“Auf absehbare Zeit keine wirtschaftlichen Anreize”

Wasserstoff-Stahl: ArcelorMittal und HAW Hamburg legten bereits 2017 Studie vor

ArcelorMittal Hamburg, ständig auf der Suche nach alternativen, klima- und umweltverträglichen Stahl-Herstellungsprozessen, hat bereits 2017 eine die Direkt-Reduktion von Eisenerz mit Hilfe von Wasserstoff bewertende Studie veröffentlicht. Deren lakonisches Fazit: “Eine Abschätzung von Umwandlungskosten macht deutlich, dass es unter marktwirtschaftlichen Gesichtspunkten auf absehbare Zeit keine wirtschaftlichen Anreize geben wird, in einen solchen Prozess zu investieren.”

ArcelorMittal Hamburg betreibt seit 50 Jahren eine sogenannte Direktreduktionsanlage, in der Eisenerzpellets mit einem Reduktionsgas statt mit Koks in metallisches Eisen umgewandelt werden. Das Reduktionsgas besteht zu rund 60 Prozent aus Wasserstoff, so dass der Schritt zu einer vollständigen Reduktion mit Wasserstoff naheliegend ist. Wenn dieser Wasserstoff mittels Elektrolyse und erneuerbarem Strom produziert wird, wäre eine Prozessroute denkbar, die nahezu CO2-frei wäre – Foto © ArcelorMittal Hamburg

In der Studie wurden zwei Aspekte bewertet:

  1. Ist eine Reduktion mit Wasserstoff technisch machbar?
  2. Wie stellen sich die Umwandlungskosten für Wasserstoff-Stahl dar?

Aufgrund der fast 50-jährigen Betriebserfahrung mit der Direktreduktionsanlage am Hamburger Standort könne geschlussfolgert werden, dass es technologisch keine Hemmnisse gebe, einen Prozess mit ausschließlich Wasserstoff umzusetzen. Sowohl der Reduktionsprozess als auch die Verwendung von Elektrolyseuren seien “technisch gut beherrschbar und erprobt”.

Viel spannender stelle sich die wirtschaftliche Frage dar: Aktuell wird das Reduktionsgas über Erdgas erzeugt, was bereits höhere Umwandlungskosten bedingt als z.B. der Betrieb eines Hochofens. Für CO2-freien Stahl dürften aber für die Erzeugung von Wasserstoff nur Erneuerbare Energien (Grundlast!) eingesetzt werden, was die Kosten weiter in die Höhe treiben würde.

In der Studie wurden Energiekosten von 100 €/MWh angesetzt, da der Strom grundlastfähig zur Verfügung stehen muss und somit zusätzliche Kosten für die Besicherung entstehen. Auf dieser Basis würden sich die Umwandlungskosten um mindestens den Faktor fünf erhöhen, so dass es aktuell keine Wirtschaftlichkeit für eine entsprechende Technologie gibt. Hinzu kommen die immensen Investitionskosten für die Power-to-Gas-Anlagen, die für eine Jahrestonnage von einer Million Tonnen bei mindestens 200 Millionen Euro liegen würden.

“Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass klimafreundlicher Stahl technisch machbar ist. In der aktuell schwierigen Lage der Stahlindustrie würde die Umstellung auf Wasserstoff aber eine enorme Erhöhung der Erzeugungskosten bedeuten, die von den Kunden nicht getragen werden. Es gibt aktuell keine wirtschaftlichen Anreize für eine Prozessumstellung. Somit ist die Politik gefordert, Rahmenbedingungen zu schaffen, die eine CO2-freie Stahlherstellung begünstigen und nicht eine Verlagerung der Stahlindustrie in Staaten außerhalb des europäischen CO2-Handels.”

Im Wortlaut – Die Studie
“Bewertung der Herstellung von Eisenschwamm unter Verwendung von Wasserstoff”
(Evaluation of Hydrogen-Based Production of DRI)

– von Marc Hölling, Matthias Weng, Sebastian Gellert –

Abstract

Mit den Pariser Verträgen wurden umfangreiche Zusagen zum Klimaschutz getroffen, die auch von der Industrie große Einsparungen fordert. Für die Stahlindustrie stellt die CO2-freie Reduktion von Eisenerz die größte Herausforderung dar. Im vorliegenden Beitrag soll aufgezeigt werden, wie ein solcher Prozess auf Basis von regenerativem Wasserstoff aussehen könnte, und welcher Energiebedarf zu erwarten ist. Die erforderlichen Technologien sind vorhanden, so dass es keine technischen Einschränkungen gibt. Eine Abschätzung von Umwandlungskosten macht allerdings deutlich, dass es unter marktwirtschaftlichen Gesichtspunkten auf absehbare Zeit keine wirtschaftlichen Anreize geben wird, in einen solchen Prozess zu investieren.

Abstract (english) – Strong efforts have to be taken to fulfil the agreements on climate protection from the Paris conference, which also will strongly affect the steel industry. The main challenge will be the CO2-free reduction of iron ore. In this contribution, a modified process with regenerative hydrogen will be presented and an estimation of the energy demand will be given. All technologies are proven, so there a no technical limitations. An estimation of the conversion costs shows very poor profitability, so that there will be no motivation to invest in this new process under current market conditions.

Einleitung

Mit den Pariser Beschlüssen zur Begrenzung der Klimaerwärmung wurden seitens der Bundesregierung enorme Zusagen bezüglich der Einsparung von CO2 getroffen, deren Umsetzung zu einer starken Veränderung des gesamten Energiesystems führen wird. Eine Fortführung der sogenannten Energiewende, also die Umstellung der Stromerzeugung auf Wind und Sonne, wird nicht ausreichen, um die zugesagten Ziele zu erfüllen. Es werden zusätzlich auch Eingriffe in den Bereichen Wärme, Verkehr und insbesondere Industrie erfolgen müssen. Für den Bereich der CO2-Emissionen der Industrie spielt die Stahlindustrie mit direkten Emissionen von rund 51 Mio. Tonnen CO2 pro Jahr eine große Rolle1, was rund 6 % der CO2-Emissionen in Deutschland entspricht. Somit ist die Stahlindustrie ein wichtiger Akteur für die Erreichung der zugesagten Ziele.

Häufig wird regenerativ erzeugter Wasserstoff als eine Schlüsseltechnologie zur Sektorenkopplung genannt, da über Power-to-Gas die Umwandlung von Wind- und Sonnenstrom in chemische Energie erfolgen kann. Wasserstoff bietet die Vorteile, dass er, anders als Strom, auch in großen Mengen speicherbar ist und auch für chemische Prozesse verwendet werden kann. Somit weist Wasserstoff ein Potenzial für die Reduktion von Eisenerz mit geringen CO2-Emissionen auf. Es gibt bereits erste Forschungsprojekte, in denen der Einsatz von Wasserstoff im Hochofen getestet wird2, um so einen Teil des Kohlenstoffs aus dem Prozess zu verdrängen. Ausgehend von bestehenden Prozessen soll im Folgenden aufgezeigt werden, wie ein großtechnischer Prozess zur Erzreduktion auf Basis von Wasserstoff aussehen könnte.

CO2-Emissionen eines Elektrostahlwerks mit Reduktionsanlage

Die ArcelorMittal Hamburg GmbH betreibt als einziges Werk in Westeuropa eine Direktreduktionsanlage zur Reduktion von Eisenerz. In diesem Prozess wird Erdgas als Reduktionsmittel genutzt, das in einem Reformer zu Reduktionsgas umgewandelt wird. Dies besteht zu 60 % aus Wasserstoff und reduziert bei rund 800 °C das Eisenerz zu Eisenschwamm bzw. DRI (Direct Reduced Iron). Das Hamburger Werk hat also bereits große Erfahrungen bzgl. der Nutzung von Wasserstoff im Rahmen der Stahlherstellung.

Der Eisenschwamm weist im Mittel einen Metallisierungsgrad von 95 % und einen Kohlenstoffgehalt von 2,3 % auf. Er wird zusammen mit Stahlschrott im Elektrolichtbogenofen eingeschmolzen, gegossen und zu Walzdraht umgeformt. Über das nahezu spurenfreie Vormaterial Eisenschwamm können hochwertige und anspruchsvolle Stahlgüten erzeugt werden, wie z.B. Schweißdraht, Tire Cord etc., was das Hamburger Werk deutlich von anderen Elektrostahlwerken unterscheidet. Ein schematischer Prozessablauf ist in Abbildung 1 zu erkennen, in dem die Produktionsmengen sowie die direkten und indirekten CO2-Emissionen dargestellt sind.

Produktionsschema der ArcelorMittal Hamburg GmbH inkl. der direkten und indirekten CO2-Emissionen der drei Produktionsbetriebe – Grafik © ArcelorMittal

 

Eine Analyse der CO2-Emissionen am Hamburger Standort zeigt, dass 52 % der Emissionen (ca. 429.000 t CO2/a) durch den Stromverbrauch hervorgerufen werden. Bei einer fortschreitenden Umstellung der Energieversorgung auf Erneuerbare Energien sollten die indirekten Emissionen also stetig abnehmen, welche nicht durch ein einzelnes Stahlunternehmen beeinflussbar sind. Als große Herausforderungen für die sog. Energiewende sind allerdings die Gewährleistung von Versorgungssicherheit und Wirtschaftlichkeit zu sehen.

Die direkten CO2-Emissionen (ca. 394.000 t CO2/a) ergeben sich hauptsächlich durch den Erdgaseinsatz in der Direktreduktionsanlage und im Wiedererwärmungsofen des Walzwerks. Dabei kann die Erwärmung vor dem Walzprozess technisch relativ einfach auf Induktion bzw. Power-to-Steel umgestellt werden, d.h. die Erwärmung könnte in zukünftigen Stahlwerken von Erdgas zu (regenerativem) Strom verschoben werden. Für Walzwerke mit Heißeinsatz ist dieses Vorgehen z.T. bereits Stand der Technik, allerdings mit geringeren Heizleistungen. Unter den aktuellen Randbedingungen ist eine vollständige Umstellung aber unwirtschaftlich, so dass es hierfür noch kein Anwendungsbeispiel gibt.

Deutlich aufwändiger ist eine Umstellung der Reduktion von Eisenerz, da hier nicht nur der Energieinhalt des Erdgases benötigt wird, sondern eine chemische Reaktion von Eisenoxid (Fe2O3) zu metallischem Eisen (Fe) erfolgen muss. Hierfür ließe sich Wasserstoff aus Power-to-Gas-Anlagen verwenden, der bei Nutzung von Erneuerbaren Energien ohne CO2-Emssionen erzeugt werden könnte.

Perspektivisch ist also eine Prozessroute in der Stahlherstellung denkbar, die nahezu keine CO2– Emissionen aufweist und komplett auf Erneuerbaren Energien aus Wind und Sonne basiert. Es blieben am Ende nur noch der Elektrodenabbrand und Schäumkohle als direkte Emissionen übrig, die für ein Elektrostahlwerk mit 1 Mio. Tonnen pro Jahr rund 30.000 t CO2/a ausmachen, also nur noch 30 kg CO2 pro Tonne Stahl.

Direktreduktion als Vergleichsprozess

Die ArcelorMittal Hamburg GmbH betreibt seit Mitte der 1970er Jahre eine Direktreduktionsanlage, die kontinuierlich modernisiert und optimiert wurde. So ist die Anlage heute in der Lage, bis zu 84 t/h Eisenschwamm bei höchster Energieeffizienz zu produzieren.

Schema einer konventionellen Direktreduktionsanlage mit Erdgas als Reduktionsmittel: Erdgas wird zu einem Teilstrom vom gewaschenen Gichtgas zugegeben (1) und über Katalytrohre in den Reformer geleitet. Am Nickel-Katalysator wird Wasserdampf in Wasserstoff und Kohlendioxid in Kohlenmonoxid unter Verbrauch von Erdgas umgewandelt (2). Als Energielieferant für die endothermen Reaktionen wird das restliche Gichtgas verwendet (3). Das Reduktionsgas, das zu rund 60 % aus Wasserstoff besteht, verlässt den Umformer mit ca. 930 °C und wird anschließend durch eine Zugabe von Sauerstoff und Erdgas auf ca. 980 °C erhitzt (4), was sich positiv auf die Lage des chemischen Gleichgewichts im Schachtofen auswirkt. Der Schachtofen wird von oben mit Eisenerz beschickt, welches im Gegenstrom mit dem Reduktionsgas in Kontakt kommt. Das Eisenerz wird also zunächst aufgewärmt, von Fe2O3 zu FeO umgewandelt und in der heißen Zone des Schachtofens bei rund 800 °C zu metallischem Eisen reduziert. Nach der eigentlichen Reduktion folgt eine Abkühlung mit einer Mischung aus Erdgas und Wasserstoff, bei der der Kohlenstoffgehalt weiter auf rund 2,3 % erhöht wird (5). Ein Heißeinsatz des Eisenschwamms ist bei ArcelorMittal Hamburg aufgrund der schwankenden Abnahme des Elektrolichtbogenofens und der Werkslogistik nicht möglich. Aufgrund des chemischen Gleichgewichts verlässt das Gichtgas den oberen Bereich des Schachtofens (6) mit signifikanten Anteilen an Wasserstoff (25 Vol-%) und Kohlenmonoxid (20 Vol-%). Aus diesem Grund erfolgt zur weiteren Nutzung eine Abscheidung von Wasser als Reaktionsprodukt in einem Wäscher und anschließende Rückführung in den Prozess (7) – Grafik © ArcelorMittal

Das theoretische Minimum des Prozesses liegt bei einem Gasbedarf von rund 7,8 GJ/t (Heizwert). Durch diverse Maßnahmen zur Steigerung der Effizienz konnte ein tatsächlicher Bedarf von 9,7 GJ/t (Heizwert) erzielt werden, was einem Wirkungsgrad von 80 % entspricht. Die Reduktion von Eisenerz in einer Reduktionsanlage stellt bereits heutzutage eine Technologie mit sehr hoher Effizienz dar.

Reduktion mit Wasserstoff

Basierend auf der langjährigen Erfahrung im Betrieb der Direktreduktionsanlage und aufgrund selbst entwickelter Simulationsprogramme soll ein Ausblick gegeben werden, wie der Prozess für den Einsatz von regenerativ erzeugtem Wasserstoff modifiziert werden könnte. Ausgangspunkt für den neuen Prozess ist die Wasserstofferzeugung mittels Elektrolyse. Hierbei wird elektrische Energie genutzt, um Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff aufzuspalten. Es soll von einem Wirkungsgrad des Elektrolyseurs von 75 % (bezogen auf den Brennwert) ausgegangen werden. Somit würden bei einer elektrischen Leistungsaufnahme von 1 MWel rund 750 kWch in Form von Wasserstoff erzeugt werden, was einem Molenstrom von 9,5 kmol/h bzw. 213 Nm³/h entspricht. Dieser Wasserstoff, der bei Nutzung von Erneuerbaren Energien CO2-frei ist, kann als Reduktionsmittel genutzt werden.

Schematische Prozessdarstellung für die Herstellung von H2BI mittels regenerativem Wasserstoff aus Power-to-Gas – Grafik © ArcelorMittal

Als Hauptunterschiede zum konventionellen Prozess sind besonders hervorzuheben: ?

  • Der Prozess wird direkt mit Wasserstoff betrieben, so dass der Reformer entfällt. Der Wasserstoff kann nach entsprechender Vorwärmung in den Schachtofen geleitet werden.
  • Die Kühlzone unterhalb des Schachtofens entfällt, da im klassischen Prozess einer Direktreduktionsanlage die Kühlwirkung zu großen Teilen auf der Aufspaltung von Erdgas beruht. Stattdessen wird eine Heiß-Brikettierung vorgesehen.
  •  Das Produkt ist nicht mehr Eisenschwamm, sondern HBI ohne Kohlenstoff. Zur Abgrenzung wird das neue Produkt als H2BI (Hydrogen – Hot Briquetted Iron) bezeichnet. Der Metallisierungsgrad wird unverändert im Bereich von 95% liegen.
  • ? Die Vorwärmung des Wasserstoffs erfolgt zweistufig. Ein Teilstrom des Gichtgases dient als erste Vorwärmung sowie zum „Purgen“ von Inertstoffen wie z.B. Stickstoff. Die Eintrittstemperatur in den Reaktor von 940 °C wird in einer zweiten Vorwärmung mit elektrischer Energie erreicht.

Ähnlich wie der Prozess der Direktreduktion handelt es sich beim H2BI-Prozess um einen „Pseudo- Kreisprozess“, d.h. ein Großteil des Gasstromes wird im Kreis geführt. Um die Massenbilanzen zu erfüllen, muss nach dem Schachtofen Wasserdampf aus dem Prozess entfernt werden, was relativ einfach über Kondensation in einem Wäscher erfolgen kann (1). Hierbei kann eine Sättigungstemperatur von rund 60 °C angenommen werden, die auch im Sommer über Kühltürme leicht erreicht werden kann. Als weiterer Auslass wird ein Teilstrom von 10 % des Gichtgases nach dem Wäscher abgetrennt. Dieser wird zusammen mit Sauerstoff aus der Elektrolyse thermisch genutzt und für die Vorwärmung des Reduktionsgases verwendet. Somit kann vermieden werden, dass sich Inertgase, wie z.B. Stickstoff, im Prozess anreichern und die Effizienz verschlechtern. Der entstehende Wasserdampf wird anschließend verdichtet und zur Abdichtung der Ein- und Austrittsöffnungen des Schachtofens verwendet. Durch den Dampfeinsatz wird sichergestellt, dass die Eisenerzpellets in den Schachtofen, der mit Überdruck betrieben wird, gelangen, ohne dass das Gichtgas unkontrolliert aus dem Prozess entweicht. Zur Erhöhung der Energieeffizienz wird der Gichtgasstrom vor dem Wäscher über eine interne Wärmerückgewinnung von ca. 350 °C auf 100 °C abgekühlt. Nach der Abtrennung des Purge-Volumenstroms und einer Verdichtung, z.B. über einen Drehkolbenverdichter, erfolgt die Wärmerückgewinnung auf 290 °C (2).

Der ausgeschleuste Massenstrom muss durch neuen Wasserstoff aus der Elektrolyse ersetzt werden. Dieser kalte Wasserstoff wird mit dem 290 °C warmen Volumenstrom gemischt, so dass sich ein frisches Reduktionsgas mit einem Wasserstoffanteil von 95 % ergibt (3). Die erste Stufe der Vorwärmung erfolgt im Gegenstrom über die Nutzung von Gichtgas (4) und führt zu einer Temperatur von ca. 580 °C. Die erforderliche Eintrittstemperatur in den Schachtofen wird über eine elektrische Beheizung erreicht (5). Die Wahl der Temperatur im Schachtofen sollte möglichst hoch sein, da sich dies bei einer endothermen Reaktion positiv auf die Lage des Gleichgewichts auswirkt. Andererseits ist die Temperatur durch ein beginnendes Sintern der Erzpellets begrenzt, was zu einem Zuwachsen des Schachtofens führen kann. Aus dem Betrieb der Direktreduktionsanlage kann eine Eintrittstemperatur von 940 °C als unkritisch eingeschätzt werden. Hierfür ergibt sich aus der Simulation eine spez. elektrische Heizleistung von 0,23 MWh/tH2BI.

Die Reduktion im Schachtofen kann über folgende Reaktionsgleichungen beschrieben werden:

½ Fe2O3 + ½ H2 _ FeO + ½ H2O (obere Zone)
FeO + H2 _ Fe + H2O (untere Zone)

Es werden also 1,5 kmol Wasserstoff benötigt, um 1 kmol Eisen bzw. H2BI zu erzeugen, was einem Wasserstoffbedarf für die Reaktion von 600 Nm³ pro Tonne Eisen (Fe) entspricht. Da der Umsatz der Reaktion durch ein Gleichgewicht begrenzt ist, laufen die obigen Reaktionen nicht vollständig ab. Im Gichtgas liegt eine Wasserstoffkonzentration von rund 62 % vor (6).

In Tabelle 1 ist eine Übersicht über Temperatur, Gaszusammensetzung und Volumenstrom im H2BIProzess aufgeführt. Es ergibt sich ein Wasserstoffbedarf von rund 635 Nm³ pro Tonne H2BI, der über Power-to-Gas gedeckt werden muss. Es ist zu erkennen, dass der simulierte Wert von 635 Nm³/tH2BI oberhalb der theoretischen Abschätzung von 600 Nm³/tH2BI liegt, da in der Simulation Energieverluste berücksichtigt sind. Aufgrund des angenommenen Wirkungsgrads von 75 % für den Elektrolyseurs ergibt sich ein Strombedarf von 3,0 MWh/tH2BI für die Wasserstofferzeugung. Zusätzlich ist mit einem Energiebedarf von 0,23 MWh/tH2BI für die elektrische Vorwärmung zu rechnen. Der Strombedarf für die weitere Infrastruktur wie Gebläse, Pumpen, Förderbänder etc. wird aus Erfahrungswerten aus dem Betrieb der bestehenden Direktreduktionsanlage mit einem Wert von 0,08 MWh/t abgeschätzt.

Somit ergibt sich in Summe ein Energiebedarf von 3,31 MWh/t, der kontinuierlich und abgesichert durch Erneuerbare Energien abgedeckt werden muss.

Tabelle: Prozessgrößen aus der Simulation für einen H2BI-Prozess (Die Nummer in den Klammern entsprechen der Abbildung oben)

  • Um den Prozess weiter optimieren zu können, bieten sich drei Hauptpunkte an: ? Eine Erhöhung des Systemdrucks verbessert die Abscheidung von Wasser im Wäscher, da der Sättigungsdampfdruck bei 60° C rund 200 mbar beträgt. In der obigen Simulation wurde ein Systemdruck von 2,6 bar(abs) gewählt, was einem Wasseranteil von 7,7 % entspricht. Eine verbesserte Abscheidung würde weniger „inertem“ Wasserdampf entsprechen, was den Energieaufwand für die Vorwärmung verringert. Dies muss allerdings durch dickerwandige Komponenten erkauft werden, so dass es hier das wirtschaftliche Optimum ermittelt werden muss.
  • ? Eine Erhöhung der Eintrittstemperatur des Reduktionsgases in den Schachtofen von mehr als 940 °C würde sich positiv auf die Gleichgewichtslage auswirken und somit zu einem höheren Umsatz des Wasserstoffs führen. Es ist allerdings ein Sintern der Erzpellets zu verhindern, so dass hier eine Optimierung für jede Erzsorte durchgeführt werden muss. Es ist für eine reale Anlage eine Reserve in der Heizleistung einzuplanen, um z. B. auch Temperaturen von mehr als 980 °C realisieren zu können.
  • ? Für die Prozesssimulation wurde ein Teilstrom von rund 10 % für das Purgen vorgesehen, um unerwünschte Inertgase aus dem Kreisprozess ausschleusen zu können. So könnte z.B. Stickstoff durch die Poren der Erzpellets in den Prozess gelangen oder bei Anfahrvorgängen im System verbleiben. Im kontinuierlichen Anlagenbetrieb ist eine Minimierung des Teilstroms anzustreben. Es ist energetisch unvorteilhaft, den Wasserstoff aus der Elektrolyse für das Aufheizen des Reduktionsgases zu verwenden, da der Wasserstoff nur mit einem Wirkungsgrad von 75 % erzeugt werden kann.

Die Einflussmöglichkeiten sind nach ersten Abschätzungen allerdings begrenzt und die getroffenen Aussagen zum Energiebedarf des H2BI-Prozess können nach einer Sensitivitätsanalyse auf ± 10 % genau angesehen werden. Als Richtwert kann für eine Anlage mit 1 Mio. Tonnen pro Jahr bzw. 125 Tonnen pro Stunde eine Power-to-Gas-Leistung von 375 MWel und eine Heizleistung von 29 MWel abgeschätzt werden.

Abschätzung der Umwandlungskosten

Eine konventionelle Reduktionsanlage hat einen Erdgasbedarf von rund 9,7 GJ/t (Heizwert) und einen Strombedarf von 0,08 MWh/t. Bei aktuellen Energiekosten von rund 5,6 €/GJ für Erdgas und Stromkosten von 45 €/MWh ergeben sich Energiekosten für die Reduktion von Eisenerz von 57,90 €/t, was den Umwandlungskosten auf dem Weltmarkt entspricht.

Für eine Bewertung des neuen H2BI-Prozesses sind zukünftige Stromkosten in einem Energiesystem aus überwiegend erneuerbaren Quellen erforderlich. Für dieses Energiesystem sind nicht nur die Erzeugungskosten relevant, sondern auch die Kosten für Speicherung und Flexibilisierung im Energiesystem. Als optimistische Größe soll hier ein Wert von 100 €/MWh angenommen werden, der nur knapp oberhalb der Vergütung von On-Shore Windstrom liegt. Bei einem ermittelten Energiebedarf von rund 3,31 MWh/tH2BI würden also Umwandlungskosten von 331 €/tH2BI folgen, was einem Faktor 5,7 im Vergleich zu den heutigen Kosten entspricht. Die Prozessumstellung hätte als positiven Klimaschutzeffekt eine spez. CO2-Reduktion von rund 515 kg CO2 pro Tonne H2BI im Vergleich zu konventionellem Eisenschwamm. Hiermit wäre allerdings eine Zunahme der Umwandlungskosten von 273 €/t verbunden, so dass sich CO2-Vermeidungskosten von 530 €/t CO2 ergeben.

Aktuelle Margen in der Stahlbranche liegen aufgrund der Überkapazitäten im Weltmarkt im Bereich von weniger als 50 €/t, so dass es offensichtlich ist, dass diese Kostensteigerung nicht kompensiert oder an die Kunden weitergegeben werden kann. Auch eine Anreizsetzung über z.B. Kosten für CO2– Zertifikate wird keine Verbesserung der Wirtschaftlichkeit ergeben, da die oben aufgezeigten CO2– Vermeidungskosten deutlich oberhalb von wirtschaftlich tragbaren Lasten liegen.

In den oben abgeschätzten Kosten sind noch nicht die Investitionskosten für die Power-to-Gas- Anlage berücksichtigt, sondern nur die Betriebskosten. Für eine H2BI-Anlage mit einer Kapazität von rund 1 Mio. Tonnen pro Jahr, wird eine Power-to-Gas-Anlage mit einer elektrischen Anschlussleistung von rund 375 MWel benötigt. Geht man von zukünftigen Gesamtkosten einer Komplettanlage von rund 600 € pro kWel aus3, so folgt nur für die Wasserstofferzeugung ein Investitionsbedarf von 225 Mio. €. Zum Vergleich kann eine konventionelle Reduktionsanlage mit einer Jahresproduktion von 1 Mio. Tonnen Eisenschwamm für rund 200 Mio. € errichtet werden.

Somit ergeben sich auch durch die Investitionskosten für eine H2BI-Anlage starke wirtschaftliche Nachteile gegenüber einer konventionellen Direktreduktionsanlage.

Zusammenfassung

Im vorgestellten Konzept wurde aufgezeigt, wie ein Prozess zur Reduktion von Eisenerz mit regenerativ erzeugtem Wasserstoff aussehen könnte und welcher Energiebedarf zu erwarten ist. Aufgrund der Erfahrungen im Betrieb einer konventionellen Direktreduktionsanlage kann das Konzept als technisch machbar angesehen werden. Es stellt eine Weiterentwicklung des bestehenden Prozesses dar, der aktuell mit rund 60 % Wasserstoff im Reduktionsgas arbeitet. Die erforderlichen Technologien sind größtenteils bereits vorhanden und technisch erprobt, so dass hier keine Hemmnisse bestehen. Eine Kostenabschätzung ergibt aber, dass es unter den aktuellen Rahmenbedingungen keine Anreize gibt, in eine entsprechende Technik zu investieren. Insbesondere die enormen Kosten für den Betrieb einer Power-to-Gas-Anlage bzw. einer H2BI-Anlage machen dieses Konzept unwirtschaftlich. Es bleibt somit eine politische Entscheidung, ob entsprechende Förderungen für eine klimaneutrale Stahlerzeugung geschaffen werden. Ansonsten droht das Verfehlen der Klimaschutzziele oder eine Verdrängung der deutschen Stahlproduzenten durch Wettbewerber außerhalb der EU.

Quellen

1 “Klimaschutz mit Stahl”, Wirtschaftsvereinigung Stahl (2015), www.stahl-online.de

2 H2Future, Voest Alpine (2017), www.voestalpine.com

3 “Was kostet die Energiewende?”, Fraunhofer ISE (2015), www.fraunhofer.de – Die Studie geht von spez. Kosten von 840 €/kWel in 2015 aus, die bis 2050 auf rund 200 €/kWel sinken werden. Dies bezieht sich aber nur auf die Kosten für den Elektrolyseur ohne zugehörige Infrastruktur. Von konkreten Projekten liegen die spez. Kosten für eine Gesamtanlage aktuell im Bereich 3.000 €/kWel2 bis 6.500 €/kWel.

Autoren

  • Prof. Dr.-Ing. Marc Hölling, Professor für Chemische Verfahrenstechnik, Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg
  • Dr.-Ing. Matthias Weng, Energiemanager, ArcelorMittal Hamburg GmbH
  • Dr.-Ing. Sebastian Gellert, Betriebsleiter Reduktionsanlage, ArcelorMittal Hamburg GmbH