Stahl zu machen ist ein unglaublich schmutziges Geschäft. Jede produzierte Tonne verursacht etwa 2 Tonnen Kohlendioxid. Da die Industrie jedes Jahr etwa 2 Milliarden Tonnen Stahl herstellt, geht eine Menge CO2 in die Atmosphäre – tatsächlich etwa 7 % aller globalen Emissionen. Das macht die Suche nach Wegen zur Herstellung von grünem Stahl für die Kontrolle der globalen Erwärmung von entscheidender Bedeutung.
Das Problem ist, die traditionelle Art der Stahlherstellung – das Erhitzen von Eisen in einem Hochofen – gibt es schon seit Jahrhunderten. Es verbraucht viel Energie sowohl zum Erhitzen des Ofeninhalts als auch zum Umwandeln von Kohle in Koks, der dann mit Eisenerz zu Roheisenbarren reagiert. Ein Teil dieser Energie stammt aus Strom, ein Großteil jedoch aus der Verbrennung von Methan, das oft fälschlicherweise als „Erdgas“ bezeichnet wird.
ArcelorMittal ist einer der größten Stahlhersteller der Welt. Es versucht, die Kohlenstoffemissionen bei der Stahlherstellung zu senken, indem es den Koks durch grünen Wasserstoff ersetzt. Dadurch werden die erheblichen Emissionen aus der Koksherstellung eliminiert, aber für den Rest des Prozesses werden immer noch enorme Mengen an Strom benötigt.
RWE, einer der größten Stromerzeuger in Deutschland, und ArcelorMittal unterzeichneten ein Abkommen Memorandum des Verstehens in dieser Woche. Gemäß der Vereinbarung werden sie zusammenarbeiten, um Offshore-Windparks und Wasserstoffanlagen zu entwickeln, zu bauen und zu betreiben, die erneuerbare Energie und grünen Wasserstoff liefern, die für die Herstellung von emissionsarmem Stahl in Deutschland erforderlich sind. An den Stahlstandorten von ArcelorMittal in Deutschland soll Kohle durch Windkraft und grünen Wasserstoff als Hauptenergieträger in der Stahlproduktion ersetzt werden.
Reiner Blaschek, CEO von ArcelorMittal Deutschland, sagt: „ArcelorMittal Deutschland steht vor einem radikalen Wandel, um sicherzustellen, dass wir unsere CO2-Reduktionsziele erreichen, was bedeutet, dass die zur Stahlherstellung verwendete Energie saubere Energie sein muss. Die heute angekündigte Partnerschaft mit RWE ist aus mehreren Gründen bedeutsam. Es wird uns den erneuerbaren, erschwinglichen Strom und grünen Wasserstoff liefern, den wir benötigen, um emissionsarmen Stahl zu produzieren und gleichzeitig auf einem globalen Markt wettbewerbsfähig zu bleiben. Es bietet auch wichtige Sicherheit in der Lieferkette, indem es die Versorgung mit Energie und Wasserstoff in unser Geschäft integriert.“ Die neuen Offshore-Windparks werden in der Nordsee errichtet.
Boston Metal überspringt den grünen Wasserstoffschritt
Boston Metal ist ein Ableger des MIT mit Sitz in Woburn, Massachusetts. Im Gegensatz zu den meisten Stahlherstellern möchte es den Schritt des grünen Wasserstoffs überspringen und direkt zur Herstellung von kohlenstofffreiem Stahl übergehen, indem es das so genannte Schmelzoxid-Elektrolyseverfahren verwendet, das Elektrizität verwendet, um Sauerstoff aus Eisenerz zu trennen, ein kritischer Schritt im Stahlproduktionsprozess. „Der Vorteil, den wir haben, ist, dass es sich um einen einstufigen Prozess handelt, der die Stahlproduktion direkt elektrifiziert“, sagt Adam Rauwerdink, Vice President of Business Development bei Boston Metal Kanarische Medien.
„Man merkt nicht, wenn man sich in seiner Landschaft umschaut, wie eingebettet und verwurzelt sie ist [steel] ist in der Gesellschaft“, sagte Chathurika Gamage, Climate Intelligence Manager bei der gemeinnützigen Forschungsorganisation RMI. ”Alles, was wir machen, die Gebäude, in denen wir uns befinden – es verleiht all diesen Räumen buchstäblich strukturelle Stabilität.”
„Dekarbonisierung der Eisen- und Stahlindustrie bedeutet im Grunde die Dekarbonisierung des Hochofens“, sagt Zhiyuan Fan, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Center on Global Energy Policy an der Columbia University. „Wenn Sie den Hochofen lösen [issue]die Hälfte Ihres Problems ist weg.“
Fan’s Team bei Columbia veröffentlichte a letztes Jahr studieren mehrere Strategien zur Dekarbonisierung von Stahl verglichen und herausgefunden, dass die Elektrifizierung der Schlüssel zur Vermeidung von Emissionen ist. Je mehr der Prozess sauberen Strom nutzen kann, anstatt Kohle und andere fossile Brennstoffe zu verbrennen, desto einfacher wird es, Emissionen zu reduzieren. „Wir wissen besser, wie man das Netz dekarbonisiert, als wir wissen, wie man einen Hochofen dekarbonisiert“, fügt Fan hinzu.
„Vor zehn oder 20 Jahren war das Netz nicht sauber, also machte es keinen Sinn, und es gab keine Nachfrage nach einer umweltfreundlicheren Version von Stahl, aber jetzt ist beides verfügbar“, sagt Rauwerdink.
Senkung der Kosten für die Stahlherstellung
Etwas in einem Labor zu tun ist alles sehr schön, aber die Technologie skalieren zu können, um Millionen Tonnen grünen Stahls herzustellen, ist etwas ganz anderes. Boston Metal glaubt, die Antwort zu haben.
Die Elektrolyse ist seit über 100 Jahren ein wichtiger Bestandteil der Aluminiumherstellung. Das Schmelzoxid-Elektrolyseverfahren von Boston Metal wendet diese Technik auf Eisen an, das höhere Temperaturen erfordert. Die Aluminiumelektrolyse findet bei Temperaturen knapp unter 1.000 Grad Celsius statt, während die Eisenelektrolyse etwa 1.600 °C erfordert, eine Temperatur, die weitaus heißer ist als geschmolzene Lava.
Zunächst wird das Eisenerz mit aus Strom erzeugter Wärme geschmolzen. Dann wird es in eine Zelle gelegt, die fast wie eine riesige Batterie aufgebaut ist. Oben sorgt eine Anode für elektrische Ladung. Unten nimmt eine Kathode die elektrische Ladung auf. Dazwischen fließt die Charge durch einen Elektrolyten, der in diesem Fall ein Brühbad aus geschmolzenen Materialien ist. Der Elektrolyt enthält eine Vielzahl an Sauerstoff gebundener Elemente, darunter Aluminium, Silizium und Kalzium.
Laut Boston Metal funktioniert das Verfahren sogar mit minderwertigem Eisenerz, das billiger und reichlich vorhanden ist als höherwertiges Erz mit weniger Verunreinigungen. „Einige der anderen Technologien, die entwickelt werden [to manufacture] Grünstahl braucht die Super-Premium-Qualitäten der Erze“, sagt Rauwerdink. ”Wir können von all den viel häufiger vorkommenden Erzqualitäten profitieren, was der Schlüssel zum langfristigen Wachstum der Technologie ist.”
Ein weiterer Vorteil der Elektrolyse von geschmolzenen Oxiden im Vergleich zur direkten Reduktion von Eisen ist ihre Effizienz. Durch das Weglassen des Wasserstoffschritts leitet MOE Energie direkt in die Stahlproduktion ein und beseitigt Zwischenstufen, in denen Energie verloren gehen kann. MOE erfordert höhere Temperaturen als die wasserstoffbasierte Produktion, was sich auf die Vorteile auswirkt, aber selbst wenn man dies berücksichtigt, ist MOE immer noch effizienter.
Fan, der Experte für grünen Stahl bei Columbia, schätzt, dass die Herstellung von grünem Stahl mit grünem Wasserstoff mindestens 30 % mehr Energie erfordert als MOE – und möglicherweise sogar 50 % bis 60 % mehr. „Indem Sie diese verschiedenen Prozesse überspringen, können Sie tatsächlich viele Effizienzsteigerungen erzielen“, sagt er.
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Der Weg zur Skalierung
Eine kommerzielle Anlage kann mehrere Millionen Tonnen Stahl pro Jahr produzieren. Die erste Demonstrationszelle von Boston Metal wird im Dauerbetrieb weniger als 100 Tonnen Stahl pro Jahr produzieren, das Unternehmen hat also noch einen langen Weg vor sich. „Es geht nur darum, diese Zellen zu aggregieren, und so liegt der Beweis im Pudding, wie viel das skalieren kann“, sagte Gamage von RMI.
Skalierbarkeit ist im Stahlgeschäft wichtig, aber auch die Möglichkeit, bereits gebaute kapitalintensive Systeme zu nutzen. Grüner Wasserstoff hat an dieser Front einen Vorteil, da er mit dem Eisen-Direktreduktionsprozess kompatibel ist, der bereits im kommerziellen Maßstab mit Erdgas eingesetzt wird. Es ist relativ einfach, das Erdgas gegen Wasserstoff auszutauschen. Aus diesem Grund haben sich große Stahlhersteller wie SSAB und ArcelorMittal bei ihren kurzfristigen Plänen auf grünen Wasserstoff konzentriert.
“Wir sind hier auf der Uhr”, sagte Fan. ”Wenn wir bis 2050 vollständig dekarbonisieren wollen, müssen wir über den Austausch von Produktionseinheiten in den nächsten 10 oder 20 Jahren nachdenken. Wenn MOE zu diesem Zeitpunkt nicht im Handel erhältlich ist, hat es das Zeitfenster knapp verfehlt.”
Boston Metal arbeitet an seinem Hauptsitz in Woburn, Massachusetts, an einer größeren Demonstrationszelle, die mehrere hundert Tonnen Stahl pro Jahr herstellen kann. Sobald das Design perfektioniert ist, können mehrere Zellen in derselben Anlage gebaut und dann möglicherweise zu Hunderten aneinandergereiht werden, ein Design, das in Aluminiumhütten üblich ist.
„Da es sich um eine modulare Technologie handelt, ist der Weg zur Skalierung recht schnell“, sagt Rauwerdink. ”Es ist, als hätte man eine Windkraftanlage und demonstriert fünf Turbinen, und wenn das erfolgreich ist, baut man 100 oder 200 für eine kommerzielle Anlage. Bei uns ist es der gleiche Ansatz. Wir müssen dann nicht zurückgehen und eine 100-mal größere Zelle neu entwerfen.“
Die Notwendigkeit für emissionsfreien Strom
Die Technologie von Boston Metal wird Strom benötigen, der aus kohlenstoffarmen Quellen erzeugt wird, um die Kohlenstoffemissionen der Stahlherstellung zu senken. „Die Zukunft der Stahlerzeugung hängt wirklich von einer sauberen Elektrifizierung ab“, sagte Gamage.
Stahlherstellungsanlagen sind in der Regel monatelang in Betrieb, und die Änderung der chemischen Zusammensetzung von Metall erfordert von Natur aus viel Energie. Wenn der Prozess also elektrifiziert wird, wird eine immense Menge Strom benötigt. Boston Metal sagt, dass seine Technologie 4 Megawattstunden Strom verbraucht, um 1 Tonne Stahl zu produzieren. Das reicht aus, um ein durchschnittliches US-Haus mehr als vier Monate lang mit Strom zu versorgen.
Laut kolumbianischer Forschung zur Dekarbonisierung von Stahl würde der Ersatz aller Hochöfen der Welt durch MOE-Fertigungsverfahren eine Energiemenge erfordern, die fast 20 % des weltweiten Stromverbrauchs im Jahr 2018 entspricht. Das bedeutet, dass die Stahlindustrie zu einem der größten Stromverbraucher werden würde auf dem Planeten.
Aber der Ersatz der gesamten Stahlproduktion durch wasserstoffbetriebene Direktreduktion von Eisen könnte noch mehr Strom erfordern. Das bedeutet, dass es keine Möglichkeit gibt, die Klimaauswirkungen von Stahl anzugehen, ohne eine enorme Menge an sauberer Stromerzeugung zu installieren und sicherzustellen, dass das Netz bereit ist, all diesen zusätzlichen Strom zuverlässig zu transportieren.
„Sie werden das Netz in einem Maße verstärken müssen, das die Versorgungsunternehmen und die Netzbetreiber nicht geplant haben“, sagte Thomas Koch Blank, Senior Principal im Breakthrough Technology Program von RMI. Und es müsste auf einer „Zeitachse von 10 bis 15 Jahren“ erfolgen.
Manchmal wird die Entwicklung neuer Technologien zur Dekarbonisierung als Widerspruch zum Einsatz etablierter Lösungen wie erneuerbare Energien angesehen, aber in vielen Fällen sind diese Herausforderungen ein und dieselben. Grüner Stahl ist ein Paradebeispiel.
“Für uns oder für grünen Wasserstoff brauchen Sie sauberen Strom”, sagte Rauwerdink, ”daher ermöglicht die ganze Arbeit zur Reinigung des Stromnetzes Lösungen wie unsere.”
Da die Nachfrage nach grünem Stahl wächst, werden mehrere Lösungen benötigt, um den weltweiten Appetit auf Stahl zu stillen, ohne die Atmosphäre oder das Stromnetz zu überlasten. Koch Blank betont, dass sowohl die Elektrolyse von geschmolzenen Oxiden als auch die wasserstoffbetriebene Direktreduktion von Eisen vielversprechend für die Dekarbonisierung der Stahlindustrie sind und es wert sind, weiterverfolgt zu werden. „Letztendlich wäre ich überrascht, wenn auf dem Markt nicht genügend Platz für beide Technologien vorhanden wäre“, sagte er.
Das wegnehmen
Grüner Wasserstoff erhält in letzter Zeit viel Aufmerksamkeit in der Presse, weil er Wege verspricht, die CO2-Emissionen aus industriellen Prozessen wie der Stahl- und Zementherstellung erheblich zu reduzieren. Aber es ist völlig abhängig vom Zugang zu sauberem, zuverlässigem und erschwinglichem Strom. Der Weg hin zu emissionsfreien Baumaterialien ist klar, aber um dorthin zu gelangen, ist ein umfassendes Umdenken in Bezug auf erneuerbare Energien und deren Verteilung durch das Stromnetz in jedem Land erforderlich.
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