Die klassische Stahlproduktion zählt zu den energieintensiven und schmutzigen Industrien. Um das Ziel der Klimaneutralität zu erreichen, sind neue Verfahrenstechniken notwendig, denn Stahl wird auch in Zukunft ein unersetzbarer Rohstoff sein. Mit der grünen Stahlerzeugung gibt es bereits eine Möglichkeit, CO₂-neutral zu produzieren.
Warum ist die Stahlproduktion so umweltbelastend, und was ist bei grünem Stahl anders?
Es sind vor allem zwei Punkte, die bei der Produktion von Stahl negativ ins Gewicht fallen. Zum einen benötigt das Verfahren große Mengen an Energie. Zum anderen greift die Stahlindustrie auf Koks als Reduktionsmittel zurück. Durch diese Methode liegt der CO₂-Fußabdruck bei der Produktion im Hochofen in einem Bereich zwischen 1,37 und 2,1 Tonnen CO₂ pro produzierter Tonne Stahl.
Koks als Reduktionsmittel wird benötigt, um im Hochofen die benötigten Temperaturen für die Stahlproduktion zu erhalten. Hier findet eine chemische Reaktion bei der Verbrennung des Kohlenstoffs statt. Dieser Prozess entzieht dem Roherz Sauerstoff, der dann mit dem Kohlenstoff zu Kohlenstoffdioxid reagiert. An diesem Punkt entstehen also die großen Mengen CO₂. Laut Daten des Bundeswirtschaftsministeriums ist allein in Deutschland etwa ein Drittel der CO₂-Emissionen aus der Industrie auf die Stahlproduktion zurückzuführen.
Bei der Produktion von grünem Stahl wird Koks als Reduktionsmittel durch Wasserstoff ersetzt. Das verändert die chemischen Prozesse, denn nun reagiert der Sauerstoff aus dem Eisenoxid mit dem Wasserstoff. Kohlenstoff ist in dieser Reaktion nicht mehr vorhanden, und es entsteht neben Stahl nur noch Wasserdampf. Damit ist grüner Stahl im direkten Produktionsprozess CO₂-neutral und deutlich sauberer als die klassische Stahlproduktion mit Koks.
Neue Fertigungstechniken reduzieren Energieverbrauch und Umweltbelastung
Auf dem Weg zum Ziel der CO₂-neutralen Stahlindustrie gibt es jedoch noch einige Hürden zu überwinden. So ist der Wechsel von Koks auf Wasserstoff nicht der einzige Produktionsschritt, der sich bei grünem Stahl ändern muss. Nach der Reduktion mit Wasserstoff steht zunächst ein Eisenschwamm bereit, der erst zu Rohstahl weiterverarbeitet werden muss. Dafür ist ein Lichtbogenofen notwendig. Dies ist ein mit Strom betriebener Ofen, der diesen Prozess des Hochofens ersetzt. Für Lichtbogenöfen werden enorme Mengen Elektrizität benötigt. Hier ist es wichtig, dass der Strom aus grünen Quellen stammt, ansonsten entstehen die CO₂-Emissionen einfach nur an einer anderen Stelle im Prozess.
Dazu kommt, dass bei weitem nicht ausreichend grüner Wasserstoff für den grünen Stahl zur Verfügung steht. Die Stahlindustrie in Deutschland geht davon aus, dass sie bis 2030 einen jährlichen Bedarf von 600.000 Tonnen klimaneutralem Wasserstoff hat. Das ist jedoch nur ein Zwischenschritt, denn mit diesen 600.000 Tonnen wird nur ein Drittel der deutschen Stahlproduktion umgestellt. Für eine vollständig grüne Stahlindustrie auf dem Produktionsniveau von 2021 sind also rund 1,8 Millionen Tonnen grüner Wasserstoff pro Jahr erforderlich.
Auch hier gilt, dass der Produktionsprozess des Stahls nicht klimaneutral ist, wenn der Wasserstoff aus fossilen Quellen stammt. Im Jahr 2020 waren jedoch nur etwa sieben Prozent des in Deutschland hergestellten Wasserstoffs grün. Die absolute Mehrheit des Wasserstoffs wird als grau eingestuft, da er aus Erdgas erzeugt wird. Grüner Wasserstoff lässt sich durch die Elektrolyse herstellen. Dies ist ein energieintensiver Prozess, der mit erneuerbaren Energien durchgeführt wird. Geplant ist, vor allem auf überschüssige Kapazitäten von Wind- und Sonnenenergie zurückzugreifen, um große Mengen an grünem Wasserstoff zu produzieren. Hinzu kommt, dass die Wasserstoffproduktion in Deutschland seit 2010 sogar rückläufig ist. 2021 wurden 4.718 Millionen Kubikmeter produziert, 2010 waren es 4.986 Millionen Kubikmeter. Das entspricht 2021 einer Produktion von rund 57 Terawattstunden. Somit entfallen auf grünen Wasserstoff nur etwa vier TWh. Bereits 2030 soll der Gesamtbedarf an Wasserstoff in Deutschland jedoch bei 334 TWh liegen.
Hier besteht aktuell also noch großer Nachholbedarf, um der Stahlindustrie die notwendigen Ressourcen bereitzustellen. So fehlen zum einen Anlagen für die Elektrolyse von grünem Wasserstoff. Zum anderen steht auch nicht ausreichend grüne Elektrizität zur Verfügung, um grünen Wasserstoff zu produzieren und die energiehungrigen Lichtbogenöfen zu betreiben. Um die gesamte Stahlindustrie in der Europäischen Union mit grünem Wasserstoff aus erneuerbaren Energien zu beliefern, sind Studien zufolge rund 340 Terawattstunden an Ökostrom erforderlich. Im Jahr 2021 erzeugten alle Windturbinen in der EU kombiniert jedoch nur 437 TWh Strom. Der Weg zu einer CO₂-neutralen Stahlindustrie führt also unweigerlich über einen Ausbau der erneuerbaren Energiequellen sowie den Kapazitäten für grünen Wasserstoff.
Eine weitere Maßnahme, die bereits versuchsweise zum Einsatz kommt, ist die Carbon2Chem-Technologie. Dabei erfolgt eine gezielte Abscheidung von CO₂ und anderen Hüttengasen in der Stahlproduktion. Diese werden dann an Betriebe der Chemieindustrie weitergeleitet, wo sie als Basischemikalien zum Einsatz kommen oder als Rohstoff weiterverarbeitet werden. Das senkt zwar nicht die Menge an CO₂, die bei der Stahlproduktion entsteht, ersetzt diese aber an anderer Stelle. So reduziert sich der nationale CO₂-Ausstoß durch solche Lösungen, die vor allem kurzfristig eine Option zur Reduktion von schädlichen Klimagasen sind.
Vorteile von grünem Stahl
Tatsächlich gibt es noch andere Aspekte, die für grünen Stahl sprechen. Durch die Umstellung der Produktionsprozesse ändert sich die Zusammensetzung des Stahls. In Stahl finden sich immer unerwünschte Begleitstoffe in kleinen Mengen. Diese gelangen bei der klassischen Stahlproduktion unter anderem mit dem Koks in das Produkt. Hier sind vor allem Phosphor und Schwefel zu nennen. Sie wirken sich qualitätsmindernd auf das fertige Produkt aus. Grüner Stahl ist hingegen frei von Phosphor und Schwefel. Damit hat dieser Stahl gleichzeitig eine höhere Qualität.
Grüner Stahl als Faktor für die Klimaziele 2050
Die Klimaziele der Bundesregierung stehen seit 2016 fest und wurden im Abkommen von Paris beschlossen. So haben sich die Länder im Klimaschutzplan darauf festgelegt, bis spätestens 2050 eine Klimaneutralität zu erreichen. Das erfordert eine Dekarbonisierung in allen Bereichen und somit auch in der Industrie. Die Stahlerzeugung spielt mit ihrem großen CO₂-Fußabdruck dabei eine zentrale Rolle. Bereits bis 2030 soll die Industrie nach dem Klimaplan eine Minderung von rund 50 Prozent gegenüber dem CO₂-Ausstoß von 1990 erreichen.
Die Stahlindustrie ist zudem ein wichtiger Lieferant von Rohmaterial für zahlreiche Branchen. Dazu zählen die Automobilindustrie und vor allem der Bausektor. Stahl spielt als Baumaterial eine signifikante Rolle und ist nicht zu ersetzen. Vor allem im Bereich des Wohnungsbaus und der Umsetzung von Projekten der Infrastruktur sowie dem Ausbau erneuerbarer Energien ist Stahl unverzichtbar. Somit besteht eine direkte Verbindung zwischen den beiden Sektoren, was es umso wichtiger macht, dass die Stahlindustrie bei der Umstellung auf grüne Fertigungsprozesse unterstützt wird und diese Ziele erreicht.
