Neue Wertschöpfungsketten für die Produktion von grünem Stahl

Stahl ist ein für die industrialisierte Welt unverzichtbarer Werkstoff, dessen Nachfrage durch weltweit errichtete Produktionsstätten gedeckt wird. Diese Standorte sind gerade in Deutschland historisch gewachsen. Im Zuge veränderter Wertschöpfungsketten für die Erzeugung von grünem Stahl sind diese Standorte künftig auch bezüglich technischer sowie ökonomischer Vor- und Nachteile zu bewerten. Hintergrund dieser Neubewertung ist die notwendige Minderung des massiven CO2-Ausstoßes bei der Stahlerzeugung. Diese kann durch eine Umstellung der Reduktion von Eisenerz im konventionellen Hochofenprozess auf alternative Prozessrouten wie das sogenannte Direktreduktionsverfahren erreicht werden. Anstelle von Kohle und Koks werden dabei Erdgas oder regenerativ erzeugter Wasserstoff als Reduktionsmittel genutzt. Neben einer Direktreduktionsanlage wird auf dieser Route zudem ein Elektrolichtbogenofen (electric arc furnace, EAF) für die Stahlerzeugung benötigt. Die industrielle Umsetzung ist mit der Errichtung neuer Anlagen verbunden. Dabei sind in Anbetracht des Energie- und Rohstoffbedarfs neben den infrastrukturellen Bedingungen auch die Verfügbarkeit regenerativ erzeugter elektrischer Energie für die Wasserstofferzeugung zu prüfen.

Im BMBF-geförderten Projekt »TransHyDe« wurde am Fraunhofer IKTS, aufbauend auf umfangreichen Vorarbeiten im Bereich der Prozessmodellierung der Direktreduktionsroute, die Wertschöpfungskette der Stahlerzeugung (Abb. 1) eingehend betrachtet. Die vorhandenen Modelle wurden um den Einfluss des Anlagenstandorts erweitert. Dadurch war es möglich, die Aufteilung der Prozesskette zwischen dem Land des Eisenerzabbaus und dem der Stahlerzeugung zu bewerten.

Verschiedene Optionen konnten energetisch als auch ökono­misch verglichen werden. Als mögliche Standorte der Direktre­duktionsanlage (direct reduction plant, DRP) wurden gewählt:

• Eisenerzmine (Abbauland),
• Küstenregion (Abbauland bzw. Deutschland) und
• Stahlwerksstandort (Deutschland)

Zudem sind im Modell standort- sowie materialspezifische Energiebedarfe und Kosten für Prozess- und Transportschritte hinterlegt worden.

Die Ergebnisse zeigen, dass ein gemeinsamer Standort von DRP und EAF die thermische Kopplung beider Prozessschritte ermöglicht, indem direktreduziertes Eisen als Produkt der DRP ohne zusätzliche Abkühlung im EAF eingesetzt wird. Ohne ört­liche Kopplung kann keine prozessinterne Nutzung dieser Wärme erfolgen, wodurch der Energiebedarf der Stahlerzeu­gung höher ausfällt (Abb. 2). Für die ökonomische Bewertung sind jedoch auch die Transport- sowie die Wasserstoffkosten von entscheidender Bedeutung. Deshalb können je nach betrachtetem Abbauland verschiedene Prozessrouten wirtschaftlich vorteilhaft sein (Abb. 1). Auch industriepolitische Aspekte wie das Bestreben nach Resilienz des Industriestandorts Deutschland müssen einbezogen werden. In Folgeprojekten mit Industriepartnern fließen diese Erkenntnisse nun in die Optimierung konkreter Stahlerzeugungsketten ein.