Dekarbonisierung der industriellen Wärme: Der Eisen- und Stahlsektor

Schlagzeilen

• Die derzeitige Primärstahlproduktion ist stark integriert; inkrementelle Effizienzsteigerungen können die Emissionen nur um etwa 10 % senken. Die Analyse von Szenarien, die kürzlich von verschiedenen Quellen veröffentlicht wurden, zeigt dies:
• Eine weitgehende Dekarbonisierung bis 2050 ist nur durch neue Produktionsverfahren möglich.
• Die Stromnachfrage des Sektors könnte bis 2050 um das Dreifache ansteigen, wenn auf Stahl umgestellt wird, der durch Wasserstoffreduktion oder direkte Elektrolyse hergestellt wird.
• Bis 2050 könnte die Produktion von Stahl aus recyceltem Schrott um +30 % bis +70 % gegenüber 2018 ansteigen, was einem potenziellen Anteil von 50 % bis 77 % an der gesamten Stahlproduktion bis 2050 entspricht.

Politische Empfehlungen

• Verstärkte F&E-Unterstützung für Technologien, die mit einer tiefgreifenden Dekarbonisierung des Sektors vereinbar sind (H-DRI, Elektrolyse, CCS/U).
• Überwachung und Verbesserung der Auswirkungen von Maßnahmen zur Maximierung der Wiederverwendung von Stahlschrott.
• Einführung von nachfragefördernden Maßnahmen zur Schaffung eines Marktes für "grünen Stahl", wie z. B. eine umweltfreundliche öffentliche Beschaffung für öffentlich finanzierte Infrastruktur.

Überblick über den Eisen- und Stahlsektor

Die Eisen- und Stahlerzeugung trägt wesentlich zu den Treibhausgasemissionen in der EU bei. Der Sektor machte 2017 4 % aller EU-Emissionen und 23 % der Emissionen des verarbeitenden Gewerbes aus. Die Rohstahlproduktion in der EU liegt seit 2010 konstant bei etwa 170 Mio. Tonnen pro Jahr und wird bis 2050 in den Szenarien des FORECAST-Modells, das in die Branchenanalyse der langfristigen strategischen Vision der Europäischen Kommission eingeflossen ist, zwischen 153 Mio. und 172 Mio. Tonnen liegen. In der EU gibt es zwei Hauptwege der Stahlerzeugung:

• 60 % des Stahls werden auf dem integrierten Weg hergestellt, bei dem neuer Stahl aus Eisenerz gewonnen wird. Eisen in Form von Sinter wird in Gegenwart von Koks in einem Hochofen reduziert und anschließend in einem Sauerstoffblasofen in Rohstahl umgewandelt.
• 40 % des Stahls werden über die Recyclingroute hergestellt, bei der Stahlschrott wiederverwertet wird.

Überblick über Prozesswärme

Etwa 95 % des Prozesswärmebedarfs bei der Eisen- und Stahlerzeugung entsteht bei sehr hohen Temperaturen (>500oC), und Kohle/Koks ist der Hauptenergieeintrag in den Prozess, der sowohl als Brennstoffquelle als auch als Ausgangsmaterial in Form von Koks dient.

Sowohl bei der integrierten als auch bei der Recyclingmethode sind Hochtemperaturprozesse erforderlich, doch unterscheiden sich die Emissions- und Energieintensitäten erheblich:

• Beim integrierten Verfahren wird Koks als Einsatzstoff für die Reduktion des Eisens im Hochofen erzeugt, und das Eisenerz selbst muss in Sinter umgewandelt werden, bevor es in den Hochofen gelangt. Sowohl die Verkokung als auch die Sinterung finden im Stahlwerk statt und erfordern Temperaturen von über 1000oC. Diese Materialien werden in einen Hochofen eingespeist, wo heiße Luft bei über 1000oC reduzierende Gase aus Koks bildet, die mit dem Erz reagieren, um reduziertes Eisen zu bilden; CO2-Emissionen aus diesem Prozess sind ein unvermeidliches Produkt der chemischen Reduktion von Eisenerz. Mit einem CO2-Ausstoß von 1,2 t pro Tonne Stahl ist der Hochofen für über 60 % der CO2-Emissionen in der integrierten Route verantwortlich. Der Koksofen emittiert ~15%, die Sinteranlage knapp über 10% und die anderen Prozesse (Sauerstoffblasofen, Pelletanlage) ~10% der gesamten CO2-Emissionen (eigene Schätzung, basierend auf Emissionsdaten von).
• Die Zuordnung der Emissionen zu bestimmten Prozessen ist jedoch nicht einfach. Die Abgase des Koksofens und des Hochofens werden zur Wärmeerzeugung und zur Befeuerung der Kraftwerke vor Ort in einem hoch optimierten Kreislauf zurückgewonnen. Die Beseitigung oder der Ersatz von Abgasemissionen durch alternative Verfahren würde die gesamte Stahlerzeugungsroute stören.
• Der Wärmebedarf in der Recyclingroute ist nahezu vollständig elektrifiziert. Ein elektrischer Lichtbogen mit 1600oC schmilzt Schrott direkt zu flüssigem Stahl. Bei der derzeitigen durchschnittlichen CO2-Intensität der Elektrizität in der EU werden bei der EAF-Route 0,2 bis 0,3 t CO2 pro Tonne Stahl emittiert, d. h. 80 % weniger als bei der integrierten Route.

Begrenztes Potenzial für Verbesserungen

Integrierte Stahlwerke haben ihre Material- und Energieflüsse im Laufe der Jahre optimiert, und die leistungsfähigsten Werke in der EU arbeiten bereits nahe am Optimum. Die Umsetzung weiterer inkrementeller Effizienzverbesserungen und bewährter Verfahren wird die CO2-Emissionen schätzungsweise nur um etwa 10 % senken (eigene Schätzung, basierend auf Emissionsdaten von). Um das Ziel der Europäischen Kommission zu erreichen, die Treibhausgasemissionen bis 2050 auf Null zu reduzieren, müssen neue bahnbrechende Technologien, CCS/U (Kohlenstoffabscheidung und -speicherung/-verwendung) und eine Erhöhung des Anteils an recyceltem Stahl in Betracht gezogen werden.

Dekarbonisierungsszenarien für 2050

Um mögliche Wege zu einer tiefgreifenden Dekarbonisierung des Sektors bis 2050 zu untersuchen, werden acht Szenarien aus vier Veröffentlichungen verglichen (Abbildung 2). Während die Endenergienachfrage im Jahr 2050 in allen Szenarien zwischen etwa -10 % (ECF, Carbon Capture) und -50 % (ECF, Circular Economy und ICF, Mix80 und Mix95) zurückgeht, variiert die Stahlnachfrage stark, von -17 % (ECF, Circular Economy) bis +10 % (ECF, New Processes and Carbon Capture) im Vergleich zu 2015.

Neue Stahlerzeugungsverfahren

Neue Wasserstofftechnologien für die Stahlerzeugung, die derzeit erforscht werden, zielen darauf ab, das bei der Direktreduktion von Eisen (DRI), einem bestehenden Verfahren, verwendete Erdgas durch grünen Wasserstoff (H-DRI) zu ersetzen. Wenn sowohl die Wasserstoffanlage als auch das Elektrostahlwerk, in dem das Eisen zu Stahl weiterverarbeitet wird, mit erneuerbarem Strom betrieben werden, könnte dieses Verfahren bis zu 95 % weniger CO2 ausstoßen als die derzeitige integrierte Route. Vier europäische Projekte, HYBRIT, SALCOS, H2Future/SuSteel (Untersuchung der Reduktion beim Schmelzen mit Wasserstoffplasma) und ThyssenKrupp, entwickeln die gesamte Wertschöpfungskette für die Stahlerzeugung mit Wasserstoff; das früheste Demonstrationsprojekt wird voraussichtlich nicht vor 2025 anlaufen.

Die direkte Elektrolyse von Eisenerz, das so genannte "Electrowinning", zur Erzeugung von Rohstahl wird im Rahmen des Projekts SIDERWIN entwickelt. Bei ausschließlicher Verwendung von Strom aus erneuerbaren Energiequellen könnten bei der Stahlerzeugung bis zu 87 % weniger CO2-Emissionen entstehen als bei der derzeitigen integrierten Methode. Das Verfahren befindet sich noch in einem frühen Entwicklungsstadium und wurde bisher nur im Labormaßstab getestet.

Bis 2050 werden in 7 von 8 Szenarien die Stahlerzeugung mit Wasserstoff und die elektrolytische Gewinnung eingesetzt, was bis zu 35 % (65 Mio. t) der gesamten Stahlproduktion ausmacht (ECF, New Processes). Unter Einbeziehung der Wasserstofferzeugung könnte der jährliche Strombedarf des Sektors auf das Dreifache des derzeitigen Bedarfs ansteigen, d.h. auf 360 TWh im Jahr 2050 (ECF, New Processes und EC, 1.5TECH). Diese Menge entspricht 35 % der derzeitigen Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien in der EU. Weitere zentrale Herausforderungen sind der Ausbau der Wasserstoffinfrastruktur und die notwendigen Investitionen für umfangreiche Umstellungen auf der grünen Wiese.

Nutzung von Kohlenstoffabscheidung und -speicherung

Zwei europäische Projekte, Steelanol und Carbon2Chem, befassen sich mit der Verwertung von Hochofenabgasen zur Herstellung von Bioethanol und chemischen Rohstoffen. Die Entwicklung ist zwar schon weiter fortgeschritten - die Steelanol-Demonstrationsanlage wird derzeit in Belgien gebaut -, aber die maximale Emissionsreduzierung durch diese Verfahren ist begrenzter (bis zu 65 %, wenn sie vollständig eingesetzt werden) und hängt davon ab, ob der Kohlenstoff am Ende des Lebenszyklus der entstehenden chemischen Produkte wieder freigesetzt wird.

Neue Schmelztechnologien in Kombination mit CCS, wie das HIsarna-Verfahren, erzeugen CO2-reiches Abgas, das die Kohlenstoffabscheidung erleichtert. Im Vergleich zum derzeitigen Verfahren könnten die Emissionen um bis zu 80 % reduziert werden. Die Umsetzung dieser Technologien würde jedoch tief greifende Änderungen der Stahlerzeugungsprozesse erfordern, die ähnlich umfangreich wären wie bahnbrechende Wasserstoff- oder Elektrolyseverfahren.

Technologien zur Kohlenstoffabscheidung werden in 2 von 8 Dekarbonisierungsszenarien (IEA, B2DS und ECF, Kohlenstoffabscheidung) in großem Umfang eingesetzt, wobei bis zu 30 % (54 Mio. t) der gesamten Stahlproduktion im Jahr 2050 aus mit CCS/U ausgestatteten Anlagen stammen (ECF, Kohlenstoffabscheidung).

Höherer Anteil von recyceltem Stahl

Bis 2050 wird in 7 von 8 Szenarien die Erzeugung von recyceltem Stahl wichtiger, mit einem Anstieg der Produktion zwischen +30 % (91 Mio. t) und +70 % (118 Mio. t) im Vergleich zu 2018 (70 Mio. t) (Szenarien ECF, Carbon Capture bzw. ICF, Mix95). Dies entspricht einem Anteil von 50 % bis 77 % an der gesamten Rohstahlproduktion in diesen Szenarien (gegenüber 42 % im Jahr 2018).

Die wichtigsten Herausforderungen für eine höhere Produktion von Sekundärstahl liegen in der Erhöhung der Recyclingquote von Stahl (die derzeit je nach Endverwendung bereits zwischen 70 % und 95 % liegt) und in der Verbesserung der Schrottqualität. Recycelter Schrott ist häufig mit anderen Begleitelementen verunreinigt, von denen Kupfer das wichtigste ist. Die Kupferverunreinigung schränkt die Verwendung von Stahl auf Anwendungen ein, die Stahl minderer Qualität vertragen, wie z. B. Bewehrungsstahl im Bauwesen. Während der Bausektor im Jahr 2018 34 % (54 Mio. t) der gesamten Stahlnachfrage verbrauchte, wird die Nachfrage nach höherwertigem Stahl (vor allem im Automobilsektor) in Zukunft wahrscheinlich schneller steigen. Die Qualität des Schrotts kann auf nachgelagerter Ebene durch eine bessere Demontage und Sortierung von Altprodukten gesteigert werden. Vorgelagerte Konstruktionsänderungen zur Verringerung der Verwendung von Kupfer oder zur Erleichterung der Demontage von Altprodukten können den Bedarf an nachgelagerten Maßnahmen verringern. Die politischen Entscheidungsträger der EU können einen Beitrag zur Bewältigung dieser Herausforderungen leisten, indem sie die Auswirkungen von Maßnahmen zur Maximierung der Wiederverwendung von Stahlschrott überwachen und verstärken.

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