Wasserstoffmetallurgie für die Entkohlung in der Stahlindustrie

Nachhaltige Technologien spielen eine zentrale Rolle für die Industrie der Zukunft – und genau hier setzten wir an. Als Partner für Ingenieurlösungen beschäftigen wir uns intensiv mit innovativen Ansätzen zur Reduktion von Emissionen und zur Förderung nachhaltiger Prozesse. Ein spannendes Beispiel dazu bietet die Wasserstoffmetallurgie, die neue Möglichkeiten für die Entkohlung in der Stahlproduktion eröffnet:

Die Stahlindustrie, ein Eckpfeiler der globalen Infrastruktur und Fertigung, befindet sich in einem Wandel, um ihren CO2-Fussabdruck zu reduzieren. Als einer der grössten industriellen Verursacher von CO2-Emissionen steht der Sektor unter wachsendem Druck, nachhaltige Praktiken und Technologien einzuführen. Die Wasserstoffmetallurgie, ein neuartiger Ansatz für die Stahlproduktion, erweist sich als vielversprechende Lösung, um die Industrie zu entkohlen und sie an den globalen Klimazielen auszurichten.

Bei der Wasserstoffmetallurgie wird Wasserstoff als Reduktionsmittel verwendet, um traditionelle kohlenstoffbasierte Mittel wie Koks im Stahlherstellungsprozess zu ersetzen. Das Grundprinzip dreht sich um die Reduktion von Eisenerz (Fe2O3) zu metallischem Eisen (Fe) unter Verwendung von Wasserstoffgas (H2). Im Gegensatz zu Kohlenstoff, bei dem als Nebenprodukt CO2 entsteht, reagiert Wasserstoff mit Sauerstoff zu Wasser (H2O), wodurch die Treibhausgasemissionen aus der Stahlproduktion erheblich reduziert werden. Diese Umstellung auf wasserstoffbasierte Stahlerzeugung könnte bis zu 90 % der CO2-Emissionen aus dem konventionellen Hochofenbetrieb einsparen, was sie zu einer zentralen Technologie für die Dekarbonisierungsbemühungen der Branche macht [1].

CO2-Emissionen der Stahlproduktion im Vergleich zu anderen Werkstoffen.

Eine der bemerkenswertesten Initiativen in diesem Bereich ist das Projekt HYBRIT (Hydrogen Breakthrough Ironmaking Technology), das von SSAB, LKAB und Vattenfall in Schweden geleitet wird. Ziel von HYBRIT ist es, fossilfreien Stahl herzustellen, indem Koks im Reduktionsprozess durch Wasserstoff ersetzt wird. Erste Versuche haben vielversprechende Ergebnisse gezeigt und die Machbarkeit einer grosstechnischen wasserstoffbasierten Stahlproduktion gezeigt. Das Projekt ist ein wichtiger Schritt auf dem Weg zur Klimaneutralität der Stahlindustrie bis 2045, wie sie im Klimaaktionsplan der Europäischen Union [2] festgelegt ist.

Trotz ihres Potenzials steht die Wasserstoffmetallurgie vor mehreren Herausforderungen, die angegangen werden müssen, um ihre breite Akzeptanz zu gewährleisten. Eine der größten Hürden sind die hohen Kosten für grünen Wasserstoff, der durch Elektrolyse mit erneuerbarer Energie hergestellt wird. Auch die Produktions- und Speicherinfrastruktur für Wasserstoff erfordert erhebliche Investitionen, was für viele Stahlhersteller wirtschaftliche Hindernisse darstellt. Darüber hinaus ist die Umrüstung bestehender Stahlwerke auf wasserstoffbasierte Prozesse mit erheblichen technischen und finanziellen Herausforderungen verbunden [3].

Um diese Hindernisse zu überwinden, sind gemeinsame Anstrengungen zwischen Regierungen, Industrie und Forschungseinrichtungen unerlässlich. Politische Massnahmen wie Subventionen für die Produktion von grünem Wasserstoff, CO2-Bepreisung und Investitionen in die Wasserstoffinfrastruktur können eine entscheidende Rolle bei der Beschleunigung des Übergangs spielen. Forschungs- und Entwicklungsinitiativen konzentrieren sich auch darauf, Technologien zur Wasserstofferzeugung zu optimieren und nahtlos in bestehende Stahlerzeugungsprozesse zu integrieren (Ziegler et al., 2022).

Die ökologischen und wirtschaftlichen Auswirkungen der Wasserstoffmetallurgie sind immens. Neben der Reduzierung von Emissionen kann die wasserstoffbasierte Stahlproduktion die Energiesicherheit erhöhen, indem sie die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen verringert. Es schafft auch Möglichkeiten für neue Lieferketten und grüne Arbeitsmärkte und fördert das Wirtschaftswachstum in Regionen, die in Wasserstofftechnologien investieren. Auf dem Weg in eine kohlenstoffarme Zukunft wird die Einführung der Wasserstoffmetallurgie in der Stahlindustrie entscheidend sein, um die globalen Klimaziele zu erreichen und eine nachhaltige Entwicklung voranzutreiben.

Die Schweiz treibt die Wasserstoffmetallurgie im Rahmen ihrer Bemühungen zur Dekarbonisierung der Stahlindustrie aktiv voran und nutzt dabei ihr robustes Forschungs- und Industrieökosystem. Institutionen wie die Empa und die Swiss Steel Group führen Initiativen an, um Wasserstoff als Reduktionsmittel zu integrieren und traditionelle kohlenstoffintensive Methoden zu ersetzen. Pilotprojekte, die durch die Produktion von grünem Wasserstoff aus Wasserkraft unterstützt werden, testen die Machbarkeit einer wasserstoffbasierten Stahlerzeugung mit vielversprechenden Ergebnissen. Zudem erleichtern die Investitionen der Schweiz in die Wasserstoffinfrastruktur, einschliesslich Produktion, Speicherung und Verteilung, den Ausbau dieser Technologien. Die Zusammenarbeit zwischen Forschungsinstituten, Industrie und Regierung sowie die Teilnahme an europäischen Wasserstoffinitiativen positionieren die Schweiz als wichtigen Akteur beim Übergang zu einer nachhaltigen Stahlproduktion [4].

Wie kann cross-ING Sie unterstützen?

Die Wasserstoffmetallurgie zeigt, wie innovative Technologien den Wandel zu nachhaltigen Prozessen vorantreiben können. Bei cross-ING unterstützen wir Unternehmen dabei, solche Innovationen in ihre Fertigungsprozesse zu integrieren und nachhaltige Lösungen zu entwickeln – von der Prozessoptimierung über die Materialauswahl bis hin zur Umsetzung neuer Technologien.

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Referenzen

1. Raabe, Dierk, et al. "Zirkulärer Stahl für eine schnelle Dekarbonisierung: Thermodynamik, Kinetik und Mikrostruktur hinter dem Upcycling von Schrott zu Hochleistungsstahl." Jahresbericht der Materialforschung 54.2024 (2024): 247-297.

2. HYBRIT-Initiative (2023). "Fossilfreie Stahlproduktion." Abgerufen von https://www.hybritdevelopment.com.

3. Weltstahlverband (2023). "Nachhaltigkeitsbericht: Auf dem Weg zu einer Netto-Null-Stahlproduktion." https://www.worldsteel.org.

4. Empa (Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt). "Wasserstoffprojekte und Anwendungen in industriellen Prozessen."  https://www.empa.ch