So geht klimafreundlicher Stahl auch ohne Wasserstoff

Das europäische Forschungsprojekt Siderwin entwickelt einen Prozess zur klimafreundlichen Stahlherstellung ohne Kohle – mit Strom, aber ohne den ineffizienten Umweg über Wasserstoff. Bis die Eisenoxid-Elektrolyse industriell einsetzbar ist, dürfte es aber noch dauern.


Pilotanlage auf einem zwei-etagigen Metallgestell in einer Einfamilienhaus-großen Halle. Sie sieht eher wie eine einfache Abfüll-Anlage aus und gar nicht wie ein Stahlwerk.
Die Pilotanlage von Siderwin bei Metz in Lothringen kann in zwei Tagen rund 100 Kilogramm grünen Stahl erzeugen. (Foto: Siderwin)

Der Kohleausstieg bei der Stromerzeugung könnte schneller kommen, als viele das erwartet haben. Doch Kohle wird nicht nur in Kraftwerken verbrannt. Auch die Stahlindustrie verbraucht ganz erhebliche Mengen Kohle und erzeugt dadurch Treibhausgase. Etwa sieben Prozent der weltweiten Kohlendioxid-Emissionen gehen auf die Stahlbranche zurück.

Bei der Stahlproduktion dient Kohle vor allem dazu, Eisenoxid chemisch zu zerlegen, um daraus Roheisen zu gewinnen. Eine zurzeit viel diskutierte Alternative ist es, diese chemische Reduktion mithilfe von Wasserstoff durchzuführen.

Das Forschungsprojekt "Siderwin", an dem der größte europäische Stahlkonzern Arcelor Mittal beteiligt ist, untersucht in einer Pilotanlage in Frankreich eine andere Variante: Dort wird das Eisenoxid direkt mithilfe von Strom gespalten.

Dafür wird eine Elektrolyse-Reaktion genutzt. Die sollte nicht verwechselt werden mit der Elektrolyse von Wasser, die zur Produktion von Wasserstoff verwendet wird. Vielmehr findet bei Siderwin direkt eine Elektrolyse des Eisenoxids statt, es wird also in seine Bestandteile Eisen und Sauerstoff aufgespalten.

Eisenoxid wird in Sauerstoff und Eisen gespalten

Hierfür wird Eisenoxid in einer Wasserlösung zwischen zwei Metallplatten, die als Kathode und Anode fungieren, geführt. Eine elektrische Spannung zwischen den Platten sorgt dafür, dass sich an der Kathode Eisenmoleküle sammeln, während an der Anode Sauerstoffbläschen entstehen, die anschließend entweichen können.

Dieses Verfahren wurde zunächst im Ulcowin-Projekt in sehr kleinem Maßstab getestet. Ulcowin war dabei Teil eines Projekts der EU und der Stahlindustrie namens Ulcos, in der klimafreundlichere Stahlproduktionsmethoden getestet werden sollen.

Bei Ulcowin konnten in einem Durchlauf der Testanlage lediglich vier Kilogramm Eisen gewonnen werden. In der jetzt gebauten Siderwin-Pilotanlage wurde die Menge auf immerhin 100 Kilogramm erhöht, die in etwa zwei Tagen erzeugt werden können.

Ein offensichtlicher Vorteil: Statt mit Kohle wird das Ganze mit Strom betrieben – wenn dieser aus erneuerbaren Energien stammt, ist der Prozess nahezu klimaneutral. Doch das Projekt erhofft sich noch weitere Vorteile.

So wird in der Pilotanlage auch getestet, ob eisenoxidhaltige Reststoffe als Rohstoff dienen können. Eine Möglichkeit hierfür sind Bauxit-Rückstände, die bei der Aluminiumproduktion als Abfallprodukt anfallen. Eine andere mögliche Option sind Eisenoxid-Rückstände aus der Stahlverarbeitung, die man als Abbrand bezeichnet.

Weiterhin ist die Siderwin-Technologie darauf ausgelegt, dass die Stromversorgung angepasst und unterbrochen werden kann. Das könnte in einem Energiesystem, in dem ein hoher Anteil an erneuerbaren Energien genutzt wird, eine Flexibilisierungsoption sein.

Flexibles Abschalten senkt Bedarf für Stromspeicher

Denn Sonne und Wind liefern Strom bekanntlich abhängig vom Wetter. Insbesondere eine Dunkelflaute, in der über längere Zeiträume wenig Sonne scheint und wenig Wind weht, gilt als Herausforderung. Um solche Lastspitzen abzudecken, sollen Gaskraftwerke genutzt werden. In einem zukünftigen klimaneutralen Energiesystem sollen diese dann mit Wasserstoff betrieben werden.

Der französische Energiekonzern EDF, der am Siderwin-Projekt beteiligt ist, hat hierzu mehrere Simulationen eines künftigen EU-Energiesystems erstellt, in denen eine komplette Umstellung der Stahlindustrie auf die Siderwin-Technologie angenommen wird. EDF hat dabei mehrere Optionen durchgerechnet, bei denen der zusätzliche Strombedarf wahlweise über Atomkraft, über Offshore-Windenergie oder über eine Kombination aus beidem erreicht wird.

Das Resultat ist aber weitgehend unabhängig von der gewählten Energieform. Die Flexibilisierung der Stahlproduktion würde dazu führen, dass man auf etwa 80 Prozent der Spitzenlastkraftwerke verzichten könnte.

Das wäre natürlich attraktiv, allerdings dürfte die darin enthaltene Erkenntnis völlig unabhängig von der Siderwin-Technologie gelten. Auch eine wasserstoffbetriebene Stahlindustrie könnte ihren Strombedarf flexibel an die Erzeugung anpassen und damit den Bedarf an Speichertechnologien und Spitzenlastkraftwerken senken.

Neben Siderwin arbeitet auch ein Start-up aus den Vereinigten Staaten an der Möglichkeit, Stahl direkt mittels Elektrizität und einer Eisenoxid-Elektrolyse herzustellen. Die Firma Boston Metal konnte zuletzt viele neue Investoren gewinnen und plant den Bau einer Pilotanlage, auch Bill Gates hat in die Firma investiert.

Zu spät für erste Generation klimafreundlicher Stahlwerke

Direkt vergleichbar sind Siderwin und die Technik von Boston Metal allerdings nicht. Siderwin arbeitet bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen von 110 Grad Celsius. Boston Metal hingegen verwendet eine Technologie, die 2.000 Grad Celsius benötigt und von der Firma als Molten Oxide Electrolysis (etwa: Elektrolyse von geschmolzenem Eisenoxid) bezeichnet wird.

Die Elektrolyse von Eisenoxid würde eine Möglichkeit bieten, die Stahlerzeugung direkt mithilfe von Strom ohne den Umweg über Wasserstoff nahezu klimaneutral zu betreiben. Auf die Frage, welche Vorteile Siderwin gegenüber der Nutzung von Wasserstoff bietet, antwortet Projektchef Hervé Lavelaine: "Wir erwarten, dass Siderwin effizienter ist, denn es ist direkter. Man braucht keine zwei Anlagen und daher erwarten wir auch niedrigere Investitionskosten."

Diese Argumente ähneln denen in vielen anderen Bereichen, die vor der Frage stehen, ob der klimaneutrale Umbau mit Wasserstoff oder direkt mithilfe von Elektrizität erfolgen soll, etwa beim Heizen oder bei Lkws. Inzwischen sind sich die meisten Experten einig, dass die direkte Elektrifizierung zu bevorzugen ist, denn sie ist schlicht effizienter.

Die Stahlerzeugung gilt allerdings bisher in diesen Diskussionen als einer der Sektoren, in denen Wasserstoff besonders sinnvoll eingesetzt ist. Die Stahlindustrie wird dabei vielfach als "No-Regret"-Option für die Nutzung von Wasserstoff bezeichnet.

Die Siderwin-Technologie dürfte für die erste Generation einer klimafreundlichen Stahlerzeugung dabei schlicht zu spät kommen. Zwar ist die Pilotanlage ein Fortschritt, doch mit einer Produktion von 100 Kilogramm ist sie noch weit von einer industriellen Größenordnung entfernt.

Wasserstoff-Stahl kann auf bestehenden Technologien aufbauen

Die Stahlerzeugung mit Wasserstoff hat hier einen Vorteil: Sie kann auf bereits bestehenden Technologien aufbauen. Es gibt bereits sogenannte Direktreduktions-Anlagen, die mit Erdgas arbeiten, eine davon steht in Hamburg.

Die Direktreduktion kann auch mit Wasserstoff betrieben werden, die technischen Unterschiede sind vergleichsweise gering. Vorreiter ist hier der schwedische Konzern SSAB, der im Sommer bereits eine erste Lieferung von Wasserstoff-Stahl verkündet hat.

Neben der Nutzung einer bereits weitgehend bekannten Technologie bietet diese Konstellation auch eine Möglichkeit der schrittweisen Umstellung: Bei Neuinvestitionen können Stahlkonzerne Direktreduktionsanlagen bauen, die zunächst mit Erdgas betrieben werden. Die können dann auf Wasserstoff umgestellt werden, sobald dieser in ausreichenden Mengen zur Verfügung steht.

Die Organisation Agora Energiewende hat kürzlich in einer Publikation herausgearbeitet, dass die Zeit für die Stahlindustrie drängt. Laut den Agora-Berechnungen werden weltweit etwa 70 Prozent der Kohlehochöfen bis 2030 das Ende ihrer Laufzeit erreichen, es besteht also ein hoher Bedarf an Neuinvestitionen.

Sprich: Für viele Stahlkonzerne stehen in den nächsten Jahren Entscheidungen an, in welche Technologien investiert wird. Hier kann es zu "gestrandeten" Investitionen kommen, wenn weiter Kohle-basierte Anlagen gebaut werden. Diese können künftig nicht mehr betrieben werden, wenn Klimaschutzziele erreicht werden sollen.

Für jetzt anstehende Großinvestitionen ist eine Technologie, die erst in einer kleinen Pilotanlage funktioniert, keine Option. Damit dürfte klar sein, dass zumindest für die erste Generation klimafreundlicher Stahlwerke die Direktelektrolyse keine Alternative zur Wasserstoff-Direktreduktion ist.

Siderwin und auch die Technologie von Boston Metal sind dabei aber interessante Optionen für die Zukunft.

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