Bundesregierung fördert Wasserstoffprojekt zur nachhaltigen Stahlerzeugung der Swiss Steel Group bei den Deutschen Edelstahlwerken

Die Swiss Steel Group ist einer der führenden Hersteller von Stahllangprodukten. Das Förderprojekt mit dem Titel „H2-HotRoll“ befasst sich mit der Umstellung von erdgas-befeuerten Wiedererwärmungsöfen auf die Befeuerung mit grünem Wasserstoff. Das geplante Vorhaben adressiert in erster Linie die Ziele der nationalen Wasserstoffstrategie vom 10.06.2020, indem der Energieträger Wasserstoff zur Substitution von Erdgas in der Beheizungstechnik von Thermoprozessanlagen eingesetzt wird. Gefördert wird dies durch das 7. Energieforschungsprogramm der Bundesregierung: Förderaufruf „Technologieoffensive Wasserstoff“. Organisiert und verwaltet durch den Projektträger Jülich (PTJ).

Um die Klimaziele der europäischen Union zu erreichen, muss insbesondere die energieintensive Industrie in Europa befähigt werden, dies zu leisten. Um dabei den Einsatz von grünem Wasserstoff zu ermöglichen, müssen zunächst die Auswirkungen des Wasserstoffeinsatzes auf die Stahlherstellung und -verarbeitung untersucht werden. Hierbei geht es in der Stahlindustrie derzeit erstrangig um die Reduzierung der CO2-Emissionen für Stahlunternehmen der Primärstahlerzeugung über die Hochofenroute.

Einen großen Vorteil hinsichtlich der CO2-Emissionen gegenüber dieser Technologie haben Stahlunternehmen, wie die Swiss Steel Group, die über die sogenannte Sekundär- oder Elektrostahlroute produzieren. Bei diesem Verfahren werden in einem Elektrolichtbogenofen große Mengen Stahlschrott eingeschmolzen. . Durch den Einsatz von grünem Strom aus regenerativen Quellen, wie Wasser-, Windkraft oder Solarenergie, ist es dabei schon heute möglich einen großen Teil der CO2-Emissionen zu reduzieren. Diesen Weg geht die Swiss Steel Group bereits erfolgreich überall dort, wo sie auf genügend grüne Energie zurückgreifen kann. Doch auch bei der weiterführenden Herstellung und Bearbeitung des Stahls, im sogenannten Down-Stream-Prozess, kommt es bei der Warmumformung und der Wärmebehandlung des Stahls zu einem erheblichen CO2-Ausstoß durch den Einsatz von Erdgas.

Um im weltweiten Vergleich wettbewerbsfähig zu bleiben und den CO2-Fußabdruck weiter zu senken, müssen auch in der Sekundärstahlroute erhebliche Investitionen getätigt werden. Eine CO2-Reduktion wird nicht nur vom Gesetzgeber gefordert und ist vom Endverbraucher zunehmend gewünscht, sondern ist auch zur Erreichung der Klimaziele zwingend notwendig.

Zusammen mit dem Projektpartner VDEh-Betriebsforschungsinstitut (BFI) begeben sich nun die Deutschen Edelstahlwerke auf den Weg, ihre Infrastruktur für den Einsatz von grünem Wasserstoff fit zu machen. Dass dies kein einfaches Vorhaben ist, zeigt sich bereits in den Summen, die allein das Förderprojekt benötigt. Mit einem Projektbudget von etwas über eine Million Euro kann über drei Jahre die Basis für die technische Umstellung auf wasserstoffbetriebene Öfen gelegt werden. Der Fokus wird auf kontinuierlich betriebene Wiedererwärmungsöfen mit einer Leistung von mehr als 10 MW gelegt. Da es sich bei Wasserstoff gegenüber Erdgas um ein Medium mit anderen physikalischen Eigenschaften handelt, befasst sich das Förderprojekt mit den erwarteten Auswirkungen und die Anpassung der vorhandenen Ofeninfrastruktur z.B. Brenner, Armaturen und Ofenkammer. Diese Infrastruktur muss auf das unterschiedliche Brennverhalten der beiden Gase angepasst werden. Wasserstoff hat zum Beispiel eine höhere Flammtemperatur und einen erhöhten Wasseranteil bzw. verringerten CO2-Anteil im Heißgas. Dies führt zu einer Änderung des Wärmeübergangs im Ofen und einen veränderten Einfluss auf das verarbeitete Material. Hier könnte es zu unterschiedlicher Zunderbildung und geändertem Entkohlungsverhalten kommen, falls der Prozess nicht optimal eingestellt ist.

Eine Herausforderung in diesem Projekt zeigte sich schon während der Planungsphase vor der Antragstellung: Ein kontinuierlich betriebener Wiedererwärmungsofen mit einer Anschlussleistung von mehr als 10 MW sollte für das Projekt mit Wasserstoff, der im Idealfall grün erzeugt wird, betrieben werden. Dafür wäre eigentlich ein Anschluss an eine Wasserstoffpipeline nötig, dies ist jedoch in Deutschland heute noch nicht realisierbar. Dementsprechend musste sich das Projektteam unter der Leitung von Gregor Ebbers von den Deutschen Edelstahlwerken und Sebastian Bialek vom BFI, eine Alternative überlegen. Es wird nun am Krefelder Standort der Deutschen Edelstahlwerke ein kleinerer Wiedererwärmungsofen im Schmiedebetrieb für das Projekt umgebaut, um Prozessversuche durchzuführen. Dieser Ofen mit einer Gesamtanschlussleistung von maximal 2MW kann in der Projektphase mit Wasserstoff aus Tankanlagen versorgt werden. Begleitet werden die Betriebsversuche von CfD-Simulationen und weiterführenden Versuchen im Technikum des BFI.

Doch wie steht es in der Bundesrepublik Deutschland um die Aussicht auf große Mengen grünen Wasserstoffs? Hier beißt sich die Katze in den Schwanz. Denn eine klare Aussage gibt es hierzu für die verschiedenen potenziellen Abnehmer noch nicht. Wie also soll sich die Industrie auf den Einsatz von Wasserstoff vorbereiten? Auch hierzu hat sich das Projektteam ausgiebig Gedanken gemacht. Sollte es zu einem langsamen Hochlauf von grünem Wasserstoff kommen, so wird in dem Förderprojekt auch untersucht, wie die Ofeninfrastruktur auf ein Gemisch aus Erdgas und Wasserstoff reagiert. Auch werden die Auswirkungen von steigenden Wasserstoffanteilen im Brenngas auf die Ofeninfrastruktur untersucht.  Dabei wird damit gerechnet, dass ein geringfügiger Anteil von Wasserstoff mit der bisherigen Ofenkonfiguration funktioniert. Erst bei höheren Anteilen müssen Anpassungen an den Armaturen und der Mess- und Regelungstechnik vorgenommen werden. Der Steuerungsprozess des Ofens wird so gewählt werden, dass auch eine Mischung von Erdgas und Wasserstoff als Brenngas gut funktioniert.

Ziel des Förderprojektes ist die Erstellung eines Maßnahmenkatalogs und eine Abschätzung der Kosten für die Umstellung weiterer Öfen von Erdgas auf Wasserstoff. Es sollen Potentiale und Hemmnisse aufgezeigt werden, um insgesamt eine höhere Akzeptanz der Wasserstofftechnik zu erreichen.

Rund 516.000€ Gesamtzuwendung (50% Förderquote)