CO2-arme Stahlherstellung: Wasserstoff statt Kohle

Stahl findet sich in vielen unserer Lebensbereiche wieder: Das veredelte Metall ist aus Bauwesen, Automobilindustrie und Maschinenbau nicht wegzudenken. Und auch Produkte, die nicht unmittelbar aus Stahl bestehen, sind von dem Material abhängig – durch die Maschinen, in denen sie produziert werden. Allein in Deutschland liegt der pro Kopf Bedarf bei rund 180 Kilogramm Stahl pro Jahr. Die Stahlproduktion ist nach wie vor stark durch den Energieträger Kohle geprägt und verursacht enorme Mengen an CO₂-Emissionen. Auch dieser Industriezweig muss die Emissionen senken – zunächst auf Basis von Erdgas, später dann auf Basis von neuen Gasen.

Deutschland ist der größte Stahlproduzent in Europa und die Nummer sieben weltweit. In 2024 produzieren die deutschen Hüttenwerke rund 37,2 Millionen Tonnen Rohstahl. Der Jahresumsatz liegt bei etwa 45,3 Milliarden Euro. Etwa 80.000 Menschen verdienen in der Stahlindustrie ihren Lebensunterhalt.

Ohne Frage, die Stahlproduktion in Deutschland ist eine Schlüsselindustrie. Neben der eigenen Sparte ist sie eng mit anderen Branchen verzahnt – allen voran mit der Automobilbranche und den Zulieferbetrieben, ebenso aber auch mit dem Maschinenbau, der letztlich die Grundlage für alle weiteren Produktionsbereiche bildet. Kurz: Ohne Stahl geht es nicht.

Der Hochofen – konventionelle Stahlproduktion

Die klassische Herstellung von Stahl erfolgt über die Hochofenroute. Eisenerz wird gemeinsam mit fast reinem Kohlenstoff (Koks) in den Hochofen geschichtet. Eisen (Fe₃O₄) liegt in der Natur nur in oxidierter Form vor. Um reines Eisen zu gewinnen, muss der Sauerstoff abgetrennt werden. Dafür sorgt der bei der Verbrennung von Koks entstehende Kohlenstoff – er bindet den im Eisenerz enthaltenen Sauerstoff. Das so entstehende Roheisen wird anschließend über beispielsweise das Elektrostahlverfahren zu Stahl weiterverarbeitet. Bei dem Prozess entsteht allerdings neben Roheisen auch CO₂.

In den vergangenen Jahren und Jahrzehnten haben die Stahlproduzenten diesen klassischen Produktionsprozess immer weiter optimiert. In der positiven Folge produziert Deutschland heute Stahl zu den weltweit besten Bedingungen. Durch neue Technologien, in denen neben Kohle auch Gas und Strom zum Einsatz kommen, reduzierte sich der Energieverbrauch in der Rohstahlherstellung von 1990 bis 2021 um 12 Prozent. Das allein sparte knapp 12 Prozent der CO₂-Emissionen der Branche ein. Aktuell nutzen die Stahlproduzenten pro Jahr 22 TWh beziehungsweise 2,1 Mrd. Kubikmeter Erdgas. Das klingt zunächst viel, deckt allerdings gerade einmal ein Zehntel des Energiebedarfs. 77 Prozent der benötigten Energie liefert nach wie vor Kohle.

Das Eindüsen von Wasserstoff als Reduktionsmittel in den Hochofen anstelle der bislang verwendeten Einblaskohle kann als weitere technische Optimierung die CO₂-Emissionen der Stahlindustrie im klassischen Herstellungsverfahren zusätzlich reduzieren. Technisch ist dadurch eine Senkung von bis zu 30 Prozent aller Industrie-Emissionen Deutschlands möglich. Ein wichtiger Schritt für die Transformation der Industrie, der jedoch für das Ziel der Netto-Treibhausgasneutralität nicht ausreicht. Die technischen Grenzen in der Optimierung der klassischen Produktionsverfahren sind zunehmend erreicht.

Der Weg zur Netto-Treibhausgasneutralität

Direktreduktion – die Zukunft der Stahlerzeugung

Um die Strahlproduktion in Deutschland bis zum Jahr 2045 klimaneutral zu gestalten, sind neue Produktionsprozesse nötig. Und auch möglich. Die Salzgitter AG zeigt mit dem SALCOS Projekt den Weg zur Transformation der Stahlbranche auf. Das Hüttenwerk Salzgitter verdeutlicht dabei noch einmal die Dimensionen des CO₂-Ausstoßes dieses Industriezweigs: Es verursacht aktuell rund 10 Prozent aller CO₂-Emissionen in Niedersachsen, was auf die Bundesebene umgerechnet rund einem Prozent aller deutschen CO₂-Emissionen entspricht. Dabei ist Salzgitter nur eines von sechs integrierten Hüttenwerken, die es in Deutschland gibt. Nach der Umsetzung des SALCOS Projekts soll sich der aktuelle CO₂-Ausstoß um mehr als 95 Prozent reduzieren.

Der Schlüssel, um dieses Einsparpotenzial zu öffnen, ist ein Fuel Switch, also die komplette Umstellung des Herstellungsprozesses, sodass der Stahl treibhausgasneutral produziert wird. Am Standort Salzgitter entsteht eine Anlage zur Direktreduktion, die zunächst mit Erdgas und schließlich mit Wasserstoff betrieben wird, der mit Hilfe erneuerbarer Energien produziert wurde.

Bei der Wasserstoffbasierten Direktreduktion – kurz: DRI für Direct Reduced Iron – werden Eisenerz-Pellets in einem Schaftofen gegeben. In diesem umströmt Wasserstoff (H₂) die Eisenerz-Pellets. Bei ausreichend zugeführter Energie, reagieren die Wasserstoffmoleküle mit dem enthaltenen Sauerstoff. Anstelle von CO₂, das beim konventionellen Stahlkochen entsteht, bildet sich bei der Direktreduktion H₂O, das als Wasserdampf entweicht.

Die Temperaturen in der Direktreduktionsanlage sind geringer als im Hochofen, es entsteht bei dem Prozess anstelle von flüssigem Roheisen ein fester Eisenschwamm. Dieser lässt sich im Elektrolichtbogenofen oder im klassischen Schmelzofen weiterverarbeiten.

Herstellung von klimaneutralem Stahl durch H2-Direktreduktion

Schritt für Schritt zu grünem Stahl

Die Transformation des Hüttenwerks Salzgitter verläuft bei vollem Betrieb des Werks ohne Reduzierung der Produktionsmenge oder der Stahlqualität in drei Ausbaustufen. Im Jahr 2026 soll neben einer ersten Direktreduktionsanlage zusätzlich ein Elektrolichtbogenofen und ein 100 MW Elektrolyseur zur Produktion von Wasserstoff mit Hilfe von erneuerbaren Energien entstehen. Die Salzgitter AG investiert dafür in den Standort rund zwei Milliarden Euro, wobei Bund und Land das Projekt mit rund einer Milliarde Euro fördern. Bereits die erste Ausbaustufe ermöglicht eine Reduktion des CO₂-Ausstoßes um 30 Prozent. In Ausbaustufe 2 bis Ende 2030 sollen die Emissionen um 50 Prozent und in Ausbaustufe 3 bis 2033 um 95 Prozent im Vergleich zu heute sinken.

Die Umstellung des Herstellungsprozesses ist aktuell die einzige Möglichkeit, die CO₂-Emissionen in der Stahlerzeugung deutlich zu senken. Für die Umstellung der gesamten Primärstahlroute in der Stahlproduktion Deutschlands auf CO₂-arme Verfahren fallen Studien zufolge Kosten von 10 Milliarden Euro bis 2030 und von weiteren 30 Milliarden Euro bis 2050 an.

Dabei ist zu berücksichtigen, dass bis zum Jahr 2030 ohnehin rund die Hälfte der deutschen Erzeugungskapazitäten das Ende ihrer Lebensdauer erreichen. Ein echter Quick-win, denn schnelle politische Entscheidungen vorausgesetzt bietet sich hier die Chance für eine klimafreundliche Modernisierung der Anlagen.

Sekundärstahlproduktion – Strom und Wasserstoff als Team

Der Werkstoff Stahl bietet den Vorteil, dass er sich ohne Qualitätsverlust immer wieder recyceln lässt. Recyclingstahl bietet daher eine wichtige zweite Option, CO₂-Emissionen der Stahlindustrie in der Herstellung zu reduzieren. Dabei wird in Elektrolichtbogenöfen Schrott mithilfe von Ökostrom geschmolzen. Aktuell werden 70 Prozent des in Deutschland produzierten Stahls als Primärstahl auf der Hochofenroute und 30 Prozent als Recyclingstahl auf der Elektrostahlroute produziert. Manche Werkstücke lassen sich aufgrund ihrer Form und Abmessung nicht elektrisch erhitzen. Bei der Weiterverarbeitung über Hochtemperaturprozesse wird dann Wasserstoff eine hohe Bedeutung erlangen.

Die Stahlindustrie als Treiber des Wasserstoffhochlaufs

Der Energiehunger der Stahlproduktion Deutschlands schafft einen Absatzmarkt für Wasserstoff und damit eine wichtige Voraussetzung für den Hochlauf der Wasserstoffwirtschaft. Je nach Berechnung wird die Primärstahlerzeugung mithilfe der Direktreduktion einen Anteil von 20 bis 40 Prozent des deutschen Wasserstoffbedarfs im Jahr 2030 und von 10 bis 20 Prozent im Jahr 2050 erreichen. Somit ist die Stahlbranche ein wichtiger Faktor beim Aufbau neuer Wasserstoffmärkte und der damit verbundenen notwendigen Infrastruktur.

Um die Transformation der deutschen Wirtschaft hin zur Netto-Treibhausgasneutralität umzusetzen, ist für die Produzenten eine sichere und ausreichende Versorgung mit Energie unverzichtbar. Bereits die Direktreduktion von Eisenerz mithilfe des wasserstoffreichen Erdgases (CH₄) kann die CO₂-Emissionen der Stahlindustrie um zwei Drittel senken. Daher ist die Verfahrensumstellung von Koks auf Erdgas ein sinnvoller Zwischenschritt, bis Wasserstoff, der im Elektrolyseverfahren mit Hilfe von erneuerbaren Energien erzeugt wurde, in ausreichendem Maße zur treibhausgasneutralen Herstellung von Stahl zur Verfügung steht.

Grüner Wasserstoff

Aus erneuerbarem Strom wird durch Elektrolyse grüner H₂.

Grüner H2

Die Anwendungsmöglichkeiten von H2 sind vielfältig

H2-Verwendung

Die Einsatzbereiche von Wasserstoff sind sehr vielfältig.

Nutzung

Blauer Wassertoff unterstützt die Dekarbonisierung der Industrie.

Dampf-Reformierung

Aktuell das wirtschaftlichste Verfahren für die Industrie.

Blauer H2