Technik

Wege zu einer CO2-armen Stahlerzeugung

Salzgitter AG

Das Projekt SALCOS® der Salzgitter AG zeigt: Produktionsverfahren mit deutlich geringeren Treibhausgasemissionen sind technisch möglich.

Der politische Wille scheint klar: Klimaneutralität bzw. Dekarbonisierung sollen auch in energieintensiven Industrien mit einem heute prozessbedingt hohen Anteil an CO2-Emissionen vorangebracht werden, selbst wenn eine belastbare Einbettung dieser Klimaschutzanstrengungen in den erforderlichen internationalen Kontext nicht gesichert ist.

Grundsätzlich sind Produktionsverfahren mit deutlich geringeren Treibhausgasemissionen u. a. in der Stahlerzeugung zwar technisch denkbar, deren anlagentechnische Umsetzung und v. a. Wirtschaftlichkeit im Betrieb ist allerdings zurzeit noch nicht dauerhaft gegeben.

Auch in der Industrie die Diskussionen um Klimaschutz und CO2-arme Produktionsverfahren bereits in vollem Gange. Im Rahmen des Projekts „SALCOS®“ (SAlzgitter Low CO2 Steelmaking) befasst sich die Salzgitter AG, der zweitgrößte Stahlproduzent Deutschlands, bereits seit Längerem mit den Möglichkeiten der CO2-Reduzierung im Stahlerzeugungsprozess durch den Einsatz von regenerativ gewonnenem Wasserstoff.

von: Dr. Volker Hille (Salzgitter AG), Dr. Alexander Redenius (Salzgitter Mannesmann Forschung GmbH) und Dr. Jens Traupe (Salzgitter AG)

Nicht erst seit dem Weltklimagipfel in Paris Ende 2015 ist der Begriff der Dekarbonisierung in aller Munde. Bis zum Jahr 2050 soll eine möglichst weitgehende Treibhausgasneutralität in allen Lebensbereichen – also ausdrücklich nicht nur in der industriellen Produktion – erreicht werden. Aber was sich in der öffentlichen Debatte relativ einfach anhört, stellt in der industriellen Realität insbesondere energieintensive Produktionsprozesse vor eine der vermutlich größten Herausforderungen ihrer Geschichte. Denn in vielen Fällen, so auch in der Stahlindustrie, könnten diese klimapolitischen Rahmenbedingungen darauf hinauslaufen, heute etablierte, zumindest in Deutschland im Grenzbereich der erzielbaren Energieeffizienz arbeitende und damit gut funktionierende Produktionsverfahren durch neue zu ersetzen. Hierfür wird es vielfach erforderlich sein, den funktionierenden, vorhandenen Anlagenpark in erheblichem Maße anzupassen oder sogar gänzlich neu zu errichten.

Für diesen Transformationsprozess sind gigantische Investitionen erforderlich. Wegen des internationalen Wettbewerbs kann dabei aber zurzeit und bis auf Weiteres nicht von besseren Erlöschancen CO2-arm erzeugter Produkte ausgegangen werden. Sollte mithin ein solcher Umbau in Deutschland oder Europa forciert werden und sich diese neuen Anlagen dann der weltweiten, allerdings weiterhin mit den heutigen Verfahren arbeitenden Konkurrenz stellen müssen, so ist sowohl die Frage der Investitions- als auch der Betriebskosten nach wie vor unbeantwortet.

Insoweit ist es auch nicht wirklich überraschend, dass zu diesem Punkt in der derzeitigen Debatte vieles noch im Ungefähren bleibt. Auch derzeitige Klimaschutzüberlegungen innerhalb der Bundesregierung können hier noch nicht die notwendigen Rahmenbedingungen setzen. Klar ist aber auch: Die Industrie befindet sich bereits mitten im Diskussionsprozess, der insbesondere aus einem Spannungsfeld zwischen der klimatologisch begründeten, politischen Notwendigkeit und dem für die Unternehmen hierzulande technologisch, insbesondere aber ökonomisch Machbaren gebildet wird. So beschäftigt sich auch die Salzgitter AG seit Längerem mit einer konkreten Alternative zur heute weltweit dominierenden Stahlproduktion über die sogenannte integrierte Route, die auf der Hochofentechnologie basiert.

Das Projekt „SALCOS®

Die Salzgitter AG ist mit einer Jahreskapazität von 7,5 Millionen Tonnen Rohstahl der zweitgrößte Stahlproduzent in Deutschland und beschäftigt 24.500 Mitarbeiter, davon rund 10.000 Menschen in ihren Stahlwerken. Der Hauptanteil der Produktion erfolgt im integrierten Hüttenwerk im niedersächsischen Salzgitter, das drei Hochöfen (einschließlich Sinteranlage und Kokerei), ein Kraftwerk, Konverter, Warm- und Kaltwalzwerke, Adjustagen und Oberflächenveredelungen betreibt. Das Werk konzentriert sich auf die Produktion von hochwertigem Qualitätsflachstahl.

Das Projekt SALCOS® (Salzgitter Low CO2Steelmaking) wurde 2015 in Kooperation mit der Fraunhofer Gesellschaft gestartet, wobei bereits zu Beginn der Überlegungen einige „Leitplanken“ definiert wurden: So ist neben dem Ziel einer signifikanten Minderung der CO2-Emissionen im Stahlerzeugungsprozess eine der wesentlichen Eingangsvoraussetzungen, die dafür notwendigen Maßnahmen am Standort Salzgitter und damit unter Beibehaltung der Beschäftigung in Niedersachsen umzusetzen, eine klare Absage an Carbon Leakage in Drittländer außerhalb des europäischen Emissionshandelssystem (EU ETS). Ergänzend soll das Projekt in aufeinander aufbauenden Stufen realisierbar sein, um vorhandene Anlagentechnik soweit und solange wie möglich weiter betreiben zu können – immer in enger Anlehnung an die Entwicklung der CO2-Minderungsziele insbesondere nach 2030.

Im Prinzip soll bei SALCOS® die Kernaufgabe der Reduzierung von CO2-Emissionen der Flüssigmetallurgie auf Eisenerzbasis durch den Einsatz von erhöhten Wasserstoffmengen gelöst werden, ergänzt um eine stufenweise Elektrifizierung der Prozesse. SALCOS® setzt ausdrücklich auf die primäre Vermeidung der CO2-Bildung im Stahlerzeugungsprozess. Daher wird dieser Ansatz Carbon Direct Avoidance (CDA) genannt, der sich hierdurch signifikant von End-of-pipe-Ansätzen wie Carbon Capture and Storage (CCS) und Carbon Capture and Usage (CCU) unterscheidet, die weiterhin bei Kohlenstoff als Reduktionsmittel bleiben.

In einem ersten Schritt würde eine Direktreduktionsanlage (DRP), die notwendige Wasser-Elektrolysekapazität zur Wasserstoff-Herstellung sowie ein Elektrolichtbogenofen (EAF) aufgebaut. Das in der Direktreduktionsanlage erzeugte direktreduzierte Eisen (DRI) würde einesteils im Elektrolichtbogenofen eingeschmolzen und anderenteils den verbleibenden Hochöfen zugeführt. Daraus ergibt sich die Möglichkeit, einen der drei heute in Betrieb befindlichen Hochöfen sowie einen Konverter aus der Produktion zu nehmen. Die CO2-Emissionen würden in dieser Ausbaustufe im Vergleich zu heute um ca. 25 Prozent reduziert.

Die weiteren Umsetzungsschritte basieren im Wesentlichen auf dem gleichen Grundmodul und können perspektivisch in den kommenden Jahrzehnten zu einer vollständigen Umstellung der Stahlerzeugung von der Hochofen-Konverter-Route hin zur Direktreduktion-EAF-Route führen. Bei einer vollständigen Umstellung der Produktion und den Einsatz von 100 Prozent, unter Nutzung regenerativer Energien erzeugten Wasserstoffsbeträgt die maximal erzielbare CO2-Reduzierung des SALCOS®-Konzeptes 95 Prozent.

Die Kombination aus Direktreduktionstechnologie mit flexibler Elektrolysetechnik ermöglicht zudem die optimale Nutzung volatiler, erneuerbarer Energien, da je nach Verfügbarkeit erneuerbar erzeugten Stroms im Prozess ersatzweise Erdgas statt elektrolytischem Wasserstoff eingesetzt bzw. überschüssiges direktreduziertes Eisen einfach zwischengelagert werden könnte. Insoweit bietet dies zugleich eine Option zur Stromspeicherung, die mit fortschreitender Energiewende an Bedeutung gewinnen dürfte.

Aus der beabsichtigten abschnittsweisen Realisierung von SALCOS® im laufenden Betrieb des integrierten Hüttenwerkes ergäben sich große Herausforderungen, sowohl hinsichtlich der Prozessführung, als auch in Bezug auf die Wirtschaftlichkeit. Es wird sehr auf die regulatorischen und ökonomischen Rahmenbedingungen ankommen, ob das Projekt realisiert werden kann.

Ein noch jahrzehntelanger Forschungsbetrieb im Labor- oder Technikumsmaßstab ist bei SALCOS® nicht notwendig, was den Ansatz von vielen alternativen Ansätzen unterscheidet und somit auch mit Blick auf das bereits für 2030 bzw. 2050 avisierte Klimaziel sehr relevant ist.
 


Einschätzung zu Handlungsalternativen

Vor Aufnahme des konkreten SALCOS®-Projektes hatte sich die Salzgitter AG auch mit alternativen Handlungsoptionen zur CO2-Minderung in ihren Produktionsprozessen beschäftigt. Dabei wurden auch in der Öffentlichkeit bereits bekannte CCS- und CCU-Ansätze betrachtet.

Eine häufig diskutierte und von anderen Unternehmen verfolgte Option ist die des CCU, bei dem die Entstehung von CO2 aus fossilen Kohlenstoffquellen auch weiterhin in Kauf genommen, das entstandene CO2 im Anschluss jedoch zunächst nicht als Emission in die Atmosphäre entlassen, sondern durch Zusammenbringen mit anderen Chemikalien wiederverwertet und einmalig recycelt wird. Beispielhaft zu nennen sind hier die geplante Erzeugung von Methan und Methanol. Die Salzgitter AG verfolgt diesen Weg nicht weiter, weil aus unserer Sicht u. a. Folgendes dagegen spricht:

  • Grundsätzlich hat die Stahlindustrie die prozesstechnische Möglichkeit, Kohlenstoff durch Wasserstoff als Reduktionsmittel und durch Strom zur Bereitstellung von Energie zu ersetzen. Diese Flexibilität ist ein wichtiger Pluspunkt im Vergleich zu anderen Industriezweigen, wie der Zementindustrie. CCU wird in der Stahlindustrie also bestenfalls eine Brückentechnologie darstellen können.
  • Um aus energetisch „totem“ CO2 hochwertige, wieder nutzbare chemische Verbindungen zu erzeugen, bedarf es eines enormen spezifischen Energieeinsatzes; bei der Erzeugung von Kohlenwasserstoffen auf Basis CO2 wird hierfür insbesondere elektrolytisch erzeugter Wasserstoff eingesetzt werden müssen. Nach Berechnungen der Fraunhofer Gesellschaft ist die dabei für die Verwertung bzw. Vermeidung von einer Tonne CO2 spezifisch notwendige Menge erneuerbaren Stroms deutlich höher als für den Carbon Direct Avoidance-Ansatz.

Notwendige vs. störende Rahmenbedingungen

Hier bietet sich zunächst ein Vergleich mit dem Vorgehen beim Umbau der Energiewirtschaft in Deutschland in den vergangenen gut 20 Jahren an: Um Anreize für den vermehrten Ausbau erneuerbarer Energie – und dem damit einhergehenden Wunsch einer Dekarbonisierung – zu setzen, sind für die Betreiber über 20 Jahre planbare und in hohem Maße das Investitionsrisiko minimierende Festvergütungsansätze für Strom implementiert worden. Dabei ist Strom vergleichsweise sogar ein Produkt, welches anders als Stahl nicht einem im Sinne der Fragestellung relevanten internationalen Wettbewerb unterliegt. Mit Blick auf die Produktion energieintensiv hergestellter und im internationalen Wettbewerb stehender Güter gilt es insofern, die notwendigen energie- und klimapolitischen Rahmenbedingungen neu zu beleuchten, v. a. wenn man einerseits von den betroffenen Industrien grundlegende verfahrenstechnische Umstellungen erwartet und es andererseits wirklich ernst damit meint, sie hierzulande erhalten zu wollen.

Als in seiner Struktur für die Zeit ab 2021 nicht zweckmäßig aufgebaut, dürfte sich in diesem Zusammenhang das EU ETS erweisen, da sich aus ihm für die betroffenen energieintensiven Branchen Minderungsvorgaben ableiten, die signifikant über dem mit heutigen Verfahren technisch Erreichbaren liegen. So können die betroffenen Unternehmen nur mit Zertifikatezukauf reagieren, der Emissionshandel wird dadurch letztlich zu nichts anderem als einer simplen Produktionsbesteuerung. Zugleich aber werden ihnen gerade solche Geldmittel entzogen, die für Technologiesprünge, wie den hier geschilderten SALCOS®-Ansatz, notwendig sind.

Insbesondere der für die Elektrolyse zur Wasserstofferzeugung notwendige Strom aus erneuerbaren Energien muss aber kostengünstigst zur Verfügung stehen (also insbesondere ohne Belastungen aus der EEG-Umlage), damit SALCOS im Vergleich zu den heutigen Herstellungsrouten dauerhaft wettbewerbsfähig betrieben werden kann.

Fazit

Produktionsverfahren mit deutlich geringeren Treibhausgasemissionen sind technisch möglich, das zeigt das SALCOS® . Es geht dabei allerdings nicht um arrondierende Maßnahmen an vorhandenen Prozessen, mit denen die CO2-Emissionen sukzessive um kleinere einstellige Prozentanteile pro Jahr kontinuierlich gemindert werden können. Vielmehr geht es erwartbar häufig um milliardenschwere Investitionen in neue Anlagen, die Produkte hervorbringen, welche sich in ihren technischen Eigenschaften von den bisherigen grundsätzlich nicht unterscheiden und damit die Erlöschancen nicht erhöhen. Will man auf Basis besonders ambitionierter Zielsetzungen den daraus resultierenden Klimaschutz bis Mitte des Jahrhunderts soweit voranbringen, dass auch die Prozessemissionen der Industrie einzuschließen sind, zugleich aber das politische „Versprechen“ der unbedingten Vermeidung von Carbon Leakage einlösen, ist insbesondere über die wirtschaftliche Darstellbarkeit des technisch Möglichen zu reden. Ein international belastbares Level Playing Field ist hierzu unbedingt notwendig.

Die Autoren:

Dr.-Ing. Volker Hille
Leiter Corporate Technology
Salzgitter AG

hille.vsalzgitter-agde

Dr.-Ing. Alexander Redenius
Leiter Ressourceneffizienz und FuE-Koordination
Salzgitter Mannesmann Forschung GmbH

a.redeniussz.szmfde

Dr.-Ing. Jens Traupe
Leiter Umweltschutz- und Energiepolitik
Salzgitter AG

traupe.jsalzgitter-agde