Verwertung von Wasserstoff

Eine Alternative zum Koksen

Von Lukas Weber
24.02.2018
, 09:55
Direktreduktionsanlage in Texas: Hier wird mit Gas Eisenschwamm hergestellt, der zu Stahl weiterverarbeitet werden kann.
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Was macht man am besten mit aus Strom erzeugtem Wasserstoff? Bald soll er dazu dienen, den hohen CO2-Ausstoß der Stahlerzeugung zu vermindern.
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Manch gute Idee leuchtet auf den ersten Blick ein, aber die Schwierigkeiten zeigen sich dann, wenn sie für den Gebrauch in der Praxis umgesetzt werden soll. So geht es der als „Power to Gas“ bekannten Strategie, mit elektrischem Strom, der gerade keinen Abnehmer findet, durch Elektrolyse den vielseitig verwendbaren Energieträger Wasserstoff herzustellen. Allerorten sprießen Pilotanlagen aus der Erde, deren größte seit knapp drei Jahren in Mainz Wasser aufspaltet.

Neben den Tücken der Erzeugung – geforscht wird unter anderem daran, wie moderne Elektrolyse-Anlagen auf ein schwankendes Stromangebot reagieren – stellt sich am Ende des Prozesses die Frage: Wohin mit dem Wasserstoff?

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Naheliegend ist der Gedanke, ihn ins Gasnetz einzuspeisen, schließlich gab es früher einmal Stadtgas, das zu mehr als der Hälfte aus Wasserstoff bestand. Aber die heutigen Verbraucher kommen damit nicht mehr zurecht, so dass der Anteil nach den bisherigen Erkenntnissen auf höchstens fünf Prozent beschränkt sein wird. Anderweitige Verwendung erfordert einen Transport auf Verkehrswegen, dafür muss das leichte Gas stark komprimiert werden – bis zu 700 bar im Tank des Brennstoffzellenautos.

Wasserstoff dort verbrauchen, wo er entsteht

Für den Einsatz in der Industrie, etwa zur Erzeugung von Dünger und in Raffinerien, werden 600 Milliarden Kubikmeter jährlich gebraucht, sie entstehen aber fast völlig aus fossilen Energieträgern, dabei wird CO2 freigesetzt. Noch nicht einmal fünf Prozent steuert die Elektrolyse bei. Im industriellen Maßstab ist sie mit konventioneller Technik bisher auf Strom angewiesen, der nicht nur billig, sondern auch kontinuierlich verfügbar ist.

Das soll sich jetzt ändern. Der Plan ist, den Wasserstoff mit modernen Elektrolyseuren herzustellen und direkt dort zu verbrauchen, wo er entsteht, um CO2-Emissionen einzusparen. Das geht zum Beispiel in der Stahlerzeugung, wo das Gas dazu dienen kann, den Einsatz von Koks zu vermindern. Ein Pilotprojekt entsteht gerade in Österreich, Träger ist ein Konsortium aus dem Stahlkonzern Voestalpine, Siemens, dem Energieversorger Verbund sowie dem Netzbetreiber APG und Forschungsinstitutionen. Mitte nächsten Jahres soll der Elektrolyseur am Voestalpine-Firmensitz Linz in Betrieb gehen, am Investitionsvolumen des Projekts „H2Future“ von 17,8 Millionen Euro beteiligt sich die EU mit 12 Millionen.

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CO2-Ausstoß bis 2050 um 80 Prozent reduzieren

Für die energieaufwendige Stahlerzeugung ist die CO2-Verminderung ein notwendiges Ziel, sie steuert etwa vier Prozent zur Gesamtemission der EU von 4,3 Milliarden Tonnen im Jahr bei. Noch immer ist Stahl das bei weitem wichtigste Metall, weltweit werden rund 1,7 Milliarden Tonnen hergestellt, etwa ein Zehntel davon in der EU.

Zur Verminderung des CO2-Ausstoßes gibt es eine Reihe europäischer Forschungsvorhaben, die Erkenntnisse darüber bringen sollen, mit welchen Verfahren künftig zumindest ein Teil der Emissionen vermieden werden kann. „Eine völlig CO2-freie Stahlerzeugung wird es in den nächsten 30 Jahren realistischerweise nicht geben“, sagt Wolfgang Eder, der Vorstandsvorsitzende von Voestalpine. Sein Unternehmen strebe aber langfristig – bis etwa 2050 – eine entsprechend den Klimazielen markante Reduktion des Ausstoßes um bis zu 80 Prozent an.

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Zwei Millionen Tonnen Eisenschwamm pro Jahr

Das ist kein leichtes Unterfangen, denn für die Produktion von Roheisen im Hochofen wird viel Koks gebraucht. Dort wird er im Wechsel mit Eisenerz geschichtet und erfüllt mehrere Funktionen: Er sorgt für eine luftdurchlässige Struktur, liefert im Verbund mit eingeblasener heißer Luft Energie für die zum Schmelzen erforderlichen hohen Temperaturen von mehr als 2100 Grad Celsius und dient als Reduktionsmittel für das Eisenerz; dessen wesentlicher Bestandteil ist Eisenoxid, das in diesem Prozess Sauerstoff abgibt (Reduktion), unten im Hochofen sammelt sich kohlenstoffhaltiges flüssiges Eisen. Nach oben entweicht aus dem Ofen Gichtgas, eine Mischung mit hohem Anteil an Kohlenmonoxid (CO), das in einem nachgelagerten Kraftwerk zu CO2 verbrannt wird. Weiteres CO entsteht im nächsten Verfahrensschritt, das Roheisen wird im Konverter durch Aufblasen von Sauerstoff entkohlt, außerdem werden unerwünschte Bestandteile wie Silicium, Mangan und Phosphor oxidiert und in eine Schlacke übergeführt. Auch das Abgas des Konverters landet im Kraftwerk.

Rohstahl lässt sich mit erheblich geringeren Emissionen herstellen, wenn im Elektrolichtbogenofen Schrott eingeschmolzen wird, deshalb trägt ein möglichst hoher Recycling-Anteil zur Klimagas-Verminderung bei. In einem Elektrolichtbogenofen kann aber auch Eisenschwamm als Einsatzstoff verwendet werden, der aus Anlagen kommt, die das Eisenoxid reduzieren, ohne es zu verflüssigen. Direktreduktion, meist mit Erdgas, und anschließendes Einschmelzen ist also eine Alternative zur Erzeugung im Hochofen.

Voestalpine hat vor 15 Monaten in Texas eine Anlage in Betrieb genommen, die jährlich zwei Millionen Tonnen Eisenschwamm produziert. Rund 1,2 Millionen Tonnen davon werden in Linz und Donawitz für die Stahlerzeugung eingesetzt – an den beiden Standorten in Österreich werden insgesamt mehr als 7 Millionen Tonnen Stahl im Jahr herstellt.

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Im Vergleich zur koksbasierenden Hochofenroute werden nach Angaben von Voestalpine über eine erdgasbasierte Direktreduktionsanlage mit nachgeschaltetem Elektrolichtbogen etwa 40 Prozent weniger CO2 emittiert, wenn der Strom von erneuerbaren Energien stammt. Eder sieht diese Direktreduktion als Brückentechnologie, denn für die Anlage in Texas ist längerfristig geplant, das Erdgas schrittweise durch Wasserstoff als kohlenstofffreies Reduktionsmittel zu ersetzen. Dafür könnte auch dort Mitte des nächsten Jahrzehnts ein Elektrolyseur errichtet werden, um weitere Erfahrungen zu sammeln, sagt Eder.

Bis dahin werden Erkenntnisse aus Linz vorliegen, ob eine Skalierbarkeit auf großtechnischen Maßstab möglich ist. Der dort erzeugte grüne Wasserstoff soll künftig direkt in das interne Gasnetz eingespeist und der Einsatz in verschiedenen Prozessstufen der Stahlerzeugung getestet werden. Zum Einsatz kommt eine hochmoderne Elektrolyse. Sie arbeitet nicht wie traditionelle Großanlagen mit einem alkalischen Elektrolyt, sondern mit einer Membran (Proton Exchange Membrane/PEM). Der Aufbau entspricht jenem einer Niedertemperatur-Brennstoffzelle, wie sie im Auto oder auch im Heizungskeller eingesetzt wird – nur läuft der Prozess umgekehrt ab, aus Strom wird Wasserstoff und Sauerstoff.

Investitionskosten neuer Membran deutlich geringer

Die geplante Anlage in Linz wird größer sein als jene in Mainz, die ebenfalls von Siemens errichtet wurde, und damit neuer Weltrekordhalter. Statt einer Nennleistung von vier MW erreicht sie sechs MW, aus denen stündlich 1200 Kubikmeter Wasserstoff werden sollen. Es gibt zwölf Stacks mit jeweils 50 Zellen, aber wichtiger als die reine Größe – weitere Einheiten könnten hinzugefügt werden – ist der Wirkungsgrad. Die Anforderungen der EU seien 82 Prozent, erklärt Hermann Wolfmeir, der bei Voestalpine das Projekt H2Future betreut. Die Mainzer Anlage und die Alkali-Elektrolyse erreichen 60 bis 70 Prozent.

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Grund ist neben der Weiterentwicklung der PEM deren druckloser Betrieb: In Mainz arbeitet der Elektrolyseur mit 35 bar, der austretende Wasserstoff wird dann weiter verdichtet. Das firmeneigene Gasnetz in Linz kommt dagegen mit weniger als einem bar aus. Der Fortschritt zeigt sich auch in den Investitionskosten für die PEM, sie sollen bei nur noch rund 1000 Euro je Kilowatt installierter Leistung liegen.

Der Beitrag der Versuchsanlage zur CO2-Verminderung ist noch verschwindend, doch sie hat einen interessanten Einfluss auf die Stromproduktion. Voestalpine verbraucht etwa so viel elektrische Energie wie die Stadt Linz, ist aber durch die eigenen Kraftwerke nahezu autark. Diese decken mit einer Höchstleistung von 320 MW nicht nur den eigenen Bedarf, sondern sie liefern auch Regelenergie zur Stabilisierung des Netzes, allerdings mit etwas Reaktionszeit (Sekundär- und Tertiärenergie). Durch die sekundenschnell reagierende PEM soll künftig Primärregelenergie hinzukommen – wobei zu beobachten sein wird, wie sich der Wirkungsgrad durch das Hoch- und Herunterfahren des Elektrolyseurs verändert.

Die nächsten Schritte sind schon geplant: Im Jahr 2023 soll eine deutlich größere Anlage in Linz in Betrieb gehen, sagt Eder, bis 2035 könnte eine großtechnische Anlage für die industrielle Produktion folgen. Wie viel CO2 am Ende tatsächlich eingespart wird, hängt indessen von der Art der Stromerzeugung ab. Verbund liefert fast ausschließlich grünen Strom, vornehmlich aus Wasserkraft. Das müsste ausgebaut werden. Die benötigte Menge ist beträchtlich: Wenn Voestalpine konsequent auf CO2-vermeidende Stahlproduktion umstellen würde, erforderte das nach Berechnungen des Unternehmens zusätzliche 33 Terawattstunden jährlich – etwa die Hälfte der gesamten Stromproduktion Österreichs.

Quelle: F.A.Z.
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