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Donnerstag, 21. Februar 2019

Wasserstoff

Ausgekohlt

Von Iestyn Hartbrich | 6. September 2018 | Ausgabe 36

Noch immer ist die Stahlproduktion untrennbar mit fossilem Kohlenstoff verbunden. Aber in ein paar Hüttenwerken nimmt die wasserstoffbasierte Alternative bereits Konturen an.

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Foto: imago/Jochen Tack

Fossil: An ein paar Stahlstandorten lässt sich erahnen, dass die Branche vom Kohlenstoff als Energieträger auf Elektrizität wechselt.

Rohstoffe säumen in großen Haufen die Kanäle und Bahngleise der Stahlwerke. Schwarz die Kokskohle. Braun das Eisenerz. Vergangenheit, Gegenwart und Zukunft der Industrie, die noch immer für 7 % der deutschen CO2-Emissionen verantwortlich ist. Aber nun lässt sich eine andere Zukunft erahnen. Eine, in der die schwarzen Haufen kleiner werden – und schließlich ganz verschwinden. Die Stahlhersteller stehen vor einer historischen Entscheidung. Machen sie weiter wie bisher, dann bleiben sie beim Koks – und damit auf ihren Emissionen sitzen. Das wird teuer, weil die Stahlkonzerne im Emissionshandel immer weniger Gratiszertifikate erhalten. Das heißt: Sie müssen für ihren CO2-Ausstoß bald bezahlen.Die Alternative ist der radikale Wandel. Hin zu weniger CO2. Weg von den schwarzen Haufen. In Stahlwerken, die diesen Weg einschlagen, bleibt auf lange Sicht buchstäblich kein Stein auf dem anderen. Völlig neue großtechnische Anlagen müssen her.

Foto: action press/imagebroker.com

Durchfegen und den Arbeitsanzug an den Nagel hängen: Die ersten Stahlkonzerne bereiten sich auf die Zeit nach dem Hochofen vor.

Hochofenroute nennen sie in der Stahlbranche den bisherigen Weg. Er steht für das Gestern und für die klassische Stahlerzeugung. Zunächst wird in der Kokerei aus Kokskohle Koks erzeugt. Im Hochofen entsteht anschließend aus Koks und Eisenerz (Fe2O3) Roheisen. Die Eisenatome werden durch Kohlenstoffatome und Kohlenmonoxidmoleküle (CO) ihrer Sauerstoffatome beraubt, oder in der Fachsprache der Metallurgie: Sie werden „reduziert“. Deshalb fallen in der Roheisenproduktion gigantische Mengen CO2 an. Allein im integrierten Hüttenwerk Salzgitter, einem der großen deutschen Standorte, sind das annähernd 8 Mio. t pro Jahr. Anschließend gelangt das flüssige Eisen zum Konverter, wo unter Zugabe der Legierungselemente der Stahl erzeugt wird.

Das Morgen könnte die Wasserstoffroute sein. An deren Anfang steht die Elektrolyse, in der Wasser elektrisch in Sauerstoff und Wasserstoff aufgespalten wird. In einer Direktreduktionsanlage – sie trägt diesen Namen, weil das Eisen reduziert wird, ohne verflüssigt zu werden – reagieren Eisenerz und Wasserstoff zu Roheisen und Wasser. Im letzten Schritt wird das Roheisen im Elektrolichtbogenofen zu Stahl legiert.

Vereinfacht gesagt weichen also die Kokereien den Elektrolyseuren, die Hochöfen den Direktreduktionsanlagen und die Konverter den Elektrolichtbogenöfen.

Der Elektrolichtbogenofen findet sich schon heute in jedem Elektrostahlwerk. Auch Direktreduktionsanlagen sind im großtechnischen Maßstab bereits vereinzelt in Betrieb. Ob die Wasserstoffroute wirklich gangbar ist, steht und fällt deshalb mit der Wasserelektrolyse. Anlagen, die den Wasserstoffdurst eines ganzen Stahlwerks stillen könnten, gibt es heute noch nicht.

Linz: Der österreichische Voestalpine-Konzern betreibt hier sein größtes Stahlwerk. Seit 1990 sind die spezifischen CO2-Emissionen – der Ausstoß je Tonne Rohstahl – um 22 % gesunken. Das Potenzial der Hochofenroute ist nun ausgereizt, aber das Unternehmen hat große Pläne. „Unser Ziel ist es, die CO2-Emissionen der Stahlerzeugung bis 2050 gegenüber heute um rund 80 % zu reduzieren“, sagt der Voestalpine-Forscher Hermann Wolfmeir.

Elektrolyseure im Überblick

In Donaunähe entsteht auf dem Hüttengelände deshalb ein PEM-Elektrolyseur, den die Österreicher im Rahmen des EU-geförderten Forschungsprojekts H2Future betreiben werden. Sie wollen untersuchen, ob sich die PEM-Elektrolyse für die großindustrielle Wasserstoffproduktion eignet.

In der Theorie hat dieser Anlagentyp gegenüber der deutlich ausgereifteren alkalischen Elektrolyse viele Vorteile. Erstens ist die Stromdichte höher. Zweitens eignet sich die PEM-Technologie besser für schnelle Lastwechsel. Das ist wichtig, weil eine der Vorgaben des H2Future-Projekts darin besteht, dass die Elektrolyse primärregelenergietauglich sein muss. Das bedeutet: Sie muss von 0 auf 100 in 30 s fahren können. Drittens muss der Anlagenbetreiber nicht mit dem flüssigen Elektrolyten Kalilauge hantieren. Stattdessen besteht der Elektrolyt aus einer für Protonen durchlässigen, festen Membran aus sulfoniertem Tetrafluorethylen.

Allerdings ist das Abnutzungsverhalten des Elektrolyten weitgehend unbekannt. „Zur Degradation von PE-Membranen beim Einsatz in einem industriellen Umfeld haben wir noch keine Erfahrungswerte“, sagt Wolfmeir.

Die Linzer PEM-Elektrolyse ist der Pilot einer Anlagengeneration, die der Hersteller, Siemens, für Nennleistungen bis 100 MW einsetzen will. Ende 2018 soll der Betrieb beginnen. Mit einer Leistung von 6 MW und einer Kapazität von 1200 m3 H2 pro Stunde ist die Anlage allerdings nicht mehr als ein Demonstrator. Annähernd 170 dieser Module wären nötig, um die große Voestalpine-Direktreduktionsanlage im US-amerikanischen Corpus Christi mit 100 % Wasserstoff zu betreiben. 500 würden für das integrierte Hüttenwerk in Linz gebraucht. Der Fokus des Anlagenbauers Siemens liegt deshalb auf der Hochskalierung. Die nächste Anlagengeneration, die in den Gigawatt-Bereich vorstoßen soll, befindet sich bereits in der Vorentwicklung. „Die Elektrolyseleistung verzehnfacht sich alle vier bis fünf Jahre“, sagt Gabriele Schmiedel, die im Konzern das Geschäftsfeld Hydrogen Solutions leitet.

Das integrierte Hüttenwerk Salzgitter: Deutschlands zweitgrößter Stahlkonzern hat hier seinen Hauptsitz. Den Kern des Standorts bilden drei Hochöfen, deren erster bereits im Jahr 2025 Geschichte sein könnte. Der Konzern erwägt, für insgesamt 1,25 Mrd. € ein Drittel seiner Roheisenkapazität umzustellen. Die Pläne des Projekts mit Namen Salcos sehen vor, dass der zweite Hochofen zehn Jahre später ersetzt werden könnte und der dritte bis 2050 (s. Interview).

Enorme CO2-Einsparungen wären mit dem stufenweisen Umstieg verbunden. Bis 2025 könnte ein Viertel der heutigen Emissionen wegfallen und bis 2035 die Hälfte. Im Jahr 2050 blieben nur 5 % bis 18 % übrig, rechnet Alexander Redenius vor, der das Salcos-Projekt leitet. 5 % wären es, wenn wirklich nur Wasserstoff als Reduktionsgas benutzt würde. Die 18 % beziehen sich auf ein Szenario, in dem Salzgitter die Direktreduktionsanlage mit 55 % H2 und 45 % Erdgas (CH4) betreibt. Dieses stellt in der Gesamtbetrachtung des Stahlwerks das energetische Optimum dar, weil der Schmelzpunkt des Eisens von 1538 °C auf 1147 °C sinkt, wenn exakt 4,3 % Kohlenstoffatome aus dem Methan darin gelöst sind.

Auch wenn Salzgitter die Umsetzung des Projekts an politische Bedingungen knüpft – das Unternehmen fordert Subventionen für die Installation und eine Befreiung von der EEG-Umlage für die Elektrolyse –, nimmt die Wasserstoffroute auf dem Hüttengelände bereits Konturen an. In einem unscheinbaren Container ist eine Hochtemperaturelektrolyse mit einer keramischen Membran aus Zirkonoxid untergebracht, die die Abwärmepotenziale des Hüttenwerks nutzt; mit einer Leistung von 150 kW ist sie derzeit die weltweit größte nicht-militärische Anlage dieses Typs.

Gemessen an den Anforderungen des Stahlwerks ist das fast nichts: Für das Salcos-Szenario ohne Hochöfen rechnet Salzgitter bei einem Wirkungsgrad von 70 % mit einer Elektrolyseleistung von 1,04 GW. Dennoch ist Redenius zuversichtlich: „Der Vorteil einer Elektrolyse ist, dass sie aus Modulen besteht. Sie lässt sich deshalb prinzipiell leicht hochskalieren.“ Im Pilotbetrieb hat Salzgitter nach eigenen Angaben bereits einen elektrischen Wirkungsgrad von knapp unter 80 % unter Beweis gestellt. Im Vergleich der verschiedenen Elektrolysetypen ist das viel. „Die Hochtemperaturelektrolyse ist unter allen Elektrolyseverfahren das vielversprechendste, aber auch das komplizierteste. Sie verspricht pauschal ein Fünftel mehr Wirkungsgrad“, sagt Nils Aldag, Mitgründer der Dresdner Firma Sunfire, die den Elektrolyseur gebaut hat. Man habe mit dem Piloten nachgewiesen, dass für die Erzeugung eines Kubikmeters Wasserstoff nur 3,7 kWh elektrische Leistung notwendig seien. Bei Niedertemperaturelektrolysen liege dieser Wert zwischen 4,5 kWh und 5,5 kWh.

Im industriellen Maßstab ist allerdings auch dieser Elektrolysetyp technologisches Neuland. „Aufgrund der extrem hohen Temperaturen von ca. 800 °C sind die Anforderungen an die Materialien in der HT-Elektrolyse höher. Unser Equipment degradiert dadurch schneller“, sagt Aldag. „Wir müssen nachweisen, dass unsere Stacks im industriellen Betrieb 60 bis 72 Monate halten.“

Selbst wenn es gelänge, die Elektrolyseure hochzuskalieren: Gigantische Mengen Strom aus erneuerbaren Energien würden benötigt. Salzgitter rechnet für die letzte Salcos-Ausbaustufe pro Jahr mit 8,8 TWh für die Elektrolyse und weiteren 3,7 TWh für die anderen Aggregate des Stahlwerks. Das entspricht zusammen 5,5 % des Stromverbrauchs der deutschen Industrie im Jahr 2016. Soll die Roheisenproduktion des Voestalpine-Standorts Linz auf Wasserstoff basieren, würden jährlich sogar 33 TWh elektrischer Energie benötigt. Das entspricht fast der Hälfte der heutigen Stromerzeugung Österreichs: 68 TWh. „Ziemlich ernüchternd“, kommentiert der Voestalpine-Forscher Wolfmeir, „das hat uns selbst erstaunt.“

Die Zahlen zeigen, worum es beim Abbiegen auf die Wasserstoffroute im Kern geht: Kohlenstoffverbindungen werden als Energieträger durch Elektrizität ersetzt. Das spart Emissionen, aber die Stahlindustrie bleibt energieintensiv.

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