Klimaschutz in der Stahlindustrie

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Klimaschutz in der Stahlindustrie bedeutet den Abschied vom kohle-basierten Hochofen und den Einstieg in die wasserstoff-basierte Direktreduktion. Es ist wie das Ende und der Beginn einer Ära – eine bedeutende Transformation.

Emissionsintensität der Stahlindustrie

„Stahl ist ein Nebenprodukt der CO2-Herstellung“, könnte man witzeln, denn selbst in hocheffizienten modernen Hochöfen entstehen pro Tonne Rohstahl 1,7 Tonnen CO2. Diese gewaltige CO2-Intensität der Hochofen-Route führt dazu, dass die Eisen- und Stahlindustrie je nach Jahr zwischen circa ein Viertel bis zu einem knappen Drittel aller Industrieemissionen verursacht.

Stahl ist überall um uns herum. Seine Verbindung zum steigenden Lebensstandard auf der ganzen Welt bedeutet, dass die Nachfrage nach Stahl bis zum Jahr 2050 um mehr als ein Drittel steigen könnte. Für Deutschland wird ein etwa gleichbleibender oder leicht sinkender Primärstahlbedarf vermutet. Der Grund dafür ist die Annahme, dass das Recyceln von Stahl weiter zunimmt und ein Mehrbedarf durch Sekundärstahl gedeckt werden kann. 70 Prozent der Stahlproduktion in Deutschland stellt den Stahl derzeit direkt aus dem Eisenerz her (Primärstahl) und arbeitet mit der Hochofen-Konverter-Route. Dabei entstehen die besagten 1,7 Tonnen CO2 pro Tonne Stahl. Die verbleibenden 30 Prozent entfallen auf die Sekundärstahl-Produktion mittels Elektrolichtbogen-Route. Die Elektrolichtbogenroute ist das bevorzugte Verfahren zum Aufschmelzen und Aufreinigen von Stahlschrott, wobei nur 0,3 Tonnen CO2 pro Tonne Stahl entstehen.

Der Elektrolichtbogenofen ist strom-basiert. Seine Emissionsbilanz wird sich durch Verwendung von 100 Prozent erneuerbarem Strom weiter verbessern. Der Hochofen verwendet Kohle. Trotz großer Effizienzsteigerungen bleibt dieser Prozess emissionsintensiv. Klimaschutz in der Stahlindustrie bedeutet den Abschied vom kohle-basierten Hochofen und den Einstieg in ein neues Verfahren zur Primärstahlherstellung: die wasserstoff-basierte Direktreduktion. Dies bedeutet eine große Transformation mit hohen Investitionen in gänzlich neue Art von Anlagen sowie der Umstellung der gesamten Lieferkette auf neue Rohstoffe. Um sicherzustellen, dass diese Transformation gelingt und Deutschland den Wert, den diese Branche schafft, bewahrt, sind systemische politische Maßnahmen erforderlich.

Wichtig dabei ist, dass die Qualität der Stahlsorten und die Möglichkeiten zur Herstellung von Spezialstählen ununterbrochen erhalten bleiben, denn gerade die qualitativ hochwertigen Stähle machen den hohen Wert der deutschen Stahlproduktion aus. Der Zugang zu Spezialstählen mit besonderen Werkstoffeigenschaften kann für die Standortwahl nachgelagerter Hersteller entscheidend sein. Somit ist die Stahlproduktion für den Erhalt von Arbeitsplätzen auch in anderen Branchen von Bedeutung.

Optionen zur Emissionssenkung

Die schon jetzt vergleichsweise niedrigen Emissionen der Schrottverwertung in der Elektrolichtbogen-Route legen nahe, dass eines der wichtigsten Handlungsfelder die weitere Verbesserung des Recyclings von Stahl ist. Dabei ist auch wichtig, dass Recyclingverfahren weiter verbessert werden, um höhere Qualitäten bei den Recyclingstählen zu ermöglichen.

Da das Recycling von Stahl ein strom-intensiver Prozess ist, müssen seine Emissionen durch Verwendung von 100 Prozent erneuerbaren Stroms weiter gesenkt werden. Dazu muss der Ausbau erneuerbarer Energien forciert und das Stromleitungsnetz ausgebaut werden.

Da Primärstahl weiterhin gebraucht wird, muss seine Produktion in Zukunft klimaneutral sein. Zwei Szenarien zeichnen sich derzeit als mögliche Wege ab, um Primärstahl-Produktion klimaneutral zu gestalten. Zum einen das HIsarna-Verfahren mit Carbon Capture and Storage (CCS) zum anderen Direktreduktion mit Wasserstoff. Mit dem HIsarna-Verfahren lassen sich bereits ohne CCS-Anlage einsparen ein Teil der Emissionen des Stahlgewinnungsprozesses reduzieren. Zusammen mit einer CCS-Anlage lassen sich so fast alle Emissionen einsparen.

Direktreduktion

In Deutschland wird das Verfahren der Direktreduktion favorisiert. Sowohl ThyssenKrupp als auch Salzgitter AG setzen auf Direktreduktion, um in Zukunft emissionsfreien Primärstahl produzieren zu können. Dazu sind Investitionen in Milliardenhöhe an den Stahlstandorten notwendig, denn statt der Hochöfen und Konverter müssen Direktreduktionsanlagen gebaut und Elektrolichtbogenöfen installiert werden. Obwohl Direktreduktion eine ausgereifte und erprobte Technologie ist, sind die Kapitalinvestitionen enorm. Eine solche Investition wäre im klassischen Sinne nicht wirtschaftlich. Staatliche Unterstützung sowohl bei den anfänglichen Kapitalkosten als auch bei den Betriebskosten ist nötig, um diesen Übergang zu ermöglichen.

 

Damit diese Investitionen tatsächlich zu einem emissionsfreien Stahl führen, müssen die Direktreduktionsanlagen mit emissionsfreiem Wasserstoff betrieben werden, am besten mit Wasserstoff aus Elektrolyse unter Verwendung von 100 Prozent erneuerbarem Strom, sogenanntem „grünem“ Wasserstoff. Allerdings sind die exorbitanten Mengen an erneuerbarem Strom, die für die Herstellung hinreichend großer Mengen „grünen“ Wasserstoffs notwendig wären, nicht vorhanden. Für eine Tonne mit „grünem“ Wasserstoff produzierten Stahls veranschlagt man circa 3.200 Kilowattstunden, was in etwa dem Jahresverbrauch eines deutschen Zwei bis Drei-Personen-Haushaltes entspricht.

In Industriedimensionen bedeutet dies am Beispiel des ThyssenKrupp-Stahlwerks in Duisburg mit einer Produktionskapazität von 11 Mio. Tonnen Stahl pro Jahr einen Gesamtbedarf an Strom von 35.200.000.000 Kilowattstunden pro Jahr, wenn die gesamte Produktionskapazität auf die Direktreduktion mit Wasserstoff umgestellt werden würde. Wobei 28.600.000.000 Kilowattstunden allein für die Produktion von grünem Wasserstoff benötigt werden. Die übrigen Kilowattstunden ergeben sich aus dem Energieverbrauch des Elektrolichtbogenofens. Im Vergleich lag der Stromverbrauch der Hauptstadt Berlin bei 12.800.000.000 Kilowattstunden im Jahr 2020. Das Werk in Duisburg hätte somit fast den dreifachen Stromverbrauch von Berlin.

Deshalb werden die Anlagen zunächst mit Erdgas betrieben. Das ist schon ein großer Fortschritt gegenüber der Hochofen-Route: 60 Prozent der klimaschädlichen Emissionen werden durch den Einsatz von Erdgas in Direktreduktionsanlagen eingespart. Klimaneutral kann die Stahlproduktion aber erst mittel- bis langfristig mit der Verfügbarkeit großer Mengen an erneuerbarem Strom werden. Alternativ sollte Abscheidung und permanente geologische Speicherung von CO2 (CCS) sofort eingeführt werden, um die Klimaneutralität früher und rechtzeitig bis 2045 zu erreichen.

Langfristig liegt die Perspektive der Direktreduktion nicht nur in emissionsfreiem Stahl, sondern sogar noch in der Generierung von negativen Emissionen, also einer netto Entnahme des CO2 aus der Atmosphäre. Dabei wird eine Mischung aus „grünem“ Wasserstoff und kleineren Anteilen von Biomethan verwendet. Durch Abscheidung und permanente geologische Speicherung des aus Biomethan entstehenden CO2 ergäbe sich eine netto negative Emission der Anlage. Dieser Zustand ist jedoch erst in ferner Zukunft erreichbar, da zunächst weder die Verfügbarkeit von „grünem“ Wasserstoff noch die Verfügbarkeit von Biomethan gegeben sind.

Benötigte Infrastruktur

Die klimaneutrale Stahlproduktion benötigt große Mengen erneuerbaren Stroms, sowohl für den klimafreundlichen Betrieb von Elektrolichtbogenöfen für Stahlrecycling als auch für die Herstellung großer Mengen „grünen“ Wasserstoffs für die Direktreduktion. Dazu sind entsprechend vergrößerte Stromleitungen zu den Stahlstandorten erforderlich.

Eine Alternative wäre die Herstellung von Wasserstoff aus Erdgas am Standort. Das kann mithilfe von Abscheidung und permanenter geologischer Speicherung von CO2 erfolgen. In diesem Fall benötigt man CO2-Transport zu den Speicherorten. Die Herstellung von Wasserstoff aus Erdgas kann aber auch mittels Methanpyrolyse erfolgen. Dabei entsteht kein CO2 und man braucht stattdessen eine Verwendung für oder eine Deponierung von festem Kohlenstoff.

Ferner kann emissionsarmer Wasserstoff an einem anderen Standort hergestellt werden. Für den Anschluss an das Stahlwerk muss in diesem Fall eine Wasserstoffpipeline zum Stahlstandort führen.

Bellona fordert:

Die Umstellung der Stahlherstellung auf klimaneutrale Produktion ist eine große Transformation für diese Branche. Damit sie gelingt, sind umfassende branchen-übergreifende Maßnahmen notwendig. Die Bundesregierung muss

  • auf nationaler und EU-Ebene die Kreislaufwirtschaft weiterentwickeln mit dem Ziel, durch Langlebigkeit, Wiederverwendbarkeit, Reparierbarkeit und Recyclingfähigkeit von Produkten den Bedarf an Primärstahl zu senken.
  • die Ausbauziele für erneuerbaren Strom erhöhen und dabei von einem deutlich wachsenden Gesamtstrombedarf ausgehen. Der Netzausbau muss in dem Zusammenhang dringend beschleunigt werden. Importe von erneuerbarem Strom aus dem Ausland müssen schnellstmöglich geprüft und die dafür entsprechenden bilateralen Vereinbarungen mit geeigneten Lieferländern geschlossen werden.
  • staatliche Unterstützung für die Umstellung auf Direktreduktion bereitstellen. Insbesondere ist die Einführung eines Finanzierungsinstruments in Form von Carbon Contracts for Difference (CCfD) notwendig.
  • von den Stahlherstellern einfordern, dass sofort maximal mögliche Emissionseinsparungen durch Verwendung emissionsarmen Wasserstoffs aus Erdgas angestrebt werden.
  • die zeitnahe Verfügbarkeit hinreichend großer Mengen an emissionsarmem Wasserstoff für die Industrie ermöglichen, indem im Rahmen der Umsetzung der Wasserstoffstrategie auch die Herstellung von Wasserstoff aus Erdgas ermöglicht und förderfähig gemacht wird. Ferner müssen die industriellen Wasserstoff-Anwendungen priorisiert werden.
  • mit dem Aufbau einer Wasserstoff- und CO2-Infrastruktur als Teil eines Gesamtsystems aus vergrößertem und ertüchtigtem Stromnetz sowie Wasserstoff- und CO2-Transport schnellstmöglich beginnen.