ULCOS: Revolution der Stahlproduktion mit ultra-niedrigen CO₂-Emissionen

Ultra-Low Carbon Dioxide Steelmaking – ULCOS

Der Klimawandel wurde von der weltweiten Stahlindustrie bereits seit mehr als zweieinhalb Jahrzehnten als große Umweltforderung identifiziert. Lange vor den Erkenntnissen des Weltklimarats (IPCC) 2007 erkannten große Stahlproduzenten, dass langfristige Lösungen nötig sind, um die bei der Stahlerzeugung entstehenden Kohlendioxidemissionen (CO₂) zu bekämpfen.

Daher war die Stahlindustrie hochproaktiv bei der Verbesserung des Energieverbrauchs und der Reduktion von Treibhausgasemissionen (THG).

Das für die Weltstahlindustrie relevante Treibhausgas ist Kohlendioxid (CO₂). Laut World Steel Association (WSA) werden durchschnittlich 1,8 Tonnen CO₂ pro Tonne erzeugtem Stahl emittiert. Nach der Internationalen Energieagentur (IEA) entfiel 2010 auf die Eisen- und Stahlindustrie ca. 6,7 % der weltweiten CO₂-Gesamtemissionen.

Status quo und Grenzen

Die CO₂-Emissionen pro Tonne Roheisen sind heute um rund 50 % niedriger, was zu einer drastischen Reduktion der Klimawirkung des Stahlsektors geführt hat. Die besten Stahlwerke operieren nun nahe den thermodynamischen Grenzen der aktuellen Stahlerzeugungstechnologien. Das bedeutet, dass Stahlproduzenten in ihrer Fähigkeit zur weiteren Verbesserung der Energieeffizienz begrenzt sind. Da die meisten großen Energieeinsparungen bereits realisiert wurden, sind zusätzliche große CO₂-Reduktionen mit aktuellen Technologien nicht möglich.

Eine weitere Verringerung der THG-Emissionen erforderte den Einsatz bahnbrechender Technologien. Die Reduktion der CO₂-Emissionen auf das Niveau, das Post-Kyoto-Politiken forderten, verlangte „Out-of-the-box“-Denken, da spezifische Herausforderungen aufgeworfen wurden. Einfache Prozesse standen nicht „off-the-shelf“ zur Verfügung. Tiefe Paradigmenwechsel in der Stahlproduktion mussten erdacht und die entsprechenden Durchbruchstechnologien entworfen und entwickelt werden. Die von Regierungen und internationalen Gremien geforderten Reduktionen erfordern die Erfindung und Implementierung radikal neuer Produktionstechnologien.

Das ULCOS-Programm

Dies ist der Hintergrund zur Schaffung des ULCOS-Programms (Ultra-Low CO₂ Steelmaking), einer kooperativen europäischen Forschungs- und Entwicklungsinitiative, die 2004 als Folge des Kyoto-Protokolls gestartet wurde. ULCOS sucht Wege, um weitere drastische CO₂-Reduktionen in der Stahlerzeugung zu erreichen. Das Hauptziel ist die Suche nach Durchbruchprozessrouten, die in Zukunft, wenn sie vollständig entwickelt sind, das Potenzial großer CO₂-Einschnitte bei der Stahlerzeugung aus Eisenerz demonstrieren können. Das Programm zielt darauf ab, die CO₂-Emissionen im Vergleich zu heutigen Produktionstechnologien um mindestens 50 % zu senken. Ein solch ehrgeiziges Ziel erfordert den Paradigmenwechsel in der Stahlerzeugung, der die Art und Weise verändern wird, wie Stahlwerke weltweit derzeit operieren. ULCOS ist Teil eines weltweiten Stahlindustrieprogramms, das darauf abzielt, Stahlerzeugungstechnologien mit substantiellem CO₂-Reduktionspotenzial zu identifizieren. Im Rahmen dieses Programms wird versucht, eine Antwort auf die nachhaltigste Art der Stahlerzeugung zu finden.

Die Mitglieder des ULCOS-Programms sind ein Konsortium von 48 europäischen Unternehmen und Organisationen aus 15 europäischen Ländern, einschließlich aller großen EU-Stahlunternehmen, Energie- und Engineering-Partner, Forschungsinstitute und Universitäten. Es wird auch von der Europäischen Kommission unterstützt. ULCOS ist ein europäisches Programm, doch es ist das größte Vorhaben der Stahlindustrie weltweit, das proaktiv Lösungen für die Bedrohung der globalen Erwärmung sucht. Die Expertise des Konsortiums reicht von der Stahlerzeugung über Biomasseproduktion und geologische CO₂-Speicherung bis hin zu Verfahrenstechnik, Energiewirtschaft und Vorausschau-Studien zum Klimawandel.

Heute ist ULCOS die größte Initiative der weltweiten Stahlindustrie, die proaktiv nach Lösungen für die globale Erwärmung sucht. Die ULCOS-Partner finanzieren 60 % des 75 Millionen EUR Budgets. Die Europäische Kommission trägt die restlichen 40 % über ihre RTD-Rahmenprogramme (Forschung und technologische Entwicklung) und RFCS-Programme (Research Fund Coal Steel) bei. Beide sind eingerichtet, um industrielle Forschung und technologische Entwicklung in Europa zu fördern.

Lösungswege für CO₂-arme Prozesse

Die aktuelle Stahlerzeugungstechnologie basiert auf Kohle (meist Kohlenstoff), Erdgas (Mix aus Kohlenstoff und Wasserstoff) und schrottbasierten Elektrolichtbogenöfen. Um CO₂-arme Prozessrouten zu identifizieren, gibt es drei Hauptlösungswege:

1. Abkehr von Kohle – Dekarbonisierung, wobei Kohlenstoff durch Wasserstoff oder Elektrizität ersetzt wird, in Prozessen wie Wasserstoffreduktion oder Elektrolyse von Eisenerz.
2. Einführung von CCS (Carbon Capture and Storage) und Mineralcarbonatisierungstechnologien.
3. Nutzung nachhaltiger Biomasse.

ULCOS ist ein großes Programm, sorgfältig konzipiert, um den langfristigen und komplexen Herausforderungen zu begegnen, denen sich die Stahlindustrie neben der Gesellschaft insgesamt stellt. Das ULCOS-Programm hat vier Phasen: (i) Prozesskonzeptbildung, (ii) Großdemonstration, (iii) Großversuch einer ersten kommerziellen Anlage, (iv) Technologieeinsatz in Europa und weltweit. ULCOS, das als Forschungsinitiative begann, hat sich nun in eine Demonstrationsinitiative verwandelt.

Seit dem Start 2004 wurde im ULCOS-Programm umfangreiche Forschung betrieben. Eine initiale Machbarkeitsstudie von vier bis fünf Jahren untersuchte über 80 Technologien/Konzeptrouten in der initialen Forschungsphase, mittels Modellierung und Laboransätzen zur Bewertung ihres Potenzials hinsichtlich CO₂-Emissionen, Energieverbrauch, Betriebskosten der Stahlerzeugung und Nachhaltigkeit. Mehrere Konzepte wurden parallel untersucht. Unter all diesen wurden folgende breite Familien von Prozessrouten im ULCOS-Programm für weitere Untersuchungen und eventualen Scale-up zur kommerziellen Umsetzung ausgewählt:

• Top Gas Recycling Blast Furnace (TGR-BF): Eine Hochofen-Variante, bei der das Topgas CO₂-abgetrennt wird und das verbleibende Reduktionsgas an der Basis des Reaktors wiedereingeblasen wird, der zudem mit reinem Sauerstoff statt Heißwind (Luft) betrieben wird. Der CO₂-reiche Gasstrom geht in die Speicherung (CCS-Technologie).
• HIsarna-Prozess: Ein Schmelzreduktionsprozess basierend auf der Kombination eines Heißzyklons und eines Badschmelzers, der Technologiemerkmale des HIsmelt-Prozesses integriert. Nutzt reinen Sauerstoff und erzeugt Abgas, das nahezu speicherfähig ist (CCS-Technologie).
• ULCORED: Ein Direktreduktionsprozess (DR), der DRI (Direct Reduced Iron) in einem Schachtofen erzeugt, entweder aus Erdgas oder Gas aus Kohlevergasung. Das Ofengas wird nach CO₂-Abscheidung in den Prozess zurückgeführt, verlässt die DR-Anlage als konzentrierter Strom und geht in die Speicherung (CCS-Technologie).
• ULCOWIN und ULCOLYSIS: Zwei Elektrolyse-Varianten. ULCOWIN arbeitet leicht über 100 °C in alkalischer wässriger Lösung mit kleinen Erzpartikeln (Elektrogewinnungsprozess). ULCOLYSIS arbeitet bei Stahlerzeugungstemperatur mit einem schmelzflüssigen Salzelektrolyten aus Schlacke (Pyro-Elektrolyse).
• Zwei weitere Optionen: (1) Nutzung von Wasserstoff für Direktreduktion, wenn und falls dieser ohne CO₂-Fußabdruck verfügbar ist. (2) Nutzung nachhaltiger Biomasse, deren erste Verkörperung Holzkohle aus nachhaltigen Eukalyptusplantagen in tropischen Ländern ist.

Der Einsatz von CCS und Mineralcarbonatisierung in neuen ULCOS-Technologien wurde ebenfalls bewertet. CCS wurde von Anfang an als leistungsstarke Lösung identifiziert. Bei der Mineralcarbonatisierung wurde festgestellt, dass sie nur moderate, wenngleich wichtige, Gesamtreduktionen bewirken kann.

Prozesse, die im ULCOS-Programm untersucht und entwickelt werden, sind in Abb. 1 dargestellt.

ULCOS hat nun vier Prozesskonzepte ausgewählt – die experimentell getestet wurden –, die zu einer Reduktion der CO₂-Emissionen um mehr als die Hälfte im Vergleich zu aktuellen Best Practices führen könnten. Diese Konzepte werden nun in der zweiten Phase des ULCOS-Projekts in funktionierenden Stahlwerken implementiert. Die Ergebnisse der Phase 2 könnten in 15 bis 20 Jahren in Produktionsanlagen ausgerollt werden. Die ausgewählten Prozesskonzepte sind: (i) Neukonstruktion des Hochofens zur Integration von CCS in den Kernprozess, (ii) Schmelzreduktion mit CCS-Fähigkeit, (iii) Massiver Einsatz von Erdgas mit CO₂-ärmeren Technologien als heute, (iv) Wasserstoff-Stahlerzeugung und Elektrolyse von Eisenerz.

Der TGR-BF erscheint als vielversprechendste Lösung im kürzeren Zeitrahmen, da bestehende Hochöfen auf die neue Technologie nachgerüstet werden können. Dies hält die umfangreichen Kapitalausgaben, die für den Wechsel zu Durchbruchstechnologien nötig sind, in gewissem Rahmen. Zudem liefert das Prinzip des Prozesses Energieeinsparungen, da die CO₂-Abscheidung und das Recycling des gereinigten Gases hochtemperaturige chemische Gleichgewichte (Boudouard-Reaktion) verschiebt und Koks und Kohle im Hochofen mit höherer Effizienz nutzt als im konventionellen Betrieb. Dies gleicht die zusätzlichen Kosten von Abscheidung und Speicherung teilweise aus. Das im TGR-BF angewendete Konzept ist die In-Prozess-CO₂-Abscheidung mit Sauerstoffbetrieb. Der Sauerstoffteil ähnelt Oxyfuel-Betrieb, ist aber nicht identisch. Der Recycling-Teil ist originell und der Hauptgrund für Energieeinsparungen und entsprechende Betriebskostensenkungen. Dieses Konzept wurde an einem großtechnischen Laborhochofen in Luleå, Schweden, mit positivem Ergebnis getestet.

Wo Erdgas verfügbar ist, ist der ULCORED-Prozessweg eine attraktive Option. Das auf ULCORED angewendete Konzept ähnelt dem des TGR-BF und umfasst ebenfalls den Einsatz von reinem Sauerstoff und In-Prozess-Recycling des Schacht-Topgases, zusätzlich zu weiteren Merkmalen wie einer Reihe von Shift-Reaktoren im Recyclingkreislauf. Zur Validierung dieses Konzepts ist ein 1-Tonnen-pro-Stunde-Pilot in Luleå in den kommenden Jahren durch LKAB, einen ULCOS-Partner, geplant.

Der entwickelte HIsarna-Prozess wird in den kommenden Jahren wahrscheinlich eine verfügbare Option für Greenfield-Stahlwerke. Der HIsarna-Prozess unterscheidet sich leicht von TGR-BF und ULCORED, da er keinen Recyclingkreislauf für das Gas vorsieht. Das Schmelzergas wird auf Zyklonebene oxidiert, wo neben Verbrennung zur Vorwärmung und Aufschmelzung des Erzes auch Reduktion stattfindet. Es gibt einen Gegenstrom des Gases gegen den Eisenstrom, in dem dessen chemische Energie vollständig ausgeschöpft wird. Ein 8-Tonnen-pro-Stunde-Pilot wurde im Rahmen des ULCOS-Programms errichtet und getestet. Die Pilotanlage startete im April 2011. In der ersten Kampagne wurde vom 18. April bis 11. Juni 2011 betrieben. Es gab vier Anläufe. Der erste war nicht erfolgreich, die anderen drei erfolgreich. Die erreichte Einspritzrate betrug 60 % der Kapazität. Verfügbare Betriebsdaten zeigten, dass der Prozess wie erwartet lief, aber mehr Betriebsstunden zur Bestätigung nötig sind. Die Betriebsstunden lagen unter Erwartung. Die zweite Kampagne startete am 16. Oktober 2012 und lief bis Ende November 2012.

Die Elektrolyseprozesse wurden im ULCOS-Programm von Grund auf neu entwickelt und operieren daher noch im Labormaßstab. Obwohl sie bei Zugang zu grüner Elektrizität Null-Emissionen versprechen, ist Zeit nötig, um sie auf kommerzielle Größe zu skalieren (10 bis 20 Jahre). Der ULCOWIN-Prozess besteht in der alkalischen Elektrolyse von Eisenerz. Elektrolyse wird häufig zur Herstellung anderer Metalle als Stahl verwendet und erfordert große Strommengen. Der Prozess wäre von einer CO₂-armen Stromquelle wie Wasser- oder Kernkraft abhängig. ULCOLYSIS ist die Schmelzoxid-Elektrolyse. Sie funktioniert durch Leitfähigkeit eines elektrischen Stroms durch geschmolzene, mit Eisenoxid beschickte Schlacke. Das Eisenoxid zerfällt in flüssiges Eisen und Sauerstoffgas. Kein CO₂ wird produziert. Prozessemissionen werden durch CO₂-arme Stromquelle weiter reduziert.

Bei der Wasserstoff-Stahlerzeugung wird Eisen bei hohen Temperaturen (über 1300 °C) und sehr kurzen Reaktionszeiten aus Eisenerz reduziert. Kein CO₂ wird emittiert, aber die Wasserstoffherstellung erfordert große Mengen CO₂-armer Elektrizität. Dieser Prozess kann auch mit niedrig-CO₂-Brennstoffen wie Erdgas betrieben werden.

Die Wasserstoff-Stahlerzeugung hängt stark von der Verfügbarkeit von grünem Wasserstoff ab, während der Einsatz von Holzkohle fernab der Anbauländer den Aufbau komplexer Logistik einschließlich schwerer Infrastruktur über mehrere Kontinente erfordern würde.

ULCOS ist eine langfristige Initiative der Stahlindustrie. Sie ist voller Versprechungen, aber auch Risiken und Fallen – eine Situation, die wahrscheinlich anderen Sektoren ähnlich ist. Risiken hängen mit der Komplexität des Themas zusammen, die die Entwicklung und Implementierung von Durchbruchstechnologien unter sehr knappen Zeitvorgaben fordert. Geduld, Unterstützung, Aufrichtigkeit und anhaltende Entschlossenheit sind nötig, damit dieses Programm zu einer erfolgreichen Initiative der Stahlindustrie wird und die meisten Zielvorgaben erreicht.