Vergleich der Technologien für „grünen Stahl“: eine Scorecard auf der Basis der CO2-Reduktion

Dieser 4-minütige Artikel, der auf dem längeren Beitrag „Leitlinien für grünen Stahl“ basiert, fasst den aktuellen Stand bei der Stahlerzeugung zusammen, basierend auf der objektiven, quantifizierbaren CO₂-Reduktion.

CO2-Abscheidung und Verwendung (CCU): 65 % CO₂-Reduktion

In der Stahlindustrie gibt es derzeit keine CCU-Prozesse in kommerziellem Maßstab, aber mehrere Studien haben das große Potenzial des Verfahrens gezeigt. Es ist möglich, rund 65 % der CO₂-Emissionen aufzufangen und diese dann zu verarbeiten und/oder mit anderen Gasen zu verbinden, um kohlenstoffbasierte „Ausgangsstoffe“ herzustellen, die von der chemischen Industrie nachgefragt werden. Der Nachteil: Es wird die gleiche Menge fossiler Brennstoffe verwendet, was dieselben Auswirkungen beim Abbau verursacht usw.

Abscheidung und Speicherung von Kohlenstoff (CCS): 60–70 % CO₂-Reduktion

Bei der CCS wird CO2 verdichtet, transportiert und in geeigneten unterirdischen geologischen Speichern gelagert. Das Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) berechnet, dass die Speicher bei sachgemäßer Nutzung „sehr wahrscheinlich“ 99 % des CO₂ länger als 1.000 Jahre zurückhalten.

Dennoch gibt es derzeit keine kommerziellen CCS-Anlagen im großen Maßstab in der Stahlindustrie. Laut der Internationalen Energieagentur (IEA) dürfte die Kohlenstoffabscheidung bis 2030 kaum von Bedeutung sein: Geschätzt wird, dass 1 % der jährlichen CO₂-Emissionen aus der Stahlindustrie abgeschieden wird (16 Mio. CO₂/Jahr).

Einige Fachleute plädieren dafür, die CCS-Speicher für andere Branchen als Stahl – wie Kunststoffe oder Zement – vorrangig zu nutzen, da diese mit großen Kosten und Hindernissen bei der Entwicklung von fossilfreien Technologien konfrontiert sind. In diesen Sektoren konnte das Kohlendioxid um bis zu 60–70 % reduziert werden.  

Das Recycling von Stahlschrott ist bereits viel sauberer als die herkömmliche Stahlerzeugung auf Eisenerzbasis, da der Eisenerzeugungsprozess übersprungen wird – in der Vergangenheit der Teil der Stahlerzeugung mit den höchsten CO₂-Emissionen. Da er unbegrenzt recycelt werden kann, ist es nicht verwunderlich, dass Stahl eine Recyclingquote von 90 % hat – die höchste aller weit verbreiteten Materialien. Durch Recycling können jedoch nur 25 % der derzeitigen weltweiten Nachfrage nach Stahl gedeckt werden. Die derzeitige Stahlerzeugung auf Schrottbasis kann durch die folgenden Verfahren verbessert werden. 

Kohlenstoffarme DRI: 10–20 % CO₂-Reduzierung 

Durch die Verwendung von direkt reduziertem kohlenstoffarmem Eisen (DRI) anstelle von fossilem DRI könnten die CO2-Emissionen aus der Stahlerzeugung auf Schrottbasis je nach Menge und Art des DRI und je nach Strommix um 10–20 % reduziert werden. 

Ökostrom: 50 % CO₂-Reduktion

Eine vollständige Umstellung von Strom aus fossilen Brennstoffen zu Strom aus nicht-fossilen Brennstoffen könnte die derzeitigen CO₂-Emissionen aus der Stahlherstellung auf Schrottbasis halbieren. 

Biokohle: bis zu 40 % CO₂-Reduktion 

Biokohle wird durch Biogreen-Pyrolyse und Karbonisierung von Rohbiomasse erzeugt. Bei Herstellung mit fossilfreier Energie und ohne Bindemittel ist Biokohle ein kohlenstoffneutraler Brennstoff. Biokohle kann die PCI-Technologie (pulverisierte Kohleeinblasung) ersetzen, doch ist es weiterhin notwendig, Kohle zu verwenden, um Koks für den Hochofen herzustellen. Hinzu kommt, dass Biokohle normalerweise einen höheren Gehalt an Kalium (K) und Phosphor (P) hat, was die Qualität des Stahls beeinträchtigt. Dennoch könnte das Verfahren die Kohlenstoffemissionen um bis zu 40 % reduzieren. 

Wasserstoffeinspritzung: 10–40 % CO₂-Reduktion

Die pulverisierte Kohleeinblasung (PCI) im Hochofen kann teilweise durch Wasserstoff ersetzt werden. Die daraus resultierende Kohlendioxidreduzierung ist auf ca. 10–40 % begrenzt, je nach Technologie. 

Top-Gas-Recycling (TGR): 21–25 % CO₂-Reduktion

Die bei der Energieerzeugung oder Erhitzung im Hochofen erzeugten Kuppelgase könnten recycelt werden, indem die Kohlenstoffemissionen und der Wasserstoff zurück in den Ofen geleitet werden. Die erwartete Kohlenstoffreduzierung beträgt 21–25 %. 

Schmelz-Reduktionsöfen (SAF): CO₂-Einsparungen müssen noch ermittelt werden

Schmelz-Reduktionsöfen (SAF) oder die ähnlichen Open Slag Bath Furnaces (OSBF) können die Eisenerzeugung im Hochofen ersetzen, was den Bedarf an Koks und Kohle verringern würde. Ein entscheidender Vorteil dieser Technologien ist die Möglichkeit, Eisenerz geringerer Qualität zu verwenden. Die SAF und OSBF befinden sich noch in der Entwicklung und werden in der Stahlindustrie noch nicht im großen Maßstab eingesetzt. Durch Weiterentwicklungen und Innovationen könnten SAF und OSBF die CO₂-Emissionen in der Eisenherstellung erheblich reduzieren. 

Direktreduktion auf Basis von fossilen Brennstoffen mit Elektrolichtbogenöfen (EAF): 10–40 % CO₂-Reduktion

Diese Prozesse, die mit DRI auf Basis von Erdgas oder Kohle oder Synthesegas (einer Mischung aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid) betrieben werden, reduzieren die Kohlendioxidemissionen im Vergleich zur herkömmlichen Eisenherstellung schätzungsweise um 10–40 %. 

Direktreduktion mit nicht-fossilen Brennstoffen (DRI) mit Elektrolichtbogenöfen (EAF): nahezu CO₂-frei

Die mit Abstand größte Reduzierung der CO₂-Emissionen bei der Stahlerzeugung auf Eisenerzbasis wird durch den Ersatz aller wichtigen Kohlendioxidquellen durch einen Prozess der Direktreduktion von grünem Wasserstoff erzielt. Bei der fossilfreien Direktreduktion wird Wasserstoff verwendet, der aus fossilfreiem Strom erzeugt wird: Sonne, Wind, Wasser usw. Das Nebenprodukt aus der fossilfreien DRI ist Wasser, das für die Wasserstoffproduktion wiederverwendet werden kann und einen geschlossenen Kreislauf bildet.

Die technologische Entwicklung von fossilfreiem direkt reduziertem Eisen für die fossilfreie Stahlerzeugung begann 2016. Im Juli 2021 wurden die weltweit ersten praktisch fossilfreien Stahlprodukte hergestellt.

Weitere vielversprechende Technologien zur CO₂-Reduzierung in der Eisenherstellung

Die Zusammenfassung oben umfasst Entwicklungsinitiativen, denen ein „hoher Technologie-Reifegrad“ beigemessen wird. Weitere Initiativen mit einem geringeren Technologie-Reifegrad sind:

• Wasserstoff-Direktreduktion auf Basis von Feinerzen in Kombination mit Lichtbogenofen (z. B. HyREX, Circored). 
• Wasserstoff-Direktreduktion auf Basis von Feinerzen in Kombination mit Schmelzreduktion (z. B. SuSteel). 
• Direktelektrolyse von Eisenerz bei niedrigen Temperaturen (z. B. Ulcowin, Siderwin). 
• Direktelektrolyse von Eisenerz bei hohen Temperaturen (z. B. Ulkolyse, Boston Metal).  

2026: kommerzielle Mengen an fossilfreiem Stahl

Unternehmen aus verschiedenen Branchen – darunter der Automobilindustrie – verwenden gegenwärtig kleine Mengen fossilfreier Stähle von SSAB aus der Pilotanlage, um Prototypen zu bauen. Da unsere neuen fossilfreien Stähle dieselben Eigenschaften wie unsere serienmäßigen Stähle haben, ist die Einführung bei den Kunden erwartungsgemäß recht unproblematisch verlaufen.