Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTSProduktion von grünem Stahl: von der Potentialanalyse zur Umsetzung im Stahlwerk Salzgitter
Die Herstellung von Rohstahl über die Hochofenroute macht mit ca. 28 % einen großen Teil der industriellen CO2-Emissionen in Deutschland aus. Daher wird bei den Stahlerzeugern intensiv an der Umstellung der Produktion auf das Verfahren der Direktreduktion gearbeitet. Als einer der Vorreiter auf dem Thema arbeitet die Salzgitter AG im Konsortium mit den Fraunhofer-Instituten IKTS, ISI und UMSICHT bereits seit sechs Jahren daran, wie eine CO2-arme Produktion von Rohstahl unter Nutzung von grünem Wasserstoff realisiert werden kann. In den zwei aufeinander folgenden BMBF-Forschungsprojekten »MACOR« und »BeWiSe« konnte so bereits nachgewiesen werden, dass sich mit diesem Ansatz die CO2-Emissionen um mindestens 95 % reduzieren lassen. Ergänzt um weitere Maßnahmen ist damit eine CO2-freie Stahlproduktion möglich. Auch die technischen Rahmenbedingungen für eine Umstellung und Fragen zur Akzeptanz wurden untersucht. Im Rahmen des SALCOS-Vorhabens plant die Salzgitter AG die konventionelle Stahlproduktion über Hochöfen bis zum Jahr 2033 komplett auf das Direktreduktionsverfahren mit Wasserstoff umzustellen. Mit den Bauarbeiten zur schrittweisen Transformation ist bereits begonnen worden und ein Drittel der Stahlproduktionskapazität wird bereits 2026 auf das CO2-arme Verfahren umgestellt sein.
Begleitforschungsprojekt »BeWiSer« nimmt Ressourceneffizienz in den Blick
Zur weiteren Optimierung der geplanten SALCOS-Verfahrensroute hat das Konsortium im Juli 2023 das BMBF-Projekt »BeWiSer« gestartet, dessen Kickoff am 26. September in Salzgitter stattgefunden hat.
In dem Projekt wird die gesamte Prozesskette im Hinblick auf Ressourcen- und Energieeffizienz betrachtet. Die seitens der Salzgitter AG bereits begonnene bauliche Transformation der Stahlproduktion wird damit wissenschaftlich begleitet. Beispielsweise wird im Rahmen des Projektes untersucht, wie biogene Stoffe als Ersatz für fossile Kohle und Erdgas genutzt werden können, um den erforderlichen Kohlenstoffgehalt im Stahl einzustellen. Zudem bildet der effiziente Einsatz von Wasser einen Schwerpunkt im Projekt, denn in der Produktion von grünem Stahl werden u. a. für die Elektrolyse große Mengen an Wasser benötigt. Daher soll das bei der Eisenerzreduktion mit Wasserstoff gebildete Wasser möglichst für die erneute Nutzung aufbereitet werden. Für die prozessinterne Verwertung der bei der Verarbeitung anfallenden eisenhaltigen Stäube ist der Anlagenbauer TS ELINO als neues Mitglied im Projektkonsortium beteiligt. Damit kann die Ressourceneffizienz der Produktion von grünem Stahl weiter erhöht werden. Für die anwendungsnahe Untersuchung der Direktreduktion wurde bei der Salzgitter AG eine Demonstrationsanlage aufgebaut. Hier können u.a. numerische Modelle des Direktreduktionsprozesses validiert und weiterentwickelt werden.
Anwendungsorientierte Forschung liefert wichtige Beiträge für die Transformation der Stahlproduktion
»Im Rahmen der gemeinsamen Forschungsarbeit konnten im Konsortium unikale Kompetenzen aufgebaut und wichtige wissenschaftliche Ergebnisse erzielt werden. Diese leisten einen wichtigen Beitrag zur Reduzierung der industriellen CO2-Emissionen«, erklärt Dr. Matthias Jahn, Leiter der Abteilung Energie- und Verfahrenstechnik am Fraunhofer IKTS in Dresden. Das Fraunhofer IKTS hat bereits seit der Durchführung der Machbarkeitsuntersuchung im Rahmen des »MACOR«-Projekts die Projektleitung inne und trägt mit der Simulation der Prozesskette sowie den Untersuchungen zur Kinetik der Direktreduktion zu den Forschungsergebnissen bei. Dr. Alexander Redenius, Leiter Ressourceneffizienz und Technologieentwicklung bei der Salzgitter Mannesmann Forschung, ergänzt: »Die Umstellung der Rohstahlproduktion auf das Verfahren der Direktreduktion im laufenden Betrieb des Hüttenwerks stellt eine große Herausforderung dar. Durch die enge Zusammenarbeit mit den Forschungsinstituten werden wichtige Grundlagen für einen optimierten Anlagenbetrieb der verbundenen Prozessschritte geschaffen, um den Transformationsprozess der Stahlherstellung in Salzgitter erfolgreich durchführen zu können.«