Stahl­in­dus­trie: Grüner Was­ser­stoff hilft Energie sparen

GrInHy, Elektrolyse, Brennstoffzelle, Sunfire, Stahlindustrie, Wasserstoff
Foto: Skeeze / Pixabay

Wie kann grüner Was­ser­stoff dezen­tral etwa direkt bei der Indus­trie per Elek­tro­lyse pro­du­ziert werden? Wie kann Abwärme zur geziel­ten Effi­zi­enz­stei­ge­rung nutzbar gemacht werden?

Mit diesen und wei­te­ren Fragen beschäf­tigt sich das Projekt GrInHy (für Green Indus­trial Hydro­gen via rever­si­ble high-temperature elec­tro­ly­sis), an dem die Dresd­ner Sunfire feder­füh­rend betei­ligt ist.

Indus­tri­elle Abwärme ver­pufft oft unge­nutzt, obwohl die Poten­ziale enorm sind. Das gerade gestar­tete Horizon 2020-Projekt GrInHy  will dies durch die Inte­gra­tion einer rever­si­blen Elek­tro­lyse in die Indus­trie­pro­zesse eines Stahl­werks ändern. Unter Ein­be­zie­hung rege­ne­ra­ti­ver Ener­gien wird effi­zi­ent und kos­ten­güns­tig grüner Was­ser­stoff pro­du­ziert.

Ein Teil der Abwärme wird für die Wasserdampf-Elektrolyse ver­wen­det – dadurch steigt der Wir­kungs­grad auf 80 %. Die Ver­mei­dung von CO2-Emissionen soll auch den Weg der EU-Kommission zu einer wett­be­werbs­fä­hi­gen, koh­len­stoff­ar­men Wirt­schaft unter­stüt­zen.

Von kW bis MW ska­lier­bar

Das Vor­ha­ben „Green Indus­trial Hydro­gen via rever­si­ble high-temperature elec­tro­ly­sis“ wird von acht Part­nern aus Deutsch­land, Italien, Spanien, Finn­land und Tsche­chien rea­li­siert und bei der Salz­git­ter Flach­stahl GmbH umge­setzt. Feder­füh­rend ent­wi­ckelt Sunfire die Hochtemperatur-Elektrolyse als Kern­tech­no­lo­gie des Pro­jekts. Das modu­lare System soll eine Ein­gangs­leis­tung von 150 Kilo­watt haben und bis zu meh­re­ren Mega­watt ska­lier­bar sein. Die Anlage ist rever­si­bel ver­wend­bar, dient also nicht nur als Elek­tro­lyse zur Gewin­nung von grünem Was­ser­stoff, sondern auch als Brenn­stoff­zelle zur Netz­sta­bi­li­sie­rung.

Container mit einer reversiblen Elektrolyse. Foto: Sunfire Brennstoffzelle, Wasserstoff
Con­tai­ner mit einer rever­si­blen Elek­tro­lyse. Foto: Sunfire

Im Elektrolyse-Modus wird grüner Was­ser­stoff auf Basis von Strom für die Stahl­pro­duk­tion erzeugt. Die Spal­tung des Wassers in Was­ser­stoff und Sauer­stoff erfolgt auf Basis von gas­för­mi­gem Wasser, also Was­ser­dampf. Das ermög­licht die Ver­wen­dung von Abwärme in Form von Dampf direkt aus der Stahl­pro­duk­tion. Die Hochtemperatur-Elektrolyse erreicht so eine elek­tri­sche Effi­zi­enz von 80 %. Im Brennstoffzellen-Modus hin­ge­gen erzeugt die Tech­no­lo­gie Wärme zur Zufüh­rung ins Stahl­werk und Strom zur Netz­sta­bi­li­sie­rung. Als Brenn­stoff dienen dann äußerst fle­xi­bel ent­we­der Was­ser­stoff oder Erdgas.

Was­ser­stoff wird im Stahl­werk in Salz­git­ter bei­spiels­weise zur Erzeu­gung einer Schutzgas-Atmosphäre zum Aus­schluss von Sauer­stoff, ver­wen­det. Dies ver­hin­dert die Oxi­da­tion des Stahls während des Glüh­pro­zes­ses und ver­bes­sert bei Einsatz von grünem Was­ser­stoff die Umwelt­bi­lanz des End­pro­duk­tes (Product Carbon Foot­print). Um die Qua­li­tät des grünen Was­ser­stoffs sicher­zu­stel­len, ent­wi­ckelt Pro­jekt­part­ner Boeing Rese­arch & Tech­no­logy Europe S.L.U. Spanien eine „Hydro­gen Pro­ces­sing Unit“.

Pro­fi­teure der EEG-Ausnahmen

Welche Bedeu­tung das Ver­fah­ren für eine Branche haben könnte, die schon üppig von Aus­nah­me­re­ge­lun­gen beim EEG pro­fi­tiert, zeigen die fol­gen­den Zahlen:

42,7 Mil­lio­nen Tonnen Roh­stahl wurden hier­zu­lande im ver­gan­ge­nen Jahr pro­du­ziert. Damit ist die Stahl­bran­che zwar ein bedeu­ten­der Wirt­schafts­fak­tor, aber gleich­zei­tig auch für einen beträcht­li­chen Teil der bun­des­wei­ten CO2-Emissionen ver­ant­wort­lich. Im Jahr 2014 waren es 51,4 Mil­lio­nen Tonnen. Das ent­spricht 6,4 %. Seit 1990 haben die Stahl­pro­du­zen­ten ihren CO2-Ausstoß durch Ver­bes­se­run­gen in Energie‑, Ressourcen- und Pro­zess­ef­fi­zi­enz um 19 % gesenkt. Ange­sichts des ab 2020 ver­schärf­ten CO2-Zertifikate-Handels ist jede weitere Reduk­tion sinn­voll, um die Stahl­pro­duk­tion auch mit­tel­fris­tig in Deutsch­land halten und die bran­chen­spe­zi­fi­schen Kli­ma­schutz­ziele der EU bis 2050 errei­chen zu können.

Das Verfahren ist reversibel, kann also in beide Richtungen verlaufen. Grafik: GrInHy Elektrolyse, Brennstoffzelle, Sunfire, Stahlindustrie, Wasserstoff
Das Ver­fah­ren ist rever­si­bel, kann also in beide Rich­tun­gen ver­lau­fen. Grafik: GrInHy

Die rever­si­ble Elek­tro­lyse wird aber nicht nur für den Einsatz in Stahl­wer­ken ent­wi­ckelt, sondern eben­falls für andere Anwen­dungs­fel­der. In der Solar­in­dus­trie bei der Silizium-Produktion dient der Was­ser­stoff als Reak­ti­ons­gas mit Tri­chlor­si­lan. Im Che­mie­sek­tor gilt Was­ser­stoff in vielen Pro­zes­sen als wich­tigs­tes Molekül, etwa bei der Pro­duk­tion von Ammo­niak, Metha­nol oder Pro­duk­ten auf Basis von Petro­leum. Wird Float­glas pro­du­ziert, hat Was­ser­stoff die Aufgabe, eine sichere Atmo­sphäre zu erzeu­gen. Im Strom­sek­tor wird Was­ser­stoff zur Kühlung großer Gene­ra­to­ren benö­tigt.


Bei­träge zum Thema Ener­gie­ef­fi­zi­enz, in das auch diese indus­tri­elle Lösung fällt, bietet Energieblogger-Kollege Andreas Kühl hier auf seinem Blog Ener­gy­net.