Wasserstoff statt Koks: Die Zeit der Hochofenroute neigt sich dem Ende zu

Im Vergleich zu einem klassischen Hochofen ist die gelb-blau lackierte Versuchsanlage von Tata Steel Europe im niederländischen Ijmuiden eher klein geraten: Kaum sieben Stockwerke hoch, wirkt der stählerne Turm unauffällig auf dem riesigen Industriegelände. Dessen Bild wird von Hochöfen, Walzwerken, Kokereien und den riesigen Schiffen dominiert, die Erz und Kohle im werkseigenen Nordseehafen entladen.

Zumindest die Hochöfen und die Kokereien könnte die kleine Anlage irgendwann überflüssig machen, hofft Johan van Boggelen, der für Tata am Projekt „Hisarna“ forscht. „Wir forschen an einem revolutionären Wandel für den Eisenherstellungsprozess, um die globalen Klimaziele einzuhalten“, sagt der Werksleiter. Wenn alles klappt, hofft er, eines Tages mit einem Bruchteil der bisherigen Emissionen zu produzieren.

Mehr als 23 Millionen Euro hat Tata allein in den Bau der Pilotanlage investiert. So wie der britisch-niederländische Hersteller arbeiten derzeit auch viele Konkurrenten mit Hochdruck an neuen Verfahren zur Stahlherstellung, um die Klimaziele der Europäischen Union einhalten zu können. Für viele Firmen ist das eine Existenzfrage: Der Druck steigt, spätestens seit sich die Mehrheit der globalen Staatengemeinschaft vor gut drei Jahren in Paris auf einen umfassenden Klimaschutz geeinigt hat.

Bis 2050 sollen die Emissionen des klimaerwärmenden Kohlenstoffdioxids im Vergleich zu 1990 um 80 Prozent sinken, so will es das Pariser Abkommen. Forscher fordern sogar noch ambitioniertere Ziele. Für die Stahlproduktion ist das zunächst ein Problem: Vielfach fällt CO2 hier als sogenanntes „Prozessgas“ an, das sich durch den Umstieg auf grüne Energieträger nicht vermeiden lässt. Die Gleichung lautet: Koks plus Eisenerz ergibt Roheisen und CO2 – und das schon seit vielen Jahrhunderten.

Ende der Hochofenroute

Zwar ist die Stahlindustrie nur für einen Bruchteil der CO2-Emissionen der Bundesrepublik verantwortlich, von denen das meiste auf die Sektoren Energie, Verkehr und die privaten Haushalte entfällt. Doch angesichts immer strengerer Regulierungen planen die meisten Hersteller inzwischen eine Abkehr von der klassischen „Hochofenroute“, wie das Verfahren im Fachjargon heißt: Arcelor-Mittal, Thyssen-Krupp, Tata, Voestalpine, Salzgitter – es gibt keinen, der nicht an Techniken forscht, um die Emissionen nahe null zu senken.

Derzeit werden noch rund zwei Drittel des deutschen Rohstahls auf traditionelle Weise erzeugt, ein weiteres Drittel entsteht in sogenannten Elektrolichtbogenöfen. Die können zwar grundsätzlich mit grünem Strom betrieben werden, sind aber auch auf die Vorbehandlung des Eisenerzes mit Gas angewiesen, um so Eisenschwamm zu produzieren. Das kann zum Beispiel grüner Wasserstoff sein – ist aber wegen dessen schlechter Verfügbarkeit in der Regel wasserstoffhaltiges Erdgas. So wird vorerst weiterhin CO2 emittiert.

Auch die Tata-Versuchsanlage in Ijmuiden wird derzeit noch mit Kohlenstaub betrieben – der Einsatz des hochbrennbaren Stoffes senkt die Emissionen immerhin um 20 Prozent. Wird das CO2 nach dem Herstellungsprozess abgefangen und weiterverarbeitet oder unterirdisch gelagert, soll die Belastung für die Atmosphäre sogar um 80 Prozent sinken – und damit in die Nähe des 95-Prozent-Ziels, das viele Wissenschaftler als nötig ansehen, um die menschengemachte Erderwärmung auf 1,5 Grad seit 1990 zu begrenzen.

In Deutschland allerdings stießen solche „Carbon Capture and Storage“-Verfahren (CCS), bei denen das CO2 beispielsweise in tiefen Gesteinsschichten unterhalb der Erdoberfläche eingelagert wird, früh auf massive Bedenken in der Bevölkerung. Und so gibt es, anders als etwa in den Niederlanden und Norwegen, für Unternehmen in der Bundesrepublik derzeit keine Möglichkeit, CCS im industriellen Maßstab zu nutzen. Längst setzen die meisten deutschen Stahlhersteller daher auf Technologien, die das anfallende CO2 direkt in andere Produkte weiterverarbeiten – oder gleich dafür sorgen, dass das Klima-Gas gar nicht erst anfällt.

So verfolgt etwa der größte deutsche Stahlhersteller Thyssen-Krupp beim Klimaschutz einen zweigleisigen Transformationspfad: Einerseits forscht er im Projekt „Carbon2Chem“ daran, das bei der Stahlproduktion anfallende CO2 in Vorprodukte für die Chemieindustrie weiterzuverarbeiten, bevor es in die Atmosphäre strömt – etwa zu Ammoniak.

Abtrennung reicht nicht

Dass sich damit allein das Klimaproblem der Stahlindustrie lösen lässt, ist allerdings unwahrscheinlich. „Es spricht zwar einiges dafür, dass CO2-Abtrennung und -Nutzung weitere Anwendungsfälle finden wird“, glaubt Manfred Fischedick, Vizepräsident des Wuppertal-Instituts für Klima, Umwelt und Energie. „Aber in Summe sind das nicht so viele, dass wir vollständig in Richtung Treibhausgasneutralität kommen werden.“ Und so forscht der Thyssen-Krupp-Konzern mit Unterstützung des Landes NRW zusätzlich an einem Verfahren für die Stahlherstellung, bei dem überhaupt kein CO2 anfällt: Er ersetzt Koks durch grünen Wasserstoff.

„Die Emissionen bei der Stahlerzeugung auf nahe null zu senken ist derzeit nur mithilfe eines wasserstoffbasierten Verfahrens möglich“, bestätigt Fischedick. „Die zentrale Frage lautet aufgrund der begrenzten heimischen Potenziale aber: Woher kommt der dafür notwendige grüne Wasserstoff? Und wie kostengünstig kann er bereitgestellt werden?“

Für den Ruhrkonzern, der jährlich rund zehn Millionen Tonnen Rohstahl in Duisburg produziert, sind diese Fragen existenziell. Denn nur, wenn die Produktion dauerhaft mit grünem Wasserstoff zu wettbewerbsfähigen Preisen versorgt werden kann, gelingt der Umstieg. Deshalb hat sich Thyssen-Krupp den französischen Industriegasehersteller Air Liquide als Projektpartner ins Boot geholt und vor einigen Monaten damit begonnen, den Einsatz von Wasserstoff als Beigabe im klassischen Hochofenverfahren zu testen. Der Wasserstoff kommt dabei noch aus einem Tanklaster, der auf dem Werksgelände steht. Sind die Versuche erfolgreich, will der Konzern bis 2050 insgesamt zehn Milliarden Euro investieren, um seine komplette Produktion phasenweise auf das klimaneutrale Verfahren umzustellen.

Doch bis es tatsächlich losgehen kann, braucht es mehr als einen Beweis der technischen Machbarkeit, erklärt Thyssen-Krupp-Produktionsvorstand Arndt Köfler. „Wir brauchen Pipelines, die uns mit Wasserstoff versorgen, und der Wasserstoff muss in ausreichender Menge zur Verfügung stehen“, verlangt der Manager, der die Dekarbonisierung der Produktion bei Thyssen-Krupp Steel Europe maßgeblich verantwortet.

Um welche Größenordnungen es geht, verdeutlicht ein Beispiel der österreichischen Voestalpine, die derzeit ebenfalls die Möglichkeiten wasserstoffbasierter Stahlerzeugung erforscht. In Kooperation mit Siemens, dem österreichischen Energieversorger „Verbund“ und weiteren Unternehmen erzeugt Voestalpine am Hauptstandort in Linz derzeit grünen Wasserstoff mithilfe von Wasserkraft, gefördert von der EU.

Doch für einen kompletten Umstieg von Koks auf Wasserstoff fehlt es noch an grünem Strom: Allein der Energiebedarf der Voestalpine wüchse dabei um 30 Terawattstunden pro Jahr an – das entspricht fast der Hälfte des gesamten Strombedarfs in Österreich.

In guter Gesellschaft

Noch ist die Versorgung deshalb ein Henne-Ei-Problem – doch mit wachsender Nachfrage auch in anderen Branchen könnte es mittelfristig gelöst werden. „In der chemischen Industrie spielt Wasserstoff heute schon eine Rolle“, sagt Fischedick. „Zunehmende Bedeutung wird er wahrscheinlich auch im Verkehrssektor und in der Gebäudeanwendung erlangen.“ Das komme der Stahlindustrie entgegen, so der Forscher: „Sie muss nicht allein eine Lösung für ihr Emissionsproblem finden.“

Dass die Stahlproduzenten den Umstieg aus eigener Kraft schaffen, hält Fischedick indes für wenig wahrscheinlich. „Wir reden hier über Strukturen, auch bei den Zulieferern, die über Jahrzehnte gewachsen sind.“ Erschwerend komme noch der globale Wettbewerb der Industrie hinzu, der größere Investitionen in zunächst einmal unprofitable Forschungsvorhaben erschwere. „In einem so umkämpften Markt wird auf die Nachkommastelle geschaut“, sagt er.

Mehr: Im Oktober 2018 gründete die saarländische Wirtschaftsministerin Anke Rehlinger (SPD) die Nationale Stahlallianz. Eine Bilanz.