In der Stadt aus Woburn, Massachusetts, einem Vorort nördlich von Boston, inspizierte ein Kader von Ingenieuren und Wissenschaftlern in weißen Kitteln einen ordentlichen Stapel ziegelgroßer, metallgrauer Stahlbarren auf einem Schreibtisch in einem neonbeleuchteten Laborraum.
Was sie betrachteten, war eine Charge Stahl, die mit einer innovativen Herstellungsmethode hergestellt wurde, eine solche Boston-Metal, ein Unternehmen, das vor einem Jahrzehnt aus dem MIT hervorgegangen ist, hofft, die Art und Weise, wie die Legierung seit Jahrhunderten hergestellt wird, dramatisch umzugestalten. Durch die Verwendung von Elektrizität zur Trennung von Eisen von seinem Erz kann das Unternehmen Stahl herstellen, ohne Kohlendioxid freizusetzen, und bietet damit einen Weg, eine der weltweit schlimmsten Industrien von Treibhausgasemissionen zu befreien.
Stahl ist ein wesentlicher Rohstoff für Ingenieurwesen und Bauwesen und mit mehr als einem der beliebtesten Industriematerialien der Welt 2 Milliarden Tonnen werden jährlich produziert. Diese Fülle hat jedoch einen hohen Preis für die Umwelt. Konten für die Stahlerzeugung 7 um 11 Prozent der globalen Treibhausgasemissionen und ist damit eine der größten industriellen Quellen der Luftverschmutzung. Und weil die Produktion könnte erhebt euch um ein Drittel bis 2050 könnte diese Umweltbelastung zunehmen.
Das stellt eine große Herausforderung für die Bewältigung der Klimakrise dar. Die Vereinten Nationen sagt Eine deutliche Reduzierung der CO1.5-Emissionen der Industrie ist unerlässlich, um die globale Erwärmung unter der 2015-Grad-Celsius-Marke zu halten, die im Pariser Klimaabkommen von 93 festgelegt wurde. Dazu müssen die Emissionen der Stahl- und anderer Schwerindustrien bis 2050 um XNUMX Prozent sinken, heißt es Schätzungen von der Internationalen Energieagentur.
Angesichts des zunehmenden Drucks von Regierungen und Investoren, Emissionen zu reduzieren, experimentieren eine Reihe von Stahlherstellern – darunter sowohl große Produzenten als auch Start-ups – mit kohlenstoffarmen Technologien, die Wasserstoff oder Strom anstelle der traditionellen kohlenstoffintensiven Herstellung verwenden. Einige dieser Bemühungen nähern sich der kommerziellen Realität.
„Wir sprechen hier von einer kapitalintensiven, risikoaversen Branche, in der Störungen extrem selten sind“, sagte Chris Bataille, Energieökonom bei IDDRI, einem Forschungs-Think-Tank mit Sitz in Paris. Deshalb fügte er hinzu: „Es ist spannend“, dass so viel auf einmal passiert.
Dennoch sind sich Experten einig, dass die Transformation einer globalen Industrie, die sich umdrehte 2.5 Billionen Dollar im Jahr 2017 und beschäftigt mehr als 6 Millionen Menschen wird einen enormen Aufwand erfordern. Abgesehen von den praktischen Hindernissen für die rechtzeitige Skalierung neuartiger Prozesse zur Erreichung der globalen Klimaziele gibt es Bedenken in Bezug auf China, wo mehr als die Hälfte des Stahls der Welt hergestellt wird und dessen Pläne zur Dekarbonisierung des Stahlsektors vage bleiben.
„Es ist sicherlich keine einfache Lösung, eine Branche wie diese zu dekarbonisieren“, sagte Bataille. „Aber es gibt keine andere Wahl. Die Zukunft des Sektors – und die unseres Klimas – hängt genau davon ab.“
________
Moderne Stahlerzeugung beinhaltet mehrere Produktionsstufen. Am häufigsten wird Eisenerz zerkleinert und zu Sinter (einem rauen Feststoff) oder Pellets verarbeitet. Separat wird Kohle gebacken und in Koks umgewandelt. Das Erz und der Koks werden dann mit Kalkstein vermischt und in einen großen Hochofen geleitet, wo ein extrem heißer Luftstrom von unten eingeführt wird. Unter hohen Temperaturen verbrennt der Koks und aus der Mischung entsteht flüssiges Eisen, bekannt als Roheisen oder Hochofeneisen. Das geschmolzene Material gelangt dann in einen Sauerstoffofen, wo es mit reinem Sauerstoff durch eine wassergekühlte Lanze geblasen wird, wodurch Kohlenstoff herausgedrückt wird, um Rohstahl als Endprodukt zu hinterlassen.
Diese Methode, die erstmals in den 1850er Jahren vom englischen Ingenieur Henry Bessemer patentiert wurde, erzeugt auf unterschiedliche Weise Kohlendioxidemissionen. Erstens führen die chemischen Reaktionen im Hochofen zu Emissionen, da sich der in Koks und Kalkstein eingeschlossene Kohlenstoff mit dem Luftsauerstoff verbindet und als Nebenprodukt Kohlendioxid entsteht. Darüber hinaus werden typischerweise fossile Brennstoffe verbrannt, um den Hochofen zu beheizen und Sinter- und Pelletieranlagen sowie Koksöfen anzutreiben, wobei dabei Kohlendioxid freigesetzt wird.
Bis zu 70 Prozent des Stahls der Welt wird auf diese Weise produziert und erzeugt fast zwei Tonnen Kohlendioxid für jede Tonne produzierten Stahls. Das verbleibende 30 Prozent wird fast ausschließlich durch Elektrolichtbogenöfen hergestellt, die einen elektrischen Strom zum Schmelzen von Stahl verwenden – größtenteils recycelter Schrott – und haben deutlich geringere CO2-Emissionen als Hochöfen.
Aufgrund des begrenzten Schrottangebots kann jedoch nicht die gesamte zukünftige Nachfrage auf diese Weise gedeckt werden, sagte Jeffrey Rissman, ein Industrieprogrammdirektor und Leiter der Modellierung bei der in San Francisco ansässigen Energie- und Klimapolitikfirma Energy Innovation. Mit der richtigen Politik könnte Recycling im Jahr 45 bis zu 2050 Prozent der weltweiten Nachfrage decken, sagte er. „Der Rest wird durch das Schmieden von Stahl auf Primärerzbasis befriedigt, aus dem die meisten Emissionen stammen.“
„Wenn die Stahlindustrie es mit ihren Klimaverpflichtungen ernst meint“, fügte er hinzu, „muss sie die Art und Weise, wie das Material hergestellt wird, grundlegend umgestalten – und zwar ziemlich schnell.“
________
Eine alternative Technologie, die getestet wird, ersetzt Koks durch Wasserstoff. In Schweden, Hybrid– ein Joint Venture zwischen dem Stahlhersteller SSAB, dem Energieversorger Vattenfall und LKAB, einem Eisenerzproduzenten – testet ein Verfahren, das darauf abzielt, ein bestehendes System namens direkt reduziertes Eisen wiederzuverwenden. Das Verfahren verwendet Koks aus fossilen Brennstoffen, um Sauerstoff aus Eisenerzpellets zu extrahieren, wodurch ein poröses Eisenpellet namens Eisenschwamm zurückbleibt.
Das Hybrit-Verfahren entzieht den Sauerstoff stattdessen mit fossilfreiem Wasserstoffgas. Das Gas wird durch Elektrolyse erzeugt, eine Technik, die elektrischen Strom – in diesem Fall aus einer fossilfreien Energiequelle – nutzt, um Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zu trennen. (Höchst reiner Wasserstoff heute wird mit Methan, das beim Verbrennen CO2 erzeugt.) Der resultierende Eisenschwamm kommt dann in einen Lichtbogenofen, wo er schließlich zu Stahl veredelt wird. Der Prozess setzt nur Wasserdampf als Nebenprodukt frei.
„Diese Technologie ist schon seit einiger Zeit bekannt, aber bisher wurde sie nur im Labor durchgeführt“, sagte Mikael Nordlander, Head of Industry Decarbonization bei Vattenfall. „Was wir hier tun, ist zu sehen, ob es auf industrieller Ebene funktionieren kann.“
Im vergangenen August erreichte Hybrit seinen ersten Meilenstein: SSAB, das das Endprodukt produziert und verkauft, lieferte seine erste Charge fossilfreien Stahls beim Autohersteller Volvo, die es in Fahrzeugprototypen einsetzten. Es plant auch eine Anlage für die Produktion im kommerziellen Maßstab, die bis 2026 fertiggestellt werden soll.
Ein weiteres schwedisches Unternehmen, H2 Green Steel, entwickelt ein ähnliches Wasserstoff-Stahlwerk im kommerziellen Maßstab mit Hilfe von 105 Millionen US-Dollar, die von privaten Investoren und Unternehmen wie Mercedes-Benz, Scania und der IMAS Foundation, einer mit Ikea verbundenen Organisation, aufgebracht wurden. Das Unternehmen Pläne bis 2024 mit der Produktion beginnen und bis Ende des Jahrzehnts jährlich 5 Millionen Tonnen emissionsfreien Stahl produzieren. Andere Unternehmen, die die wasserstoffbetriebene Stahlherstellung testen, sind u. a ArcelorMittal, Thyssenkrupp und Salzgitter AG in Deutschland; Posco in Südkorea; und voestalpine in Österreich.
Strom kann auch zur Reduktion von Eisenerz verwendet werden. Boston Metal hat zum Beispiel ein Verfahren entwickelt, das Elektrolyse von geschmolzenen Oxiden genannt wird, bei dem ein Strom durch eine Zelle fließt, die Eisenerz enthält. Wenn Elektrizität zwischen beiden Enden der Zelle fließt und das Erz aufheizt, sprudelt Sauerstoff nach oben (und kann gesammelt werden), während Eisenerz zu flüssigem Eisen reduziert wird, das sich am Boden der Zelle sammelt und regelmäßig abgezapft wird. Das gereinigte Eisen wird dann mit Kohle und anderen Zutaten vermischt.
„Wir tauschen im Wesentlichen Kohlenstoff gegen Strom als Reduktionsmittel aus“, erklärte Adam Rauwerdink, Senior Vice President of Business Development des Unternehmens. „Auf diese Weise können wir sehr hochwertigen Stahl mit viel weniger Energie und in weniger Schritten als bei der herkömmlichen Stahlherstellung herstellen.“ Solange der Strom aus fossilfreien Quellen stammt, fügte er hinzu, erzeugt der Prozess keine Kohlenstoffemissionen.
Er sagte, das Unternehmen, das derzeit drei Pilotlinien in seinem Werk in Woburn betreibt, arbeite daran, sein Laborkonzept auf den Markt zu bringen Im vergangenen Jahr wurden 50 Millionen US-Dollar gesammelt von einer Investorengruppe, darunter Breakthrough Energy Ventures, unterstützt von Bill Gates, und dem deutschen Autohersteller BMW. Eine Demonstrationsanlage im kommerziellen Maßstab soll bis 2025 in Betrieb gehen.
„Ich bin der Meinung, dass all diese Lösungen ihren Platz haben, je nach Standort, Ressourcenverfügbarkeit und Zielprodukt“, sagte Sridhar Seetharaman, Professor für Materialwissenschaft und -technik an der Arizona State University. „Aber ich glaube nicht, dass Ihnen vorerst irgendjemand allein die Wunderwaffe geben wird, um die Nachfrage zu befriedigen.“
„Wasserstoff hat einen kleinen Vorsprung, da es auf einem etablierten System basiert, und es ist auch bei der Kommerzialisierung vorne“, sagte Bataille, Energieökonom des IDDRI. „Aber das Erreichen einer Netto-Null-Stahlindustrie wird mehr kohlenstofffreie Wege gehen, daher denke ich, dass es am Ende genug Platz auf dem Markt für alle geben wird.“
________
Obwohl umweltfreundlichere Stahlherstellungsverfahren an Bedeutung zu gewinnen scheinen, gibt es noch eine Reihe ernsthafter Herausforderungen, denen wir uns stellen müssen. Der wichtigste unter ihnen ist der massive Ausbau der Infrastruktur für erneuerbare Energien, den eine branchenweite Umstellung auf diese neuen Methoden mit sich bringen würde, sagte Thomas Koch Blank, Senior Principal bei der in Colorado ansässigen gemeinnützigen Organisation Rocky Mountain Institute. Er schätzt, dass die Welt bis zum Dreifachen der derzeit installierten Solar- und Windenergiequellen benötigen würde, um die bestehende Primärstahlproduktion zu elektrifizieren.
Eine weitere Barriere sind die Kosten. Die Umstellung auf Strom oder Wasserstoff würde enorme Investitionen erfordern, um neue Anlagen zu errichten und alte nachzurüsten. Im Fall des sauberen Wasserstoffverfahrens wird der Preis für Stahl vor allem deshalb steigen, weil die Stahlproduzenten eher in der Nähe von kostengünstiger Kokskohle als von kostengünstigem Wasserstoff angesiedelt sind, betonte Koch Blank. „Diese Vorabkosten werden wahrscheinlich den Preis sowohl für den Stahl als auch für die Endprodukte in die Höhe treiben, zumindest am Anfang.“
Laut Rissman, dem Analysten in San Francisco, könnten Gesetze sowohl auf der Angebots- als auch auf der Nachfrageseite dazu beitragen, diese höheren Kosten auszugleichen und mehr Investitionen in umweltfreundlichere Technologien zu fördern. Regierungen, sagte er, könnten Anreize für die Verwendung von kohlenstoffarmem Stahl für Gebäude und Infrastruktur schaffen, indem sie staatlich finanzierte Projekte dazu verpflichten, kohlenstoffarme Versionen bestimmter Baumaterialien zu verwenden. Sie könnten auch Richtlinien durchsetzen, die den Kauf in Ländern mit weniger strengen Emissionsvorschriften verteuern. Das wird heimischen Herstellern helfen, „wettbewerbsfähig zu bleiben“, da der Markt für sauberen Stahl „wächst und neue Produktionsverfahren Skaleneffekte erzielen“, sagte Rissman.
Die vielleicht größte Straßensperre ist China, wo über 90 Prozent der Stahlproduktion erfolgt über Hochöfen. Im September 2020 Präsident Xi Jinping angekündigt dass das Land bis 2060 klimaneutral werden will. Um die Umweltverschmutzung durch heimische Stahlwerke zu reduzieren, die machen etwa 15 Prozent aus der gesamten COXNUMX-Emissionen des Landes hat Peking ebenfalls zugesagt Spitzenstahlemissionen bis 2030 erreichen. Trotzdem wurden in China allein in den ersten sechs Monaten des Jahres 18 2021 neue Hochofenprojekte angekündigt, gemäß an die in Helsinki ansässige Forschungsgruppe Centre for Research on Energy and Clean Air.
Stahl ist eine der wichtigsten und herausforderndsten Industrien für die Dekarbonisierung, sagte Rissman, daher würde eine globale Koordination sehr helfen.
Zurück in Boston stimmte Rauwerdink, der die Fabriklinien von Boston Metal begutachtete, zu. „Das ist eine fantastische Herausforderung, der wir gegenüberstehen“, sagte er. Aber, fügte er hinzu: „Wir zeigen, dass Lösungen existieren – und funktionieren.“
Dieser Artikel wurde ursprünglich veröffentlicht am Undark.. Lies das Original Artikel.
Bild-Kredit: Třinecké železárny / Wikimedia Commons
