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02.07.2019 | Anlagenbau | Im Fokus | Onlineartikel

Wasserstoff erobert die Stahlproduktion

Autor:
Dieter Beste

Während der Messe Metec Ende Juni in Düsseldorf zeichnete sich ab, dass bei der Direktreduktion von Eisenerz in Zukunft Wasserstoff genutzt werden wird. Die CO2-Emissionen der Stahlproduktion können damit drastisch gesenkt werden.


Um CO2-Emissionen dauerhaft zu senken, hat etwa ArcelorMittal eine Strategie für emissionsarme Technologien entwickelt, die neben der Umwandlung von CO2-Emissionen und der Verwendung von alternativen Einsatzstoffen auch die direkte Vermeidung von Kohlenstoff (Carbon Direct Avoidance, kurz CDA) zum Ziel hat. Noch in diesem Jahr will der Konzern ein neues Projekt im Hamburger ArcelorMittal-Werk starten, um Wasserstoff großtechnisch bei der Direktreduktion von Eisenerz einzusetzen. Eine Pilotanlage soll in den kommenden Jahren errichtet werden.

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Bereits heute betreibe das Hamburger Werk eine Direktreduktionsanlage unter Nutzung von Erdgas, heißt es in einer Unternehmensmitteilung. Ziel des neuen wasserstoffbasierten Verfahrens sei es nun, Stahl mit äußerst geringen CO2-Emissionen herstellen zu können. In dem Verfahren soll die Abtrennung von H2 mit einer Reinheit von mehr als 95 Prozent aus dem Gichtgas der Bestandsanlage durch so genannte Druckwechseladsorption erreicht werden. Das Verfahren wird zunächst mit grauem Wasserstoff (erzeugt bei Gastrennung) geprüft, um einen wirtschaftlichen Betrieb zu ermöglichen. In Zukunft soll die Anlage mit grünem Wasserstoff (erzeugt aus regenerativen Quellen) betrieben werden, wenn dieser in ausreichenden Mengen zur Verfügung steht.

Verschiedene Verfahren dienen der Erzeugung von Rohstahl:
Hochofenprozess Reduktion der Eisenerze durch das CO-Gas des verbrennenden Kokses mit Zusatz von Kohle, Öl und Kunststoffabfällen. Hauptverfahren zur Roheisenerzeugung, Leistung 10.000 t/24h.
Direktreduktion: Reduktion von aufbereiteten Erzen in Schachtöfen mit einem meist außerhalb erzeugten Reduktionsgas aus CO und H2 bei niedrigen Temperaturen zu Eisenschwamm mit Fe-Gehalten von < 95 %. Leistung ca. 100 t/24h. Wegen der geringeren Leistung der Anlagen ist der Anteil an der Roheisenerzeugung gering. Verwendung z. B. für Sintereisenpulver." Wolfgang Weißbach, Michael Dahms und Christoph Jaroschek, "Werkstoffe und ihre Anwendungen", Seite 134.

Im Rahmen einer Kooperation mit der Universität Freiberg will AcelorMittal die wasserstoffbasierte Reduktion von Eisenerz in den kommenden Jahren auf dem Hamburger Werksgelände testen. – Im Demonstrationsmaßstab mit einer Jahresproduktion von 100 000 Tonnen.

Grüne Wasserstoffproduktion

Die CO2-Bilanz der Stahlindustrie zu verbessern, treibt auch den Anlagenbauer SMS group um, der als Entwicklungspartner entlang der gesamten Wertschöpfungskette der Stahlindustrie tätig ist. Um mittelfristig die CO2-Emissionen zu minimieren und langfristig zu vermeiden, hat sich das Unternehmen unter anderem über eine strategische Beteiligung an der Sunfire GmbH die technologische Partnerschaft mit dem Entwickler und Hersteller eines hocheffizienten Verfahrens zur Produktion von grünem Wasserstoff gesichert. Für die SMS-Tochtergesellschaft Paul Wurth sei diese Partnerschaft ein wesentlicher Schritt auf dem Weg hin zu grüner Stahlerzeugung – und wohl auch eine Möglichkeit, in den wachsenden Markt für e-Fuels einzutreten, gab das Unternehmen in Düsseldorf bekannt.

Wasserstoff im Hochofen zur CO2-Minderung

Schon im Mai hatten Dillinger und Saarstahl angekündigt, auf Wasserstoff zur CO2-Emissionsminderung in den beiden Hochöfen der Rogesa Roheisengesellschaft Saar am Standort Dillingen zu setzen. "Wir als große Stahlproduzenten an der Saar bekennen uns zu den CO2-Minderungszielen und schaffen mit dieser zukunftsweisenden Investition die technische Voraussetzung für zukünftige wasserstoffbasierte Weiterentwicklungen zur CO2-Vermeidung", sagt Martin Baues, technischer Vorstand von Dillinger und Saarstahl. Schon seit längerer Zeit werde im Unternehmen intensiv an Verfahren mit dem Ziel der CO2-armen Stahlproduktion geforscht. Unter anderen seien umfangreiche Untersuchungen und Pilotanlagenversuche zum Einsatz von wasserstoffreichem Kuppelgas im Hochofen realisiert und großtechnische Konzepte daraus hergeleitet worden.

Geplant ist nun der Bau eines neuartigen Systems, um eine Teilmenge des innerhalb des integrierten Hüttenwerkes entstehenden wasserstoffreichen Kuppelgases (Koksgas) in den Hochofen einzubringen. Diese Maßnahme führe dazu, den Kohlenstoff als Reduktionsmittel durch den Wasserstoff zu verdrängen, um eine deutliche CO2-Minderung zu erreichen. Die Bauarbeiten und die Errichtung der zugehörigen Infrastruktur sollen weitgehend im laufenden Betrieb ausgeführt werden, sodass diese Maßnahme voraussichtlich bereits im kommenden Jahr an den beiden Hochöfen umgesetzt werden könne.

GrInHy2.0: Entwicklungsschritte zur Dampf-Elektrolyse

Unterdessen setzen die Unternehmen Salzgitter Flachstahl und Sunfire mit dem Projekt GrInHy2.0 eine Kooperation fort, die im März 2016 begann. In diesem unter anderem von der EU mit Mitteln aus den "Horizon 2020"-Programm geförderten Projekt geht es unter der Gesamtkoordination der Salzgitter Mannesmann Forschung und in Zusammenarbeit mit internationalen Partnern darum, künftig Wasserstoff für die Prozesse des integrierten Hüttenwerks der Salzgitter Flachstahl bereitzustellen. Zentrales Element ist die Dampf-Elektrolyse bzw. Hochtemperatur-Elektrolyse der Sunfire GmbH. Die Elektrolysezellen der Anlage bestehen aus zwei Elektroden und einem Festoxid-Elektrolyten. Mit Strom wird 150 °C heißer Dampf – bevorzugt aus Abwärmequellen der Stahlerzeugung – elektrochemisch in molekularen Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt.

Im Vergleich zum Vorgängerprojekt soll in GrInHy2.0 der elektrische Wirkungsgrad von ca. 78 % (bezogen auf den Heizwert) auf mindestens 84 % gesteigert werden. Gleichzeitig erfährt die Elektrolyse eine deutliche Leistungssteigerung von zuvor 150 kWel auf 720 kWel. Ab Mitte 2020 wird die Anlage damit im nominalen Betrieb stündlich 200 Normkubikmeter Wasserstoff produzieren können. Gemessen wird der Erfolg des Projekts an der Mindestbetriebslaufzeit von 13.000 Stunden im Rahmen der vierjährigen Projektlaufzeit. Während des Betriebes sollen mindestens 100 Tonnen Wasserstoff auf Basis von erneuerbarem Strom erzeugt werden.

Wasserstoff für Glüh- und Reduktionsprozesse

Um den Wasserstoff auch in den Glühprozessen der heutigen Stahlveredelung einzusetzen, muss dieser die Qualität 3.8 (>99,98 % Wasserstoff) einhalten, heißt es in einer Verlautbarung der Salzgitter AG. Um das zu erreichen wird der gesättigte Wasserstoff zunächst auf bis zu 10 bar komprimiert und anschließend über eine Druckwechseladsorptionsanlage getrocknet.

Um Wasserstoff als Reduktionsmittel in der Stahlherstellung zu nutzen, verfolgt der Salzgitter-Konzern zusammen mit dem Technologie-Dienstleister Tenova das Konzept "Salzgitter Low CO2 Steelmaking (Salcos)". Ziel dieser Entwicklung ist es ebenfalls, mit grünem Wasserstoff den bislang für die Verhüttung von Eisenerzen erforderlichen Kohlenstoff zu ersetzen.


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