Wissenswertes zum Thema Wasserstoff und Brennstoffzellen Teil 12

Teil 12 | Wasserstoff fĂŒr die Industrie

Bisher wird Wasserstoff kaum in der Energiebranche eingesetzt, sondern vor allem als Grundstoff in der Industrie (vgl. Seite 62, ZukĂŒnftiger Wasserstoffbedarf), insbesondere in der Chemieindustrie, zum Beispiel zur Ammoniakherstellung fĂŒr DĂŒngemittel. Laut Nationaler Wasserstoffstrategie werden dafĂŒr derzeit 55 TWh Wasserstoff in Deutschland stofflich genutzt. Diese werden weit ĂŒberwiegend auf Basis fossiler EnergietrĂ€ger erzeugt. Laut der Wasserstoffstrategie der EuropĂ€ischen Union sollen Industriegebiete, die Wasserstoff in großen Mengen benötigen, auch die Keimzellen einer neuen Infrastruktur sein. In Hamburg wurde bereits ein Wasserstoffnetz angekĂŒndigt, das die großen Industrieunternehmen rund um den Hafen versorgen soll, darunter u. a. das Stahlwerk Arcelor.

Die Stahlindustrie ist ein zentrales Beispiel dafĂŒr, wie Wasserstoff auch in neuen Branchen eingesetzt wird, um kohlenstoffbasierte Grundstoffe zu ersetzen. Laut Nationaler Wasserstoffstrategie könnten allein in der deutschen Stahlindustrie fĂŒr die Substitution von Koks bis 2050 ĂŒber 80 TWh Wasserstoff benötigt werden.

Mit etwa sieben Prozent der CO2-Emissionen hat die Stahlindustrie einen betrĂ€chtlichen Anteil am menschengemachten Treibhauseffekt. Das liegt nur etwa zur HĂ€lfte am hohen Energiebedarf. Ein guter Teil geht auch auf den Herstellungsprozess an sich zurĂŒck.

Eisen liegt in der Natur nicht als reines Metall vor, sondern neigt bekanntlich dazu, mit Sauerstoff zu reagieren – umgangssprachlich nennt man das Rosten. Auch Eisenerz ist eine Verbindung von Eisen und Sauerstoff. Will man es zu Stahl verarbeiten, muss man also als Erstes den Sauerstoff entfernen. Dieser chemische Prozess wird in Hochöfen durchgefĂŒhrt und heißt Reduktion. In den Öfen wird das Eisen zusammen mit Koks eingeschichtet. Bei Temperaturen von bis zu 2.000 °C laufen mehrere Prozesse parallel ab. Stark vereinfacht bindet vor allem der Kohlenstoff aus dem Koks den Sauerstoff aus dem Erz – dabei entsteht CO2. Unten aus dem Hochofen wird dann das geschmolzene Roheisen entnommen.

Ebenfalls seit vielen Jahrzehnten bekannt und verbreitet ist die sogenannte Direktreduktion, die weniger Energie benötigt. Dabei können verschiedene kohlenstoffhaltige Grundstoffe eingesetzt werden. HÀufig ist es Methan. Im ersten Schritt wird dieses teilweise oxidiert.

2 CH4 + O2 → 2 CO + 4 H2

Im nÀchsten Schritt erfolgt die eigentliche Umwandlung des Eisenerzes zu Eisen:

Fe2O3+ CO + 2 H2 → 2 Fe + CO2 + 2 H2O

Das Eisen schmilzt dabei nicht. Es sieht nach dem Prozess genauso aus wie vorher, ist aber deutlich leichter, da der Sauerstoff fehlt. Man spricht daher von Eisenschwamm oder DRI (Directly Reduced Iron).

Selbst wenn die Energie komplett klimaneutral bereitgestellt wĂŒrde, wĂŒrden bei der Stahlherstellung also noch immer große Mengen CO2 freigesetzt werden. Ändern lĂ€sst sich das, indem man den Prozess grundsĂ€tzlich umstellt und anstelle von Kohlenstoffverbindungen Wasserstoff nutzt, um den Sauerstoff aus dem Erz zu entfernen.

Der Stahlkonzern Arcelor prĂŒft gerade den Einsatz eines solchen Verfahrens an seinem Standort in Hamburg. Die Bedingungen dort sind gĂŒnstig. Am Standort befindet sich seit mehreren Jahrzehnten eine Anlage zur Direktreduktion in einem anderen Verfahren im Einsatz. Hamburg hat ehrgeizige PlĂ€ne als Wasserstoffhauptstadt, und es steht im Norden viel Windstrom zur VerfĂŒgung, der zur Erzeugung von grĂŒnem Wasserstoff genutzt werden könnte.

Arcelor hat ausgerechnet, dass rund 2000 GWh Wasserstoff nötig wĂ€ren, um das gesamte Stahlwerk auf dieses Verfahren umzustellen. ZusĂ€tzlich benötigt das Werk auch noch Strom. In seiner Berechnung kommt das Unternehmen auf 174 Offshore-WindrĂ€der mit je 5 Megawatt Leistung, die es brĂ€uchte, um seine gesamte Stahlproduktion klimaneutral zu betreiben. Zum Vergleich: Ende 2019 waren in Deutschland rund 1.500 Offshore-WindrĂ€der in Betrieb (allerdings sind die Leistungen der neueren Anlagen bereits grĂ¶ĂŸer als 5 MW).

Wirtschaftlich liegt dagegen noch vieles im Unklaren. Arcelor kalkuliert, dass der grĂŒne Stahl um 35 bis 100 Prozent teurer wĂ€re als konventionell hergestellter Stahl. Das liegt zu einem großen Teil daran, dass die Herstellung des grĂŒnen Wasserstoffs bisher etwa dreimal so teuer ist wie die Erzeugung von Wasserstoff aus Erdgas. Umgerechnet auf das Endprodukt scheinen die Mehrkosten in einem vertretbaren Rahmen zu bleiben: Ein Kleinwagen aus grĂŒnem Stahl wĂŒrde ungefĂ€hr 500 Euro mehr kosten, ein PĂ€ckchen mit 100 Schrauben wĂ€re um 50 Cent teurer. Doch im Vergleich zu fossilen Energien entstĂŒnde so ein Nachteil im weltweiten Wettbewerb. Der ließe sich ausgleichen, wenn es einen weltweiten CO2-Preis oder eine Grenzabgabe auf CO2 an den EU-Außengrenzen gĂ€be. Hier zeigt sich wieder, wie Technologie, Wirtschaft und Politik global ineinandergreifen mĂŒssen, wenn Klimaschutz gelingen soll.

Wissenswertes zum Thema Wasserstoff und Brennstoffzellen

Die Technik von gestern, heute und morgen

Wissenswertes zum Thema Wasserstoff und Brennstoffzellen. Bewusst leicht verstÀndlich gehalten und beschrieben. Es soll technikinteressierten als ein umfangreiches Literaturverzeichnis dienen.

Die grundlegend ĂŒberarbeitete Neuauflage unseres Buches zu diesem Thema ist hier erhĂ€ltlich. Aktuelle Entwicklungen wurden ergĂ€nzt, Überholtes entfernt. Neben den jĂŒngsten Trends vermittelt dieses Buch – wie schon seine VorgĂ€nger – die grundlegenden physikalischen ZusammenhĂ€nge, denn diese gelten ja bei allem Wandel nach wie vor.

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