Wasserstoffgetriebene Dekarbonisierung der Stahlproduktion: Ein Pfad zur nachhaltigen Industrie

Wasserstoff und Dekarbonisierung der Stahlproduktion

Die Haupttreiber für eine nachhaltige Energiezukunft drehen sich um die Notwendigkeit, (i) globale Kohlendioxid (CO₂)-Emissionen zu reduzieren und die Luftqualität zu verbessern, (ii) die Sicherheit der Energieversorgung zu gewährleisten und sich nachhaltigen Energiequellen zuzuwenden, und (iii) eine neue industrielle und technologische Energiebasis zu schaffen, die für die zukünftige Wirtschaft entscheidend ist. Alle modernen Bewertungen globaler Energiezukünfte gehen davon aus, dass das Wachstum der Nachfrage zunehmend durch einen vielfältigen Energiemix gedeckt werden muss, der erneuerbare oder nachhaltige Energiequellen einschließt.

Das Wachstum greifbarer Umweltbedenken stellt eine der wichtigsten Triebkräfte für eine nachhaltige Energieentwicklung dar. Voran geht dabei die Frage der Freisetzung und Anreicherung von CO₂ und anderen klimaverändernden Gasen in der Atmosphäre. Diese Emissionen sind mittlerweile unbestritten weit über dem vorindustriellen Niveau und gelten als verantwortlich für die Erhöhung der globalen (durchschnittlichen) Temperatur durch den Treibhauseffekt. Wenn nicht drastische Reduktionen der in die Umwelt durch verschiedene Aktivitäten freigesetzten CO₂-Mengen erfolgen, drohen potenziell katastrophale Folgen für das globale Klima. Solche Bedenken transformieren zweifellos die Art und Weise, wie Energie und ihre Träger bewertet und genutzt werden, und verschieben das Gleichgewicht weg von der traditionellen Kohlenwasserstoffbasis hin zu erneuerbaren oder nachhaltigen Energiequellen.

Wasserstoff ist ein attraktiver alternativer Brennstoff. Im Gegensatz zu Kohle, Gas oder Öl ist er jedoch keine Primärenergiequelle. Vielmehr spiegelt seine Rolle eher die von Elektrizität als sekundärer „Energieträger“ wider, der zunächst unter Einsatz von Energie aus einer anderen Quelle produziert und dann für den zukünftigen Transport gespeichert wird, wo seine latente chemische Energie vollständig realisiert werden kann.

Wasserstoff verspricht eine wahrhaft nachhaltige globale Energiezukunft. Das Interesse an Wasserstoff als Weg zur Bereitstellung von Energiedienstleistungen ist in den letzten Jahren als Reaktion auf die zunehmenden Bedenken über die Umweltauswirkungen der Energienutzung und Sorgen um die Sicherheit fossiler Brennstoffvorräte gewachsen. Wasserstoff ist ein bekannter, vielseitiger und sauberer Energieträger, der in der Industrie weit verbreitet ist. Die meisten mit Wasserstoff verbundenen Technologien haben eine lange Geschichte. Der industrielle Erfolgsnachweis bei der Verwendung von Wasserstoff sowie die gegenwärtige Nutzung für verschiedene Anwendungen demonstrieren seine Sicherheit. Wasserstoff bietet mehrere Optionen für Produktion, Verteilung und Nutzung. Seine gegenwärtige Nutzung kann sicher auf andere Anwendungen ausgeweitet werden.

Wasserstoff als universeller Energieträger

Wasserstoff als Energieträger kann prinzipiell alle heute genutzten Formen von Endenergie ersetzen. Er kann allen Wirtschaftssektoren Energiedienstleistungen bieten. Er hat potenzielle Umweltvorteile gegenüber fossilen Brennstoffen. Am Verwendungsort kann Wasserstoff so verbrannt werden, dass keine schädlichen Emissionen entstehen. Wenn Wasserstoff ohne CO₂-Emissionen produziert wird, kann er die Basis eines wahrhaft nachhaltigen Energiesystems bilden, bekannt als Wasserstoffwirtschaft.

Wasserstoff hat Zyklen hoher Erwartungen gefolgt von unpraktischen Realitäten erlebt. Der Preisverfall bei erneuerbaren Energien und strenge regulatorische Anforderungen aufgrund des Klimawandels führen zu dem Paradigmenwechsel, der derzeit weltweit von der Kohlenstoffwirtschaft zur Wasserstoffwirtschaft stattfindet. Der Übergang zur Wasserstoffwirtschaft wird jedoch nicht über Nacht geschehen, da er eine engagierte Strategie und Anstrengungen erfordert.

Wasserstoff ist das erste Element im Periodensystem. Er ist das leichteste, häufigste und eines der ältesten chemischen Elemente im Universum. Auf der Erde findet man Wasserstoff in komplexeren Molekülen wie Wasser oder Kohlenwasserstoffen. Für die Nutzung in reiner Form muss Wasserstoff extrahiert werden. Eine Wasserstoffflamme ist farb- und geruchlos. Sie benötigt die Zugabe von Farb- und Odorstoffen, um sichtbar und detektierbar zu machen. Weiterhin hat Wasserstoff ein kleineres Molekül als Erdgas und kann daher leichter austreten. Diese Eigenschaft kann besonders dort ein Problem darstellen, wo ein Wasserstoffleck zu einer Anreicherung der Wasserstoffkonzentration in geschlossenen Räumen führen kann.

Schlüsselrolle bei der industriellen Dekarbonisierung

Wasserstoff kann eine entscheidende Rolle bei der globalen industriellen Dekarbonisierung spielen. In der gegenwärtigen Situation hat die Wasserstoffwirtschaft Priorität. Netto-Null-CO₂-Emissionen erfordern einen vollständigen Ausstieg aus fossilen Brennstoffen. Die Klimawirkung von Wasserstoff hängt vollständig davon ab, wie er hergestellt wird. Für die Kontrolle des globalen Klimawandels ist Wasserstoff, der durch Elektrolyse von Wasser mit erneuerbarer Energie produziert wird, unverzichtbar für Klimaneutralität. Der Übergang zu einer Wasserstoffwirtschaft erfordert jedoch enorme Investitionen in neue Infrastruktur zur Produktion, zum Transport, zur Speicherung und zur Lieferung von Wasserstoff an Endverbraucher.

Es gibt einen wachsenden Konsens, der die Notwendigkeit erkennt, bis 2050 Netto-Null-Emissionen anzustreben, um einen globalen Temperaturanstieg von 1,5 °C über dem vorindustriellen Niveau zu begrenzen. Um dies zu erreichen, muss ein Weg gefunden werden, die fossilen Brennstoffe zu ersetzen, die derzeit vier Fünftel des globalen Energiebedarfs decken. Um die Temperaturerhöhung auf 1,5 °C durch globale Erwärmung zu begrenzen, spielt Wasserstoff als Energieträger konsequent eine zentrale Rolle. Wasserstoff als Energieträger spielt eine Rolle, die derjenigen vergleichbar ist, die heute von Kohle, Öl oder Gas in der Kohlenstoffwirtschaft gespielt wird. Die industriellen Prozesse bei der Herstellung von Stahl, Zement, Glas und Chemikalien benötigen alle Hochtemperaturwärme. Derzeit wird diese Wärme durch Verbrennung fossiler Brennstoffe erzeugt. Für diese schwer zu dekarbonisierenden Industriesektoren gibt es im Wesentlichen keinen Weg, Netto-Null-Emissionen im benötigten Maßstab ohne den Einsatz von Wasserstoff zu erreichen.

Das Versäumnis, die Wirtschaft zu dekarbonisieren, ist keine derzeit verfügbare Option. Langfristig haben Wasserstoff zusammen mit erneuerbar erzeugtem Strom die Fähigkeit, eine Lösung für die Dekarbonisierung schwer zu reduzierender Sektoren wie den Stahlsektor zu bieten. Es gibt jedoch mehrere Herausforderungen, die überwunden werden müssen.

Wasserstoff ist ein hochvielseitiges Basischemikalie, das sowohl als Energiequelle als auch als Rohstoff für industrielle Prozesse verwendet werden kann, wie Ammoniakproduktion für Düngemittel, in der Raffinerie sowie für die Lebensmittel-, Elektronik-, Glas- und Metallindustrie. Die Verwendung von Wasserstoff als Energiequelle ist jedoch von großer Bedeutung für die Dekarbonisierung der Wirtschaft. Neue Erkenntnisse deuten darauf hin, dass Wasserstoff eine wichtige potenzielle Rolle bei der Reduzierung von Emissionen aus industrieller Wärme spielen kann, insbesondere dort, wo die Flamme (und die nachfolgenden Verbrennungsgase) in direkten Kontakt mit dem herzustellenden Material oder Produkt kommen muss (z. B. in Öfen und Brennöfen).

Wasserstoff hat eine Reihe hilfreicher Eigenschaften. Er kann auf verschiedene kohlenstoffarme Weisen produziert werden und seine Nutzung, sei es durch Verbrennung oder eine elektrochemische Reaktion in einer Brennstoffzelle, erzeugt keine THG-Emissionen. In der Brennstoffzelle erzeugt die Verwendung von Wasserstoff keine Luftschadstoffemissionen, da das einzige Nebenprodukt Wasser ist. Dies verbessert die Luftqualität im Vergleich zu den fossilen Brennstoffen, die er verdrängt, erheblich.

Die Verbrennung von Wasserstoff kann hohe Temperaturen erzeugen, was bedeutet, dass er als Ersatz für fossile Brennstoffe dort eingesetzt werden kann, wo Hochtemperaturwärme benötigt wird, als Beispiel in industriellen Anwendungen. Da Wasserstoff jedoch bei höherer Temperatur verbrennt, können Stickoxide (NOx), ein schädliches Schadstoff, ein Problem darstellen.

Obwohl Wasserstoff deutlich weniger energiedicht ist als fossile Brennstoffe, hat er im komprimierten Zustand eine signifikant hohe Energiedichte. Er kann in großen Volumina in Mengen gespeichert werden, die Monate statt Stunden oder Tage andauern können. Weiterhin kann Wasserstoff als komprimierbares Gas mit hoher Rate durch Pipelines geliefert werden.

Wasserstoff als Energieträger ist in gewisser Weise ähnlich wie Elektrizität. Beide müssen erzeugt werden, anstatt in einer nützlichen, extrahierbaren Form wie bei fossilen Brennstoffen vorzuliegen. Er kann auf verschiedene kohlenstoffarme Methoden produziert werden, entweder durch Elektrolyse basierend auf kohlenstoffarmem Strom oder durch Anwendung von Carbon Capture and Storage oder Utilization (CCS/U) kombiniert mit Vergasung oder Reformierung von Kohlenwasserstoffen (z. B. Biomasse, Erdgas).

Wasserstoff kann auf verschiedene Weisen gespeichert und verteilt werden. Wasserstoff hat eine hohe (gravimetrische) Energiedichte. Transportoptionen sind vergleichbar mit denen fossiler Energieträger und umfassen gasförmigen/verflüssigten LKW-Transport, Schiffs-Transport und das Pumpen von gasförmigem Wasserstoff durch Pipelines. Die Einmischung in das bestehende Erdgasnetz ist ebenfalls möglich und kann besonders während der Übergangsperiode wichtig werden. Es gibt mehrere Speicheroptionen, von denen sich einige noch in der Entwicklungsphase befinden.

Der Übergang zu nachhaltigen Wasserstoffproduktionsmethoden für industrielle Prozesse hängt weitgehend von der wachsenden Anerkennung grüner Brennstoffe sowie einer geeigneten Preisgestaltung für grüne Industrieprodukte ab, die durch einen angemessenen CO₂-Preis und regulatorischen Rahmen materialisieren können. Die Verwendung von grünem Wasserstoff in industriellen Prozessen bietet auch den Vorteil, zur großskaligen Wasserstoffnachfrage beizutragen und infolgedessen die Produktionskosten zu senken, was wiederum andere Sektoren wie Mobilität positiv beeinflussen kann.

Produktionswege und Farbcodes

Wasserstoff ist keine Energiequelle, sondern ein Energieträger. Er muss vor der Nutzung produziert und gespeichert werden. Das Wasserstoffmolekül, das Energie speichert, kann diese entweder durch Verbrennung oder durch eine Brennstoffzelle freisetzen. Die Verbrennung von einem Kilogramm Wasserstoff setzt dreimal mehr Energie frei als ein Kilogramm Benzin und produziert nur Wasser. Im Fall der Brennstoffzelle wird die chemische Energie von Wasserstoff und Sauerstoff durch ein Paar Redox-Reaktionen (Reduktion-Oxidation) in Elektrizität umgewandelt. Das Abfallprodukt der Reaktionen ist Wasser.

Die CO₂-Reduktionswirkung von Wasserstoff wird durch die Kombination des CO₂-Fußabdrucks seiner Produktion und der Emissionen der Aktivität bestimmt, in der der Wasserstoff verwendet wird. Die mit der Wasserstoffproduktion verbundenen CO₂-Emissionen sind eng mit der verwendeten Technologie und der Struktur des Stromnetzes verknüpft, das den Prozess mit Energie versorgt. Die Dekarbonisierung der aktuellen Wasserstoffproduktion ist herausfordernd, wird aber positive Auswirkungen auf CO₂-Emissionen haben und kann eine wichtige Rolle bei der Realisierung von Kostensenkungen spielen. Auch die Wasserstoffproduktionskosten aus Elektrolyse von Erneuerbaren werden voraussichtlich sinken.

Es gibt grundsätzlich zwei Kategorien von Wasserstoffproduktionsprozessen. Eine extrahiert Wasserstoff aus Wasser mit Elektrizität (Elektrolyse), und die zweite nutzt fossile Brennstoffe als Energiequelle und/oder Wasserstoffquelle. Beim Extrahieren von Wasserstoff mit oder aus fossilen Brennstoffen wie Erdgas, Öl oder Kohle sind die CO₂-Emissionen in der katalysierten chemischen Reaktion verankert. Wenn Elektrizität für einen Elektrolyseprozess verwendet wird, werden die zugehörigen Emissionen durch die CO₂-Intensität der Stromquelle verursacht.

Die verwendete Energiequelle und die Methode zur Wasserstoffproduktion definieren, ob er informell als grau, blau oder grüner Wasserstoff betrachtet wird. Derzeit werden ca. 96 % des Wasserstoffs aus fossilen Brennstoffen durch kohlenstoffintensive Prozesse produziert. Dieser Wasserstoff wird als grauer Wasserstoff bezeichnet. Die beiden Hauptprozesse sind die Dampfreformierung von Methan und die Kohlevergasung. Wenn das bei diesen beiden Prozessen emittierte CO₂ durch Carbon Capture and Storage oder Utilization (CCS/U) abgetrennt wird, wird der produzierte Wasserstoff als blauer Wasserstoff bezeichnet. CCS/U an Wasserstoffanlagen hat eine Abscheiderate von bis zu 90 %, was diesen Produktionsweg aus Treibhausgasperspektive recht effektiv macht.

Niedrig- oder null-Emissions-Wasserstoff, der durch Elektrolyse mit elektrischer Energie aus erneuerbaren Ressourcen produziert wird, wird als grüner Wasserstoff bezeichnet. Es gibt einen weiteren Farbcode: Wasserstoff, der durch Elektrolyseure mit Strom aus Kernkraftwerken produziert wird, wird als gelber (oder violetter) Wasserstoff bezeichnet. Die Wasserstoffproduktion durch Wasserelektrolyse ist derzeit minimal, da sie große Mengen an Elektrizität benötigt, die teuer ist. Diese Technologie wird normalerweise nur zur Produktion von Wasserstoff sehr hoher Reinheit verwendet.

Ein zusätzliches Problem im Zusammenhang mit Elektrolyse ist der Wasserverbrauch. Der reine Wasserverbrauch liegt allgemein im Bereich von 10 bis 15 Litern pro Kilogramm Wasserstoffausstoß, und das Eingangswasser muss deionisiert sein. Bei Fehlen von Süßwasserquellen umfassen Optionen Meerwasserentsalzung oder Abwasserrückgewinnung.

Die drei Hauptwege zur Produktion von null-Emissions-Wasserstoff sind: (i) durch Dampfreformierung von Methan (SMR) mit Bio-Methan oder kombiniert mit CCS/U, (ii) durch Elektrolyse mit erneuerbar erzeugtem Strom und (iii) durch Vergasung von Biomasse. Während SMR und Elektrolyse ausgereifte Technologien sind, befinden sich Biomassevergasung und SMR mit CCS/U noch in der Entwicklung. Derzeit erfolgt fast die gesamte Wasserstoffproduktion durch fossile Brennstoffreformierung, da dies derzeit der wirtschaftlichste Weg ist.

Hinsichtlich blauer Wasserstoffwege ist der Wasserverbrauch ein Aspekt, der häufig übersehen wird. Blaue Wasserstoffwege verbrauchen eine signifikante Menge Wasser, in einigen Fällen sogar mehr als der Elektrolyseprozess. Vergleicht man den eingebetteten Wasserverbrauch über eine Lebenszyklusinventur, zeigen Ergebnisse, dass der Wasserverbrauch pro Kilogramm Wasserstoff für den SMR-Prozess bis zu 24 Liter und für den Kohlevergasungsprozess 38 Liter betragen kann.

Ein zusätzlicher Weg, der manchmal als türkiser (grünlich-blauer) Wasserstoff bezeichnet wird, befindet sich noch in einem TRL-Stadium (Technology Readiness Level). Er besteht in der Pyrolyse von Methan. Verschiedene technologische Lösungen werden derzeit weltweit an mehreren Standorten entwickelt. Im Prozess wird Erdgas als Rohstoff verwendet, während der Energieverbrauch aus Elektrizität stammt, vermutlich aus kohlenstoffarmen Quellen. Methan wird bei hohen Temperaturen in Wasserstoff und festen Kohlenstoff (auch Carbon Black genannt) aufgespalten. Abbildung 1 zeigt die Identifizierung der Wasserstofferzeugungswege mit Farbdarstellung.

Elektrolysetechnologien

Hinsichtlich des Wasserelektrolyseprozesses für Wasserstoff stellen alkalische Elektrolyseure den Stand der Technik dar. Andere Prozesse in Entwicklung sind Protonenaustauschmembran (PEM) Technologien, die sich in einer Demonstrationsphase befinden, während Festelektrolyte noch in der Forschungs- und Entwicklungsphase sind. PEM-Elektrolyseure können für vergleichbaren Energieverbrauch eine Reihe von Vorteilen bieten, einschließlich höherer Ausgangsdrücke, besserem Teillastbereich und schnellerem Start und Lastvariationen.

Derzeit wird Wasserstoff fast vollständig aus Erdgas und Kohle geliefert. Wasserstoff wird bereits weltweit im industriellen Maßstab eingesetzt, aber seine Produktion ist für jährliche CO₂-Emissionen verantwortlich. Die Produktion von Wasserstoff aus kohlenstoffarmer Energie ist kostspielig. Derzeit ist grüner Wasserstoff ein teures Gas. Die Kosten für die Produktion von Wasserstoff aus erneuerbarem Strom sinken jedoch rapide.

Während die Produktion von Wasserstoff durch Elektrolyse aus „Überschuss“-Erneuerbaren und/oder Kernkraft eine kosteneffektive Alternative sein kann, ist die Größe dieser Gelegenheit im Vergleich zu potenziellen Wasserstoffnachfragen gering. Die Massenproduktion von Wasserstoff aus Elektrolyse ist derzeit viel teurer und erfordert extrem herausfordernde Aufbau-Raten für die Stromerzeugungskapazität. Grüner Wasserstoff, produziert mit erneuerbarem Strom, wird in den kommenden Jahren voraussichtlich rasant wachsen. Viele laufende und geplante Projekte deuten in diese Richtung.

Grüner Wasserstoff aus erneuerbarer Energie ist technisch machbar und nähert sich sehr schnell der wirtschaftlichen Wettbewerbsfähigkeit. Das wachsende Interesse an dieser Versorgungsoption wird durch die sinkenden Kosten erneuerbarer Energie und durch Systemintegrationsherausforderungen aufgrund steigender Anteile variabler erneuerbarer Stromversorgung getrieben. Der derzeitige Fokus liegt auf Einsatz und Learning-by-Doing, um Elektrolysekosten und Lieferkettenlogistik zu reduzieren.

Drei Hauptparameter sind entscheidend für die wirtschaftliche Tragfähigkeit der Wasserstoffproduktion aus Erneuerbaren: (i) die Elektrolyseur-Kapitalausgaben (CAPEX), (ii) die Kosten des in dem Prozess verwendeten erneuerbaren Stroms (Levelized Cost of Electricity, LCOE) und die Anzahl der Betriebsstunden (Lastfaktor) auf Jahresbasis. Je höher der Elektrolyseur-Lastfaktor, desto günstiger der Preis pro Einheit Wasserstoff, sobald Fixinvestitionen durch eine höhere Produktionsmenge verdünnt werden. Der Lastfaktor des Elektrolyseurs muss normalerweise 50 % bei den aktuellen Investitionskostenniveaus übersteigen, aber nahezu optimale Wasserstoffkosten beginnen bei über 35 % erreicht zu werden. Die Elektrolyseurkapazität für grünen Wasserstoff ist in den letzten Jahren exponentiell gewachsen.

Die Skalierung der Elektrolyseure findet sehr schnell statt. Die Skalierung erfolgt von Megawatt (MW) auf Gigawatt (GW) Skala, während die Technologie sich weiterentwickelt. Der Fortschritt ist graduell, ohne dass radikale Durchbrüche erwartet werden. Die Kosten der Elektrolyseure sollen bis 2040 bis 2050 halbiert werden, während die Kosten für erneuerbaren Strom voraussichtlich weiter sinken werden. Erneuerbarer Wasserstoff wird wahrscheinlich bald die günstigste saubere Wasserstoffversorgungsoption für viele Greenfield-Anwendungen in der kommenden Zukunft.

Im globalen Energiewandel mit dem Hauptschub der Dekarbonisierung zwischen jetzt und 2050 besteht die Notwendigkeit, die gegenwärtige Stromproduktion von 24.000 TWh (Terawattstunden) durch erneuerbare Energie zu ersetzen. Darüber hinaus werden das erwartete Bevölkerungswachstum und Verbesserungen des Lebensstandards den Bedarf an zusätzlichen 23.000 TWh schaffen, die aus erneuerbaren Energiequellen erzeugt werden müssen. Das bedeutet im Wesentlichen, dass der globale Stromverbrauch sich in den nächsten 30 Jahren sogar ohne Wasserstoff verdoppeln wird. Das erfolgreiche Wachstum der grünen Wasserstoffwirtschaft wird weitere 20.000 TWh benötigen. Dies ist eine große Herausforderung für den Wechsel zur Wasserstoffwirtschaft.

Wasserstoffspeicherung

Wasserstoffspeicherung kann Vorteile aus Strombezugs-/Preisperspektive bieten, ist aber nicht als solches kritisch für das Prozesskonzept. Heute ist die kosteneffizienteste Alternative für Wasserstoffspeicherung die unterirdische Druckspeicherung, wo die kosteneffizientesten Alternativen für die Speicherung in unterirdischen Salzformationen existieren. Diese Speichertechnologie für Wasserstoff wurde im industriellen Maßstab getestet. Andere Lösungen, die derzeit viel Aufmerksamkeit erregen, umfassen die Nutzung von Erdgaspipelines und die Umwandlung in Ammoniak oder Kohlenwasserstoffe als zwischengeschaltete Wasserstoffspeicherung. Die initiale Evaluierung der Lined Rock Cavern (LRC) Technologie, die derzeit in Schweden für Erdgas verwendet wird, wird auch als vielversprechend angesehen. Andere alternative Methoden für Wasserstoffspeicherung in Entwicklung sind Speicherung in Metallhydriden und porösen Materialien.

Mehrere Investitionen in Wasserstoff benötigen einen langen Horizont von 10 bis 20 Jahren. Besonders in den frühen Jahren sind Infrastruktureinvestitionen erforderlich, bevor die Verbrauchernachfrage steigt. Das Fehlen klarer und verbindlicher Emissionsreduktionsziele oder Anreize für bestimmte Sektoren schreckt potenzielle Investoren davon ab, das langfristige Risiko einzugehen.

Wasserstoff in der Stahlproduktion

Die vorherrschende Nachfrage nach Wasserstoff heute ist seine Verwendung als industrieller Rohstoff. Der in diesen Prozessen verwendete Wasserstoff stammt jedoch derzeit nicht aus kohlenstoffarmen Quellen. Wichtige zukünftige industrielle Heizanwendungen umfassen die Stahlproduktion, für die die Stahlindustrie derzeit Kohle verwendet. Der stöchiometrische Wasserstoffverbrauch für die Reduktion von Hämatiterz (Fe₂O₃) beträgt 54 kg pro Tonne Eisen. Daher wird eine Million Tonnen pro Jahr Stahlwerk, das auf Wasserstoffreduktion basiert, eine Wasserstoffanlagenkapazität von bis zu 70.000 Kubikmetern bei STP (Standardtemperatur und -druck) Wasserstoff pro Stunde benötigen.

Der Wechsel der Stahlindustrie von Kohle zu Wasserstoff ist nicht nur eine technologische und finanzielle Herausforderung. Er kann auch die Art und Weise beeinflussen, wie die Stahlindustrie auf nationaler, regionaler und globaler Ebene organisiert ist. Historisch war der leichte Zugang zu Kohle ein wichtiger Aspekt bei der Bestimmung des Standorts von Stahlwerken. Stahlwerke wurden daher häufig in unmittelbarer Nähe zu heimischen Kohlefeldern oder, für Stahlwerke, die auf importierte Kohle angewiesen sind, in der Nähe von Hafenanlagen errichtet.

Die Verwendung von Wasserstoff für die Stahlproduktion ist eine Technologie, die sich derzeit in der Entwicklungsphase befindet. Das Ziel ist es, den Blasenofofen (BOF) Prozess, der die vorherrschende Technologie für die Primärstahlerzeugung ist und Koks als Wärmequelle und zur Reduktion von Sauerstoff aus dem Eisenerz verwendet, durch einen Prozess namens Direkte Reduktion von Eisen (DRI) zu ersetzen, bei dem Wasserstoff sowohl Wärmequelle als auch Reduktionsmittel ist.

Die Idee, Wasserstoff als Reduktionsmittel zu verwenden, ist primär mit dem Klimawandel verbunden. Die Dekarbonisierung des Roheisenprozesses erfordert die Ersetzung von Kohlenstoff/Kohlenmonoxid in der Reduktionsreaktion durch ein anderes Gas, das zu niedrigeren oder null Kohlenstoffemissionen führen kann. Dieses Gas kann Methan oder Wasserstoff sein. Die Verwendung von Methan (CH₄), einer chemischen Verbindung, die sowohl Kohlenstoff als auch Wasserstoff enthält, ermöglicht eine Reduktion der CO₂-Emissionen, indem diese teilweise durch Wasserdampf (H₂O) ersetzt werden, aber nicht vollständig. Die Verwendung von Wasserstoff ermöglicht eine vollständige Dekarbonisierung des Prozesses, da er nur Wasserdampf als chemisches Nebenprodukt erzeugt.

Beide Alternativen sind technisch gut verstanden. Methan ist der Hauptbestandteil von Erdgas und daher in großen Mengen verfügbar. Es wird bereits in begrenztem Umfang in der Stahlproduktion verwendet, aber eine breitere Nutzung ermöglicht eine teilweise Dekarbonisierung der Prozesse. Wasserstoff hingegen ermöglicht eine vollständige Dekarbonisierung der Stahlerzeugungsprozesse. Wasserstoff wird jedoch bisher nur in begrenzten Mengen produziert, und seine Verwendung für die Stahlproduktion muss für die industrielle Großserienproduktion noch weiter verfeinert werden.

Daher stellt die Dekarbonisierung der Stahlproduktionsprozesse zwei große Herausforderungen dar: (i) Optimierung und Skalierung des wasserstoffbasierten Weges der Eisen- und Stahlproduktion durch Pilotanlagen und (ii) Skalierung der Wasserstoffproduktion, Herstellung größerer Mengen zu niedrigeren Kosten mit höherer Effizienz. Früher oder später wird der Wechsel zu Wasserstoff in der Stahlproduktion den Aufbau neuer Wasserstoffproduktionsanlagen in beispiellosem Umfang erfordern. Der Erfolg der Bemühungen um wasserstoffbasierte Stahlproduktion hängt daher entscheidend davon ab, große Mengen Wasserstoff so weit wie möglich zum niedrigstmöglichen Preis verfügbar zu machen.

Zwei Wege für grünen Wasserstoff in der Stahlproduktion

Es gibt allgemein zwei Wege, (grünen) Wasserstoff in der Stahlproduktion zu nutzen. Erstens kann er als alternatives Einspritzmaterial zu PCI (Pulverkohleeinspritzung) verwendet werden, um die Leistung konventioneller Hochofen zu verbessern. Obwohl der Einsatz von PCI üblich ist, wurden kürzlich die ersten Pilotanlagen mit Wasserstoffeinspritzung eingerichtet, um das Dekarbonisierungspotenzial zu bewerten. Allerdings kann die Einspritzung von (grünem) Wasserstoff in Hochofen die Kohlenstoffemissionen zwar um bis zu 20 % reduzieren, bietet aber keine CO₂-neutrale Stahlproduktion, da regulärer Koks weiterhin ein notwendiges Reduktionsmittel im Hochofen ist.

Zweitens kann Wasserstoff als alternatives Reduktionsmittel zur Herstellung von DRI verwendet werden, das dann in einem EAF (Elektrolichtbogenofen) weiter zu Stahl verarbeitet werden kann. Die Verwendung von Wasserstoff als Reduktionsmittel setzt nur Wasser frei (d. h., es entstehen keine Kohlenstoffemissionen). Der DRI/EAF-Weg ist ein bewährter Produktionsprozess, der derzeit mit Erdgas als Reduktionsmittel angewendet wird. Der direkte Reduktionsprozess kann jedoch auch mit Wasserstoff durchgeführt werden. Basierend auf der Verwendung von grünem Wasserstoff sowie erneuerbarem Strom aus Wind, Sonne oder Wasser ermöglicht ein DRI/EAF-Setup eine nahezu CO₂-neutrale Stahlproduktion. Schwedische und deutsche Organisationen experimentieren mit „grünem Stahl“, der mit sauberem Wasserstoff erhitzt wird, wobei der erste erfolgreiche Versuch 2020 in Schweden stattfand.

Der auf grünem Wasserstoff basierende DRI und Schrott in Kombination mit EAFs ersetzt fossile Brennstoffe in der DRI-Produktionsstufe durch mit erneuerbarer Energie produzierten Wasserstoff. Er stellt eine technisch bewährte Produktionsmethode dar, die nahezu emissionsfreie Stahlproduktion ermöglicht. Alle großen europäischen Stahlakteure bauen derzeit oder testen bereits wasserstoffbasierte Stahlproduktionsprozesse, entweder durch Verwendung von Wasserstoff als PCI-Ersatz oder durch wasserstoffbasierte direkte Reduktion.

Die Kapitalanforderungen für den Aufbau reiner wasserstoffbasierter Stahlproduktion (DRI plus EAF) in Kombination mit dem erforderlichen Wasserstofftransport und -speicherung sind jedoch recht erheblich. Abbildung 2 zeigt ein typisches Fließschema des Wasserstoff-Direktreduktionsprozesses.

Direkte Reduktion von Eisen wird derzeit für ca. 8 % der globalen Roheisenproduktion verwendet. Derzeit nutzt die direkte Reduktion von Eisen ein Reduktionsgas, das aus Erdgas oder Kohle gewonnen wird. 2016 kündigten drei schwedische Unternehmen (SSAB, LKAB und Vattenfall AB) ihre Pläne an, eine Methode zur Dekarbonisierung des Roheisenproduktionsprozesses, bekannt als „direkte Reduktion“, durch Verwendung von Wasserstoff als Reduktionsgas zu entwickeln. Ihr Konzept heißt Hydrogen Breakthrough Ironmaking Technology (HYBRIT). HYBRIT basiert auf Wasserstoff als einzigem Reduktionsgas, das Wasser als Nebenprodukt statt CO₂ produziert. Das resultierende „direkt reduzierte Eisen“ (DRI) kann dann auf die gleiche Weise wie traditionelles DRI in einem Elektrolichtbogenofen zu Stahl verarbeitet werden. Abbildung 3 zeigt das Prinzip-Fließschema des HYBRIT-Prozesses.

Die Hauptmerkmale des HYBRIT-Prozesses sind: (i) keine fossilen Brennstoffe in der Pelletproduktion, (ii) Wasserstoff wird durch Elektrolyse mit fossilstfreiem Strom produziert, (iii) Wasserstoffspeicherung in einer speziell entwickelten Einheit als Puffer für das Netz, (iv) SchachtOfen für Eisenerzreduktion, (v) maßgeschneiderte Pellets als Eisenerzzufuhr, (vi) Reduktionsgas/Gemisch wird vor der Einspritzung in den Schacht vorgeheizt, (vii) das Produkt kann entweder DRI oder HBI (heißbrikettiertes Eisen) sein, und (viii) DRI/HBI wird zusammen mit Recycling-Schrott im EAF geschmolzen.

Der HYBRIT-Prozess wurde hinsichtlich des End-to-End-Energieverbrauchs bewertet, der sowohl mit dem neuen Lieferketten-Setup als auch dem Referenzfall eines Hochofens assoziiert ist. Die Analyse umfasst auch die Bergbauaktivitäten zur Extraktion des Eisenerzes aus dem Boden. Laut dieser Analyse emittiert ein Hochofen 1.600 kg CO₂ durch Verbrennung von Koks und Öl zur Produktion einer Tonne Rohstahl. Die DRI-Route emittiert nur 25 kg CO₂, während sie ca. 50 kg Wasserstoff verbraucht, was wiederum 2.633 kWh Strom erfordert. Dies suggeriert eine Emissionsreduktionswirksamkeit von 32 kg CO₂ pro kg H₂.

Während dies eine genaue Berechnung der erreichten Emissionsreduktion für den verbrauchten Wasserstoff ist, erzeugt der DRI-Prozess ein zwischengeschaltetes Schwammeisenprodukt, das in einem Elektrolichtbogenofen (EAF) verarbeitet werden muss, um Rohstahl zu produzieren, das Endprodukt des BOF. Um den Vergleich mit anderen Endverwendungen von Wasserstoff zu normalisieren, könnte der Stromverbrauch im EAF von 855 kWh pro Tonne Rohstahl verwendet werden, um weitere 16 kg Wasserstoff zu produzieren, was eine normalisierte Wirksamkeit von 24 kg CO₂ pro kg H₂ impliziert. Abbildung 4 zeigt einen Vergleich der BF-BOF-Stahlerzeugung mit dem HYBRIT-Prozess.

Nun ist wasserstoffbasierte Stahlproduktion mit EAF technisch machbar und wird bereits als Teil einer potenziellen langfristigen Lösung für die Dekarbonisierung der Stahlindustrie im großen Maßstab betrachtet. Die Frage ist nicht, ob, sondern wann und in welchem Umfang diese Transformation stattfinden kann. Es gibt jedoch eine Vielzahl voneinander abhängiger Faktoren, die bestimmen, wann der Dekarbonisierungs-Kipppunkt in der Stahlindustrie eintreten kann. Es gibt einige externe Faktoren, die die zukünftige Entwicklung und die Zeit bis zur Einführung von grünem wasserstoffbasiertem Stahl prägen werden.

Der Übergang zu wasserstoffbasiertem Stahl kann nicht über Nacht geschehen. Derzeit gibt es nur eine Schlüsseltechnologie, die genutzt werden kann, um eine CO₂-neutrale Stahlindustrie zu erreichen. Die zukünftige Verfügbarkeit günstiger Energie aus Erneuerbaren und regulatorische Fragen werden die beiden Haupttreiber für die Einführung wasserstoffbasierter Stahlproduktion sein. Trotz des Ziels, CO₂-neutral zu werden, das noch ca. 28 Jahre in der Zukunft liegt, ist es entscheidend, jetzt zu handeln. Industriestandorte haben Lebensdauern von über 50 Jahren und Investitionsplanungshorizonte von 10 bis 15 Jahren. Anlagen- und Fußabdruckentscheidungen müssen jetzt getroffen werden und einem klaren Dekarbonisierungs-Fahrplan folgen. Der Fahrplan selbst muss langfristige Ziele mit umsetzbaren Quick Wins kombinieren, um einen schrittweisen Übergang zur Dekarbonisierung zu ermöglichen, der alle Stakeholder an Bord hält.

Insgesamt erfordert ein rechtzeitiger Wechsel von Kohlenstoff zu Wasserstoff in den Stahlerzeugungsprozessen koordiniertes politisches Handeln in einer Vielzahl von Bereichen, das den CO₂-Preis erhöht und gleichzeitig den Wasserstoffpreis senkt. Umgekehrt erfordert die Senkung des Wasserstoffpreises die Entwicklung eines breiten und koordinierten Maßnahmenpakets. Diese Maßnahmen sind essenziell, um sowohl die Nachfrage nach Wasserstoff als auch den Ausbau der Versorgungskapazitäten als Teil eines kohärenten Vorstoßes in Richtung Wasserstoffwirtschaft zu fördern.