Grüner Stahl - die Hoffnung einer CO2-armen Bauindustrie?

Als Reaktion auf den Krieg und den erwarteten Anstieg der Energiepreise versucht die EU, ihre Importabhängigkeit von Russland aufzubrechen. Im Stahlbereich soll dies durch die Senkung des Energieverbrauchs und den verstärkten Einsatz von Recyclingstahl erreicht werden. Eine Lösung hierfür wäre die häufigere Verwendung von grünem Stahl.

Der globale Stahlsektor ist der zweitgrößte Industriesektor hinsichtlich des Anteils an Treibhausgasemissionen (nach Zement), da er stark vom Verbrauch fossiler Brennstoffe abhängig ist. Nach Angaben der Internationalen Energieagentur (IEA, 2021) hat sich das Volumen der Stahlproduktion in den letzten zwei Jahrzehnten mehr als verdoppelt, was insgesamt zu einer Verdoppelung der direkten stahlproduktionsbedingten Treibhausgasemissionen geführt hat (IEA, 2020). Es ist daher von entscheidender Bedeutung, Lösungen für die Dekarbonisierung dieser Branche zu finden. So entstand die Innovation "Grüner Stahl". In diesem Artikel erklären wir, was Grüner Stahl ist und ob er die nachhaltige Lösung für die Stahlindustrie ist.

Stahl ist ein wichtiges strukturelles Ausgangsmaterial für bedeutende Industriezweige wie das Baugewerbe und die Automobilindustrie. Daher könnte die Endverbrauchernachfrage nach Stahl in den nächsten drei Jahrzehnten bis 2050 um weitere 40 % zunehmen, während gleichzeitig die Herausforderung besteht, die Emissionen zu reduzieren. Als Reaktion darauf suchen viele Unternehmen nach Substituten zu Stahl, wie z. B. die Verwendung von Aluminium (siehe unseren Artikel über Stahl vs. Aluminium am Beispiel eines Fahrzeugrahmens), und die Stahlunternehmen verpflichten sich, bis 2050 Netto-Null-Treibhausgasemissionen zu erreichen. Infolgedessen gibt es mehrere internationale Initiativen zur Dekarbonisierung des Stahlsektors, wie z. B. das Net Zero Steel Pathway Methodology Project, das eine Grundlage für Konsistenz durch eine Reihe von Schlüsselprinzipien vorschlägt, um den Stahlsektor bei der Erreichung von NetZero-Zielen zu leiten.

Eine potenzielle langfristige Lösung für die Dekarbonisierungsherausforderung dieses Industriezweigs ist der "grüne" Stahl. Diese bahnbrechende Technologie zur Emissionsreduzierung bei der Stahlerzeugung kann sich auf Folgendes beziehen:

1) Stahlprodukte, die einen geringeren Treibhausgas- oder Kohlenstoff-Fußabdruck haben (aufgrund unterschiedlicher Produktionsprozesse), oder

2) "kohlenstoffarme Stahlprodukte", d. h. Produkte mit einem minimalen Kohlenstoffgehalt (0,04-0,30 %) in den Endprodukten selbst.

In diesem Artikel befassen wir uns mit dem unter Punkt 1) genannten Begriff "Grüner Stahl", der sich speziell auf Stahlprodukte bezieht, die  mit weniger treibhausgasintensiven Produktionsverfahren hergestellt  werden, und nicht auf Produkte mit einem geringeren Kohlenstoffgehalt. Grüner Stahl unterscheidet sich auch von "nachhaltigem Stahl", da sich die Betrachtung nur auf geringere Treibhausgasemissionen beschränkt, während nachhaltiger Stahl auch andere Aspekte wie Energie- und Ressourceneffizienz, Kreislaufwirtschaft und die Reduzierung anderer Schadstoffe umfasst.

Grüner Stahl sollte auch nicht mit Responsible Steel verwechselt werden. Responsible Steel beschreibt das verantwortungsvolle Beschaffen und Produzieren der Stahlprodukte auf der Grundlage von 12 Grundsätze wie z. B. Arbeitsrechte, biologische Vielfalt, Wasserbewirtschaftung usw. beschreibt (weitere Informationen über Standards und Zertifizierungen für verantwortungsvollen Stahl finden Sie in den Quellen).

Wie wird Grüner Stahl hergestellt?

Das Prinzip der Herstellung von grünem Stahl wird laut Vogl et al. (2018) als wasserstoffbasiertes direkt reduziertes Eisen (H-DR) bezeichnet und besteht darin, Kokskohle, die üblicherweise für die Stahlherstellung aus Erzen benötigt wird, durch erneuerbaren Strom und Wasserstoff zu ersetzen.

Normalerweise wird Koks in einem Hochofen bei Temperaturen von etwa 1.600°C verbrannt, um das Eisen aus dem Erz zu schmelzen.

In der Regel wird dem Eisenoxid in einem Hochofen Eisenkoks zugesetzt, um es zu geschmolzenem Eisen zu reduzieren und Unreinheiten aus dem Koks zu entfernen. Bei diesem Prozess entstehen beträchtliche Mengen an CO2, und es wird eine enorme Menge an Energie benötigt, da das Gemisch auf bis zu 1500 °C erhitzt wird. Das geschmolzene Eisen wird dann in einen Sauerstoffofen überführt, damit eine präzise Luftmenge mit dem aus dem Koks stammenden und im geschmolzenen Eisen enthaltenen Kohlenstoff zu Stahl reagiert. Wird der Koks durch Wasserstoff ersetzt, kann der Eisenschwamm direkt in einen Elektrolichtbogenofen zur Weiterverarbeitung gegeben werden, da er wesentlich weniger Verunreinigungen enthält und der Hochofenprozess umgangen wird.

Durch den Einsatz von Wasserstoff entfällt dieser Produktionsprozess. Dies bedeutet eine erhebliche Verringerung des Energieeinsatzes bei der Stahlerzeugung. Ferner, ist die im Reaktionsprozess benötigten Temperatur bei der Verwendung von Wasserstoff anstelle von Koks deutlich geringer, was wiederum den Energieeinsatz und die damit verbundenen Emissionen verringert. Außerdem ist das Nebenprodukt der Wasserstoff-Direktreduktion nicht mehr Kohlendioxid, sondern lediglich Wasser, das in den Wasserstoff-Elektrolyseur zurückgeführt wird und einen erheblichen Teil der CO2-Emissionen reduziert. Untersuchungen von Vogl et al. (2018) zur Bewertung der Wasserstoff-Direktreduktion für eine fossilfreie Stahlerzeugung haben ergeben, dass diese grüne Stahlerzeugungsmethode nur 2,8 % der CO2-Emissionen verursacht, die derzeit durch konventionelle Koks- und Hochofensysteme entstehen. Aktuelle, konkrete Daten werden jedoch noch erforscht.

Bild: Vergleich zwischen konventioneller Stahlerzeugung und grüner Stahlerzeugung (Quelle: HYBRIT).

Herausforderungen

Eine zentrale Problematik besteht darin, dass Grüner Stahl aufgrund des innovativen Verfahrens, zunächst teurer ist als konventionell hergestellter Stahl. Der schwedische Hersteller von grünem Stahl, SSAB, schätzt, dass Grüner Stahl in der Herstellung 20-30 % teurer ist als herkömmlicher Stahl (HYBRIT, 2017). Vogl et al. (2018) weisen jedoch darauf hin, dass eine HDR-basierte Stahlproduktionsanlage nur dann wettbewerbsfähig wird, wenn der internationale CO2-Preis [siehe unseren Artikel über CO2-Bepreisung] zwischen 34 und 68 € pro Tonne CO2 liegt., -der CO2-Preis lag aber laut EMBER Climate in Europa bereits am 01.03.2022 bei 68,85€ pro Tonne CO2- und unter der Annahme von Stromkosten von 40 € pro MWh (die laut EMBER Climate in Deutschland im Januar 2022 schon bei 167 € pro MWh lagen).

Darüber hinaus haben die Forscher Muslemani et al. (2021) in deren Studie „Opportunities and challenges for decarbonizing steel production“ ein weiteres Problem in Zusammenhang mit der CO2-Bilanz bei dieser Innovation entdeckt. Das Problem besteht darin, ob sie in absoluten Emissionen ("x kg CO2 pro kg Stahl") oder in relativen Emissionen ("Grüner Stahl erzeugt x% weniger Emissionen als konventionell hergestellter Stahl") berechnet wird, da dies auch stark von der Referenz des konventionell hergestellten Stahls abhängt. Stahl kann nämlich je nach Herkunftsland unter sehr unterschiedlichen Bedingungen hergestellt werden, weshalb es wichtig ist, die Berechnungsmethode und die Referenz für den Vergleich sorgfältig zu berücksichtigen.

Im Falle von HDR-basiertem Stahl ist es außerdem wichtig, die mit der Wasserstoffproduktion verbundenen Emissionen zu berücksichtigen. Wasserstoff kann nämlich umstritten sein, da er aus verschiedenen Ressourcen hergestellt werden kann, darunter fossile Brennstoffe, Biomasse und Wasserelektrolyse mit Strom. Die durch die Wasserstoffproduktion verursachten CO2-Emissionen sollten daher ebenfalls in das Emissionssystem für grünen Stahl einbezogen werden. Die Frage der Zuteilung rechtfertigt daher die Notwendigkeit eines globalen Konsenses über eine Kohlenstoffbilanzierungsmethode für die Stahlindustrie.

Um eine bessere Vergleichbarkeit aller CO2-Emissionen entlang der gesamten Wertschöpfungskette darzustellen, bietet sich eine Bottom-up-Berechnungsmethode an, wie sie von worldwatchers für die Product Carbon Footprints verwendet wird. Dabei werden Prozesse, genau wie sie in der Industrie vorkommen, mit allen einzelnen Prozessschritten modelliert, anstatt sie zu aggregieren und auf einen einzelnen Input oder Output zu reduzieren. Die PCF-Analyse anhand dieser Methode durchzuführen, könnte genauere Einblicke zu allen Alternativen geben. Vor allem wenn Herstellungsort und der dort vorhandene Strommix bzw. Herstellprozesse und deren Ernergymix eine so wesentliche Rolle wie bei der Herstellung von "nachhaltigem", recycleten und "grünem" Stahl spielen.

Grüner Stahl könnte eine wichtige innovative Lösung für die Dekarbonisierung der Stahlindustrie sein. Eine zunehmende Zahl von Unternehmen setzt auf diese Innovation und investiert in entsprechende Projekte. Es ist jedoch wichtig, das Gesamtbild zu betrachten, da diese Innovation neue Quellen von Kohlenstoffemissionen innerhalb der Lieferkette mit sich bringen kann, z. B. bei der Herstellung des Wasserstoffs, der bei der Erzeugung von grünem Stahl verwendet wird, oder bei der Integration von recyceltem Stahl. Infolgedessen würde eine CO2-Fußabdruck-Bewertung des grünen Stahls es ermöglichen eine optimale Beurteilung der CO2-Emissionen dieses Materials darzulegen.

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________Quellen______

ArcelorMittal (2020, 13. Oktober). ArcelorMittal Europe to produce ’green steel’ starting in 2020. https://corporate.arcelormittal.com/media/news-articles/arcelormittal-europe-to-produce-green-steel-starting-in-2020

Brinkmeier, B. (2022, 4. März). Kein Bitumen und Stahl mehr aus Russland? Rohstoffe am Bau werden noch teurer. B_I Medien. https://bi-medien.de/fachzeitschriften/baumagazin/wirtschaft-politik/materialmangel-kein-bitumen-und-stahl-mehr-aus-russland-rohstoffe-am-bau-werden-noch-teurer-b14601

Ember. (2022, 9. Februar). Average monthly electricity wholesale prices in selected countries in the European Union (EU) from January 2020 to January 2022 (in euros per megawatt hour) [Graph]. In Statista. Retrieved February 23, 2022, from https://www.statista.com/statistics/1267500/eu-monthly-wholesale-electricity-price-country/

IEA (2021). Iron and Steel. IEA. Paris https://www.iea.org/reports/iron-and-steel

IEA (2020). Iron and Steel Technology Roadmap. IEA. Paris https://www.iea.org/reports/iron-and-steel-technology-roadmap

HYBRIT (2017). Fossil Free Steel. Summary of findings from HYBRIT Pre-Feasibility Study 2016–2017. HYBRIT Brochure. SSAB, LKAB & Vattenfall. https://dh5k8ug1gwbyz.cloudfront.net/uploads/2021/02/Hybrit-broschure-engelska.pdf

Muslemani, H., Liang, X., Kaesehage, K., Ascui, F., & Wilson, J. (2021). Opportunities and challenges for decarbonizing steel production by creating markets for “green steel” products. Journal of Cleaner Production, 315, 128127. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2021.128127

Redaktionsnetzwerk Deutschland (RND) (2022, 4. März). Gas, Erdöl, Stahl: Kann Russland Rohstoffe als Druckmittel nutzen? https://www.rnd.de/wirtschaft/sanktionen-gegen-russland-wie-abhaengig-ist-deutschland-von-russischen-rohstoffen-MI5MEPXOQYOOAOU5WBZXYLQWFI.html

Responsible Steel (2019). Responsible Steel Standard v.01. https://www.responsiblesteel.org/wp-content/uploads/2019/11/ResponsibleSteel_Standard_v1-0.pdf

The Guardian (2021, 19. August). ‘Green steel’: Swedish company ships first batch made without using coal. Reuters in Stockholm. https://www.theguardian.com/science/2021/aug/19/green-steel-swedish-company-ships-first-batch-made-without-using-coal

U.S. Department of Energy (2022). Hydrogen Production and Distribution. Alternative Fuels Data Center. https://afdc.energy.gov/fuels/hydrogen_production.html

Vogl et al. (2018). Assessment of hydrogen direct reduction for fossil-free steelmaking. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0959652618326301

World Steel Association (2021). The Net-Zero Steel Pathway Methodology Project - Final Report and Recommendations. https://site-vkkfu93r.websitecdn.com/uploads/F5B19C8ADDA9CB51.pdf?v=0

________Notes_______

‘Green steel’: Swedish company ships first batch made without using coal | Climate change | The Guardian (ampproject.org)

Thyssenkrupp: Stahlproduzenten wollen klimafreundlicher werden - DER SPIEGEL

mit 70% Einsparung läge ein typischer Stahl bei 0,525 kg CO2e/kg, es wird also etwa 1,2 kg CO2e eingespart.

Damit liegt es sogar bei halb soviel wie typischer Recyclingstahl, der bei 1,1-1,2 kg CO2e/kg liegt.

Klimafreundliche Baustoffe: Quoten bei Stahl und Zement könnte Millionen Tonnen CO₂ sparen - DER SPIEGEL

https://www.dnv.de/assurance/index.html?utm_source=google&utm_medium=cpc&utm_campaign=58214857584&utm_term=dnv%20zertifizierung&gclid=Cj0KCQjwwY-LBhD6ARIsACvT72OEVWPVQgOQtf0xJuN2RROe6u8ugnSEjd1IDgqmBwtPAyPtcCoSq84aAhF9EALw_wcB

https://www.stahlfertiger.de/stahlpreisindex/

Klimafreundliche Baustoffe: Quoten bei Stahl und Zement könnte Millionen Tonnen CO₂ sparen - DER SPIEGEL

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