Image: Grüner StahlDas Ziel bis 2050: Grünen Stahl produzieren.
TechnikMit Wasserstoff Stahl produzieren

Grüner Stahl

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Josephine Bollinger-Kanne

Josephine Bollinger-Kanne

freie Journalistin

Um bis 2050 klimaneu­tral zu werden, wollen Industrie­be­triebe in der Stahlpro­duk­tion Koks und Kohle durch Wasserstoff ersetzen. Dieser sogenannte grüne Stahl soll vorzugsweise aus erneuerbaren Energiequellen kommen. Der hohe Ökostrom­be­darf ist dabei nur eine der Hürden.

07. April 2020

Weltweit geht knapp ein Viertel der CO2-Emissionen auf das Konto der Industrie. Sieben Prozent davon fielen 2019 auf die Herstellung von Stahl, so die Zahlen der Internatio­nalen Energieagentur. Der deutsche Stahlpro­du­zent Salzgitter Flachstahl will deshalb den Hochofen­be­trieb auf die Direktre­duk­tion mit Wasserstoff umstellen. Bei der Direktre­duk­tion werden Reduktions­gase, die den Sauerstoff aus dem Eisenerz herauslösen, im Gegensatz zur klassischen Hochofen­route, nicht über Kokskohle erzeugt. Stattdessen kommt Erdgas in einem speziellen Schachtofen zum Einsatz. Im nächsten Schritt wird der Produkti­ons­pro­zess auf die Nutzung von Wasserstoff aus Ökostrom anstatt Erdgas umgestellt. „Dieser Wechsel von der kohlenstoff­ba­sierten Metallurgie auf Wasserstoff und damit auf eine strombasierte Metallurgie erfordert noch die eine oder andere Entwicklungs­ar­beit, ist aber durchaus zu schaffen“, sagt Heinz Jörg Fuhrmann, Vorstands­vor­sit­zender der Salzgitter AG. 

Diese Arbeit erfolgt unter dem Dach des Projektes Salzgitter Low CO2 Steelmaking, kurz SALCOS. Anders als Ansätze mit Verwertung oder Endlagerung von Kohlenstoff zielt dieses Projekt auf die Kohlenstoff­ver­mei­dung. 2015 startete Salzgitter SALCOS und erstellte mit Forschern von Fraunhofer-Instituten eine Machbarkeits­stufe zur Umsetzung von drei Ausbausta­dien. So ist im ersten Ausbauschritt ab 2025 geplant, einen der drei Hochöfen durch eine flexible Direktre­du­ki­ons­an­lage (DRI) zu ersetzen, die den Sauerstoff aus dem Eisenerz mit sowohl Erdgas als auch Wasserstoff herauslösen kann. Das direktre­du­zierte Eisen bzw. der so entstehende Eisenschwamm lässt sich dann in einem Elektroofen einschmelzen oder den zwei verbleibenden Hochöfen zuführen.

Grüner Wasserstoff für Glühprozess 

Im August und September 2020 sollen auf Freiflächen im nördlichen Teil und außerhalb des Werksgeländes von Salzgitter sieben Windkraft-Anlagen mit 30 Megawatt Gesamtleis­tung errichtet werden. Zeitgleich wird in der Nähe der bestehenden Hochtempe­ratur-Elektroly­se­an­lagen eine 2,2 Megawatt starke PEM-Elektrolyse-Anlage (PEM = Protonen Exchange Membran) aufgebaut. Sie soll aus dem Windstrom Wasserstoff gewinnen. Die Inbetrieb­nahme der Windräder und der Elektrolyse-Anlage ist für Oktober geplant. „Theoretisch erzeugen die Windräder mehr Strom, als wir für die PEM benötigen. Da sie aber nicht permanent mit Maximalleis­tung laufen, haben wir die Kapazitäts­be­mes­sung darauf ausgerichtet, dass wir genug Wasserstoff produzieren können, um unseren gegenwär­tigen Bedarf in der Glüherei bedienen zu können“, erläutert Fuhrmann. Dort kommt bei Salzgitter Wasserstoff als Schutzgas vor Oxydation durch Luft und Sauerstoff zum Einsatz, um Feinbleche im Glühprozess auf die gewünschte Qualität zu bringen. 

Stufenweiser Umbau     

Für die Versorgung der geplanten Direktre­duk­ti­ons­an­lagen reicht die Wasserstoff­menge aus dem Projekt Windstrom, Fuhrmann zufolge bei weitem nicht aus. In der künftigen DRI-Eisenerz­re­duk­tion lasse sich der Anteil von Wasserstoff und Erdgas stufenlos regulieren. Hier zunächst komplett mit Erdgas zu starten, biete die Möglichkeit, sofort bis zu 25 Prozent Kohlendi­oxid einzusparen, so wie es die erste Ausbaustufe vorsieht. Ein stufenweises Absenken auf maximal 95 Prozent im Jahr 2050, sei nur mit einem Wasserstof­f­e­in­satz nahe 100 Prozent möglich. Dafür müssten die immensen erforder­li­chen Strommengen aus erneuerbaren Quellen zugekauft werden. 

Für die Umsetzung aller Ausbaustufen, also die Substitu­tion der drei Hochöfen durch drei Direktre­duk­ti­ons­an­lagen plus Elektroöfen samt der erforder­li­chen Infrastruktur für Material­trans­port und Bereitstel­lung des Wasserstoffs bis 2050, veranschlagt Salzgitter mehr als 3 Milliarden Euro. Um das zu finanzieren und operative Mehrkosten von 50 bis 60 Prozent für eine Tonne Stahl zu decken, sind Fördermög­lich­keiten in der Diskussion, wie der EU-Innovati­ons­fond, der sich aus dem Zertifika­te­handel speist, bis hin zu Grünstahl­quoten für Konsumgü­ter­pro­du­zenten oder gar Umlagen für die Endkunden von Stahlpro­dukten.

Enormer Ökostrom­be­darf

Auch in Schweden arbeiten der Stahlkon­zern SSAB, der Bergbaukon­zern LKAB und der Energiekon­zern Vattenfall seit 2016 im Gemeinschafts­pro­jekt Hybrit daran, Stahl mit Wasserstoff, statt mit Koks und Kohle herzustellen. Hybrit steht für Hydrogen Breakthrough Ironmaking Technology. Wird Hybrit erfolgreich umgesetzt, stellen die Projektpartner in Aussicht, dass die CO2-Emissionen in Schweden um bis zu zehn Prozent sinken. Im Juni 2018 startete auf dem Werksgelände von SSAB im schwedischen Lulea der Bau einer Pilotanlage. Sie soll laut Vattenfall in diesem Jahr eröffnet werden und eine Tonne Stahl pro Stunde herstellen. Zugleich sind in der Nähe auf dem Grundstück von LKAB 25 bis 35 Meter unter der Erde Wasserstoffspei­cher geplant. Ab 2025 wollen die Projektpartner die Pilot- und Speicher­an­lagen zu einer Demonstra­ti­ons­an­lage ausbauen. Ihr Ziel ist, 2035 grün produzierten Stahl im großen Maßstab anzubieten. Knackpunkt bei SALCOS und Hybrit ist neben den Umbaukosten der enorme Ökostrom­be­darf in der Grünstahl­her­stel­lung mit Wasserstoff. Benötigt etwa Salzgitter heute in der Stahlpro­duk­tion 1,4 TWh Strom im Jahr und erzeugt ihn mit Kuppelgasen selbst, müssen 2050 nach dem Umbau 12,4 TWh Ökostrom verfügbar sein, wenn der Stahl mit einen Gasgemisch aus 55 Prozent Wasserstoff und 45 Prozent Erdgas hergestellt werden soll, um die CO2-Emissionen des Werks um 85 Prozent zu senken. Das ist eine gigantische Herausfor­de­rung.