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Stahlherstellung – vom Eisenerz zum Metallwerkstoff
Robust, formbar, korrosionsbeständig – Stahl hat viele gute Eigenschaften. Der Metallwerkstoff steckt in zahlreichen Gebäuden, Fahrzeugen, Geräten, Musikinstrumenten und vielem mehr. Ein Nachteil ist jedoch der hohe CO₂-Ausstoß bei der Herstellung.
Vielfältige Anwendungsbereiche von Stahl
Stahl ist eine Legierung aus Eisen und Kohlenstoff. Die Zugabe von Kohlenstoff verbessert die mechanische Eigenschaft des Roheisens. Verschiedene Dosierungen und Fertigungsmethoden führen zu Stahlsorten mit unterschiedlicher Härte, Flexibilität und Formbarkeit. Daher lassen sich daraus sehr viele unterschiedliche Dinge herstellen. In der Regel liegt der Kohlenstoffgehalt in Stahl unter 2,06 Prozent. Zum Vergleich: Roheisen hat etwa einen Kohlenstoffanteil von 4 Prozent und ist eher brüchig und deshalb nicht formbar.
Methoden zur Stahlerzeugung
Deutschland gehört zu den größten Rohstahlproduzenten der Welt. Im internationalen Ranking befindet sich die Bundesrepublik auf Platz acht. Die Spitze bildet China mit etwa 50 Prozent der weltweiten Stahlherstellung, gefolgt von Indien und Japan. Viele Nationen haben eine eigene Stahlindustrie, denn dieser Werkstoff ist essenziell für zahlreiche Branchen und Industriezweige. Im Prinzip wird Stahl heute nur auf zwei verschiedene Weisen hergestellt. Hersteller können diese Methoden jedoch in bestimmten Punkten anpassen.
Hochofenprozess
Derzeit ist der Hochofenprozess zur Stahlherstellung am weitesten verbreitet. Bei diesem Verfahren wird Eisenerz in einem Hochofen mit Koks und Kalkstein erhitzt. Unter den hohen Temperaturen wird das Eisen vom Sauerstoff getrennt und so zu flüssigem Roheisen reduziert.
Anschließend landet das Roheisen in einem Stahlkonverter zur weiteren Verarbeitung. Im Konverter werden Begleitelemente aus dem Eisen entfernt, darunter Schwefel, Phosphor und überschüssiger Kohlenstoff.
Daraufhin erfolgt das sogenannte Frischen. Bei diesem Prozess oxidiert Kohlenstoff unter der Zugabe von Sauerstoff. Im nächsten Schritt, dem Zulegieren, können weitere Elemente hinzugefügt werden, um dem Werkstoff die gewünschten Eigenschaften zu verleihen.
Direktreduktion
Im Direktreduktionsverfahren wird Eisenerz direkt zu Roheisen reduziert, ohne, dass ein Hochofen erforderlich ist. Dabei wird das Eisenerz mit Wasserstoff oder Kohlenmonoxid als Reduktionsmittel behandelt. Dieses Verfahren ist energieeffizienter als der Hochofenprozess und erzeugt weniger CO₂-Emissionen. Flüssiges Roheisen wird bei diesem Prozess folglich nicht hergestellt.
Die Direktreduktion ist klimafreundlicher als die Herstellung im Hochofen. Lange Zeit war diese Methode jedoch technisch kaum umsetzbar. Der Brite Peter Onions patentierte bereits im Jahr 1792 eine Form des Direktreduktionsverfahrens. Damals war dieser Prozess leider noch nicht wirtschaftlich. Die benötigten Gase waren kaum erhältlich und teuer. Daher wurde das erste Stahlwerk mit Direktreduktionsverfahren erst 1957 in Mexiko erbaut.
Heute gilt das Direktreduktionsverfahren als umweltfreundlichere und fortschrittlichere Herstellungsweise. Mit dieser Methode erzeugt die Industrie hochwertigen Stahl mit geringen Verunreinigungen und weniger Energieverbrauch. Es ermöglicht sogar eine komplett fossilfreie Herstellung.
CO₂-Fußabdruck der Stahlindustrie
Die Stahlerzeugung ist für einen erheblichen Anteil der weltweiten CO₂-Emissionen verantwortlich. Berechnungen der International Energy Agency (IEA) zufolge liegt der Anteil zwischen 7 und 11 Prozent. Je nachdem, ob die indirekten Emissionen einberechnet werden. Dies liegt vor allem am energieintensiven Hochofenprozess und der Verwendung von kohlenstoffhaltigen Reduktionsmitteln wie Koks.
Durch den Einsatz von alternativen Verfahren wie dem Direktreduktionsverfahren und der Verwendung von Wasserstoff als Reduktionsmittel können entstehende CO₂-Emissionen allerdings deutlich verringert werden.
Stahl umweltfreundlich herstellen
Fossilfreier Stahl, der durch den Einsatz erneuerbarer Energien und Wasserstoff als Reduktionsmittel hergestellt wird, gilt als vielversprechende Lösung für die Reduzierung der CO₂-Emissionen. Unternehmen und Forschungseinrichtungen arbeiten weltweit an der Entwicklung und Implementierung dieser Technologien. Ziel ist es, den Übergang zu einer klimafreundlicheren Stahlerzeugung zu ermöglichen.
Im Jahr 2022 stellte der schwedische Stahlerzeuger SSAB den ersten fossilfreien Stahl der Welt her. An diesem Projekt ist auch Vattenfall beteiligt. Hinter diesem fossilfreien Material steckt HYBRIT – Hydrogen Breakthrough Ironmaking Technology.
Schlüsselkomponenten in der Stahlproduktion
Eisenerz
Eisenerz ist der Hauptrohstoff für die Stahlerzeugung. Der Abbau erfolgt in Minen auf der ganzen Welt. Auch Deutschland fördert es nach wie vor. Die einzig verbleibende aktive Grube in Deutschland liegt in Porta-Westfalica, in Nordrhein-Westfalen.
Koks
Koks ist Kohlenstoff in fester Form. Gewonnen wird es aus Steinkohle. Der Brennstoff wird als Reduktionsmittel im Hochofen verwendet. Koks ist also eine spezielle Form von Kohle.
Wasserstoff
Wasserstoff ist ein vielversprechendes Reduktionsmittel für die Stahlproduktion im Direktreduktionsverfahren. Durch die Verwendung von Wasserstoff anstelle von Kohlenmonoxid oder Koks-Kohle werden die CO₂-Emissionen erheblich reduziert.
Vor- & Nachteile in verschiedenen Branchen
Vorteile von Stahl
Der Werkstoff Stahl ist äußerst stabil. Dadurch ermöglicht das Material die Realisierung von leichten und dennoch soliden Strukturen. Das ist vor allem bei Wolkenkratzern und Karosserieteilen von großer Bedeutung. Darüber hinaus ist die Legierung aus Eisen nach entsprechender Behandlung recht korrosionsbeständig und hat eine lange Lebensdauer. Darüber hinaus ist der Werkstoff recycelbar.
Nachteile von Stahl
Wenn Eisenlegierungen Feuchtigkeit und Sauerstoff ausgesetzt sind, können sie rosten. Mit der Zeit lässt daher die strukturelle Integrität des Werkstoffes nach. Dies macht eine regelmäßige Wartung und Schutzmaßnahmen wie Verzinkungen oder Anstriche erforderlich, um die Lebensdauer zu verlängern.
Zudem hat das Material eine hohe Wärmeleitfähigkeit. Als Isoliermaterial ist es daher ineffektiv. Weiterhin ist die Herstellung von Eisenlegierungen ein energieintensiver Prozess, der erheblich zu globalen Treibhausgasemissionen beiträgt. Auch die relativ hohen Kosten des Werkstoffes im Vergleich zu alternativen Materialien wie Holz oder Beton sind eher negativ zu bewerten.
Vattenfall Ausblick
Die Stahlproduktion ist ein wichtiger Bestandteil der modernen Industrie und essenziell für zahlreiche Branchen. Gleichzeitig stellt die Stahlerzeugung jedoch auch eine erhebliche Belastung für die Umwelt dar, insbesondere durch den hohen CO₂-Ausstoß im Hochofenprozess. Um die Umweltauswirkungen der Stahlproduktion zu minimieren, müssen innovative Lösungen wie fossilfreier Stahl und alternative Herstellungsverfahren weiter erforscht und implementiert werden. Im Rahmen von HYBRIT engagiert sich Vattenfall deshalb gemeinsam mit SSAB und LKAB für eine fossilfreie Zukunft der Stahlindustrie.
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