Maßnahmen zur Dekarbonisierung des Hochofenprozesses durch Einsatz von Wasserstoff

Der Übergang zu einem nachhaltigen Energiesystem und die damit einhergehende Reduktion der anthropogenen Treibhausgasemissionen ist eine der zentralen Aufgaben der Weltgemeinschaft im 21. Jahrhundert. Dazu ist es nicht allein ausreichend, die Strom- und Wärmeerzeugung zu dekarbonisieren; eine Minderung der Emissionen in anderen Bereichen, wie industriellen Prozessen, ist ebenso erforderlich. Die Eisen- und Stahlindustrie ist dabei ein großer industrieller CO2-Emittent; ungefähr zwei Drittel des Stahls werden heute auf der Hochofen/Konverterroute produziert. Eine aussichtsreiche Möglichkeit, die CO2-Emissionen in diesem Sektor zu senken, ist der Einsatz von Wasserstoff zur Reduktion von Eisenoxiden. Auf diese Weise kann das Re-duktionsmittel Kohlenstoffmonoxid teilweise oder komplett ersetzt werden. Durch eine Elektrolyse kann der benötigte Wasserstoff dabei nahezu emissionslos produziert werden, wenn regenerativ erzeugter Strom zur Verfügung steht. In der vorliegenden Arbeit werden diesbezüglich zwei Konzepte zum Wasserstoffeinsatz bei der Roheisenerzeugung im Hochofen anhand von Simulationen analysiert. Zum einen wird das Einblasen von Wasserstoff als Ersatzreduktionsmittel in die Formenebene und den Schacht des Hochofens untersucht. Zum anderen wird die Nutzung von direkt reduziertem Eisen (DRI) als Möllerbestandteil im Hochofen betrachtet, welches zum Großteil mit Wasserstoff hergestellt wird. Den Kern der Arbeit stellt dabei die Ermittlung hinsichtlich des Wasserstoffbedarfs effizienter Betriebsfälle zur Minderung der CO2-Emissionen des Hoch-ofenprozesses dar. Ebenso werden andere Auswirkungen der auf diese Weise veränderten Betriebsbedingungen auf den Prozess analysiert. Für diesen Zweck wird ein geeignetes Prozessmodell des Hochofens erstellt und anhand von Betriebsdaten parametriert und validiert. Auf dieser Basis werden zahlreiche Betriebsfälle sowohl für das Einblasen von Wasserstoff in den Hochofen unter verschiedenen Betriebs-bedingungen, als auch für die Nutzung von DRI als Eisenträger im Hochofen simuliert. Aus den Ergebnissen geht hervor, dass die CO2-Emissionen der Roheisenerzeugung im Hochofen durch Anwendung der vorgeschlagenen Maßnahmen wesentlich gemindert werden. In den optimalen Betriebsfällen können, je nach Betriebsbedingungen, 27,5-35,0 kg/tRE Wasserstoff eingeblasen werden, wodurch sich die Emissionen pro Tonne Roheisen (tRE) um 21,4-28,5 % im Verhältnis zu einem Referenzfall mit einer heute üblichen Betriebsweise reduzieren lassen. Durch die Nutzung von mit Wasserstoff produziertem DRI im Hochofen können die Emissionen im am besten geeigneten Betriebsfall unter Einsatz von 400 kg/tRE DRI um bis zu 26,7 % relativ zum Referenzfall gemindert werden. Bei den Untersuchungen wird deutlich, dass die genannten Maßnahmen u. a. eine wesentlich veränderte Gichtgaszusammensetzung, -menge und -temperatur bewirken, deren Einfluss auf den Energiehaushalt des jeweiligen integrierten Hüttenwerks sorgfältig zu analysieren ist. Vor einer Realisierung der Konzepte sind außerdem das Erhitzen von reinem Wasserstoff auf hohe Temperaturen auf Basis von Prozessgasen (Gichtgas) sowie ein geeignetes Verfahren zum Einblasen des Wasserstoffs über die Blasformen des Hochofens zu untersuchen, wozu jeweils bereits Vorarbeiten existieren. Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass die betrachteten Prozessrouten aussichtsreiche Möglichkeiten bieten, die CO2-Emissionen der Produktion von Roheisen substanziell zu mindern, und dass dazu lediglich technische Neuerungen mit verhältnismäßig geringem Aufwand erforderlich sind.