Quelle: ©vratskykh_olga - stock.adobe.com

 

Stahl ist eine Eisen-Kohlenstoff-Legierung und wird zu einer Vielzahl unterschiedlicher Produkte weiterverarbeitet: Im Bauwesen, Automobil- und Schiffbau sowie im Maschinenbau ist Stahl der dominierende Werkstoff. Er lässt sich warm oder kalt durch Walzen oder Schmieden umformen und bearbeiten. Speziell Schmiedeprodukte aus Edelstahl sind unentbehrliche Bestandteile in vielen Hochtechnologie-Anwendungen wie der Energie- und Kraftwerkstechnik, der Transporttechnik sowie der Luft- und Raumfahrt. Hier werden sie zum Beispiel als Turbinen- und Achswellen oder Komponenten von Triebwerken und Windenergieanlagen eingesetzt. Um den hohen Anforderungen an Festigkeit, Zähigkeit, Langlebigkeit und Korrosionsbeständigkeit zu genügen, müssen bei der Herstellung mehrere definierte Prozessschritte durchlaufen werden.

Stahl ist nicht gleich Stahl: Von dem Werkstoff gibt es mehr als 2.500 Sorten, die sich in ihren Legierungen und Materialeigenschaften voneinander unterscheiden. Stahl ist ein High-Tech-Produkt und die Nachfrage auf dem Weltmarkt wächst stetig. Nach Informationen der Wirtschaftsvereinigung Stahl werden in Deutschland jährlich über 42 Millionen Tonnen Rohstahl produziert . Ein Drittel davon wird in Elektrolichtbogenöfen hergestellt, zwei Drittel im Konverter integrierter Hüttenwerke als Oxygen-Stahl erschmolzen. Dementsprechend ist die Eisen- und Stahlindustrie besonders energieintensiv. „Aber ohne Stahl würde die Energiewende nicht funktionieren. Denn ohne Innovation in einem Bereich wie Stahl, sind oftmals Innovationen in anderen Branchen nicht möglich “, sagt Peter Dahlmann, geschäftsführendes Vorstandsmitglied des Stahlinstitutes VDEh und für das BMWi-Forschungsfeld Eisen und Stahl.

Die Stahlbranche leistet mit ihren hochmodernen Werkstoffen einen erheblichen Beitrag zum Leichtbau. So lassen sich mittlerweile beeindruckende Leichtbaustrukturen aus Stahl herstellen, von denen insbesondere industrielle Anwender profitieren. Darüber hinaus steht der Werkstoff dank seiner hervorragenden Recyclingfähigkeit für eine effiziente Ressourcenschonung. Das große Potential des Werkstoffs spiegelt sich auch auf dem internationalen Markt wieder. Die deutsche Stahlindustrie kommt auf einen Umsatz von 35 Milliarden Euro im Jahr und zeichnet sich durch eine hohe Exportquote aus.

Dank kontinuierlicher Forschung und Entwicklung ist es in den vergangenen Jahren gelungen, den Werkstoff Stahl energieeffizienter zu produzieren und durch ständige Weiterentwicklung Produkte auf den Markt zu bringen, die durch ihre Anwendung eine höhere Effizienz sichern. „Dieses Potenzial gilt es weiter auszubauen und zu optimieren, um noch energieeffizienter zu werden und im globalen Wettbewerb weiterhin wirtschaftlich gut aufgestellt zu sein “, so Peter Dahlmann. Jedes Jahr würden bestehende Stähle weiter optimiert und neue gezielt für bestimmte Anwendungen entwickelt.  „Wir sprechen also nicht vom alten Eisen, sondern von einem weitgehend ausgereiften, aber lang noch nicht ausgereizten Werkstoff.“

Das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) hat im Forschungsfeld Eisen und Stahl alle Aktivitäten für eine effektive und effiziente Forschung dieser Schlüsseltechnologie gebündelt und fördert diese in zahlreichen Projekten sowie Demonstrationsvorhaben. Das ermöglicht einen wissenschaftlichen Austausch der Akteure, langfristige Forschungskooperationen sowie programmatische Weiterentwicklungen unter dem Dach des Forschungsnetzwerks in Industrie und Gewerbe. Die vernetzte Zusammenarbeit von Wissenschaft und Wirtschaft im Forschungsfeld Eisen und Stahl beschleunigt den Transfer von Forschungsergebnissen in die Praxis.

 

Da Stahl als Werkstoff stark mit der wirtschaftlichen Entwicklung unserer Gesellschaft verbunden ist, kommt der effizienten Weiterentwicklung von Be- und Verarbeitungsverfahren eine zentrale Rolle zu. Das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) fördert innovative Technologien und Konzepte in diesem Bereich und setzt mit dem Forschungsfeld Eisen und Stahl seine Vernetzungsstrategie in der Energieforschung fort. 

Das Forschungsfeld Eisen und Stahl identifiziert Effizienzpotenziale und deren Nutzung im Prozess, erschließt eingesetzte Technologien systematisch und über die Grenzen von einzeln geförderten Vorhaben hinweg. Im Forschungsvorhaben WOCH-ÖFEN - wärmetechnisch optimierte Hochtemperatur-Chargenöfen entwickeln Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler zum Beispiel ein neues Beheizungskonzept: Der durchschnittliche Energiebedarf der Schmiedeöfen variiert aufgrund der großen Bandbreite der Betriebe, der Produkte, des Einsatzmaterials und dem Ofenzustand von 1,5 bis 4 Gigajoule pro Tonne. In der Praxis sind Regler für Temperatur, Druck und Sauerstoff ungenügend aufeinander abgestimmt und die Positionierung der Messfühler oft nicht optimal. Im Forschungsvorhaben WOCH-ÖFEN will das Forscherteam diese Parameter beim Schmieden berücksichtigen. Mit einem neuen Beheizungskonzept sollen Druckschwankungen, Falschlufteintritt und Ausflammen auf ein Minimum reduziert und die Energieeffizienz sowie Stahlqualität gesteigert werden. In der Praxis gehen beim Erwärmen in Ofen rund 2 Prozent der eingesetzten Masse durch Verzunderung verloren. Das summiert sich in Deutschland im Jahr auf rund 42.000 Tonnen Stahl. Im Forschungsvorhaben WOCH-ÖFEN arbeiten die Forscher daran, diese Zunderbildung zu vermindern und damit den Ressourcenverbrauch zu senken. „Das Energie-Einsparpotenzial wirkt oft erst einmal gering, weil es im einstelligen Prozentbereich liegt. Aber jeder Prozentpunkt ist wirtschaftlich und lohnt sich im Wettbewerb, weil dahinter einfach große Massen stehen “, sagt Peter Dahlmann, geschäftsführendes Vorstandsmitglied des Stahlinstitutes VDEh und Kurator für das BMWi-Forschungsfeld Eisen und Stahl

Beim Erschmelzen des Rohstahls im Elektrolichtbogenofen werden neben Stahlschrott als metallische Einsatzstoffe vermehrt Alternativen wie Eisenschwamm und Roheisenmasseln mit hohen Kohlenstoffgehalten verwendet. Forscherinnen und Forscher entwickeln im Vorhaben EeSeL - Erhöhung der Energieeffizienz der Stahlerzeugung in Lichtbogenöfen eine  verbesserte Prozessführung und -regelung, um elektrische Energie einzusparen und die Prozessdauer zu verkürzen. Mit einer optimierten Schaumschlackenregelung könnte elektrische Energie von rund 10 Kilowattstunden pro Tonne eingespart werden. Eine optimierte Nachverbrennung im Ofen führt voraussichtlich, je nach Einsatzstoffen, zu einer Energieeinsparung von etwa 15 Kilowattstunden pro Tonne. Schließlich kann durch eine verbesserte Endpunktkontrolle sowie eine optimierte  Zufuhr der Einsatzstoffe die Behandlungsdauer um etwa drei Minuten verringert werden, wodurch sich zusätzlich etwa 15 Kilowattstunden pro Tonne einsparen lassen könnten.

Im abgeschlossenen Forschungsvorhaben RENSODYN- Recycling Rationellere Energieausnutzung in Schachtöfen hat ein Wissenschaftlerteam die Energieeffizienz an mehreren Hochöfen mit einem regelbasierten Prozessführungssystemsteigern können. Das System liefertauf Basis aktueller Messdaten frühzeitig Vorschläge und Hinweise zum Einsatz der sogenannten Reduktionsmittel, wie zum Beispiel Koks, Kohle oder Öl. Durch eine genauere Einhaltung der Zieltemperatur im Roheisen konnte das Forscherteam den Einsatz der Reduktionsmittel um 0,5 - 2 Prozent senken.

Teil der BMWi-Forschungsförderung sind auch hocheffiziente Elektrobänder aus Stahl. Sie werden in Generatoren von Windkraftanlagen, Industrieantrieben oder in Elektrofahrzeugen eingesetzt. Hocheffiziente Elektrobänder lassen solche Anlagen effizienter arbeiten und sorgen dafür, dass die mechanische Rotationsenergie verlustarm in elektrischen Strom umgewandelt wird. Bislang lassen sich hocheffiziente Elektrobänder nur sehr aufwändig herstellen. Im Forschungsvorhaben Elektroband Plus -Materialforschung für die nächsten Generationen entwickeln Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler neuartige und marktfähige Legierungskonzepte.

Das Forschungsfeld Eisen und Stahl verbindet als Schnittstelle zwischen Forschung, Politik und Wirtschaft alle relevanten Akteure der Branche und ist Impulsgeber neuer Förderstrategien. Es schafft Synergien und ist mit energieeffizienten Lösungen ein wichtiger Baustein für die Energieeffizienz und Einsparung von CO₂-Emissionen in den Sektoren Industrie und Gewerbe, Handel und Dienstleistungen in Deutschland.

In Deutschland findet die Eisenerzreduktion mit Kohlenstoffmonoxid unter Einsatz von Koks und kohlenstoffhaltigen Ersatzreduktionsmitteln nahezu ausschließlich im Hochofenverfahren statt. Zudem werden in einer kleineren Direktreduktion-Schachtofenanlage Eisenerze mit Erdgas reduziert. Um die Klimaschutzziele zu erreichen, können solche Direktreduktionsanlagen voraussichtlich auch mit Wasserstoff anstelle von Erdgas betrieben werden. Die Voraussetzung für eine entsprechende Anwendung von Wasserstoff zur CO₂-armen Stahlerzeugung ist die elektrolytische Wasserstoffproduktion mit Strom aus regenerativen Quellen sowie die Wasserstoffspeicherung und die Wasserstoffverteilung. Die Akteure im Forschungsfeld Eisen und Stahl wollen diese Technologie weiterentwickeln. Dazu gehört unter anderem auch Kinetik und Thermodynamik im Schachtofen bei Temperaturen von über 700 Grad Celsius.

Wie Prozessgase der Eisen und Stahlindustrie mit geringem Energieeinsatz und geringen zusätzlichen Emissionen kostengünstig aufbereitet werden können, ist ein weiterer Schwerpunkt im Forschungsfeld Eisen und Stahl. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler wollen zum Beispiel Waschlösungen, Membranen und Adsorbentien weiterentwickeln, die bestimmte gasförmige Stoffe an ihrer Grenzfläche selektiv anreichern.

Die Effizienz der kontinuierlichen und im Betrieb arbeitenden Hochtemperaturprozesse in der Stahlproduktion hängt von der optimalen Steuerung des Energieeinsatzes ab. „Künftig sind neue Prozessführungs- und Automatisierungskonzepte sowie ein verbessertes Energiemanagement gefragt, um die stark fluktuierenden erneuerbaren Energien flexibel in den Prozessketten nutzen zu können “, so Peter Dahlmann, geschäftsführendes Vorstandsmitglied des Stahlinstitutes VDEh und Kurator für das BMWi-Forschungsfeld Eisen und Stahl.  Die Digitalisierung spielt auch bei der Stahlproduktioneine wesentliche Rolle, insbesondere wenn es darum geht, den Energieverbrauch zu optimieren. Erweiterte Sensorik gibt Informationen über exakte Energieverbräuche und den Materialfluss in der Prozesskette, so dass unmittelbar und optimal auf sich ändernde Bedingungen reagiert werden kann.  

Die Akteure des Forschungsfelds Eisen und Stahl weisen dem additiven Manufacturing ein großes Potenzial in der Stahlproduktion zu: Mit keramischen 3D-Druck-Bauteilen könnten Thermoprozessanlagen beispielsweise energetisch besser ausgelegt werden. Ein weiterer Fokus liegt auf dem Leichtbau: Neue hochfeste oder dichtereduzierte Stähle, stahlbasierte Verbundwerkstoffe und moderne Verarbeitungstechnologien ermöglichen leichtere und energiesparende sowie ressourceneffiziente Produkte.  Insbesondere bei Fahrzeugen oder Komponenten des Maschinen- und Anlagenbaus ist das unverzichtbar, um Rohstoffe und Energie nicht nur während der Herstellung, sondern auch in der Nutzungsphase einzusparen. So können zum Beispiel Kraftstoffverbräuche von Fahrzeugen aller Art gesenkt oder die Leistungsfähigkeit von Kraftwerken durch den Einsatz von Hochleistungsstählen erhöht werden.

Ziel ist, die Energieeffizienzpotenziale in der Stahlindustrie weiter auszubauen und Technologien, Methoden sowie Verfahren weiterzuentwickeln und im Markt zu implementieren. Das wird zum einen durch die Weiterentwicklung des Stands der Technik erreicht, zum anderen durch die Entwicklung neuer Geschäftsmodelle für eine wirtschaftliche und sinnvolle Darstellung der Betriebskosten. Weiterer Fokus im Forschungsfeld Eisen und Stahl ist die Überwindung organisatorischer Hemmnisse, die Optimierung und Erweiterung des Anlagenverbunds sowie die Redundanz bei Teilstillstanden. Hinzu kommen systemische Betrachtungen der Energie- und Rohstoffversorgungssysteme der Zukunft, insbesondere bezüglich Recycling von Stahlschrotten und anderen möglichen Kreislaufstoffen.

Stahlinstitut VDEh, geschäftsführendes Vorstandsmitglied

Dr.-Ing. Peter Dahlmann

peter.dahlmann@vdeh.de

 

Projektträger Jülich

Dr. Claus Börner

c.boerner@fz-juelich.de

 

http://www.bine.info/publikationen/publikation/energieeffizientes-recycling-von-eisen-reststoffen/