Sauberer Stahl

Um nicht als Relikt einer Industrie von vorgestern in der Nische zu enden oder gar unterzugehen, müssen die Stahlproduzenten ihre CO2-Emissionen mittelfristig senken und langfristig auf null drücken. Zumal die Preise für Emissionszertifikate, die klimaschädliche Industriezweige seit 2005 hinzukaufen müssen, inzwischen stark gestiegen sind. Während sie jahrelang unter 10 Euro je Tonne CO2 betrugen, beliefen sie sich zuletzt auf rund 25 Euro. Zwar teilt die EU heimischen Stahlwerken noch immer einen Teil der Zertifikate kostenlos zu, doch künftig müssen die Konzerne insgesamt deutlich mehr bezahlen. Für die Stahlindustrie, die sich mit Konkurrenten aus aller Welt messen muss, wird ihr Klimagasausstoß mehr und mehr zum Klotz am Bein. Was also tun?

Thyssenkrupp, Deutschlands größter Stahlhersteller, dreht den Spieß einfach um. Statt CO2 als lästiges Abfallprodukt zu betrachten, nutzt der Konzern die Verbindung als Ausgangsstoff für chemische Produkte. Denn für die chemische Industrie ist Kohlenstoff, also auch CO2, einer der wichtigsten Rohstoffe überhaupt. Dafür wurde im März 2018 auf dem riesigen Werksgelände im Norden von Duisburg eigens das sogenannte Technikum eröffnet: ein interdisziplinäres Forschungszentrum, in dem Wissenschaftler auf 3700 Quadratmeter Fläche Erkenntnisse aus der Grundlagenforschung im industriellen Maßstab erproben.

Gichtgas ersetzt Erdgas

Über dicke graue Rohrleitungen strömt ein Teil der beim Verhüttungsprozess anfallenden Gichtgase, die neben CO2 auch Stickstoff, Wasserstoff und Kohlenmonoxid enthalten, in die Reinigungsanlage des Technikums. Bis zu 240 Kubikmeter Gichtgas pro Stunde können dort zu Synthesegas aufbereitet werden. Das gewinnt man üblicherweise aus Erdgas. Das CO2-Recycling im Technikum von Thyssen-krupp senkt also nicht nur die Emissionen der Stahlherstellung, sondern ersetzt dazu noch fossile Rohstoffe.

Aus dem Synthesegas stellen die Forscher im Labor des Technikums neben Kunststoffen vor allem Ammoniak und Methanol her. Beides sind Basis-Chemikalien. Die Reaktionen für ihre Herstellung verlaufen unter starkem Druck und hoher Temperatur. Beide Verfahren benötigen außerdem Katalysatoren, um die Reaktion in die gewünschte Richtung zu lenken. Ammoniak ist Ausgangsstoff für Kunstdünger. Methanol, eine der gängigsten organischen Chemikalien, lässt sich unter anderem zu Kraftstoffen für Autos oder Flugzeuge weiterverarbeiten.

Noch produziert das Technikum, das von der Bundesregierung mit 60 Millionen Euro gefördert wird, nur kleine Mengen für Forschungszwecke. Doch Thyssen-krupp denkt über den Export der Technologie nach. Weltweit gebe es 50 Stahlwerke, die ebenfalls für CO2-Recycling geeignet seien, heißt es von Seiten des Konzerns. Der Export solcher Lösungen sei Deutschlands größter Hebel, um weltweit zum Klimaschutz beizutragen, sagte Bundesforschungsministerin Anja Karliczek bei der Eröffnung des Technikums im Frühjahr 2018.

Kohlendioxid für die Chemieindustrie

Auch Walter Leitner, Direktor am Max-Planck-Institut für chemische Energiekonversion, der sich in Mülheim an der Ruhr, nur zehn Kilometer Luftlinie von Duisburg entfernt, mit dem gleichen Forschungsgebiet befasst, ist fasziniert von den Möglichkeiten des CO2-Recyclings: „Da tut sich ein Riesenfeld auf!“ Auch die Mülheimer Max-Planck-Forscher stellen in ihren Laboren Basis-Chemikalien wie Methanol, Formaldehyd und Ameisensäure her. Und sie gehen sogar noch einen Schritt weiter: Sie setzen CO2 sogar als direkten Baustein für höherwertige chemische Produkte ein. „Solche Produkte stehen unter einem geringeren Kostendruck als einfache Basis-Chemikalien“, erläutert Leitner.

An der RWTH Aachen, wo er die Professur für Technische Chemie und Petrochemie innehat, hat sein Team zusammen mit dem Chemiekonzern Covestro ein Verfahren entwickelt, mit dessen Hilfe aus Industrieabgasen ein Kunststoff namens Cardyon wird. Cardyon, im Rohzustand eine zähe, durchsichtige Flüssigkeit, besteht zu einem Fünftel aus CO2 und lässt sich zu Schaumstoff, Textilfasern oder Bindemitteln weiterverarbeiten. Somit senkt das Verfahren sowohl den Erdölverbrauch als auch die Klimagas-Emissionen.

Die Kraft der Katalysatoren

Allerdings: CO2 ist ein äußerst widerborstiger Reaktionspartner. Egal ob man Kunststoffe oder einfache chemische Grundsubstanzen herstellen will: Man muss tricksen. Denn die Bindung zwischen Kohlenstoff und Sauerstoff ist hochstabil. Sie aufzubrechen, erfordert exakt passende Katalysatoren. So nennen Chemiker Substanzen, die es chemischen Stoffen erleichtern, miteinander zu reagieren. Katalysatoren senken den Energiebedarf der Reaktion und lenken diese in die gewünschte Richtung. Ohne sie wären viele chemische Produkte undenkbar.

Katalysatoren sind das Spezialgebiet von Leitners Arbeitsgruppe. Dass Erdöl und CO2 zum Kunststoff Cardyon reagieren, ist unter anderem einem Katalysator zu verdanken, der das spröde, blauweiß schimmernde Metall Zink enthält. „Fast alle Katalysatoren basieren auf Metallen“, sagt Chemiker Leitner. Um aus CO2 Ameisensäure herzustellen – einen Stoff, der für viele industrielle Prozesse gebraucht wird –, haben die Mülheimer Max-Planck-Forscher einen Katalysator geschaffen, der das Edelmetall Rhodium enthält. „Die Kunst ist, Katalysatoren mit möglichst perfekter Selektivität für CO2 zu entwickeln“, sagt Leitner.

Neben den passenden Katalysatoren braucht es auch eine gehörige Portion Energie, um dem reaktionsträgen Klimagas auf die Sprünge zu helfen. „Energie, die entweder der Reaktionspartner schon mitbringt oder die man in die Reaktionskette einspeist, zum Beispiel in Form von Wasserstoff“, erklärt der Wissenschaftler. Wasserstoff, ein farb- und geruchloses Brenngas, entsteht durch Elektrolyse von Wasser. Dabei wird mit elektrischem Strom Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff zerlegt – eine Reaktion, die mit hohen Energieverlusten einhergeht und, wenn der Strom fossil erzeugt wird, mit einem hohen CO2-Ausstoß.

Deshalb sei es nur dann sinnvoll, CO2 chemisch zu nutzen, wenn der Strom für die Elektrolyse aus erneuerbaren Quellen stamme, stellt der Chemiker klar: „Sonst ist die CO2-Bilanz negativ.“ Die Mengen, die nötig wären, um etwa im großen Stil Kohlendioxid in „grünes“ Methanol – das Vorprodukt einer ganzen Palette nachhaltiger Kraftstoffe – umzuwandeln, ließen sich in Deutschland nur schwer erzeugen, ist Leitner überzeugt, denn es mangele an geeigneten Flächen für regenerative Kraftwerke. „Deutschland wird deshalb auch in der ‚grünen Zukunft‘ weiterhin auf Energie-Importe angewiesen sein“, ist der Forscher überzeugt.

Wasserstoff statt Koks

Wasserstoff aus erneuerbaren Quellen ist auch das Zaubermittel, mit dem sich die Stahlindustrie eines Tages sogar vollständig dem Klammergriff des Klimagases entwinden könnte. „Ersetzt man das Reduktionsmittel Koks soweit wie möglich durch nachhaltig erzeugten Wasserstoff, sinken die CO2-Emissionen um 95 Prozent“, sagt Matthias Jahn, der am Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme in Dresden die Abteilung für Chemische Verfahrenstechnik leitet. Direktreduktion nennt sich das Verfahren, das allerdings kein flüssiges Roheisen produziert, sondern sogenannten Eisenschwamm, der aus porösen, schwammartig anmutenden eisernen Brocken besteht. Statt CO2 quillt bei diesem Prozess harmloser Wasserdampf aus den Schloten der Hüttenwerke.

Damit aus Eisenschwamm klimaneutraler Stahl wird, braucht es mit Ökostrom beheizte Lichtbogenöfen – eine Technik, über die bislang nur die wenigsten Hüttenwerke verfügen. Im Inneren dieser Öfen – riesigen, wassergekühlten Stahlkonstruktionen, die aus schwenkbarem Deckel, Obergefäß und Bodenpfanne bestehen – brennt ein bis zu 3500 Grad Celsius heißer Lichtbogen. Er bringt die Eisenbrocken in einer halben Stunde zum Schmelzen. Wird schließlich der flüssige Rohstahl in der Bodenpfanne abgestochen, leuchtet die gesamte Werks-halle weißglühend bis unters Dach.

„Lichtbogenöfen sind zwar beim Recycling von Stahl Stand der Technik, haben sich aber wegen der hohen Kosten in konventionellen Hüttenwerken bislang nicht durchgesetzt“, stellt Matthias Jahn fest. Dabei haben sie einen weiteren großen Vorteil: „Neben Eisenschwamm und Roheisen kann man auch Stahlschrott zu frischem Rohstahl schmelzen“, sagt Jahn. „Stahl lässt sich hundertprozentig wiederaufbereiten, und der Recyclingprozess ist beliebig oft wiederholbar.“

Vorreiter Schweden

Im schwedischen Lund ist seit September 2020 eine Pilotanlage mit Direktreduktion und Lichtbogenofen in Betrieb, gebaut vom Energiekonzern Vattenfall. Ab 2035 will das Unternehmen klimaneutralen Stahl im großtechnischen Maßstab produzieren. Ein ähnliches Verfahren soll hierzulande erprobt werden. Die Salzgitter AG, Deutschlands zweitgrößter Stahlkonzern, plant eine Umstellung der Rohstahlproduktion auf Direktreduktion.

Langfristig müssen alle Stahlkonzerne auf wasserstoffbasierte Produktion umstellen, ist der Forscher überzeugt. Doch das kostet: Allein Thyssenkrupp plant dafür rund zehn Milliarden Euro ein. Das ist eine Summe, die die Branche, gebeutelt von Billigstahl aus China und Strafzöllen in den USA, nicht ohne Weiteres stemmen kann. Hier sei Hilfe durch die Politik nötig, sagt Jahn: „Die Stahlindustrie ist ein gutes Beispiel dafür, wie ein ganzer Wirtschaftszweig mit bereits heute verfügbaren Techniken klimaneutral werden kann – aber nur, wenn die politischen Rahmenbedingungen stimmen.“

Menschen orientieren sich bei Entscheidungen an den Erfahrungen anderer. Dieses als „Social Proof“ bekannte psychologische Phänomen…