschland in die Atmosphäre. Zum Vergleich: Der gesamte Verkehr kommt laut Umweltbundesamt auf gut 160 Millionen Tonnen.

Die Emissionen der Stahlwerke heizen aber nicht nur das Klima auf, sie kosten die Konzerne auch immer mehr Geld. Nach Ansicht von Experten wird die Stahlindustrie in Deutschland für Verschmutzungsrechte aus dem EU-Zertifikatehandel etwa 3,5 Milliarden Euro bis zum Jahr 2030 ausgeben müssen, wenn sie ihren Ausstoß an Treibhausgasen nicht reduziert. Laut Klimaabkommen von Paris soll die Branche zudem bis spätestens 2050 emissionsfrei sein.

Daher suchen die Stahlkocher in ganz Europa nach Alternativen. Eine heißt Wasserstoff (H2). Derzeit laufen in Schweden, Deutschland und Österreich Pilotprojekte, um statt mit Steinkohlen-Koks mithilfe des Gases aus Eisenerz Stahl zu produzieren. Wird der Wasserstoff komplett mit Erneuerbaren Energien gewonnen, könnte die gesamte Stahlproduktion klimaneutral werden.

Besonders weit ist ein Konsortium aus dem schwedischen Stahlkonzern SSAB, dem Bergbauunternehmen LKAB und dem Energie-Versorger Vattenfall. Es baut im nordschwedischen Luleå die weltweit erste H2-Pilotanlage zur Stahlproduktion ganz ohne fossile Brennstoffe. Hydrogen Breakthrough Ironmaking Technology (Hybrit) nennen die Partner das Projekt, in dessen Rahmen sie bis 2035 Stahl komplett mit Hilfe von grünem Wasserstoff produzieren wollen – was weltweit die erste derartige Anlage im industriellen Maßstab wäre. Rund 150 Millionen Euro kostet der Bau, die Inbetriebnahme soll 2020 erfolgen. Bei voller Auslastung könnte das Vorghaben die CO2-Emissionen von ganz Schweden um bis zu zehn Prozent reduzieren.

Wasserstoff als Saubermacher
Künftig soll Wasserstoff helfen, die CO2-Emssionen der Stahlindustrie zu senken (unten orange) und Kohle überflüssig machen (oben grau). Dazu wird der Wasserstoff mit Erneuerbaren Energien aus Wasser gewonnen. Reagiert er mit dem Eisenoxid im Erz, entsteht wieder Wasser und Eisenschwamm. Die porösen Klumpen lassen sich zu Stahl weiterverarbeiten.
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Die Hochöfen sollen nicht mehr koksen

Hierzulande zieht die Salzgitter AG nach. Der zweitgrößte Stahlproduzent Deutschlands mit einer Jahreskapazität von fünf Millionen Tonnen Rohstahl pustet acht Millionen Tonnen CO2 in die Umwelt und damit etwa ein Prozent der deutschen Emissionen. Um Eisen zu erzeugen, wird das Eisenoxid im Erz von Sauerstoff befreit oder reduziert, wie es die Chemiker nennen. Kohlenstoff aus dem Koks verbindet sich im Hochofen mit diesem Sauerstoff zu Kohlenmonoxid und schließlich zu Kohlendioxid, das dann in der Umwelt landet. „Das Verfahren ist technisch optimiert, große Sprünge bei der Energieeffizienz sind nicht mehr zu erwarten“, erklärt Alexander Redenius, Projektleiter bei der Salzgitter Mannesmann Forschung.

Ersetzen die Hüttentechniker Kohlenstoff durch Wasserstoff, verbindet der sich mit dem Sauerstoff zu simplem Wasser. Zusätzlich lässt sich das Erz und später der Stahl mit elektrischer Energie – am besten mit Ökostrom – schmelzen, statt dafür fossile, CO2-lastige Energieträger zu verbrennen. „So lassen sich in letzter Konsequenz 95 Prozent der CO2-Emissionen aus der Stahlherstellung direkt vermeiden“, heißt es in einer Mitteilung des niedersächsischen Konzerns. Das Konzept, das sich dahinter verbirgt heißt Salcos (Salzgitter Low CO2 Steelmaking). Wissenschaftlich begleitet die Fraunhofer-Gesellschaft das Projekt.

Technisch ist das alles machbar. „Das Besondere an Salcos ist, dass wir auf technologisch ausgereiften Komponenten aufbauen“, erklärt Redenius – die aber niemand bisher so miteinander kombiniert habe. Die für den Einsatz von Wasserstoff benötigten Direktreduktionsreaktoren sind bereits weltweit im Einsatz. Bisher arbeiten sie allerdings nicht mit H2, sondern mit Erdgas. Ein Verfahren, das beide Gase mischt, hat das italienische Unternehmen Tenova entwickelt, eine Tochter des argentinischen Stahlproduzenten Techint. Im Industriemaßstab hat die Technik bisher zwar noch kein Betrieb eingesetzt. „Technologisch spricht allerdings sehr viel dafür, dass es funktioniert“, so der Salzgitter-Ingenieur.

Theoretisch könnte das niedersächsische Unternehmen nächste Woche mit dem Aufbau des Direktreduktionsreaktors beginnen und in einem ersten Schritt das Eisenerz zunächst mit Hilfe von Erdgas und einem erhöhten Wasserstoffzusatz zu Eisen reduzieren. Heraus kommt dabei Eisenschwamm – poröse Klumpen, die zur Weiterverarbeitung geschmolzen und veredelt werden. Bereits ab 2025 ließe sich ein Drittel der Stahlproduktion umweltfreundlicher produzieren und somit zwei Millionen Tonnen CO2 einsparen. Nach und nach könnte der Wasserstoffanteil erhöht werden.

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Noch fehlt das Geld in Salzgitter

Praktisch passiert im Moment aber noch nichts. Die Investitionen liegen nach Angaben von Redenius bei etwa 1,3 Milliarden Euro allein für die erste Ausbaustufe. Für grünen Stahl zahlen die Kunden im Moment aber nicht mehr als für herkömmlich produzierten. Der Salcos-Projektleiter setzt daher auf Fördergelder aus dem europäischen Innovation Fund, der aus CO2-Zertifkaten mit einem Volumen von insgesamt zehn Milliarden Euro gespeist wird und unter anderem für Dekarbonisierungsprojekte verwendet wird. Die Ausschreibung erfolge im kommenden Jahr, erklärt Redenius. Die Zuschüsse könnten ab 2021 fließen.

Vorerst testet der Salzgitter-Konzern erst einmal den Hochtemperatur-Elektrolyseur (HTE) des Dresdner Unternehmens Sunfire, um Wasserstoff zu erzeugen. Die Entwickler wollen die Anlage im kommenden Jahr aufbauen, die dann der weltweit größte HTE mit einer elektrischen Nennleistung von 720 Kilowatt (kW) sein wird. Dabei wird H2 nicht aus flüssigem Wasser, sondern mit bis zu 1000 Grad heißem Dampf mit einem Wirkungsgrad von bis zu 90 Prozent produziert.

Würde Salzgitter die komplette Stahlproduktion auf Wasserstoff umstellen, wäre die Anlage nicht mehr als ein erster Testballon. Denn dann benötigte der Konzern eine Elektrolyseleistung von einer Million Kilowatt. Soviel Wasserstoff selber herzustellen, plant Redenius nicht. Er sucht nach Alternativen. „Wir sind mit Betreibern von Windparks im Gespräch, bei denen es Überlegungen gibt, Elektrolyse zu betreiben.“

Die Partner erproben die noch junge Technologie von Sunfire in einem internationalen Projekt mit einem Gesamtbudget von 5,5 Millionen Euro, an dem auch die Paul Wurth S.A., Tenova SpA, das französische Forschungszentrum CEA und die Salzgitter Mannesmann Forschung mitarbeiten. Bis Ende 2022 soll die Elektrolyse-Anlage mindestens 13.000 Stunden gearbeitet und insgesamt etwa 100 Tonnen Wasserstoff mit einem Reinheitsgrad von 99,98 Prozent geliefert haben, um damit ihre Praxistauglichkeit unter Beweis zu stellen. „Wasserstoff wird künftig in der Mobilität, der Energiegewinnung und -speicherung sowie bei vielen weiteren industriellen Prozessen maßgebliche Bedeutung erlangen“, ist Heinz Jörg Fuhrmann überzeugt, Vorstandsvorsitzender der Salzgitter AG.

Grauer und Grüner Wasserstoff in Hamburg und Linz

Darauf bereitet sich auch der weltgrößte Stahlhersteller ArcelorMittal vor. Im Werk in Hamburg will der Luxemburger Konzern ebenfalls H2 zur Reduktion von Eisenerz in einer Demoanlage mit einer Jahresproduktion von 100.000 Tonnen Stahl testen. Ein 65 Millionen Euro teures Projekt, das die Universität Freiberg wissenschaftlich begleitet. Vorerst wird das Verfahren mit grauem Wasserstoff, der mit Gas erzeugt wird, getestet, damit der Betrieb wirtschaftlich ist. Den Einsatz von grünem Wasserstoff plant ArcelorMittal erst, wenn es ihn in ausreichenden Mengen gibt.

Von vornherein auf grünen Wasserstoff setzt dagegen der österreichische Stahlkonzern Voestalpine. Im Rahmen des Projekts H2Future, an dem unter anderem auch Siemens und Austrian Power beteiligt sind, entsteht am Standort Linz mit sechs Megawatt Leistung einer der größten Elektrolyseure weltweit, der mit einer Protonen-Austausch-Membran aus Kunststoff arbeitet. Nach demselben Prinzip funktionieren auch die Brennstoffzellen in Autos, die allerdings die chemischen Vorgänge umkehren und aus Wasserstoff Strom für den Vortrieb gewinnen. Baubeginn für den Elektrolyseur in Österreich war vergangenes Jahr, in Betrieb gehen soll er noch dieses Jahr. Das Vorhaben kostet 18 Millionen Euro, zwei Drittel finanziert die EU.

Die Anlage kann bis zu 1200 Kubikmeter Wasserstoff pro Stunde mit Strom aus Erneuerbaren Quellen liefern und soll dabei einen Wirkungsgrad von 80 Prozent erreichen. „Das Ziel ist es, echte Durchbruch-Technologien zu erforschen“, erklärte Wolfgang Eder, Vorstandsvorsitzender der Voestalpine, bei Baubeginn und dämpfte gleichzeitig zu hohe Erwartungen: Die Verfahren würden erst „in etwa zwei Jahrzehnten im großtechnischen Stil anwendbar sein.“

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