Der Wettlauf um die Produktion von nachhaltigem Stahl – Mother Jones

Diese Untersuchung wurde ursprünglich von veröffentlicht Dunkel. Es wird hier als Teil der reproduziert Klima Schreibtisch Zusammenarbeit.

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, von der Boston Metal, ein Unternehmen, das vor einem Jahrzehnt aus dem MIT hervorgegangen ist, hofft, dass es die Art und Weise, wie die Legierung seit Jahrhunderten hergestellt wird, dramatisch umgestalten wird. 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 jährlich mehr als 2 Milliarden Tonnen produzierter Stahl eines der beliebtesten Industriematerialien der Welt. Dieser Überfluss hat jedoch einen hohen Preis für die Umwelt. Die Stahlerzeugung ist für 7 bis 11 Prozent der weltweiten Treibhausgasemissionen verantwortlich und ist damit eine der größten industriellen Quellen der Luftverschmutzung. Und weil die Produktion bis 2050 um ein Drittel steigen könnte, könnte diese Umweltbelastung wachsen.

Das stellt eine große Herausforderung für die Bewältigung der Klimakrise dar. Die Vereinten Nationen sagen, dass eine deutliche Reduzierung der industriellen CO2-Emissionen unerlässlich ist, um die globale Erwärmung unter der 1,5-Grad-Celsius-Marke zu halten, die im Pariser Klimaabkommen von 2015 festgelegt wurde. Dazu müssen die Emissionen der Stahl- und anderer Schwerindustrien nach Schätzungen der Internationalen Energieagentur bis 2050 um 93 Prozent sinken.

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 äußerst 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 2017 2,5 Billionen US-Dollar umsetzte und mehr als sechs Millionen Menschen beschäftigt, enorme Anstrengungen erfordern wird. 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 weltweiten Stahls werden auf diese Weise hergestellt, wobei für jede produzierte Tonne Stahl fast zwei Tonnen Kohlendioxid erzeugt werden. Die restlichen 30 Prozent werden fast ausschließlich in Elektrolichtbogenöfen hergestellt, die mit elektrischem Strom Stahl – größtenteils recycelter Schrott – schmelzen und weitaus geringere CO2-Emissionen haben 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 2050 bis zu 45 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 getestet wird, ersetzt Koks durch Wasserstoff. In Schweden testet Hybrit – ein Joint Venture zwischen dem Stahlhersteller SSAB, dem Energieversorger Vattenfall und LKAB, einem Eisenerzproduzenten – ein Verfahren, das darauf abzielt, ein bestehendes System namens direktreduziertes 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. (Der meiste reine Wasserstoff wird heute aus Methan hergestellt, 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 funktionieren kann [the] industrielles Niveau.“

Im vergangenen August erreichte Hybrit seinen ersten Meilenstein: SSAB, das das Endprodukt herstellt und vertreibt, lieferte seine erste Charge fossilfreien Stahls an den Autohersteller Volvo, der ihn in Fahrzeugprototypen verwendete. 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 plant, die Produktion bis 2024 aufzunehmen und bis zum Ende des Jahrzehnts jährlich 5 Millionen Tonnen emissionsfreien Stahl zu produzieren. Andere Unternehmen, die die wasserstoffbetriebene Stahlherstellung testen, sind 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 seiner Anlage in Woburn betreibt, arbeite daran, sein Laborkonzept auf den Markt zu bringen, wobei es 50 Millionen US-Dollar einsetzte, die letztes Jahr von einer Investorengruppe wie Breakthrough Energy Ventures, unterstützt von Bill Gates, und dem Deutschen gesammelt wurden Autobauer BMW. Eine Demonstrationsanlage im kommerziellen Maßstab soll bis 2025 in Betrieb gehen.

„Ich bin der Meinung, dass alle 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 grünere Stahlherstellung Obwohl die Prozesse an Dynamik zu gewinnen scheinen, müssen noch einige ernsthafte Herausforderungen bewältigt werden. 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 am in Colorado ansässigen gemeinnützigen 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 in der Nähe von kostengünstiger Kokskohle und nicht von kostengünstigem Wasserstoff angesiedelt sind, betonte Koch Blank. „Diese Vorlaufkosten 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 einheimischen Herstellern helfen, „wettbewerbsfähig zu bleiben“, da der Markt für sauberen Stahl „wächst und neue Produktionsverfahren Skaleneffekte erzielen“, sagte Rissman.

Das vielleicht größte Hindernis ist China, wo etwa 90 Prozent der Stahlproduktion mit Hochöfen erzielt werden. Im September 2020 kündigte Präsident Xi Jinping an, dass das Land bis 2060 CO2-neutral werden will. Um die Umweltverschmutzung durch heimische Stahlwerke zu reduzieren, die etwa 15 Prozent der gesamten CO2-Emissionen des Landes ausmachen, hat sich Peking ebenfalls verpflichtet, den Höchststand zu erreichen Stahlemissionen bis 2030. Trotzdem wurden laut der in Helsinki ansässigen Forschungsgruppe Center for Research on Energy and Clean Air allein in den ersten sechs Monaten des Jahres 2021 18 neue Hochofenprojekte in China angekündigt.

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.“

Marcello Rossi ist ein freiberuflicher Wissenschafts- und Umweltjournalist mit Sitz in Mailand, Italien. Seine Arbeiten wurden unter anderem von Al Jazeera, Smithsonian, Reuters, Wired und Outside veröffentlicht.