Januar 2024 | Durch die Umstellung eines Hüttenwerks auf eine klimaneutrale Produktionsweise mit Hilfe von Wasserstoff soll dessen CO2-Ausstoß um bis zu 97 Prozent reduziert werden. Das Fraunhofer-Institut IKTS, die TS ELINO GmbH und die Salzgitter AG arbeiten gemeinsam an einer wegweisenden Lösung für die Stahlproduktion.
Die Stahlproduktion ist bekanntermaßen einer der Hauptverursacher von Kohlendioxid-Emissionen. Um dieser Herausforderung zu begegnen, kooperieren Forscher des Fraunhofer-Instituts für Keramische Technologien und Systeme IKTS, der Industrieofenbauer TS ELINO GmbH und die Salzgitter AG, um ein bestehendes Hüttenwerk auf eine klimaneutrale Produktionsweise umzustellen. Das Konzept sieht die Direktreduktion von Eisenerz mithilfe von Wasserstoff vor, der durch grüne Elektrolyseverfahren erzeugt wird. Der bisherige Einsatz von klimaschädlichem Koks als Reduktionsmittel entfällt. Diese Umstellung könnte zu einer Reduzierung der Kohlendioxid-Emissionen um bis zu 97 Prozent führen und somit einen erheblichen Beitrag zum Klimaschutz leisten.
Stahl, ein vielseitiges Material, findet Anwendung in zahlreichen Produkten, von Gebäuden über Fahrzeuge bis hin zu Maschinen. Allerdings geht die herkömmliche Stahlproduktion mit enormen Umweltauswirkungen einher. Laut dem Kompetenzzentrum Klimaschutz in energieintensiven Industrien (KEI) werden allein in Deutschland jährlich etwa 55 Millionen Tonnen CO2 durch die Stahlproduktion emittiert, was etwa 28 Prozent der gesamten CO2-Emissionen der deutschen Industrie ausmacht. Der Hauptgrund dafür liegt im Einsatz von Koks bei der Roheisengewinnung im Hochofen.
Direktreduktionsanlage im Labormaßstab für reaktionskinetische Untersuchungen und Modellierung des Schachtofens © Fraunhofer IKTS
Vorteile der Hochtemperatur-Elektrolyse
Das Fraunhofer-Institut IKTS, in Zusammenarbeit mit anderen Fraunhofer-Instituten und der Salzgitter AG, setzt auf die Direktreduktion auf Wasserstoffbasis. Bei diesem Verfahren reagiert Eisenerz bei hoher Temperatur mit Wasserstoff in einem Reaktor. Der Wasserstoff als Reduktionsmittel entzieht dem Eisenerz das Eisenoxid, übrig bleibt Eisen.
„Wir nutzen Strom aus erneuerbaren Energien, dann ist die Herstellung von Wasserstoff vollständig CO2-frei. Auf diese Weise spart die Rohstahlherstellung unter Einsatz von grünem Wasserstoff bis zu 97 Prozent des klimaschädlichen Kohlendioxids ein“, erklärt Dr. Matthias Jahn, Abteilungsleiter Energie- und Verfahrenstechnik am Fraunhofer IKTS.
Die Erzeugung von grünem Wasserstoff erfolgt über Hochtemperatur-Elektrolyse mittels Festoxid-Zellen (SOEC). Diese Methode ist besonders bei der Stahlproduktion von Vorteil, da die Abwärme aus den Hochtemperaturprozessen genutzt werden kann. Das erhöht den elektrischen Wirkungsgrad. Als Elektrolysezellen und -stacks nutzt das Fraunhofer IKTS Eigenentwicklungen, die bereits in den Projekten „MACOR“ und „BeWiSe“ erfolgreich getestet wurden.
Von der Forschung zur Anwendung
Im aktuellen Projekt „BeWiSe“ arbeiten die Forscher daran, die gesamte Prozesskette hinsichtlich Ressourcen- und Energieeffizienz weiter zu optimieren. Dazu wird eine ca. 30 Meter hohe Direktreduktions-Demonstrationsanlage auf dem Werksgelände der Salzgitter AG genutzt. Ein Schwerpunkt liegt auf der Untersuchung, wie biogene Stoffe als Ersatz für Kohle und Erdgas dienen können, um den erforderlichen Kohlenstoffgehalt im Stahl einzustellen. Zudem wird der effiziente Einsatz von Wasser untersucht, da für die Elektrolyse große Mengen Wasser benötigt werden. Daher soll das bei der Eisenerz-Reduktion mit Wasserstoff gebildete Wasser möglichst für die erneute Nutzung aufbereitet werden.
„Wir begnügen uns nicht mit punktuellen Lösungen und Laboranlagen, sondern bieten der Salzgitter AG eine umfassende technologische Begleitung bei allen Prozessschritten“, sagt Gregor Herz, Gruppenleiter Modellierung und Simulation am Fraunhofer IKTS.
Dr. Alexander Redenius, Leiter Ressourceneffizienz und Technologieentwicklung bei der Salzgitter Mannesmann Forschung, betont: „Die Direktreduktions-Demonstrationsanlage ermöglicht uns, den Reduktionsprozess und das Zusammenspiel mit den weiteren Prozessschritten zu optimieren. Damit schaffen wir die Basis für eine CO2-arme und nachhaltige Stahlproduktion.“ Bereits 2026 will das Unternehmen ein Drittel seiner Stahlproduktion auf das klimafreundliche Verfahren mit Wasserstoff umstellen.
Mehr Informationen: ikts.fraunhofer.de und salzgitter-ag.com/von-der-potentialanalyse-zur-umsetzung
