CO₂-Emissionen entstehen während der Roheisenherstellung auf der herkömmlichen Hochofenroute prozessbedingt. Aus diesem Grund setzt die Stahlindustrie zukünftig auf eine alternative Prozessroute, welche die CO₂-Emissionen minimiert. Jedoch benötigt die Umrüstung der Prozesstechnologie Zeit, sodass die alternative Prozessroute erst in vielen Jahren vollständig etabliert sein wird. Für die Übergangszeit ist es notwendig ein Konzept zu entwickeln, das entstehendes CO₂ möglichst sinnvoll nutzt und damit die Emissionen schon bis 2030 reduziert.

 

 

 

Motivation

 

Die großen Stahlunternehmen planen in den kommenden Jahrzenten die Hochofenroute zur Roheisenherstellung durch alternative Prozessrouten zu substituieren. Von zentraler Bedeutung sind hierbei Direktreduktionsanlagen in Kombination mit elektrischen Einschmelzaggregaten, welche an die Stelle der konventionellen Hochöfen treten sollen. Direktreduktionsanlagen arbeiten mit Reduktionsgasen, welche bei Überdruck und hohen Temperaturen Sauerstoff aus dem Eisenerz separieren und dieses somit zu Eisen reduzieren. Bei genanntem Prozess wird das entstehende Eisen nicht verflüssigt, weshalb ein anschließendes Einschmelzen mittels elektrischer Energie notwendig wird. Als Reduktionsgas soll zukünftig Wasserstoff eingesetzt und elektrische Energie aus regenerativen Quellen bezogen werden. Allerdings wird es noch Jahrzehnte dauern, bis eine entsprechende Infrastruktur für die regenerative Strom- und Wasserstofferzeugung geschaffen ist. Aus diesem Grund sollen Direktreduktionsanlagen in einer Übergangsphase zunächst mit Erdgas betrieben werden. Als Kuppelprodukt entsteht hierbei hochreines CO₂, welches in den Hochöfen wiederverwertet werden soll, da es in den nächsten 20 bis 30 Jahren einen Parallelbetrieb der konventionellen Hochöfen und der modernen Direktreduktionsanlagen geben wird.

 

 

Ziele und Vorgehen

 

Das Projekt NuCOWin (Nutzung von CO₂ im Heißwind zur Effizienzsteigerung im Hochofen) widmet sich dieser Wiederverwertung und erforscht den Einsatz von CO₂ im Heißwind. Die Grundidee des Projekts zeichnet sich durch die systemische Betrachtung von Direktreduktionsanlagen und Hochöfen als temporär koexistierende Einheiten aus. So soll im Direktreduktionsprozess anfallendes CO₂ als Kohlenstoff und Sauerstoffträger nutzbringend im Hochofen eingesetzt werden, um über den gesamten Hüttenverbund CO₂-Emissionen zu verringern. Durch das Einbringen von CO₂ in den Hochofen wird darüber hinaus Luft, welche zu einem Großteil aus dem Inertgas Stickstoff besteht, substituiert. Dies hat zur Folge, dass sich die Gichtgaszusammensetzung grundlegend verändert. Als Konsequenz wird ein höherwertiges Gichtgas erwartet, das den nachgeschalteten Prozessen eines integrierten Hüttenwerkes zugeführt und unter Umständen sogar erneut als Reduktionsgas in einer
Direktreduktionsanlage eingesetzt werden kann. Basierend auf dieser Idee sollen Erkenntnisse in umfangreichen Labor- und Technikumsversuchen gewonnen und Konzepte zum nutzbringenden CO₂-Recycling sowohl entwickelt als auch erprobt werden. Da die im Hochofen ablaufenden Prozesse aufgrund der Gleichzeitigkeit von exotherm und endotherm ablaufenden irreversiblen Reaktionen hochgradig komplex sind, muss zudem eine detaillierte Modellbildung und Prozesssimulation erfolgen.

 

 

Partner und Verwertung

 

Das Vorhaben wird vom Lehrstuhl für Metallurgie und Umformtechnik der Universität Duisburg-Essen koordiniert. Zudem erfolgen die Modellbildung und Prozesssimulation in Duisburg. Das Institut für Metallurgie der Universität Clausthal beschäftigt sich vor allem mit der praktischen Versuchsdurchführung und ist für die Entwicklung des Versuchsstandes und die Durchführung der Versuche zuständig, anhand derer die Prozesssimulation validiert werden kann. Zudem ist Deutschlands größter Stahlerzeuger, die thyssenkrupp Steel Europe AG, ein wichtiger Industriepartner des Konsortiums. Durch den Verbund von interdisziplinär agierenden Partnern sollen alle technischen, ökonomischen und ökologischen Fragestellungen des Vorhabens fundiert betrachtet und gelöst werden, um die Ambitionen der Partner zum gegenseitigen Nutzen, zum Vorteil der gesamten deutschen Stahlindustrie und des Umweltschutzes umzusetzen.