Michael Bock vor gestapelten Flachstahl-Coils
Grüner Wasserstoff

Grüner Wasserstoff

Die Vorreiter

Deutschlands zweitgrößtes Hüttenwerk in Salzgitter will Stahl mit grünem Wasserstoff statt wie bisher mit Kohle herstellen. Technisch ist das bereits möglich. 95 Prozent der bisherigen CO₂-Emissionen könnten so vermieden werden. Doch die Umstellung auf das klimafreundliche Verfahren ist eine Mammutaufgabe. Die Salzgitter AG hat dafür vor fünf Jahren die Weichen gestellt. Mit dem Projekt „Windwasserstoff Salzgitter“ kommt der Zug jetzt in Fahrt.

Ein mit Wasserstoff betriebenes Auto auf einer Landstraße

Der Firmenwagen mit Wasserstoffantrieb wirbt für das Innovationskonzept SALCOS, mit dem Kohlenstoff bis 2050 komplett durch grünen Wasserstoff und Ökostrom in der Stahlproduktion ersetzt werden soll.

„Steelmaking. Reinvented.“ steht auf den Türen des Firmenwagens mit Wasserstoffantrieb. Ein großes Vorhaben: Stahlerzeugung. Neu erfunden. Fast geräuschlos startet der emissionsfreie Wagen an der Zentrale der Salzgitter AG Richtung Hüttengelände, vorbei an 169 Meter hohen Windrädern: vier vor Tor 6, drei dahinter. Auf der Fahrt zur „Verzinkungsanlage 2“ kommen wir auch vorbei an einer Baustelle: „In der Halle, die hier entsteht, erzeugen wir ab Ende des Jahres den grünen Wasserstoff, der in den Verzinkungsanlagen zum Einsatz kommen soll“, erklärt Michael Bock (Bild oben), Leiter der Energiebetriebe der ansässigen Salzgitter Flachstahl GmbH. Der Planung sollen also wirklich große Taten folgen, im Klartext: der Umbau zum klimafreundlichen integrierten Hüttenwerk.

Es ist August, die Corona-Krise in vollem Gange, auch Deutschlands zweitgrößtes Hüttenwerk hatte Kurzarbeit anmelden müssen. Doch man blickt nach vorne. Weit nach vorne. Aus gutem Grund. „Wenn die politischen Rahmenbedingungen bleiben, wie sie sind, dann gibt es im europäischen Emissionshandel in 2050 praktisch keine CO₂-Zertifikate mehr – weder umsonst noch zu kaufen“, prognostiziert Dr.-Ing. Jens Traupe, Leiter der Abteilung Umweltschutz- und Energiepolitik der Salzgitter AG. Ohne solche Zertifikate darf aber kein Unternehmen in Europa CO₂freisetzen. Das wäre das Aus für die Stahlindustrie hierzulande, die heute, genauso wie alle großen Stahlhersteller weltweit, Koks in ihren Hochöfen einsetzt.

Blick aus der Luft auf das Hüttengelände und ein Windrad der Salzgitter AG

Windkraft und grüner Wasserstoff sollen die klimaschädliche Kohle im Stahlwerk ersetzen

Michael Bock ist Leiter der Energiebetriebe der Salzgitter AG

Michael Bock vor dem hütteneigenen Kokslager. Hier lagern rund 40.000 Tonnen Kokskohle, die für die Stahlerzeugung gebraucht werden – noch.

95 Prozent weniger CO₂-Ausstoß

Koks dient als Reduktionsmittel und entzieht dem Eisenerz bei der Stahlerzeugung den Sauerstoff. Ein über Jahrhunderte erprobtes, sicheres Verfahren mit nur einem Haken: Um eine Tonne Stahl zu erzeugen, entstehen knapp zwei Tonnen CO₂. Acht Millionen Tonnen Kohlendioxid emittiert das Hüttenwerk in Salzgitter heute prozessbedingt pro Jahr. Das entspricht etwa einem Prozent der jährlichen CO₂-Emissionen in Deutschland. „Wenn wir das ändern wollen, genügt es nicht, an ein paar Schräubchen zu drehen“, konstatiert Traupe. „Wir müssen die ganze Stahlerzeugung auf Wasserstoff umstellen.“

Ein Konzept dafür gibt es schon seit fünf Jahren: SALCOS. Der Name steht für „Salzgitter Low CO₂ Steelmaking“. Kernziel ist es, Kohlenstoff bis 2050 komplett durch grünen Wasserstoff und Strom aus erneuerbaren Quellen in der Stahlproduktion zu ersetzen. Denn was Koks kann, kann Wasserstoff auch: als Reduktionsmittel dienen und Sauerstoff binden. Dabei entsteht kein klimaschädliches CO₂, sondern H₂O, also schlicht: Wasser. Technisch ist das schon jetzt möglich, das hat Salzgitter zusammen mit dem Anlagenbau-Unternehmen Tenova und der Fraunhofer-Gesellschaft geprüft. Bei der Umstellung könnten die bisherigen CO₂-Emissionen um 95 Prozent gesenkt werden.

Dr.-Ing. Jens Traupe, Leiter der Abteilung Umweltschutz- und Energiepolitik der Salzgitter AG
„Es genügt nicht, an ein paar Schräubchen zu drehen.“

Jens Traupe, Leiter der Abteilung Umweltschutz- und Energiepolitik der Salzgitter AG

Der Weg zur Förderung

Die IKB Deutsche Industriebank AG hat für die Salzgitter AG die passende KfW-Förderung gefunden: die Bundesförderung für Energieeffizienz in der Wirtschaft mit der Programmnummer 295, mit dem die KfW Maßnahmen finanziert, die Strom- oder Wärmeeffizienz in Unternehmen deutlich erhöhen und damit zur Senkung des Energieverbrauchs beitragen.

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Das Projekt Windwasserstoff Salzgitter

Mit SALCOS beschreibt Salzgitter das Fernziel. Auf dem Weg dorthin sind viele Etappen nötig. Eine davon ist das Projekt „Windwasserstoff Salzgitter“. Die sieben Windräder vor und hinter Tor 6 des Hüttenwerks von Projektpartner Avacon Natur GmbH sind Teil des Gesamtkonzepts. Sie werden zusätzlichen grünen Strom liefern für eine 2,5-Megawatt-Elektrolyseanlage, gebaut von Siemens Gas and Power. Die Anlage soll den kompletten gegenwärtigen Wasserstoffbedarf decken und wird von der KfW mit einem Refinanzierungskredit in Höhe von rund 3,7 Millionen Euro sowie einem Tilgungszuschuss in Höhe von rund einer Million Euro aus Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie im Programm 295 gefördert.

Denn schon jetzt, vor der Umstellung von Kohle auf Wasserstoff zur Stahlherstellung, gibt es im Hüttenwerk Bedarf an Wasserstoff: Er dient als Schutzgas, zum Beispiel beim Verzinken. Gemischt mit Stickstoff verhindert er, dass der durch die Verzinkungsanlage laufende Flachstahl mit Sauerstoff reagiert, bevor er ins 450 Grad heiße Zinkbad getaucht wird. Zurzeit ist dieser Wasserstoff noch „grau“, hergestellt in der Regel aus Erdgas und per Tanklaster angeliefert.

Wasserstoff-Behälter auf Transportern

Statt wie bisher Wasserstoff anliefern zu lassen, wird die Salzgitter AG zukünftig auf dem Werksgelände ihren eigenen Wasserstoff erzeugen.

„Diesen Wasserstoff wollen wir jetzt ersetzen durch unseren eigenen aus dem Projekt Windwasserstoff Salzgitter“, erklärt Michael Bock. 50 Millionen Euro investieren die Projektpartner insgesamt in das Vorhaben. Kernstück ist die PEM-Elektrolyseanlage. Sie kann rund 400 Normkubikmeter Wasserstoff pro Stunde produzieren. PEM ist die Abkürzung für Proton Exchange Membrane, ein technisch bewährtes Verfahren, bei dem durch Anlegen einer elektrischen Spannung Protonen durch eine Membran wandern. Dabei teilt sich Wasser in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff.

„Das dafür benötigte destillierte Wasser wird in der konzerneigenen Anlage gewonnen, die das Brauchwasser aus dem Hüttenwerk aufbereitet“, erläutert Michael Bock. Neben Avacon gibt es noch den Projektpartner Linde: Der Gasehersteller steht als Backup bereit und liefert, falls die PEM-Elektrolyse einmal ausfallen sollte, weiterhin Wasserstoff in Tanks. Dieser sei zwar noch „grau“, doch auch bei Linde tut sich was: Der Industriekonzern hat sich zusammengetan mit dem britischen Wasserstoffspezialisten ITM Power mit dem Ziel, die Großindustrie zukünftig mit grünem Wasserstoff beliefern zu können. Denn die Nachfrage steigt.

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Grauer und grüner Wasserstoff

Um grauen Wasserstoff herzustellen, wird in der Regel Erdgas unter Hitze in Wasserstoff und CO₂ umgewandelt (Dampfreformierung). Das CO₂ wird anschließend ungenutzt in die Atmosphäre abgegeben und verstärkt so den globalen Treibhauseffekt: Bei der Produktion einer Tonne Wasserstoff entstehen rund zehn Tonnen CO₂. Grüner Wasserstoff wird unter Einsatz erneuerbarer Energien ohne CO₂-Emissionen hergestellt.

Ein neuer Weg der Stahlerzeugung

Wasserstoff ist das häufigste chemische Element auf der Erde und im Universum sowie ein hervorragender Energieträger. Dass er trotzdem nicht längst in großen Mengen in Energiewirtschaft und Industrie zum Einsatz kommt, liegt unter anderem an seiner „Anhänglichkeit“. Er ist zwar in den meisten organischen Verbindungen enthalten, aber fast nie in reiner Form verfügbar. Solche Verbindungen aufzulösen, ist energetisch und technisch aufwendig. Wenn dafür fossile Energieträger genutzt werden, bleibt die CO₂-Bilanz schlecht. Bei der Produktion einer Tonne Wasserstoff entstehen bis zu zehn Tonnen CO₂. Das Ergebnis: grauer Wasserstoff. Wenn aber Erneuerbare bei der Erzeugung zum Einsatz kommen, erhält man grünen Wasserstoff – und die gewünschte Klimabilanz.

Um Wasserstoff schließlich nicht nur als Schutzgas in der Produktion einsetzen zu können, sondern als Energieträger anstelle der Kohle, brauchen integrierte Hüttenwerke wie Salzgitter neue Anlagen, die in Zukunft die Hochöfen ersetzen. In ihnen sollen Eisenerzpellets direkt reduziert werden. Bei dem Verfahren der Direktreduktion wird Eisen, das im Erz als Eisenoxid – also in chemischer Verbindung mit Sauerstoff – vorkommt, nicht wie bisher eingeschmolzen, sondern bei hohen Temperaturen mit Wasserstoff reduziert. Dabei verbindet sich der Sauerstoff im Eisenoxid mit dem Wasserstoff. Heraus kommt direktreduziertes Eisen, das bereits zu 90 Prozent aus metallischem Eisen besteht. Im letzten Verarbeitungsschritt werden diese Pellets dann in Elektrolichtbogenöfen mittels Strom eingeschmolzen.

93 Prozent aller Atome unseres Sonnensystems entfallen auf Wasserstoff.

Technologie bereits in der Erprobung

„Dadurch, dass wir uns schon vor fünf Jahren für den Weg der direkten Vermeidung von CO₂ im Produktionsprozess entschieden haben, sind wir jetzt natürlich auch weiter als andere“, sagt Olaf Reinecke von der Konzernkommunikation in Salzgitter nicht ohne Stolz. Aber auf dem Vorsprung ruht sich Salzgitter nicht aus. Schon jetzt betreut Michael Bock neben der PEM-Elektrolyseanlage ein weiteres Projekt. Hinter dem Namen „GrInHy2.0“ (Green Industrial Hydrogen 2.0) verbirgt sich die weltweit größte Hochtemperatur-Elektrolyseanlage: „Es ist eine alternative Route zur Erzeugung von Wasserstoff, die statt Wasser Dampf aus Abwärme unserer Produktionsprozesse nutzt und vielleicht das energieeffizientere Verfahren ist“, erläutert Bock.

Energieeffizienter und wassersparender, auch dies ist ein bedeutender Aspekt bei der immer knapper werdenden Ressource Wasser. „Wenn wir SALCOS verwirklichen, dann reden wir über Wassermengen von drei bis vier Millionen Kubikmetern im Jahr, die wir für die Wasserstofferzeugung brauchen“, führt Bock aus. „Deshalb streben wir an, jedes anfallende Wasser im Sinne der Kreislaufwirtschaft wiedereinzusetzen.“

Ein Chassis eines Autos steht in einer Produktionshalle.

Aus Flachstahl werden zum Beispiel Autokarossieren gebaut. Eine Studie hat ergeben, dass der Endverbraucher für einen Mittelklassewagen aus grünem Stahl ein bis zwei Prozent mehr zahlen müsste.

Grüner Stahl ist teurer als konventioneller

Im Ergebnis ist der klimafreundliche Stahl, der mittels Direktreduktion gewonnen wird, kein anderer als der aus dem Hochofen. Aber grüner Wasserstoff als Reduktionsmittel ist teurer als Kohle. Das bedeutet für das Endprodukt: „Eine Tonne Stahl à la SALCOS dürfte bis zu circa zwei Drittel teurer werden als heute“, zitiert Traupe aus einer Studie des Think Tanks „Agora Energiewende“. Der Umbau zum klimafreundlichen Stahlwerk kann daher erst Realität werden, wenn aus der Politik klare Rahmenbedingungen kommen, wie diese Wettbewerbsverzerrung ausgeglichen werden kann. In Salzgitter ist man zuversichtlich, dass die Debatte darum an Fahrt aufnehmen wird. Und auch wenn eine Preiserhöhung von circa zwei Dritteln erst einmal nach viel klingt: Für einen Mittelklasse-Pkw aus grünem Stahl müsste der Endverbraucher nur rund ein bis zwei Prozent mehr zahlen. Und das muss es uns wert sein.

Auf KfW Stories veröffentlicht am 29. September 2020.