Mit der richtigen Technologie zu grünem Eisen und grünen Stahl

Technologien zur emissionsreduzierten Stahlerzeugung gibt es bereits. Anlagenbauer können sie schon heute in eine Vielzahl bestehender und zukünftiger Anlagen verbauen. Wie, was, wann und wo das geschehen kann, hängt allerdings von mehreren technologischen Faktoren ab. Welche das sind, erklären wir hier anhand mehrerer Beispiele aus der Praxis.

Die grüne Transformation der Stahlindustrie ist eher ein Marathon als ein Sprint. Bis Mitte des Jahrzehnts sollen erste Leuchtturmprojekte zeigen, dass eine kohlenstoffneutrale Stahlproduktion möglich ist. Doch aufgrund der langen Investitionszyklen für metallurgische Anlagen muss ein großer Teil der zukünftigen CO2-Einsparungen aus der Umrüstung bestehender Hüttenwerke stammen. Hier gibt es kein Patentrezept für die 'beste' Option.

Deshalb bieten Unternehmen wie die in Düsseldorf ansässige SMS group individuelle Lösungen für unterschiedliche Kundenszenarien. Ziel ist, lokale Bedingungen zu berücksichtigen. Dazu zählen die Qualität des Eisenerzes, die Energieinfrastruktur, die vorhandenen Anlagen sowie lokale Richtlinien und Vorschriften.

Alle drei großen Dekarbonisierungsrouten können die Emissionen reduzieren, indem sie Prozesslösungen in neue („Greenfield") oder bestehende („Brownfield") Stahlwerke integrieren. Zudem muss eine Infrastruktur für die Nutzung fossilfreier Energiequellen wie Wasserstoff, Biomasse oder Ökostrom errichtet werden. Darüber hinaus können zusätzliche Technologien zu Kohlenstoffabscheidung, -nutzung und -speicherung dazu dienen, auch die letzten Emissionen aus dem Verkehr zu ziehen.

Brownfield-Beispiel: Der Blaue Hochofen

Noch ist der integrierte primäre Hochofen (BF-BOF) die vorherrschende Technologie zur Produktion von Eisen und Stahl. Trotz der hohen CO2-Emissionen, die sich aus dem Einsatz großer Mengen Eisenerz mit meist geringem Eisengehalt und begrenzten Mengen von Schrott ergeben, bleibt die konventionelle Hochofentechnologie ein entscheidender Bestandteil des Eisen- und Stahlerzeugungsprozesses.

Nur durch die schrittweise Umrüstung solcher Anlagen lassen sich ihre Treibhausgasemissionen reduzieren. Wie das funktionieren kann, zeigt die SMS group mit der Brückentechnologie eines „blauen Hochofens". Sein zentrales Merkmal ist die Erzeugung von Synthesegas und dessen Einspeisung durch ein sogenanntes Bustle-Pipe im unteren Schachtbereich des Hochofens. Hieraus lässt sich laut SMS eine Emissionsreduzierung von bis zu 28 % erreichen. Synthese- oder Syngas besteht hauptsächlich aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff und dient als Reduktionsgas zur Verringerung der Eisenbelastung im Schacht.

Syngas kann auf verschiedene Weisen hergestellt werden. Ein Verfahren wurde erst kürzlich entwickelt: die „trockene Reformierung" von Kokereigas in Reformeröfen. Hierbei werden Gicht- und Kokereigas bei hoher Temperatur reformiert. Da hierbei nur die Abgase des Stahlwerks verwendet werden und dabei die Koks-Kohle ersetzen, besteht ein großes Potenzial zur CO2-Reduktion. Ein weiterer Weg zur Herstellung von Syngas ist die Reformierung von Erd- oder Kokereigas und Teer.

Das Engineering-Unternehmen Paul Wurth hat in Dillingen eine Pilotanlage bei der ROGESA Roheisengesellschaft Saar mbH getestet, bei der dieser 'trockene' Reformierungsprozess zum Einsatz kommt. Die ersten Betriebsmonate gelten als Beleg für die Machbarkeit des Verfahrens. Das qua trockener Reformierung erzeugte Synthesegas habe die optimale Zusammensetzung und Temperatur für den vielseitigen Verwendung als Reduktionsgas im BF-Prozess. Dabei übertreffe die Synthesegasqualität sogar die herkömmlicher katalytischer Reforming-Verfahren.

Brownfield-Beispiel: Upgrade mit EASyMelt

Das Emissionsreduktionspotenzial des 'Blauen Hochofens' will die SMS group durch das EASyMelt-Verfahren steigern. Diese elektrisch unterstützte Syngasschmelze soll als Alternative zur Direktreduktion die Lücke zwischen der Verfügbarkeit von Eisenerz und der Nachfrage nach grünem Stahl schließen.

Das elektrifizierte Direktreduktions- und Metallisierungsverfahren verendet eine geringe Menge Koks, um den hocherhitzten Dampf vollständig durch Gase wie Kokereigas, Erdgas, Wasserstoff oder Ammoniak zu ersetzen. Je nach Energieeinsatz sollen so Emissionseinsparungen von über 60 % im Vergleich zum herkömmlichen BF-BOF-Verfahren erzielt werden. Die verbleibenden Emissionen können auch hier durch den Einsatz von CCS (Carbon Capture and Storage) oder durch die Verwendung von Biomasse oder Biogas als Ausgangsstoff reduziert werden. Auf Basis bestehender Anlagen könnte EASyMelt zudem weniger CAPEX-intensiv als andere Technologien zur emissionsreduzierten Eisenerzeugung sein.

Das Verfahren verspricht eine höhere Resilienz gegen Versorgungsengpässe und kann an verschiedene Szenarien angepasst werden. Am wichtigsten ist jedoch, dass in EASyMelt weiterhin herkömmliches Sintermaterial verwendet werden kann, wodurch ein harter Wettbewerb um das begrenzte Angebot an (hochwertigen) Pellets vermieden wird. Genau wie der Blaue Hochofen soll auch EASyMelt in einem schrittweisen Ansatz realisiert werden, bei dem mehrere technologische Elemente zusammenwirken. Die zentralen Elemente sind die Schachtinjektion von Reduktionsgas, die plasmagestützte Überhitzung der Düseneinspritzung und schließlich das Auffangen der verbleibenden Emissionen zur Speicherung oder Nutzung.

Eisenproduktion mit der MIDREX-Technologie

Die im Portfolio von Paul Wurth befindlichen MIDREX-Direktreduktionsanlagen bieten drei Haupttechnologien zur Überbrückung des Übergangs von 100 % Erdgas zu 100 % Wasserstoff:

– Mit MIDREX NG können bis zu 30% des Erdgases durch Wasserstoff ersetzt werden, ohne dass die Anlagen verändert werden müssen.

– MIDREX Flex soll nach wenigen Modifikationen mit jeder beliebigen Mischung von Erdgas und Wasserstoff (bis zu 100 % Wasserstoff) arbeiten können

– MIDREX H2 ist für die Verwendung von bis zu 100% Wasserstoff in einem MIDREX-Schachtofen als Speisegas zu verwendbar

Greenfield-Beispiel: Direkte Reduktion in einen Elektrolichtbogen

Steht grüner Wasserstoff zu wettbewerbsfähigen Preisen in ausreichenden Mengen zur Verfügung, ist die Kombination von Direktreduktion und Elektrostahlerzeugung nach Meinung vieler Experten die beste Lösung.

Um eine Direktreduktionsanlage wettbewerbsfähig betreiben zu können, sind jedoch ausreichende Mengen von Erdgas oder grünem Strom erforderlich. Aus diesem Grund wurden beispielsweise im Nahen Osten, Nordafrika oder Nordamerika erdgasbasierte Direktreduktionsanlagen gebaut. Die vorreduzierten Eisenerzpellets werden in einem MIDREX-Schacht reduziert und dann als heißer DRI in einen Elektrolichtbogenofen geleitet. Im Lichtbogenofen wird das Material geschmolzen und flüssiger Stahl erzeugt. Es ist kein Zwischenschritt erforderlich, und – je nach verwendeter MIDREX-Technologie – nur eine geringfügige Aufkohlung, um den Stickstoffgehalt des Stahls zu reduzieren.

Durch die Umstellung von Erdgas auf grünen Wasserstoff besitzt diese Methode das größte Potenzial zur CO2-Reduktion. Der Kohlenstoffgehalt von kohlenstoffarmem bis kohlenstofffreiem DRI aus Wasserstoff-Reduktion kann im unteren Konus des Schachtofens, auch Kühlzone genannt, verändert werden. Auch Schrott kann dem EAF zugeführt werden, wobei lediglich die potenzielle Schrottkontamination und die Qualitätsanforderungen der nachgeschalteten Verarbeitungsstufen eine Obergrenze bilden. Dieser Weg ist besonders interessant für Greenfield-Projekte an neu errichteten Stahlwerksstandorten.

Ein Beispiel für die Anwendung dieser Technologie ist das H2-Green-Steel-Projekt im nordschwedischen Boden. Hier soll die Machbarkeit der Herstellung von hochwertigem DRI unter Verwendung von 100 % Wasserstoff nachgewiesen werden. Als erstes nahezu kohlenstoffneutrales Stahlwerk der Welt hat H2 Green Steel das Potenzial, den Weg hin zu einer nachhaltigeren Stahlindustrie beizutragen

Erfahren Sie mehr über die Möglichkeiten einer emissionsreduzierten Stahlproduktion und besuchen Sie vom 15.-19. April 2024 die wire and Tube in Düsseldorf! Hier können Sie unter anderem die SMS group, Paul Wurth und H2 Green Steel live erleben und mehr über den aktuellen Stand ihrer Dekarbonisierungsprojekte erfahren.

Quelle

think.steel 2, Essen 2023