Nutzung von CO2 im Heißwind zur Effizienzsteigerung im Hochofen

Abstract

Die Dekarbonisierung der Stahlherstellung ist eine grundlegende gesellschaftliche und politische Forderung an die Stahlindustrie. Von daher plant und investiert die Stahlindustrie aktuell und zukünftig in eine schrittweise Substitution der Hochofenroute durch CO₂-ärmere Prozessrouten, um die definierten Klimaziele zu erreichen. Im Fokus stehen hierbei Direktreduktionsanlagen (DR-Anlagen) in Kombination mit elektrischen Einschmelzaggregaten, die perspektivisch mit grünem Wasserstoff und regenerativ erzeugtem Strom betrieben werden sollen. Die Umstellung auf innovative Produktionsverfahren wie wasserstofffähige DR-Anlagen wird von der Bundesregierung und den Ländern unterstützt. Die aktuelle Entwicklung zeigt allerdings, dass ein disruptiver direkter Umstieg vom koksbasierten Hochofen zur Direktreduktion mit grünem Wasserstoff technisch und logistisch eine im hohen Maße ambitionierte Aufgabe ist. Eine Aufgabe, deren Erfüllung ein ausreichendes Angebot an nachhaltigem Wasserstoff, an regenerativ erzeugtem Strom sowie entsprechende Investitionen in Anlagen zur Wasserstoffherstellung und in die Pipeline-Infrastruktur erfordert. Sowohl der Europäische Rechnungshof als auch der Bundesrechnungshof weisen in Sonderberichten aus den Jahren 2024 und 2025 darauf hin, dass der Hochlauf der Wasserstoffwirtschaft mit erheblichen Unsicherheiten behaftet und die Erreichung der Produktions- und Importziele für erneuerbaren Wasserstoff bis 2030 als gefährdet einzustufen ist [1,2]. Um bereits ab Inbetriebnahme der DR-Anlagen CO2-Emissionen einzusparen, ist ein Hochlauf mit Erdgas möglich und angestrebt. Im Zuge der Transformationen kommt es zu einer Übergangsphase, in der Hochöfen und DR-Anlagen in Kombination mit elektrischen Einschmelzaggregaten parallel betrieben werden, um eine resiliente Stahlherstellung mit verminderten CO2-Emissionen sicherstellen zu können. Hier stellen sich Fragen nach möglichen nutzbaren Synergieeffekten, die beim parallelen Betrieb der Anlagentypen zu realisieren sind, um bei dem unveränderten Ziel die CO2-Emissionen der Stahlindustrie zu senken, gleichzeitig aber auch die Wirtschaftlichkeit der Stahlherstellung im internationalen Wettbewerb gewährleisten zu können. Dies ist der Ansatzpunkt des Verbundprojektes NuCOWin, in dem gezielt die Möglichkeiten der Verschaltung beider Aggregate durch den Einsatz CO₂-haltiger Gase der DR-Anlage im Hochofen untersucht werden, um Synergiepotenziale aufzudecken und den CO₂-Ausstoß des gesamten integrierten Hüttenwerkes weiter zu reduzieren. Dieses Projekt der angewandten industriellen Grundlagenforschung zeichnet sich durch die interdisziplinäre Zusammenarbeit zweier in der metallurgischen Forschung anerkannter Universitäten: der Technischen Universität Clausthal (TUC) und der Universität Duisburg-Essen (UDE) mit dem größten Stahlunternehmen in Deutschland, der thyssenkrupp Steel Europe AG (tkSE) aus. Durch diese Zusammenarbeit konnten in dem Projekt die von der TUC und der UDE entwickelten theoretischen Modelle und die experimentellen Erkenntnisse aus der Grundlagenforschung direkt anhand realer Hochofen-Produktionsdaten von tkSE parametrisiert und für die gemeinsame Optimierung der Modelle genutzt werden. Die möglichst exakte Modellierung des Hochofens und der DR-Anlage in Kombination mit der ökobilanziellen Prozessbewertung ist von sehr großer Bedeutung, da in diesem Projekt neuartige Betriebsbedingungen untersucht und bewertet werden, für die es keine Erfahrungen gibt, da Anlagenkombinationen dieser Art bisher weltweit nicht betrieben werden.