4 minAntriebstechnikVeröffentlicht am 7. September 2023

Grüner Stahl Herstellung: Energie­­­effizienz ist ein entscheidender Faktor

Bild von der Herstellung von grünem Stahl.
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Intro

Jährlich verursacht die Eisen- und Stahlbranche Emissionen von 2,3 Gigatonnen CO2, was 7 Prozent der globalen Kohlenstoffausstöße entspricht. Laut Prognosen der Internationalen Energieagentur (IEA) ist es notwendig, diese Ausstöße bis zum Jahr 2050 um die Hälfte zu reduzieren, um die weltweiten Klima- und Energiestandards zu erreichen. Das erfordert aber nicht nur technologische Innovationen, sondern auch eine tiefgreifende kulturelle und strategische Neuausrichtung der

Die CO2-Bilanz der Stahl­­industrie - und ihre globale Bedeutung:

Gigatonnen
CO2 entstehen jährlich bei der Stahl- & Eisenproduktion.
Prozent
der weltweiten CO2-Emissionen entfallen damit auf diesen Sektor.

Grüner Stahl: Herstellung mit Wasser­stoff & Lichtbogen­ofen

Die Hochöfen der Schwerindustrie sind traditionell unzertrennlich mit der Kohle verbunden: Sie dient sowohl als dient als Brennstoff der Hochöfen und als Reduktionsmittel für Verunreinigungen. Daher ist es kaum verwunderlich, dass die Stahlindustrie der mit Abstand größte Kohleverbraucher ist.

Innovationen, wie der Einsatz von Wasserstoff als Reduktionsmittel könnten die Eisenerzeugung in Zukunft aber gänzlich „dekarbonisieren“. Darüber hinaus können Lichtbogenöfen Stahl verarbeiten, der zu 100 Prozent aus dem Recyclingkreislauf stammt.

Wie funktioniert die Herstellung von Stahl mit Hochöfen

Die Stahlherstellung mit einem Hochofen ist ein traditionelles Verfahren zur Produktion von Roheisen aus Eisenerz. Dieses Roheisen wird dann weiterverarbeitet, um Stahl herzustellen. Hier ist eine Übersicht über den Prozess:

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Vorbereitung des Eisenerzes: Eisenerz wird zuerst zerkleinert und gesiebt, um die richtige Korngröße zu erhalten. Danach wird es mit Koks (ein Kohlenstoffmaterial) und Kalkstein gemischt.

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Befüllung des Hochofens: Der Hochofen wird von oben mit der Mischung aus Eisenerz, Koks und Kalkstein befüllt.

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Erhitzung: Im unteren Teil des Hochofens wird Luft eingeblasen, die zuvor in sogenannten Heißwindöfen auf Temperaturen von etwa 1.200 Grad Celsius erhitzt wurde. Der Koks reagiert mit der heißen Luft und erzeugt Kohlenmonoxid. Dieses Kohlenmonoxid zieht nach oben durch den Ofen und reduziert das Eisenerz zu flüssigem Roheisen.

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Bildung von Roheisen und Schlacke: Das reduzierte Eisenerz setzt sich am Boden des Hochofens als flüssiges Roheisen ab. Unreinheiten im Eisenerz reagieren mit dem Kalkstein, um eine Schlacke zu bilden, die leichter ist als das Roheisen und sich oben absetzt.

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Abstich: Das flüssige Roheisen wird periodisch aus dem Hochofen abgelassen. Die Schlacke wird ebenfalls abgelassen und getrennt gesammelt.

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Weitere Verarbeitung: Das Roheisen kann dann in einem Stahlwerk weiterverarbeitet werden, um Stahl herzustellen. Dies geschieht in der Regel in einem Konverter, in dem das Roheisen mit Sauerstoff behandelt wird, um den Kohlenstoffgehalt zu reduzieren und Stahl zu produzieren.

7

Sekundärmetallurgie: Nach der Konvertierung kann der Stahl weiteren Behandlungen unterzogen werden, um seine Eigenschaften zu verbessern, wie z.B. das Hinzufügen von Legierungselementen.

Das Hochofenverfahren ist energieintensiv und erfordert große Mengen an Rohstoffen, insbesondere Eisenerz und Koks. Es ist jedoch ein bewährtes Verfahren, das seit Jahrhunderten zur Stahlherstellung verwendet wird. In den letzten Jahrzehnten gab es jedoch Bemühungen, effizientere und umweltfreundlichere Methoden zur Stahlproduktion zu entwickeln.

Wie funktioniert Stahl­­herstellung mit Wasserstoff?

Die Stahlherstellung mit Wasserstoff ist ein relativ neuer Ansatz, der darauf abzielt, die CO2-Emissionen in der Stahlproduktion zu reduzieren. Es funktioniert folgendermaßen:

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Direkte Reduktion mit Wasserstoff (Hydrogen-based Direct Reduction, HDR): Anstelle von Kohle wird Wasserstoffgas als Reduktionsmittel verwendet, um Eisen aus Eisenerz zu gewinnen. Dieser Prozess wird als Direktreduktion bezeichnet.

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Wasserstoff als Reduktionsmittel: Wenn Wasserstoff bei hohen Temperaturen mit Eisenerz reagiert, wird Wasser produziert statt CO2, wie es bei der Kohlereaktion der Fall ist.

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Elektrolyse zur Wasserstofferzeugung: Der benötigte Wasserstoff kann durch Elektrolyse von Wasser unter Verwendung von Strom aus erneuerbaren Energiequellen erzeugt werden. Dies stellt sicher, dass der gesamte Prozess kohlenstoffarm oder kohlenstofffrei ist.

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Integration in bestehende Anlagen: Die Technologie kann potenziell in bestehende Stahlwerke integriert werden.

Vorteile: Abgesehen von der Reduzierung von CO2-Emissionen kann die Verwendung von Wasserstoff auch die Energieeffizienz verbessern und die Produktionskosten senken.

Obwohl die Technologie vielversprechend ist, befindet sie sich noch in der Entwicklung und es gibt noch große Herausforderungen in Bezug auf Skalierung, Kosten und Infrastruktur. Dennoch investieren viele Stahlunternehmen und Länder in Forschung und Pilotprojekte, um die Wasserstoff-Stahlherstellung kommerziell umsetzbar zu machen.

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Wie funktioniert die Herstellung von Stahl mit Elektro­licht­bogen­öfen

Die Stahlherstellung mit einem Elektrolichtbogenofen (ELO) ist ein modernes Verfahren zur Produktion von Stahl aus Schrott und anderen Eisenquellen. Hier ist eine kurze Übersicht über den Prozess:

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Einspeisung von Schrott: Der Elektrolichtbogenofen wird zuerst mit Stahlschrott beladen. Dieser Schrott kann aus verschiedenen Quellen stammen, einschließlich Altstahl aus Gebäuden, Autos und anderen Quellen.

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Erzeugung des Elektrolichtbogens: Nachdem der Ofen mit Schrott beladen wurde, werden große Elektroden in den Ofen abgesenkt. Diese Elektroden erzeugen einen elektrischen Lichtbogen, der Temperaturen bis zu 3.500 Grad Celsius erreichen kann.

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Schmelzprozess: Der elektrische Lichtbogen erhitzt und schmilzt den Schrott. Während dieses Prozesses können verschiedene Zusatzstoffe hinzugefügt werden, um die Qualität des Stahls zu verbessern oder um Verunreinigungen zu entfernen.

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Abstich: Nachdem der Schrott vollständig geschmolzen ist und der Stahl die gewünschte Qualität erreicht hat, wird der flüssige Stahl aus dem Ofen in eine Gießpfanne abgelassen.

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Weitere Verarbeitung: Der flüssige Stahl kann dann weiterverarbeitet werden, beispielsweise durch Gießen in Formen, um Brammen, Blöcke oder andere Halbzeuge herzustellen. Diese können dann weiter zu Endprodukten wie Blechen, Stangen oder Profilen verarbeitet werden.

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Sekundärmetallurgie: In einigen Fällen kann der Stahl weiteren Behandlungen unterzogen werden, um seine Eigenschaften zu verbessern. Dies kann das Hinzufügen von Legierungselementen, Vakuumbehandlungen oder andere spezialisierte Prozesse beinhalten.

Der Hauptvorteil der Stahlherstellung mit einem Elektrolichtbogenofen ist die Fähigkeit, Schrott als Hauptrohstoff zu verwenden, was sowohl wirtschaftliche als auch ökologische Vorteile bietet. Es ist weniger energieintensiv als traditionelle Methoden der Stahlherstellung, wie das Hochofenverfahren, und ermöglicht eine höhere Flexibilität in Bezug auf die Produktion und die Art des hergestellten Stahls.

Dekarbonisierte Stahl­produktion: Emissionen hängen am Energie­bedarf

Da Elektrolichtbogenöfen und Wasserstoffverfahren nicht mit Kohle als Brennstoff betrieben werden, können sie die CO2-Bilanz der Stahlproduktion schon merklich verbessern, da auf diese Weise keine direkten Emissionen mehr entstehen.

Nichtsdestotrotz bleiben indirekt noch genügend Emissionen durch den Energieverbrauch übrig. So betrug die Stahlproduktion der EU im Jahr 2019 157 Millionen Tonnen. Von dieser Menge wären 94 Millionen Tonnen, also 60 Prozent, für die Wasserstofftechnologie geeignet gewesen. Deren Erzeugung würde rund 296 Terawattstunden Elektrizität verbrauchen, was 10 Prozent des gesamten EU-Stromverbrauchs – und einer entsprechenden Menge an Emissionen – entspricht.

Grafik zur Darstellung, wieviel Energie bei der Herstellung von Stahl verbraucht wird.

Darüber hinaus wird bis zum Jahr 2050 eine Zunahme der globalen Stahlnachfrage um 40 Prozent erwartet. Um gleichzeitig eine Halbierung der Emissionen erreichen, ist eine enorme Steigerung der Energieeffizienz nötig.

Motorsysteme: Eine unterschätzte Ineffizienz

In der Eisen- und Stahlproduktion sind die Öfen für ca. 81 Prozent des Energieverbrauchs verantwortlich. Angesichts dieser Masse werden Ineffizienzen anderer Verbraucher oft übersehen.

Im Bereich der Motorsysteme ist es dabei nicht ungewöhnlich, dass ein größerer Teil des Energieverbrauchs durch Verluste anfällt als durch die eigentliche Motorfunktion. Eine Untersuchung des US-Energieministeriums hat ergeben, dass in der Eisen- und Stahlbranche bis zu 70 Prozent der für Motorsysteme verwendeten Energie aufgrund ineffizienter Systeme verloren geht. Dabei wären die notwendigen Optimierungen in der Regel einfach durchzuführen und amortisieren sich schnell.

Motorsysteme in der Eisen- und Stahl­herstellung

In der Eisen- und Stahlproduktion werden Motorsysteme für eine Vielzahl von Aufgaben eingesetzt. Hierzu zählen Warm- und Kaltwalzwerke, Ventilatoren, Pumpen, Kompressoren, Transportbänder, Fördersysteme und andere Materialtransporteinrichtungen wie Brückenkrane.

Beim Betrieb dieser elektrischer Motorsysteme stellt der Energieverbrauch den dominierenden Kostenpunkt dar und repräsentiert über den gesamten Lebenszyklus hinweg mehr als 90 Prozent der Gesamtkosten eines Motors. Im Vergleich dazu machen die Anschaffungskosten nur etwa 5 Prozent oder sogar weniger aus. In vielen Produktionsstätten sind Motoren im Einsatz, die ihre voraussichtliche Nutzungsdauer bereits überschritten haben. In einigen Segmenten sind sogar über 60 Prozent der Industriemotoren älter als ein Jahrzehnt. Solche älteren Modelle tendieren dazu, ineffizienter zu sein und größere Energieverluste zu haben, insbesondere im Vergleich zu modernen Motoren der Effizienzklasse IE3 oder darüber.

Das Investieren in zeitgemäße und energieeffizientere Motoren stellt  daher eine effektive Strategie dar, um den Energieverbrauch, die Verluste und die Kosten während der gesamten Nutzungsdauer eines Motors zu minimieren. Die Energieersparnis, die durch den Wechsel des erzielt werden kann, ist dank der IE-Effizienzklassen klar quantifizierbar: Mit jeder höheren Klasse reduzieren sich die Motorverluste um 20 Prozent. Das bedeutet, dass IE4-Motoren 20 Prozent effizienter sind als IE3-Motoren und sogar 40 Prozent effizienter als IE2-Motoren.

Das Deckplattes eines White Papers über die Herstellung von grünem Stahl.

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