Bis zu 98 Prozent weniger CO2: Wie Wasserstoff die Stahlproduktion verändern kann
Eine Studie der Begleitforschung Industrie und Gewerbe zeigt, wie weit die wasserstoffbasierte Direktreduktion entwickelt ist. Im Fokus stehen auch die technischen, wirtschaftlichen und infrastrukturellen Hürden auf dem Weg in die breite Anwendung.
Stahl steckt in Gebäuden, Fahrzeugen, Maschinen und Windenergieanlagen. Seine Herstellung verursacht bislang jedoch erhebliche Mengen an Kohlenstoffdioxid. Rund sieben Prozent der weltweiten CO₂-Emissionen entfallen laut der nun im Rahmen des Verbundvorhabens EE4InG2 erschienenen Studie "Direktreduktion von Eisenerz mittels Wasserstoff - Technikentwicklung, Marktpotenzial und Forschungsförderung" (PDF) auf die Eisen- und Stahlindustrie.
Eine Alternative ist die Direktreduktion von Eisenerz mit Wasserstoff. Wird dafür grüner Wasserstoff eingesetzt, lässt sich der CO₂-Fußabdruck je Tonne Stahl gegenüber der Hochofenroute nach Angaben der Studie um 90 bis 98 Prozent reduzieren. Die Direktreduktion senkt nicht nur Emissionen, sondern verändert auch die Energieabhängigkeiten der Stahlindustrie: weniger Kohle, dafür mehr Strom und Wasserstoff.
Grüner Stahl: Wie Wasserstoff Kohle und Erdgas ersetzen kann
Fachleute aus Wirtschaft und Wissenschaft forschen gemeinsam daran, wie die Transformation der Stahlindustrie ein Erfolg wird. Sie setzen dabei auf grünen Wasserstoff. In einem neuen Video auf dem YouTube-Kanal „Energieforschung“ erklären sie, wie gut das schon gelingt.
mehrWasserstoff übernimmt die Aufgabe des Kohlenstoffs
Bei der Direktreduktion wird dem Eisenerz in einem Schachtofen der Sauerstoff entzogen. Statt Kohlenstoff kann dafür Wasserstoff eingesetzt werden. Es entsteht sogenannter Eisenschwamm oder Direct Reduced Iron, kurz DRI, der anschließend etwa in einem Elektrolichtbogenofen zu Stahl weiterverarbeitet wird.
Erdgasbasierte Direktreduktionsanlagen sind bereits kommerziell verfügbar. Beim weitgehenden oder vollständigen Einsatz von elektrolytisch erzeugtem Wasserstoff ist die Technologie noch nicht so weit. Deutschland zählt laut Studie dennoch zu den Ländern mit einem fortgeschrittenen Entwicklungsstand. Seit 2018 ist zudem die Zahl der Patentanmeldungen zur Direktreduktion deutlich gestiegen.
Von der Versuchsanlage zur Produktion im Millionen-Tonnen-Maßstab
Wie weit die Entwicklung bereits reicht, zeigen mehrere vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie geförderte Forschungsprojekte. Im Reallabor der Energiewende H₂Stahl entsteht in Duisburg eine Direktreduktions-Versuchsanlage. Sie soll verschiedene wasserstoffreiche Reduktionsgase sowie unterschiedliche eisenoxidhaltige Einsatz- und Reststoffe untersuchen. Ab 2027 sieht das Team Versuchskampagnen vor.
Bei SALCOS in Salzgitter entsteht unter anderem eine Direktreduktionsanlage mit einer Kapazität von rund zwei Millionen Tonnen direkt reduziertem Eisen pro Jahr. Die erste Ausbaustufe soll 2027 in Betrieb gehen.
Auch tkH₂Steel von thyssenkrupp Steel setzt auf eine Direktreduktionsanlage im industriellen Maßstab. Sie soll zunächst flexibel mit Erdgas und später zunehmend mit Wasserstoff betrieben werden. Parallel untersucht thyssenkrupp in einem neuen Labor, welche Eisenerze sich für die künftige Direktreduktionsroute eignen.
Vier Hürden bremsen den breiten Einsatz
Die Studie nennt vier zentrale Hemmnisse: hohe Investitionen und lange Laufzeiten bestehender Anlagen, den Ausbau der Wasserstoff- und Strominfrastruktur, die Kosten für erneuerbar erzeugten Wasserstoff sowie die Verfügbarkeit geeigneter Eisenerze.
Ein weiterer wichtiger Punkt ist die Rohstoffqualität. Für die Direktreduktion werden derzeit hochwertige Eisenerze mit hohem Eisengehalt benötigt. Sinkt die Erzqualität, können mehr Schlacke, höhere Eisenverluste und zusätzlicher Energiebedarf entstehen.
Wasserstoff-Direktreduktion: Prozess und Versorgung weiterentwickeln
Der Wechsel von Erdgas zu Wasserstoff verändert die chemischen Reaktionen und die Wärmeverhältnisse im Schachtofen. Deshalb ist weitere Forschung nötig, etwa um das Reduktionsgas optimal einzusetzen und Wasserstoff effizient vorzuwärmen.
Die Studie verweist auf Untersuchungen, nach denen geringe Kohlenmonoxidanteile den benötigten Wasserstoffeinsatz verringern können. Welche Mischung unter industriellen Bedingungen technisch und energetisch am günstigsten ist, bleibt eine offene Forschungsfrage.
Für den großskaligen Einsatz müssen erhebliche Mengen Wasserstoff zuverlässig zur Verfügung stehen. Dazu sind Erzeugungs- und Importkapazitäten sowie Transport- und Speicherinfrastruktur notwendig.
Wie groß der Bedarf werden kann, zeigt eine Berechnung der Studie: Für die Produktion von einer Million Tonnen Stahl wäre demnach eine Elektrolyseurleistung von rund 600 Megawatt erforderlich. Stahlstandorte könnten zu Knotenpunkten werden, an denen Transport und industrielle Nutzung zusammenkommen.
Stahlerzeugung und -verarbeitung
Die Stahlproduktion setzt sehr viel CO₂ frei. Künftig könnte grüner Wasserstoff Erdgas in den Prozessen ersetzen – und so die Klimabilanz der Branche verbessern.
mehrWirtschaftlichkeit bleibt entscheidend für den Markthochlauf
Energie und Einsatzstoffe machen laut Studie 60 bis 80 Prozent der Produktionskosten aus. Besonders der Preis von Strom und grünem Wasserstoff beeinflusst daher, ob emissionsärmer erzeugter Stahl mit konventionell produziertem Stahl konkurrieren kann.
Wie anspruchsvoll dieser Schritt bleibt, zeigt DRIBE2 von ArcelorMittal. Für Bremen und Eisenhüttenstadt waren eine wasserstofffähige Direktreduktionsanlage und neue Elektrolichtbogenöfen vorgesehen.
Im Juni 2025 stoppte ArcelorMittal die Transformationspläne bis auf Weiteres und kündigte an, zugesagte Fördermittel nicht in Anspruch zu nehmen. Als Gründe nennt die Studie insbesondere die Marktsituation und die fehlende Wirtschaftlichkeit einer CO₂-reduzierten Stahlproduktion unter den damaligen Rahmenbedingungen.
Für die Autorinnen und Autoren zeigt der Fall, dass Förderung von Forschung und Demonstration allein den Markthochlauf nicht absichert. Für Skalierung und dauerhaften Betrieb brauche es verlässliche wirtschaftliche Rahmenbedingungen.
Die Studie ist im Rahmen des vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie geförderten Verbundvorhabens EE4InG2 – Begleitforschung für Energieeffizienz in Industrie und Gewerbe 2.0 entstanden. Die Ergebnisse fließen in den fachlichen Austausch im Forschungsnetzwerk Industrie und Gewerbe ein. (az)
Studie Direktreduktion von Eisenerz mittels Wasserstoff