Wasserstoff statt Kohle 08. Aug 2022 Von Iestyn Hartbrich

Stahl: Diese Anlagentechnik wird bei Thyssenkrupp und Co. den Hochofen ablösen

Jahrzehntelang war der Hochofen das Kernaggregat zur Erzeugung von Stahl, nun wollen ihn die Stahlkonzerne unbedingt loswerden. Die Zukunft gehört der Direktreduktion mit Erdgas und Wasserstoff. Ein Techniküberblick.

Ein Schmelzer beim Hochofenabstich. Nach den aktuellen Plänen ist in Deutschland ab 2045 kein Hochofen mehr aktiv.
Foto: Salzgitter AG

Die Stahlindustrie hat ein Kohlendioxidproblem. Im Jahr 2019 emittierten die Eisenhütten in Deutschland 37,2 Mio. t CO2, was einem Anteil von 4,6 % an den Gesamtemissionen entsprach. Das meiste davon entfiel auf die Hochöfen, in denen der Rohstoff Eisenerz (Fe2O3) zu Eisen reduziert wird.

Und das Problem verschärft sich. Wenn die Hütten zunehmend für ihre CO2-Emissionen zahlen müssen – bislang sind sie in großem Stile davon befreit –, reduziert der Hochofen nicht mehr nur Eisenerz, sondern auch Betriebsvermögen. Der Hochofen, seit jeher der Taktgeber, nach dem sich die Stahlproduktion richtet, ist zur Zumutung geworden.

Salzgitter, Voestalpine & Co. – Stahlhersteller unter Druck

Noch betreiben sieben Konzerne in Deutschland, Österreich und den Niederlanden neun integrierte Hüttenwerke: Standorte mit Hochofen und angeschlossenem Stahlwerk. Jetzt ist die Perspektive, dass die drei Staaten im Jahr 2045, vielleicht früher, hochofenfrei sind. In einer Branche, in der Investitionen leicht in den dreistelligen Millionenbereich gehen, ist das nicht viel Zeit; die europäischen Stahlkonzerne stehen unter Druck.

Darüber, wie das Kohledioxidproblem zu lösen sei, sind sich alle einig – mittlerweile. Noch vor vier Jahren wollten die einen das Hochofengas auffangen und zu Chemikalien verarbeiten, andere wollten es im Boden verpressen. Nur eine Minderheit hatte schon 2018 den Plan, den heute alle haben: Direktreduktion.

So funktioniert Direktreduktion

Im Hochofen wird Kokskohle genutzt, um aus Eisenerz Roheisen zu machen. Und wo Kohle eingesetzt wird, entsteht Kohlenstoffdioxid. Eine Direktreduktionsanlage (DRI-Anlage) kommt hingegen ohne Kokskohle aus. Heutige Aggregate nutzen für die Reduktion vor allem Erdgas und emittieren deshalb grob gerechnet nur halb so viel CO2 pro Tonne Stahl wie ein Hochofen. Auch für die deutschen Hüttenwerke ist zunächst der Erdgasbetrieb geplant – zumindest war das vor dem Ukrainekrieg der Plan. Mit der Zeit soll immer mehr Wasserstoff eingesetzt werden. Unterm Strich sind die Emissionen deutlich CO2-ärmer und wasserreicher.

Völlig neue Anlagen werden für diese Art der Stahlproduktion benötigt (s. Infokasten). Im Hochofen wird das Eisen aufgeschmolzen und beim Abstich ausfließen gelassen. Direktreduktion bedeutet demgegenüber, dass das Eisen nie flüssig ist. Eine Direktreduktionsanlage ist ein Schachtofen. Oben werden Eisenerz-Pellets eingefüllt, die kontinuierlich hinuntersacken. Zeitgleich strömt Reduktionsgas – Kohlenmonoxid (CO) und Wasserstoff (H2) – den Ofen hinauf. Das Gas beraubt das Eisen der Sauerstoffatome. So wird aus Fe2O3 erst Fe3O4, dann FeO und schließlich Fe, also Eisen mit ein bisschen Kohlenstoff, das unten als fester, kugelförmiger Eisenschwamm herausfällt. Dieses reduzierte Eisen wird im Stahlwerk anschließend zu Stahl legiert.

Das Direktreduktionsverfahren ist nicht neu; in vielen Staaten sind bereits Anlagen in Betrieb. ArcelorMittal betreibt zum Beispiel im Elektrostahlwerk Hamburg eine DRI-Anlage mit einer Kapazität von 600 000 Jahrestonnen. Durchgesetzt hat sich das Verfahren aber vor allem dort, wo Erdgas günstig ist, etwa in Russland, in den USA und auf der arabischen Halbinsel. Der Anlagenbauer SMS group schätzt die weltweit installierte Kapazität auf annähernd 100 Mio. t. Zum Vergleich: Weltweit wurden 2021 1,9 Mrd. t Stahl produziert.

Bis heute gibt es nur zwei maßgebliche Typen von Direktreduktionsanlagen: Midrex und Energiron. Midrex ist zugleich der Name des US-Unternehmens, das die Anlagen plant. Energiron ist eine Gemeinschaftsentwicklung der italienischen Anlagenplaner Tenova und Danieli.

Der Marktführer: Midrex

Midrex ist ein Direktreduktionsverfahren und der Name eines US-Anlagenplaners. Das Verfahren ist auf einen externen Reformer angewiesen, in dem Methan in die Reduktionsgase Wasserstoff und Kohlenstoffmonoxid gecrackt wird. Im Reaktor beträgt der maximale Druck 2,5 bar.

Das Midrex-Verfahren ist auf einen externen Reformer angewiesen, in dem Methan (CH4) in die Reduktionsgase Wasserstoff und Kohlenstoffmonoxid gecrackt wird. Das Reduktionsgas wird bei einem vergleichsweise moderaten Druck von 2,5 bar und bei einer Temperatur um 950 °C in den Reaktor eingebracht. Oben am Schachtofen wird das CO2– und wasserreiche Abgas aufgefangen und abgekühlt, sodass das Wasser heraustropfen kann. Das CO2 gelangt in den Reformer und der Prozess beginnt von vorn.

Die Nummer 2: Energiron

Energiron ist eine Gemeinschaftsentwicklung der italienischen Anlagendesigner Tenova und Danieli. Das Konzept zur Eisendirektreduktion lässt sich laut Tenova auf Erdgas-, aber auch auf Wasserstoffbasis betreiben. Kernelement ist ein Hochdruckreaktor mit 6 bar bis 8 bar.

Im Energiron-Reaktor sind die Drücke höher – 6 bar bis 8 bar – und es ist mit 1050 °C bis 1080 °C auch etwas heißer. Das CO2 wird chemisch aus dem Abgas herausgewaschen und kann vermarktet werden. Der restliche Gasstrom wird befeuchtet, mit frischem Erdgas versetzt, in einem Prozessgaserhitzer erwärmt und schließlich in den Reaktor gebracht.

Es gibt einige wesentliche Unterschiede (s. Tabelle). Dazu zählen neben den Reaktordrücken und -temperaturen das Erdgas-Reforming, die Abdichtung des Reaktors, die CO2-Abscheidung und die Umrüstbarkeit auf Wasserstoffbetrieb.

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Höhere Drücke im Energiron-Reaktor

Durch den hohen Druck im Reaktor ist nach Tenova-Angaben die Strömungsgeschwindigkeit des Gases niedrig. Viel Reduktionsgas ist also lange im Reaktor – mit positiven Effekten für die Durchgasung und die Reduktion des Eisens.

Zudem wirken sich die hohen Drücke auf den Kohlenstoffgehalt des Eisens aus. Eisen hat einen Schmelzpunkt von 1538 °C. Wenn sich 4,3 % Kohlenstoff in der Matrix einlagern, sinkt der Schmelzpunkt auf 1147 °C. Ein hoher Kohlenstoffgehalt des Eisens ist auch im Stahlwerk erwünscht, genauer: im Elektrolichtbogenofen. Hier entsteht mit eingeblasenem Sauerstoff CO, das die Schlacke im Ofen aufgehen lässt, wie einen Hefeteig. Die Schaumschlacke hüllt den Lichtbogen ein, wodurch sich die Wärmeenergie besser verteilt. Laut Tenova ist Energiron der einzige DRI-Prozess, der mehr als 2,5 % Kohlenstoffgehalt ermöglicht.

Der Trick mit der Dichtung

Midrex nutzt rund um den Erzeinlass und den Eisenauslass Inertgassiegel. Ähnlich den Warmluftschleusen an Kaufhaustüren sorgen sie dafür, dass das Reduktionsgas nicht entweicht.

Tosyali betreibt im algerischen Oran die größte Midrex-Anlage der Welt mit einer Jahreskapazität von 2,5 Mio. t.
Foto: Paul Wurth

Im Energiron-Prozess kommen mechanische Dichtungen zum Einsatz. Die Erzpellets werden in einem Chargierbehälter unter Druck gesetzt und erst dann in den Reaktor gegeben. Markus Dorndorf, Vice President Iron & Steel Making bei Tenova, spricht von einem „Schleusenprinzip ähnlich wie auf einer Raumstation“.

Hauptunterschied: Reformer vs. Prozessgaserhitzer

Bei Midrex ist der Reformer ein externes Aggregat, das auf CO2 aus dem Abgasstrom des Reaktors als Sauerstoffquelle angewiesen ist. Das Reforming ist ein endothermer Prozess: Es muss also Wärmeenergie hineingesteckt werden. Dadurch, dass dieser Prozess außerhalb des Reaktors stattfindet, sind die Reaktortemperaturen laut Midrex niedriger; die Gefahr, dass die Eisenpellets verkleben, sinkt.

Bei Energiron gibt es keinen eigenen Reformer, sondern einen Prozessgaserhitzer. Das eigentliche Reforming des Erdgases geschieht im Reaktor, der dafür nötige Sauerstoff stammt aus dem Eisenerz. Laut Markus Dorndorf ist das beim Umstieg auf Wasserstoff ein Vorteil. Energiron biete „die Flexibilität, mit demselben Anlagenaufbau jede Art von Reduktionsgas in verschiedenen Mischungsverhältnissen zu verwenden, von Erdgas über Koksofengas bis hin zu Wasserstoff“.

Direktreduktion mit Wasserstoff

Für den Energiron-Prozess gilt: Wenn der Anteil des Wasserstoffs am Reduktionsgas über einen Schwellenwert klettert, wird die CO2-Wäsche für den Abgasstrom nur noch im Standby betrieben. Auch Midrex würde für den Wasserstoffbetrieb einen Prozessgaserhitzer nutzen – oder mit dem Reformer heizen. Der RWTH-Metallurge Dieter Senk sieht Energiron im Vorteil: Das Verfahren biete „die große Chance, mit mehr Wasserstoff und weniger Erdgas zu arbeiten“.

Die optimale Reaktorbreite für die Energiron-Technologie liegt laut dem Anlagendesigner Tenova bei 6,7 m bis 7 m. Das entspricht einer Jahreskapazität von 2,5 Mio. t bis 2,7 Mio. t Eisen. Große Reaktoren sind bis zu 35 m hoch.
Foto: Energiron

Die größten Hochöfen produzieren zwischen 3,6 Mio. t und 4 Mio. t Roheisen pro Jahr. Solche Größenordnungen zeichnen sich bei den DRI-Anlagen noch nicht ab. Die größten Anlagen beider Typen rangieren um 2,5 Mio. t Jahreskapazität. „Wir haben ein Design für 3 Mio. Jahrestonnen, aber das größte kommerziell bewährte Design schafft etwas weniger“, sagt Will Dempsey, Midrex-Marketingchef.

Bei Energiron ist das Maximum bei annähernd 2,7 Mio. t erreicht. „Viel größer zu bauen macht technisch wenig Sinn“, sagt der Tenova-Manager Markus Dorndorf. Jenseits dessen müssten die Nebenaggregate doppelt oder größer ausgeführt werden, was zu Ineffizienzen führe. Außerdem bestehe die Gefahr, dass die Eisenpellets im Reaktor unter großen Scherkräften zerbrechen, wenn der Durchmesser des Schachtofens erhöht werde.

Jahrhundertinvestitionen in der Stahlindustrie

Der Run auf die Anlagen hat begonnen. Midrex rechnet mit 50 % Marktwachstum bis 2030. Auch die Hüttenwerke in Deutschland wollen umrüsten.

Das Problem aus der Perspektive der Stahlunternehmen ist nur: Die Umrüstung der Hüttenwerke ist teuer. Als Faustregel gilt: Pro 1 Mio. t Roheisenkapazität eines Hochofens würde der Aufbau der DRI-Route 1 Mrd. € kosten. Thyssenkrupp veranschlagt für den Gesamtumbau seiner Duisburger Standorte annähernd 7 Mrd. €. Die deutsche Nummer zwei, Salzgitter, spricht von 3 Mrd. € bis 4 Mrd. € für ihr Hüttenwerk – ebenso wie die Stahl-Holding-Saar. Insgesamt veranschlagen die Hersteller mindestens 15 Mrd. € für den Aufbau einer CO2-ärmeren Stahlproduktion bis 2045. In der Darstellung der Stahlkonzerne ist dieses Geld nicht vorhanden. Ihre Umbaupläne basieren auf Subventionen.

Subventionen für grünen Stahl: Warten auf Brüssel

Matthias Weinberg dreht die Kamera seines Computers weg von seinem Gesicht, hin zum Besprechungstisch in seinem Büro. Darauf steht das maßstabsgetreue, filigrane Modell einer DRI-Anlage. „Können Sie das erkennen?“, fragt er im Videointerview. „Wir sind startklar. Ich glaube, viel mehr brauche ich nicht zu sagen.“

Matthias Weinberg leitet das Kompetenzzentrum Metallurgie bei Deutschlands größtem Stahlkonzern: Thyssenkrupp. Und auf dem Tisch steht die fertig geplante, 3D-gedruckte Miniatur genau der Anlage, die sein Unternehmen bis 2025 bauen will. Thyssenkrupp hat sich – wie andere Stahlhersteller auch – auf Fördergelder der EU beworben, um die Installationskosten bezahlen zu können. Nun liegen die Anträge laut Schilderungen aus der Stahlindustrie bei der Kommission. Und liegen. Und liegen. „Unser Vorschlag ist längst fertig. Jetzt muss auch der regulatorische und finanzielle Rahmen fertig werden“, sagt Weinberg.

Ein zweites Beispiel ist das weltgrößte Stahlunternehmen, ArcelorMittal, das je ein Hüttenwerk in Bremen und Eisenhüttenstadt betreibt. Laut André Körner, Mitglied der Geschäftsführung von ArcelorMittal Deutschland, liegt der CO2-Preis aktuell bei 85 €/t; ab 2026 werde die freie Zuteilung von Emissionszertifikaten an die Stahlhersteller abschmelzen. „Wir sind bereit, die Transformation schnell anzugehen. Die Signale der EU-Wettbewerbshüter deuten jedoch auf große Verzögerungen hin“, sagt Körner.

Die Standorte integrierter Hüttenwerke in Deutschland, Österreich und den Niederlanden. Integrierte Hüttenwerke sind Stahlproduktionsstätten mit Hochofen und angeschlossenem Stahlwerk. Für fast alle Hochöfen in Deutschland, Österreich und den Niederlanden gibt es mittlerweile Abschaltpläne. Nach und nach werden sie durch Direktreduktionsanlagen ersetzt. Grafik: VDI nachrichten 2/2022, Gudrun Schmidt, Foto [M]: PantherMedia/Mondi.h/VDIn

Der größte deutsche Stahlhersteller mit einer Roheisenkapazität von 10 Mio. t und Emissionen von 20 Mio. t CO2 jährlich ist Thyssenkrupp. In Duisburg betreibt der Konzern vier Hochöfen. Hochofen 9, der kleinste davon, soll bis 2025 zugunsten einer Direktreduktionsanlage stillgelegt werden. Bis 2030 soll ein zweiter, deutlich größerer Hochofen folgen. Die CO2-Emissionen sollen damit um mindestens 30 % sinken. Bis 2045 sollen die Duisburger Standorte hochofenfrei sein. „Wir liegen bei rund 7 Mrd. €“, sagt Matthias Weinberg, der Leiter des Kompetenzzentrums Metallurgie, über die Umbaukosten. Thyssenkrupp setzt auf einen sogenannten Submerged Arc Furnace, ein Aggregat aus der Nichteisen-Metallurgie, um das direkt reduzierte Eisen aufzuschmelzen. Alle nachgelagerten Aggregate in der Prozesskette inklusive Konverter und Stranggießanlagen sollen beibehalten werden. Auf Elektrolichtbogenöfen will der Konzern deshalb verzichten.

Foto: Thyssenkrupp

Der österreichische Stahlhersteller Voestalpine betreibt je ein Hüttenwerk in Linz und Donawitz. Schrittweise sollen einzelne Hochöfen abgeschaltet werden, sodass der Konzern 30 % (oder 3 Mio. t bis 4 Mio. t) weniger CO2 im Jahr 2030 emittiert. Parallel soll eine Elektrostahlroute aufgebaut werden. Voestalpine betreibt in Linz eine PEM-Elektrolyse im Pilotmaßstab und in Donawitz eine Forschungsanlage für die Direktreduktion, die – anders als die heute gängigen Anlagentypen – mit Feinerzen betrieben werden kann (Hyfor). Voestalpine geht davon aus, in Zukunft auf substanzielle Wasserstoffzulieferungen angewiesen zu sein. „Langfristig wäre für die Voestalpine beispielsweise der Bezug aus einem Pipelinenetz mit einer ergänzenden, netzdienlichen Eigenproduktion denkbar“, schreibt Stahlvorstand Hubert Zajicek auf Anfrage.

Foto: Voestalpine AG

Die Stahl-Holding-Saar (SHS) mit den beiden Stahlherstellern Dillinger und Saarstahl plant, zwischen 2027 und 2030 erste Elektroöfen (EAF) zu installieren. „Mit diesen ersten EAF-Kapazitäten werden wir in der Lage sein, einen ersten Hochofen zu ersetzen und die CO2-Emissionen substanziell zu reduzieren“, schreibt das Unternehmen auf Anfrage. In den Folgejahren soll auch die verbleibende Hochofenkapazität ersetzt werden. Die SHS hat noch keine Entscheidung darüber getroffen, ob der Eisenschwamm (DRI) intern produziert oder von externen Lieferanten bezogen werden soll. Nach aktuellen Planungen verschwinden mit den Hochöfen auch die Konverter aus dem Saarland. Das Unternehmen plant mit einer Kombination aus DRI-Anlagen und Elektrolichtbogenöfen. In der Variante mit DRI-Anlagen rechnet die SHS mit Umrüstkosten zwischen 3 Mrd. € und 4 Mrd. €. Zur Finanzierung soll eine „substanzielle Förderung“ beantragt werden.

Foto: Dillinger

ArcelorMittal ist der größte Stahlproduzent der Welt. In Bremen betreibt der Konzern ein Hüttenwerk mit zwei Hochöfen. Laut den aktuellen Plänen soll einer davon bis 2027 vorzeitig stillgelegt werden. An dessen Stelle tritt eine Direktreduktionsanlage mit einer Jahreskapazität von 2,4 Mio. t DRI (direct reduced iron). „Unsere Anlage wäre eine der größten weltweit“, sagt André Körner, Geschäftsführer der ArcelorMittal Deutschland Holding. Ein Teil des Eisens wird per Bahn ans Schwesterwerk in Eisenhüttenstadt geliefert. Der Rest wird vor Ort in einem neu gebauten Elektrolichtbogenofen (EAF) für die Stahlproduktion verwendet. Die Investitionen dieser ersten Phase in Bremen und Eisenhüttenstadt gibt ArcelorMittal mit über 1 Mrd. € an. Die Hälfte soll aus Subventionen kommen. „Ohne staatliche Förderung werden unsere Projekte nicht umgesetzt werden können“, sagt Körner. Mitte der 2030er-Jahre stünde die Neuzustellung des zweiten Hochofens an. Nach derzeitiger Planung wird ArcelorMittal dann nicht neu zustellen. Der Konzern will sich langfristig auch von seinen Konvertern trennen und stattdessen nur noch im Elektrolichtbogenofen Stahl herstellen. Für Bremen ist ein zweiter EAF geplant.

Foto: ArcelorMittal Bremen/Thomas Joswig

Im brandenburgischen Eisenhüttenstadt betreibt ArcelorMittal ein Hüttenwerk mit Hochofen. Dieser soll gemeinsam mit einem Hochofen in Bremen bis 2027 stillgelegt werden, ebenso wie die Konverter im Stahlwerk. Parallel sollen zwei Elektrolichtbogenöfen gebaut werden. Das direkt reduzierte Eisen (DRI) wird in einer Übergangsphase per Bahn aus Bremen angeliefert. Währenddessen beginnt in Eisenhüttenstadt der Betrieb einer DRI-Demonstratoranlage neuen Typs (Hyfor), die nicht wie andere DRI-Anlagen auf Erzpellets angewiesen ist, sondern mit Feinerz betrieben werden kann. Zunächst ist eine Jahreskapazität von 150 000 t geplant. Bewährt sich das Aggregat, soll die Kapazität gesteigert werden, bis das Werk von Lieferungen aus Bremen unabhängig ist.

Foto: ArcelorMittal

Der zweitgrößte deutsche Stahlhersteller Salzgitter betreibt ein Hüttenwerk mit drei Hochöfen und einem CO2-Ausstoß von insgesamt annähernd 8 Mio. t jährlich. Der Konzern plant einen mehrstufigen Umbau des Standorts. Nach Abschaltung aller Hochöfen bis Mitte der 2030er-Jahre und unter Einsatz von 100 % Wasserstoff als Reduktionsgas sollen die Emissionen um 95 % sinken. Konzernchef Gunnar Groebler rechnet mit Umbaukosten von insgesamt 3 Mrd. € bis 4 Mrd. €. Bis 2025 soll die erste, 1,25 Mrd. € teure Stufe abgeschlossen sein: Ein Hochofen würde stillgelegt und eine Direktreduktionsanlage gebaut. Im Ergebnis sinken laut Salzgitter die CO2-Emissionen um 30 %. Im Rahmen der zweiten Stufe sollen eine weitere Direktreduktionsanlage gebaut und der zweite Hochofen abgeschaltet werden (-50 % CO2). Aktuell baut Salzgitter eine herunterskalierte Direktreduktionsanlage, um Erfahrungen mit der Technologie zu sammeln. Außerdem betreibt der Konzern im Hüttenwerk einen Hochtemperaturelektrolyseur im Pilotmaßstab.

Foto: Salzgitter AG

Tata Steel betreibt an der Mündung des niederländischen IJ - Flusses ein Hüttenwerk mit Seehafen. Lange hatte der Konzern geplant, seine Hochöfen weiter zu betreiben und deren Emissionen per Carbon Capture and Storage (CCS) im Boden zu verpressen. Mittlerweile ist Tata auf die Direktreduktionsroute eingeschwenkt. In einem ersten Schritt soll ein Hochofen abgeschaltet werden. Parallel wird eine Direkt‧reduktionsanlage aufgebaut, an die sich entweder ein Elektrolichtbogenofen oder ein Submerged Arc Furnace (s. Seite 20/21) anschließt. Die nachgelagerte Prozesskette – Konverter, Stranggießanlage – bleibt intakt. „Auf unsere Konverter zu verzichten wäre enorm schwierig, weil sie so wichtig für die Produktqualität sind“, sagt Annemarie Manger, die für die Dekarbonisierung des Werks zuständig ist. Tata Steel rechnet mit höheren Betriebskosten auf der Wasserstoffroute, verglichen mit der Hochofenroute. Der Stahlpreis könnte demnach um annähernd 100 €/t steigen.

Foto: imago images/ahavela

Die Hüttenwerke Krupp Mannesmann (HKM) betreiben ein integriertes Hüttenwerk mit Rheinhafen im Duisburger Süden. Das Unternehmen hat drei Gesellschafter: Thyssenkrupp Steel (50 %), Salzgitter Mannesmann (30 %) und Vallourec Deutschland (20 %). Bislang gibt es noch keine spruchreifen Pläne, auf Direkt‧reduktion umzustellen. „Wir haben derzeit noch keine Strategie, die wird erarbeitet“, sagt ein Unternehmenssprecher auf Anfrage.

Foto: HKM

Seine Botschaft – oder ist es eine Drohung? – an die Adresse der EU-Kommission: „Die Projekte müssen in die Umsetzung kommen, bevor das Management in Zugzwang gerät und andere Entscheidungen treffen muss.“ Würde heißen: Ofen aus, und kein Ersatz.

2025 könnten die ersten Hochöfen abgeschaltet werden

Die DRI-Pläne der Stahlhersteller sind mitunter schon sehr konkret. Thyssenkrupp will – Subventionen vorausgesetzt – bis 2025 seinen kleinsten Hochofen stilllegen und parallel eine DRI-Anlage aufbauen. Bis 2030 soll einer der drei großen Hochöfen folgen. Dann will Thyssenkrupp – in Übereinstimmung mit den bundespolitischen Zielvorgaben – mindestens 30 % weniger CO2 ausstoßen als heute.

Salzgitter plant ebenfalls einen stufenweisen Umbau. Auch hier soll der erste Hochofen 2025 abgeschaltet werden. Mitte der 2030er-Jahre soll der dritte und letzte an der Reihe sein.

ArcelorMittal will bis 2027 den Hochofen in Eisenhüttenstadt sowie einen von zweien in Bremen stilllegen. Bis dahin soll in Bremen eine DRI-Anlage mit einer Jahreskapazität von 2,4 Mio. t entstehen. Das Unternehmen beziffert die Kosten mit über 1 Mrd. €.

Knappheit beim Eisenerz befürchtet

Bereits jetzt zeichnet sich ab: Die Eisenerzrohstoffe werden kapp. Die Anforderungen an das Erz sind auf der DRI-Route hoch. Es muss erstens Reduktionsgas durchströmen lassen und zweitens mechanisch belastbar sein, sodass es auch bei Temperaturen knapp unter 1000 °C nicht erweicht. „Normalerweise liegt das Eisen in haselnussgroßen Kugeln vor. Wenn daraus lauter kleine Pfannkuchen werden, kann kein Gas mehr hindurchströmen“, sagt der Thyssenkrupp-Metallurge Matthias Weinberg.

Noch sind die benötigten Erzqualitäten rar. „Das heutige Angebot an DRI-Pellets würde nie reichen, um die deutschen Hüttenwerke umzustellen“, sagt ArcelorMittal-Manager André Körner. Wenn allerdings eine Nachfrage bestehe, gäbe es auch ein Angebot. „Wir sind das viertgrößte Mining-Unternehmen der Welt, natürlich bereiten wir uns auf diese Nachfrage vor.“

Wie wird grüner Stahl auf DRI-Basis hergestellt?

So einig sich die Stahlkonzerne in der groben Linie sind – Hochofen stilllegen –, so unterschiedlich sind die Pläne im Detail. Auf die Frage, wie sich die Prozesskette hinter der DRI-Anlage fortsetzt, gibt es zwei alternative Antworten. Ein Teil der Hüttenwerke wird künftig Stahl in Elektrolichtbogenöfen produzieren, die schon heute in Elektrostahlwerken genutzt werden. Der andere Teil hält die Struktur des heutigen Stahlwerks intakt: Stahl wird weiterhin im Konverter produziert.

Ein Beispiel für die Elektrostahlvariante ist ArcelorMittal. Der Konzern will mit den Hochöfen auch seine Konverter abschaffen. Das direkt reduzierte Eisen soll im Elektrolichtbogenofen (EAF, electric arc furnace) aufgeschmolzen und zu Stahl legiert werden. In der Branche gilt Elektrostahl häufig noch als qualitativ minderwertig. Laut ArcelorMittal liegt das nicht am Aggregat selbst, sondern an den Einsatzstoffen, heute in der Regel Schrotte. Im DRI-Betrieb „sind die Elektrolichtbogenöfen ebenbürtig, sonst würden wir diesen Weg nicht gehen“, sagt Körner.

Zusätzliches Schmelzaggregat

Thyssenkrupp und Tata Steel im niederländischen IJmuiden wollen Stahl weiterhin im Konverter produzieren und sind deshalb auf eine anlagentechnische Krücke angewiesen: ein zusätzliches Aufschmelzaggregat, das in der Nichteisen-Metallurgie unter dem Namen Submerged Arc Furnace (SAF) firmiert. Dieses ist nötig, weil der Konverter mit flüssigem Material befüllt werden muss, die DRI-Anlage aber festen Schwamm liefert. Heute erfüllt der Hochofen zwei Funktionen: Erstens reduziert er im oberen Teil das Eisenerz zu Roheisen und zweitens verflüssigt er im unteren Teil das Eisen für den Konverter. Die DRI-Anlage wird nur die erste Funktion erfüllen können. Für die zweite braucht es ein Aufschmelzaggregat.

Thyssenkrupp plant noch aus einem anderen Grund mit dem SAF. Die Konverter in den Stahlwerken, die Stranggussanlagen und alle folgenden Aggregate sind auf die Abstichgewichte der Hochöfen ausgerichtet. Elektrolichtbogenöfen wären im Vergleich dazu unterdimensioniert. „Unser Oxygenstahlwerk 1 verarbeitet mit jedem Abstich 380 t Roheisen. So große Elektroöfen gibt es gar nicht“, sagt Weinberg. „Wir können nicht einfach mit kleineren Chargen fahren. Dann müsste man ein komplett neues Stahlwerk bauen.“

Auch in anderen Aspekten steht der SAF für Konstanz. Wie beim Hochofen wird das Eisen erstens per Abstich entnommen. Zweitens liefert er ähnliche Schlacken. Die dabei anfallenden Produkte wie Hüttensand können weiterhin in der Zementindustrie verwendet werden.

Ein letztes Argument für den SAF betrifft den Rohstoffeinsatz. Laut Thyssenkrupp benötigen Elektroöfen schäumende Schlacken mit ganz bestimmter Chemie, damit die Energieabstrahlung des Ofens die Stromkosten nicht in die Höhe schnellen lässt. Das Prozessfenster ist eng, die Anforderung an die Reinheit der Erzpellets hoch. Der SAF mit angeschlossenem Konverter kann größere Schlackenmengen verarbeiten: Die Metallurgie wird gutmütiger, es können auch weniger teure Erze verwendet werden. „Wir wollen beim gleichen Rohmaterialmix landen wie bisher“, sagt Annemarie Manger, die die Dekarbonisierung im Tata-Steel-Hüttenwerk IJmuiden verantwortet.

Tata Steel: Vorteil Seehafen

Voraussetzung für die DRI-Route ist die Verfügbarkeit von Wasserstoff in großen Mengen. ArcelorMittal veranschlagt 250 000 t pro Jahr, Tata Steel 400 000 t und Thyssenkrupp 700 000 t. „Diese Mengen können nur aus einer Pipeline kommen“, sagt ArcelorMittal-Manager André Körner.

Annemarie Manger bezeichnet die Wasserstoffversorgung als „Henne-Ei-Problem“. Die Wasserstoffproduzenten der Niederlande warten auf Kunden, die Kunden auf eine garantierte Versorgung. „Wir können der Ankerkunde sein und große Mengen Wasserstoff abnehmen“, sagt Manger.

Die aktuellen Pläne der niederländischen Regierung sehen den Ausbau der Offshore-Windenergie auf 21 GW bis 2030 vor. Tata will sowohl den damit produzierten Wasserstoff abnehmen als auch den Windstrom direkt, um das Gas vor Ort per Elektrolyse herzustellen. Der Konzern plant, bis 2025 einen 100-MW-Elektrolyseur in Betrieb zu nehmen; parallel entsteht ein 2-GW-Transformator für die Stromnutzung gleich neben dem Werksgelände.

Bleibt die Frage, ob sich auf der DRI-Route so viel Geld verdienen lässt, dass sich die Milliardeninvestitionen amortisieren. Oder anders formuliert: Ist die DRI-Route in Europa überhaupt wirtschaftlich? Brancheninsider gehen für den fertigen Stahl von annähernd 100 €/t Mehrkosten im Vergleich zur Hochofenroute aus. Bislang sind integrierte Hüttenwerke zudem weitgehend energieautark, abgesehen vom Kokseinkauf. In Zukunft sind sie deutlich stärker vom Strompreis abhängig – mit ungewissem Ausgang.

Fest steht nur: Den Hochofen können sich die Stahlhersteller garantiert nicht mehr leisten.

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