Überblick

Die Nutzung fossiler Brennstoffe führt zu CO₂-Emissionen in der Atmosphäre. Dies fördert die globale Erwärmung durch den künstlichen, vom Menschen verursachten Treibhauseffekt. In Area 2 werden Lösungen für eine klimaneutrale Stahlerzeugung erforscht und Prozesse entwickelt, um das bereits emittierte Kohlendioxid (CO₂) als Ressource für einen Kohlenstoffkreislauf zur Verfügung zu stellen. Durch die Nutzung von CO₂ als Ressource im Kohlenstoffkreislauf kann K1-MET die Treibhausgasemissionen verringern und zu einem ausgeglicheneren und nachhaltigeren Planeten beitragen.

Es werden verschiedene Strategien entwickelt, um die CO₂-Emissionen in der energieintensiven Industrie zu verringern. K1-MET konzentriert sich auf die Sektoren Stahl-, Feuerfest-, Zement- und Chemieindustrie.

Ein Ansatz ist die direkte Kohlenstoffvermeidung (Carbon Direct Avoidance = CDA) wie die Wasserstoff-Plasma-Schmelzreduktion (HPSR) und die wasserstoffbasierte Feinerzreduktion (HYFOR). Carbon Direct Avoidance ist die effizienteste Strategie der europäischen Stahlindustrie zur Verringerung des Kohlenstoffausstoßes. Dieses Konzept umfasst Stahlherstellungsprozesse mit nahezu null CO₂-Emissionen.

Wasserstoff-Plasma-Schmelzreduktion (HPSR) ist ein Verfahren, bei dem Elektrizität in Kombination mit Wasserstoffplasma als Energieträger und Reduktionsmittel eingesetzt wird. Derzeit werden im Hochofen Reduktionsmittel eingesetzt, um den Sauerstoff aus den Eisenoxiden zu entfernen. Das mengenmäßig wichtigste Reduktionsmittel im Hochofen ist derzeit Kohlenstoff (in Form von Koks). K1-MET forscht an nachhaltigeren Alternativen wie z. B. Wasserstoff. HPSR produziert flüssigen Stahl aus Feinerzen in einem einzigen Schritt unter Verwendung von Wasserstoffplasma als Reduktionsmittel und primäre Energiequelle. Mit dieser Technologie können erstmalig höchste Stahlqualitäten einstufig ohne CO₂-Emissionen erzeugt werden.

Die wasserstoffbasierte Feinerzreduktion (HYFOR) ist die Direktreduktion von Eisenerzen mit Wasserstoff ohne CO₂. Da der Prozess bei niedrigeren Temperaturen abläuft und die Feinerze nicht agglomeriert – stückig gemacht – werden müssen, benötigt diese Art der Direktreduktion weniger Energie.

Eine weitere Strategie zur Erreichung der Klimaneutralität ist die Sektorkopplung. Das bedeutet, dass verschiedene Branchen und Sektoren zusammenarbeiten, um Energie und Ressourcen gemeinsam zu nutzen. Ziel ist es, Überschüsse und Engpässe auszugleichen und die Gesamteffizienz zu steigern. Damit sollen Ressourcen eingespart und Treibhausgase reduziert bzw. nutzbar gemacht werden. Die Sektorenkopplung ist ein Schlüsselfaktor zur Stabilisierung des erneuerbaren Energiesystems und zur Bereitstellung chemischer Speicher für den Winterbedarf.

Weitere innovative Technologien für die kurzfristige Kohlenstoffreduktion stellen Schmelzapparate, grüne und intelligente Öfen dar. Da die Direktreduktion ohne Flüssigphase arbeitet, wird eine Vorschmelze als Bindeglied zwischen der Direktreduktionsanlage und dem Sauerstoffblasofen benötigt, um minderwertiges direktreduziertes Eisen (Direct Reduced Iron = DRI) vor der Raffination in Roheisen umzuwandeln. Die Entwicklung einer solchen Schmelzanlage ist Gegenstand eines Projekts.

Heizöfen, die mit erneuerbaren Energien oder alternativen Brennstoffen arbeiten, werden erforscht, um den CO₂-Fußabdruck zu verringern. Zu den alternativen Energiequellen gehören Wasserstoff, elektrische Energie und biologische oder erneuerbare Gase wie künstlich erzeugtes Methan.

Intelligente Öfen sind mit fortschrittlicher Technologie ausgestattet, um den Betrieb zu verbessern und den Energieverbrauch zu minimieren. Datenanalytik und künstliche Intelligenz helfen bei der Überwachung und Steuerung des Ofenbetriebs. Es werden verschiedene Methoden zur Anpassung bestehender Öfen mit elektrischer Beheizung untersucht. Dabei werden mathematische Methoden, z. B. Computational Fluid Dynamics (CFD) und „FastCalc“-Methoden, eingesetzt. Weitere Informationen finden Sie in Area 3.

Außerdem werden als Alternative zu Erdgasbrennern wasserstoffbasierte Brennerkonzepte entwickelt. Diese Technologien nutzen Wasserstoff als Brennstoff für die Stahlerzeugung.

Zusätzliche Methoden zur direkten Vermeidung von Kohlenstoff können die nachhaltige Stahlproduktion unterstützen. Kohlenstoffabscheidung und -verwertung (Carbon Capture and Utilization = CCU) ermöglicht die Abscheidung von CO₂ und die Nutzung seiner reinen Form als Rohstoff für weitere Prozesse. Ein Beispiel ist die Methanisierung, bei der aus Wasserstoff und CO₂ Methan künstlich erzeugt wird. Dieses Gas kann im Stahlwerk weiterverwendet, dadurch der Kohlenstoffkreislauf geschlossen, somit neue fossile Brennstoffe vermieden und in Summe CO₂Emissionen reduziert werden.

Ein weiterer Ansatz zur Erfüllung des Klimaabkommens ist die Karbonatisierung, bei der Nebenprodukte der Stahlerzeugung wie Aschen oder Schlacken verwendet werden, um CO₂ in fester Form zu binden. Die dabei entstehenden sogenannten Karbonate werden deponiert. Da diese Nebenprodukte ohnehin deponiert werden müssen, stellt diese Methode eine Alternative zu den üblichen Methoden der Kohlenstoffabscheidung und -speicherung (Carbon Capture and Storage = CCS) dar.

Ziele und Motivation

• Vorantreiben der Dekarbonisierungsprozesse im metallurgischen Sektor
• Entwicklung von wasserstoffbasierten Plasmaschmelz-, Direktreduktions- und Brennerkonzepten
• Carbon Capture and Utilization in der energieintensiven Industrie zur Umwandlung von CO₂ in wertvolle Produkte
• Förderung der Sektorkopplung zur Schaffung stabiler erneuerbarer Energiesysteme und chemischer Speicher für den Bedarf im Winter