Wie kann Wasserstoff die Stahlproduktion nachhaltiger machen?

Biomasse besitzt einen geringeren Heizwert als Holzkohle und Kohle (15 MJ/kg gegenüber 30 bzw. 35 MJ/kg), überzeugt jedoch durch einen niedrigen Schwefelgehalt, hohe Reaktivität, große spezifische Oberfläche und stabile Porenstruktur. Wegen ihrer geringen Dichte, Feuchtigkeit und des hohen Anteils flüchtiger Bestandteile bedarf Biomasse einer Vorbehandlung vor der Nutzung. Biomasse stellt eine Rückkehr zum ältesten von Menschen genutzten Brennstoff dar, jedoch heute auf nachhaltige Weise. Dabei dominiert pflanzliche Biomasse, während tierische Biomasse nur einen vernachlässigbaren Anteil hat. Pflanzen speichern etwa 1 % der Sonnenenergie, und aktuell trägt Biomasse lediglich etwa 1 % zur globalen Energieversorgung bei. Trotzdem hat Biomasse ein enormes Potenzial als Reduktionsmittel in der Eisen- und Stahlerzeugung. Im Hochofen kann sie die Kohlenstoff-Pulverinjektion vollständig ersetzen, und in der Stahlherstellung kann sie den Kohlenstoffzusatz substituieren. Besonders im Hochofen-Blechofen-Verfahren ist der Kohleverbrauch mit etwa 800 kg Kohlenstoff pro Tonne Stahl deutlich höher als in elektrisch gesteuerten Schmelzöfen, die deutlich geringere Werte aufweisen.

Die Verwendung von Wasserstoff in der Metallurgie ist kein neues Konzept, sondern wurde bereits im 19. Jahrhundert erprobt. In den 1950er Jahren wurde der H-Eisen-Prozess entwickelt, bei dem Eisenerz mit reinem Wasserstoff unter hohem Druck reduziert wurde. Aktuelle kommerzielle Verfahren wie Circored verwenden ebenfalls 100% Wasserstoff in Wirbelschichtreaktoren. Allerdings stoßen diese Technologien auf Herausforderungen, insbesondere aufgrund von „Sticking“-Problemen und den hohen Kosten für Wasserstoff.

Die gegenwärtige Wasserstoffproduktion beruht überwiegend auf fossilen Brennstoffen („grauer Wasserstoff“). Verschiedene „Farben“ von Wasserstoff kennzeichnen den Herstellungsprozess: „Grüner Wasserstoff“ wird mittels erneuerbarer Energien erzeugt, während „blauer Wasserstoff“ durch Dampfreformierung von Erdgas entsteht. Der Übergang zu grünem Wasserstoff ist mit erheblichen Hürden verbunden. Für die Reduktion von Eisenerz zu Direktreduziertem Eisen (DRI) werden enorme Mengen Wasserstoff benötigt: Beispielsweise erfordert die Herstellung einer Tonne DRI etwa 650 Normkubikmeter Wasserstoff. Für eine Anlage mit 2 Millionen Tonnen Jahresproduktion wären dies rund 162.500 Normkubikmeter pro Stunde. Die derzeit installierte Elektrolysekapazität liegt jedoch bei etwa 1,1 GW, während der Bedarf bis 2030 auf 130 bis 345 GW geschätzt wird – ein gigantisches Defizit.

Die Kosten für grünen Wasserstoff sind mindestens dreimal so hoch wie für blauen Wasserstoff, und Prognosen gehen davon aus, dass sich daran bis 2040–2050 wenig ändern wird. Dies erschwert die Wettbewerbsfähigkeit von DRI-Stahl im Vergleich zu konventionellem Roheisen, insbesondere wenn die Strompreise für erneuerbare Energien nicht drastisch sinken. Außerdem konkurrieren verschiedene Industriezweige um den Wasserstoff, darunter die Transportbranche, die potenziell einen noch höheren Wasserstoffbedarf haben könnte als die Stahlindustrie.

Neben der Produktion stellt auch die Speicherung und der Transport von Wasserstoff eine große Herausforderung dar. Wasserstoff besitzt eine extrem hohe Entflammbarkeit, einen sehr niedrigen Zündpunkt und eine geringe Dichte, was den Aufwand für sichere Lagerung und Transport erheblich erhöht. Der Transport von Wasserstoff über große Entfernungen ist derzeit teuer und erfordert spezielle Infrastruktur. Darüber hinaus kann Wasserstoff zu Versprödung von Stählen führen, was den Materialeinsatz zusätzlich erschwert.

Der Umbau der Stahlindustrie auf Wasserstofftechnologien verlangt immense Investitionen. Für Deutschland wurden beispielsweise Investitionskosten von rund 30 Milliarden Euro geschätzt, um von Hochofenverfahren auf wasserstoffbasierte Direktreduktionsprozesse umzusteigen.

Es ist wichtig zu verstehen, dass das Ziel „Netto-Null-Emissionen“ in der Stahlherstellung nur begrenzt realistisch ist. Ein vollständig kohlenstofffreier Prozess ist derzeit nicht umsetzbar, da immer ein gewisser Kohlenstoffanteil zur vollständigen Reduktion des Eisenerzes benötigt wird. Zudem entstehen unvermeidbare Emissionen etwa durch die Oxidation von Elektroden oder die Kalkproduktion, die zusammen etwa 53 kg CO2 pro Tonne Stahl ausmachen.

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Wie hat sich die Stahlproduktion in China im letzten Jahrhundert entwickelt?

Die Stahlproduktion in China hat sich im letzten Jahrhundert exponentiell entwickelt, wobei der rasante Anstieg ab dem Beginn des 21. Jahrhunderts bemerkenswert war. Im Jahr 2000 lag die Produktion bei 128 Millionen Tonnen, und bis 2020 erreichte sie beeindruckende 1094 Millionen Tonnen. Dieser dramatische Anstieg kann vor allem auf das schnelle Wachstum der Urbanisierung in China zurückgeführt werden, das von 19% im Jahr 1978 auf 65% im Jahr 2022 anstieg. Diese Urbanisierung schuf eine riesige Nachfrage nach Stahl, der sowohl für den Bau von Infrastruktur als auch für den Wohnungsbau benötigt wurde.

Zwischen 1978 und 2000 durchlief China eine Phase der Kapazitätsaufbau, gefolgt von einer Phase des Hochgeschwindigkeitswachstums bis 2013. Dabei stieg der Stahlverbrauch pro Kopf in China von 33 kg im Jahr 1978 auf 691,3 kg im Jahr 2020, was ihn zum zweitgrößten Stahlverbraucher der Welt nach Südkorea machte. Dieser rasante Anstieg des Verbrauchs und der Produktion von Stahl in den letzten zwei Jahrzehnten ist einzigartig in der Geschichte der Menschheit.

Im Vergleich zu anderen Ländern war der Stahlverbrauch in China zu Beginn des 20. Jahrhunderts äußerst gering. Vor 1939 lag der Verbrauch pro Kopf zwischen 0,8 und 1,2 kg, sank aber am Ende des chinesischen Bürgerkriegs unter 0,4 kg pro Jahr im Jahr 1949. Zum gleichen Zeitpunkt lag der Verbrauch in den USA bei 530 kg pro Kopf. Es dauerte bis 1978, bis dieser Wert auf 33 kg stieg. Die rasante Produktionssteigerung seit 2000 führte dann zu einem dramatischen Anstieg des Pro-Kopf-Verbrauchs von Fertigstahlprodukten.

Interessanterweise hatte der Elektrolichtbogenofen (EAF) - eine alternative Methode zur Stahlproduktion - in China lange Zeit eine untergeordnete Rolle gespielt. Vor 1990 lag der Anteil der Stahlproduktion mittels EAF bei etwa 25%, doch mit der steigenden Nutzung des Hochofen-Basic Oxygen Furnace (BF-BOF)-Prozesses ging dieser Anteil zurück. 2003 lag der Anteil der EAF-Produktion bei nur noch 17,6%. 2019, obwohl die Gesamtproduktion von Stahl stieg, erreichte der Anteil der EAF-Produktion nur noch 10,4%. Trotz dieser geringen Zahl bleibt China jedoch der weltweit größte Produzent von Stahl mittels EAF, mit einer jährlichen Produktion, die mit der gesamten Stahlproduktion Nordamerikas vergleichbar ist.

Die Provinzen Hebei, Jiangsu und Shandong wiesen 2020 die größte Stahlproduktion auf, mit einer Kapazität von 299, 119 bzw. 83 Millionen Tonnen pro Jahr. Besonders auffällig ist die Entwicklung der Kapazitäten für die EAF-Technologie. Im Jahr 2022 berichtete die China Iron and Steel Industry Association (CISA), dass die Anzahl der EAF-Anlagen in China auf 370 gestiegen war, mit einer Gesamtproduktion von 190 Millionen Tonnen.

Das Wachstum der EAF-Industrie in China wurde durch mehrere Faktoren begünstigt. In den letzten Jahren hat sich jedoch die Lage verändert. Während China früher mit einem Mangel an Schrott, unzureichender Stromversorgung und teuren Elektroden zu kämpfen hatte, hat sich dies inzwischen verbessert. Der Mangel an Schrott bleibt jedoch weiterhin eine Herausforderung, was die Stahlproduktion aus dem EAF-Verfahren teurer macht als die traditionelle Methode der integrierten Stahlproduktion. Trotz dieser Herausforderungen wird erwartet, dass China seine Kapazitäten zur Stahlproduktion aus dem EAF weiter ausbaut.

Ein weiteres bemerkenswertes Beispiel für die Entwicklung der Stahlproduktion ist Indien, das nach China der zweitgrößte Produzent von Stahl durch den EAF-Prozess ist. Indien besitzt riesige Eisenerzreserven, allerdings sind nur etwa 13% dieser Reserven hochgradig. Trotz dieser Herausforderungen zeigt Indien ein beträchtliches Wachstum in der Produktion von Stahl über den EAF-Prozess, was auf die zunehmende Urbanisierung und Industrialisierung des Landes zurückzuführen ist.

Es gibt einige wichtige Aspekte, die der Leser zusätzlich zu den bisher dargestellten Fakten verstehen sollte. Erstens ist die Stahlindustrie in China und anderen asiatischen Ländern nach wie vor stark von staatlichen Eingriffen und politischer Steuerung abhängig. Dies betrifft nicht nur die Kapazitätserweiterungen, sondern auch die Preisgestaltung und Umweltvorgaben. Die staatliche Kontrolle ist ein entscheidender Faktor, der den Stahlmarkt in diesen Ländern bestimmt.

Zweitens ist die Umstellung auf nachhaltigere Produktionsmethoden von zunehmender Bedeutung. Die Verfügbarkeit von Schrott und die steigenden Umweltanforderungen haben zu einem verstärkten Interesse an Recycling und der Weiterentwicklung von grünen Technologien in der Stahlproduktion geführt. Insbesondere China hat begonnen, in umweltfreundlichere Stahlproduktionsmethoden zu investieren, was auch im Hinblick auf die bevorstehenden globalen CO2-Reduktionsziele von zentraler Bedeutung ist.

Schließlich muss man die wachsende Bedeutung von Innovationen in der Stahlproduktion und den damit verbundenen Technologien betrachten. Die Einführung neuer Technologien und Verfahren wird einen wesentlichen Einfluss auf die Kostenstruktur und die Wettbewerbsfähigkeit der Stahlproduktion in den kommenden Jahren haben. Insbesondere die Entwicklung neuer Methoden zur Schrottbeschaffung und die Verbesserung der Energieeffizienz sind Themen, die langfristig über den Erfolg der Stahlproduktion in China und Indien entscheiden werden.