Wasserstoff löst Veränderungen in der Zukunft der grünen Stahlproduktion aus

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Stahl mag in modernen Gesellschaften ein wichtiges Produkt sein, ist aber auch eine Hauptquelle für CO2-Emissionen. Welche Rolle könnte grüner Stahl also auf dem Weg zu Netto-Null spielen? Obwohl es derzeit doppelt so teuer ist wie weniger klimafreundliche Alternativen, bringt es eine Vielzahl von Vorteilen mit sich – und nur einen geringen Preisanstieg für stahllastige Produkte

Hier liegt das Dilemma: Stahl ist ein Schlüsselmaterial in modernen Gesellschaften. Es versorgt uns mit Häusern, Brücken, Transportmitteln sowie lebenswichtigen Geräten und Produkten. Es ist nicht nur ein Relikt der alten industriellen Revolution – Stahl ist auch für eine kohlenstoffarme Wirtschaft von entscheidender Bedeutung. Umweltfreundliche Transportmittel wie Elektrofahrzeuge, Elektrobusse und Züge erfordern große Mengen Stahl, ebenso wie Windkraftanlagen und Elektrolyseure. Daher ist es bedauerlich, dass die Stahlproduktion auch eine große Quelle globaler Treibhausgasemissionen ist. Umweltfreundlichere Alternativen müssen sich erst noch bewähren und werden in einem hart umkämpften Markt oft als unerschwinglich teuer angesehen. Eine gründliche Umstellung von Produktionsabläufen dauert Jahre, daher vollzieht sich der Wandel oft sehr langsam.

Weltweiter Einsatz von Stahl im Jahr 2022

Worldsteel und BNEF

Die Stahlherstellung ist ein sehr energieintensiver Prozess und die derzeitige Technologie basiert hauptsächlich auf Kohle. Heute verursacht es jedes Jahr 2,7 Milliarden Tonnen CO2, was 7 % der jährlichen Emissionen weltweit entspricht. Die Anteile verdoppeln sich ungefähr auf 15 %, 14 % bzw. 12 % für China, Südkorea und Japan. Angesichts der allgemeinen Einschätzung einer wachsenden Weltbevölkerung und eines zunehmenden Wohlstands wird demnach ein Anstieg der Stahlnachfrage um 35 % bis 2050 erwartet Bloomberg New Energy Finance. Während sich der Sektor hinsichtlich der Energieeffizienz verbessert, dürften die Emissionen steigen, wenn Stahl weiterhin überwiegend mit Kohle hergestellt wird. Das steht nicht ganz im Einklang mit dem Ziel, eine Netto-Null-Wirtschaft zu schaffen. Wir werden uns also mit dem Geschäftsszenario möglicher technologischer Lösungen zur Reduzierung der Kohlenstoffemissionen im Stahlsektor befassen. Wir werden beurteilen, wo wir uns gerade befinden und unter welchem ​​unterschiedlichen Druck Unternehmen derzeit stehen, ihre Netto-Null-Ziele zu erreichen. Wir werden auch untersuchen, welche alternativen Kraftstoffe sich als Vorreiter in der Technologie erweisen könnten, wenn sich die Wissenschaft verbessert und anpasst. Es gibt drei Hauptstrategien zur Reduzierung von Emissionen:1. Temperieren derNachfrage nach Stahl Eine schwierige Aufgabe, wenn man bedenkt, dass der Konsens davon ausgeht, dass die Nachfrage bis 2050 steigen wird und Alternativen für Stahl wie Aluminium und Beton ebenfalls sehr kohlenstoffintensiv sind. Der Ersatz von Stahl durch ein anderes Produkt, das viel Kohlenstoff ausstößt, ist nicht gerade ein großer Fortschritt für den Klimaschutz.2. Verbesserung derEnergieeffizienz bestehender StahlwerkeDies ist besonders hilfreich für alte kohlebasierte Stahlwerke, wo die Emissionen durch den Einsatz hochwertigerer Erze oder effizienterer Technologien zum Einblasen von Kohle in den Ofen um bis zu 30 % reduziert werden können. Die Materialeffizienz kann auch durch die Verwendung von mehr recyceltem Stahl verbessert werden – aber da weltweit 85 % des gebrauchten Stahls recycelt werden, sind die Recyclingquoten bereits hoch. Zudem bleiben die meisten Stahlprodukte jahrzehntelang im Einsatz, bevor sie recycelt werden können. Infolgedessen gibt es nicht genügend recycelten Stahl, um die wachsende Nachfrage zu decken, und die Welt benötigt weiterhin große Mengen an „Primärstahl“.3. Bewirbt sichtechnische Korrekturen zum Prozess der StahlherstellungZum Beispiel durch die Elektrifizierung von Teilen des Prozesses mit Elektrolichtbogenöfen, die mit sauberem Strom betrieben werden, oder durch die Erfassung und Speicherung der Kohlenstoffemissionen aus der herkömmlichen Stahlproduktion auf Kohlebasis. Diese Technologie heißt Carbon Capture and Storage (CCS) und lässt den derzeitigen kohlebasierten Prozess intakt, während sie die Emissionen um 75–90 % reduzieren kann. Der Ersatz von Kohle durch einen synthetischen Brennstoff wie Wasserstoff ist eine weitere technologische Lösung, die den Kohlenstoffausstoß erheblich reduzieren kann. Wenn der Wasserstoff auf saubere Weise hergestellt wird (also mit blauem Wasserstoff oder grünem Wasserstoff aus kohlenstoffarmen Energiequellen wie Sonnenkollektoren, Windkraftanlagen, Wasserkraft oder Kernkraft). Während technische Verbesserungen ein wichtiger Wegbereiter für den Übergang zu einer Netto-Null-Wirtschaft sind, besteht das Risiko von Rebound-Effekten und dem Jevons-Paradoxon: Die Nachfrage nach Stahl könnte steigen, sobald seine Klimaauswirkungen verringert werden.

Angesichts der Grenzen der Nachfragereduzierung und verbesserten Energieeffizienz – und trotz des Jevons-Paradoxons – glauben wir, dass CCS und Wasserstoff wahrscheinlich eine entscheidende Rolle auf dem Übergangspfad des Stahlsektors zu einer Netto-Null-Wirtschaft spielen werden. Wasserstoff ist mit Elektrifizierung gekoppelt die ultimative Form der grünen Stahlproduktion in einer Netto-Null-Wirtschaft. CCS ist eine wichtige Möglichkeit, die Kohlenstoffemissionen der vielen bestehenden kohlebasierten Stahlwerke auf der ganzen Welt drastisch zu senken, insbesondere der jüngeren, die wahrscheinlich noch viele Jahre im Geschäft bleiben werden. Beachten Sie, dass wir die gasbasierten Stahlwerke noch nicht untersucht haben Stahlerzeugung aus zwei Gründen. Erstens wird Gas im Allgemeinen nur als Übergangsbrennstoff und nicht als Hauptenergiequelle in einer Netto-Null-Wirtschaft angesehen. Diese Rolle wird im Allgemeinen synthetischen Kraftstoffen wie Wasserstoff zugeschrieben. Zweitens mussten wir die Modellierungsmöglichkeiten aus praktischen Gründen einschränken, da sie recht komplex sind. Dann ist es sinnvoll, sich auf kohlebasierte Routen zu konzentrieren, die etwa 70 % der weltweiten Stahlproduktion ausmachen, und einen Blick auf die ultimative Form der grünen Stahlproduktion zu werfen. Wir glauben jedoch, dass die gasbasierte Stahlproduktion wirken wird als Zwischentechnologie und könnte ein Sprungbrett in Richtung wasserstoffbasierter Stahlerzeugung sein. Tatsächlich handelt es sich bei den neuesten gasbasierten Stahlwerken häufig um Dual-Fuel-Anlagen, die problemlos von Gas auf Wasserstoff umstellen können, sobald grüner Wasserstoff in Zukunft in großen Mengen verfügbar ist. Experten gehen davon aus, dass dies ab 2035 der Fall sein könnte.

Stahl wird aus Eisen hergestellt, einem der bekanntesten Metalle. Es wird seit der Antike verwendet und Historiker nennen sogar einen Zeitraum von 650 Jahren für die Verwendung von Eisen (die Eisenzeit, die auf 1.200–550 v. Chr. zurückgeht). Die industrielle Revolution machte es möglich, Eisen in hochwertigen Stahl umzuwandeln, und das löste die vielen Stahlanwendungen unserer modernen Gesellschaften aus. Die Stahlherstellung besteht aus zwei Schritten, beginnend mit der Reduktion von Eisenoxid (aus der Erde gewonnen) zu reinem Eisen, das dann wird zu Stahl verarbeitet. Es gibt Hunderte verschiedener Stahlformen, aber alle werden aus Eisen hergestellt. Der Prozess der Umwandlung von Eisenerz in Eisen und anschließend in Stahl erfordert sehr hohe Temperaturen und daher ist eine Energiequelle zur Wärmeerzeugung erforderlich. Im konventionellen Verfahren wird Kohle sowohl als Ausgangsstoff für die Reduktion von Eisenerz zu Eisen als auch als Energiequelle zur Wärmeerzeugung verwendet. Der erste Schritt der Umwandlung von Eisenerz in Eisen ist mit Abstand der energie- und kohlenstoffintensivste Schritt und macht den größten Anteil aus etwa 80 % der Kohlenstoffemissionen bei der kohlebasierten Stahlerzeugung.

Die drei Stahlproduktionstechnologien stehen im Mittelpunkt dieses Artikels

ING-Forschung

Kohlenstoffemissionen können abgeschieden und unterirdisch gespeichert werden (CCS) oder in anderen Teilen der Wirtschaft genutzt werden (Carbon Capture Utilization and Storage, kurz CCUS). Durch den Einsatz dieser Art von Technologie gelangen 75 bis 90 % der Emissionen nicht in die Atmosphäre und tragen daher nicht zur globalen Erwärmung bei. Die Kohlenstoffabscheidung und -speicherung ist eine relativ kostengünstige Technologie im Kampf gegen die globale Erwärmung. Die CO2-Konzentrationen am Ende der Pipeline sind oft sehr hoch, was ihre Erfassung relativ einfach und kostengünstig macht. Die CCS-Kosten in der Stahlproduktion liegen zwischen 60 und 100 Euro pro Tonne Kohlenstoff. Dies ist viel günstiger als Technologien wie Elektrofahrzeuge, Hausrenovierungen und wasserstoffbasierte Lösungen, die Hunderte von Euro pro Tonne CO2-Reduzierung kosten. Trotzdem wurde CCS in der Stahlherstellung noch nicht häufig eingesetzt, da es nicht verpflichtend ist , und Kohlenstoff wird weltweit oft nicht ausreichend bepreist. Der europäische CO2-Preis von rund 85 Euro pro Tonne CO2 fängt an zu greifen – aber Stahlproduzenten genießen immer noch eine Reihe kostenloser Zertifikate, und die Preise sind in letzter Zeit gestiegen, während Investitionen in CCS erst nach Jahren realisiert werden.

Wasserstoff bietet die Möglichkeit, den Prozess der Stahlherstellung völlig neu zu gestalten. Der Zauber von Wasserstoff besteht darin, dass er den gesamten Prozess nahezu kohlenstofffrei machen kann! Durch die direkte Reaktion von Wasserstoff mit Eisenerz entstehen Eisen und Wasser anstelle von Eisen und CO2. Dieses Verfahren heißt Direct Reduced Iron (DRI) und wird bereits mit Erdgas anstelle von Wasserstoff eingesetzt. Ein zusätzlicher Vorteil der DRI-Stahlherstellung besteht darin, dass die Hauptreaktion bei einer niedrigeren Temperatur abläuft und daher weniger Energie benötigt. Die Reduktion von Eisenerz erfolgt in einem Schachtofen bei einer relativ niedrigen Temperatur von etwa 1.000 °C. Das reduzierte Eisen wird anschließend in einem Elektroofen zu flüssigem Roheisen weiterverarbeitet. Wie in anderen Sektoren ist die Elektrifizierung eine wichtige Strategie zur Ökologisierung des Stahlsektors, sowohl durch die Produktion von grünem Wasserstoff mit Strom als auch durch die Elektrifizierung von Öfen. Die DRI-Technologie bietet viele Vorteile und kann die CO2-Emissionen deutlich reduzieren. Dabei können auch Schrott oder recycelter Stahl verwendet werden, was die Kreislaufwirtschaft fördert. Die Produktion mit der DRI-Technologie bietet zudem eine höhere Flexibilität, da der Prozess einfacher zu starten und zu stoppen ist. Die DRI-Technologie kann hochwertigen Stahl produzieren und bietet daher auch einen umweltfreundlichen Weg zu Stahlwerken, die sich auf das obere Ende des Stahlmarktes konzentrieren. Energieanlagen können statt mit Kohle auch mit Wasserstoff betrieben werden. Während bei der Verbrennung von Kohle CO2 entsteht, verwandelt sich Wasserstoff bei der Reaktion mit Sauerstoff in Wasser. Da Eisenerz schließlich bei niedrigeren Temperaturen (ca. 1.000 °C statt 1.500 °C) reduziert werden kann, benötigt der Prozess immer noch viel Energie, aber weniger als sonst. Die folgende Grafik zeigt die Kohlenstoffemissionen eines Kilogramms Stahl für verschiedene Stahlerzeugungstechnologien.

Indikative Emissionen für verschiedene Stahlproduktionstechnologien in Kilogramm CO2 pro Kilogramm Stahl

ING-Forschung

Richtwerte für die Emissionen bei der Herstellung eines Kilogramms Stahl. Wir betrachten nur Scope-1- und Scope-2-Emissionen, also nicht die Scope-3-Emissionen aus der Verwendung von Stahl durch andere Unternehmen oder Verbraucher. Es wird davon ausgegangen, dass die CCS-Abscheidungsrate bei der kohlebasierten Stahlerzeugung 80 % und bei der Produktion von blauem Wasserstoff 85 % beträgt. Wir haben angenommen, dass die Netzemissionen Schwedens einem vollständig auf erneuerbaren Energien basierenden Stromnetz ähneln (10 kg CO2/MWh), die Niederlande einem Stromnetz auf Gasbasis ähneln (325 kg CO2/MWh) und Polen einem Stromnetz auf Kohlebasis ähneln ( 735 kgCO2/MWh). Wir zeigen die Emissionen pro Kilogramm Stahl an, damit die Zahlen für alle Produktionstechniken und Brennstoffarten vergleichbar sind. Beachten Sie, dass wir die gasbasierte Stahlerzeugung nicht untersucht haben, da Gas im Allgemeinen nur als Übergangsbrennstoff und nicht als Hauptenergiequelle in einer Netto-Null-Wirtschaft angesehen wird. Diese Rolle wird vollständig grünem Wasserstoff zugeschrieben (Wasserstoff aus Sonnen-, Wind-, Wasser- oder Atomkraft).

Ohne auf alle technischen Aspekte und Komplexitäten beider Routen einzugehen, sind zwei wichtige Punkte erwähnenswert: Erstens bietet CCS eine Möglichkeit, die Kohlenstoffemissionen der herkömmlichen kohlebasierten Stahlerzeugung radikal zu senken. Unsere indikativen Berechnungen deuten auf eine Emissionsreduzierung von 80 % hin – ein beeindruckendes Ergebnis, wenn man bedenkt, dass der Kohlenstoffgehalt eines Kilogramms Stahl von etwa 1,87 Kilogramm CO2 auf 0,38 Kilogramm reduziert wird. Zweitens bietet Wasserstoff eine Möglichkeit, den Produktionsprozess in solchen Stahlwerken radikal zu verändern und zwar so, dass es kaum CO2 ausstößt. Der Kohlenstoffgehalt von Stahl wird auf nahezu Null reduziert, wenn „vollständig grüner“ Wasserstoff verwendet wird. Damit meinen wir Wasserstoff, der mit einem Elektrolyseur hergestellt wird, der vollständig durch kohlenstofffreie Technologien wie Sonnenkollektoren, Windturbinen, Wasserkraftwerke und Kernkraftwerke betrieben wird (oder eine Kombination davon). Die Definition von grünem Wasserstoff impliziert, dass der Strom, mit dem der Elektrolyseur betrieben wird, ausschließlich aus erneuerbaren Quellen (Solar- und Windenergie) stammt. In der Praxis ist dies jedoch noch nicht der Fall, da Solar- und Windenergie nicht immer verfügbar sind und die Stromnetze in vielen Ländern immer noch überwiegend auf fossilen Brennstoffen basieren. Das „Grün“ in grünem Wasserstoff bedeutet derzeit, dass der Wasserstoff mit erneuerbarem Strom und einem Elektrolyseur hergestellt wird, im Vergleich zu grauem und blauem Wasserstoff, der größtenteils aus Erdgas in einem Dampf-Methan-Reformer hergestellt wird. Wenn der Elektrolyseur von einem angetrieben wird In einem Netz, das überwiegend mit Gaskraftwerken betrieben wird, wird der Kohlenstoffgehalt des Stahls um 30 % reduziert, von 1,87 Kilogramm CO2 pro Kilogramm Stahl auf 1,28 Kilogramm. Dies ist eine bemerkenswerte Verbesserung – aber immer noch weitaus schlechter als die herkömmliche kohlebasierte Produktionsmethode mit CCS, die zu einer Reduzierung um 80 % führt. Elektrolyseure, die an das Stromnetz angeschlossen sind, werden im Zuge der Dekarbonisierung des gesamten Stromsystems dekarbonisiert. Schließlich erhöht sich der Kohlenstoffgehalt von Stahl um mehr als 50 %, wenn der Elektrolyseur von einem Netz gespeist wird, das überwiegend mit Kohlestrom betrieben wird Pflanzen. Bei Wasserstoff aus Elektrolyseuren ist also Vorsicht geboten. Elektrolyseure und grüner Wasserstoff sind per Definition nicht grün! Die Energiequelle spielt eine entscheidende Rolle, und in einem so frühen Stadium der Energiewende ist es durchaus möglich, dem Klima mit traditionellen fossilen Energiequellen einen schlechten Gefallen zu tun. Wasserstoff muss jedoch nicht mit Elektrolyseuren hergestellt werden. Tatsächlich werden über 95 % des derzeitigen weltweiten Wasserstoffverbrauchs mit Erdgas erzeugt, größtenteils ohne CCS (grauer Wasserstoff). Um die Kohlenstoffemissionen von grauem Wasserstoff zu reduzieren, wird blauer Wasserstoff benötigt, der den CCS-Prozess vom Stahlsektor in den Wasserstoffsektor verlagert. Der Kohlenstoffgehalt von mit blauem Wasserstoff hergestelltem Stahl ist dem von herkömmlichem Kohlestahl mit CCS recht ähnlich (0,38 Kilogramm CO2 pro Kilogramm Stahl gegenüber 0,22). Blauer Wasserstoff belastet die Umwelt etwas weniger als kohlebasierter Stahl mit CCS, da das zu seiner Herstellung benötigte Gas weniger Kohlenstoff ausstößt als Kohle. Last but not least hat Stahl aus grauem Wasserstoff im Vergleich zu herkömmlichem kohlebasiertem Stahl einen deutlich geringeren CO2-Fußabdruck Stahlherstellung. Stahlhersteller müssen also nicht warten, bis ihre Energiesysteme vollständig mit Solarpaneelen, Windturbinen oder Kernkraftwerken betrieben werden. Auch die Wasserstoffquelle sollte in der frühen Phase der Wasserstoffwende des Sektors kein allzu großes Problem darstellen, solange Elektrolyseure nicht mit Strom aus Kohlekraftwerken betrieben werden.

Verschiedene Methoden zur Wasserstoffproduktion

ING-Forschung

SMR steht für Steam Methane Reforming; der chemische Prozess der Erzeugung von Wasserstoff durch Reaktion von Dampf (Wasser) mit Erdgas.

Unsere Berechnungen konzentrieren sich auf die Kohlenstoffauswirkungen der Stahlproduktion, da CO2 die Hauptursache der globalen Erwärmung ist. Die wasserstoffbasierte Stahlproduktion bringt jedoch wichtige zusätzliche Vorteile mit sich. Besonders besorgniserregende Stoffe (SVHCs), zu denen Blei oder polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PACs), Stickoxide (NOX), Schwefeldioxid (SO2), Feinstaub (PM10) und Gerüche gehören können, werden ebenfalls reduziert und es kann zu weniger Lärm kommen beteiligt. Dies führt zu einem verbesserten Lebensumfeld und reduziert die negativen Auswirkungen auf die Umwelt und die lokalen Gemeinschaften erheblich.

„Die Technologie der wasserstoffbasierten Stahlerzeugung steckt noch in den Kinderschuhen“

Es ist also klar, dass sowohl CCS als auch Wasserstoff eine Rolle bei der Ökologisierung des schwer zu reduzierenden Stahlsektors spielen und Fortschritte auf dem Weg zu Netto-Null-Emissionen fördern können. Wasserstoff bringt sogar Vorteile mit sich, die über die Reduzierung der Kohlenstoffemissionen hinausgehen. Voraussetzung dafür ist, dass der benötigte Wasserstoff mit geringem CO2-Ausstoß, also mit blauem oder „wirklich grünem“ Wasserstoff, hergestellt wird. Eine offensichtliche Frage bleibt dann: Warum ist es nicht schon geschehen? Die Antwort ist ziemlich einfach: Die Technologie der wasserstoffbasierten Stahlerzeugung steckt noch in den Kinderschuhen. Der schwedische Stahlhersteller SSAB war 2018 das erste Unternehmen, das wasserstoffbasierten Stahl produzierte. Heute gibt es weltweit nur eine Handvoll kleiner Pilotprojekte. Die Herstellung von Wasserstoff ist selbst mit ausgereifter Technologie und wasserstoffbasiertem Stahl sehr energieintensiv ist damit etwa doppelt so teuer wie kohlebasierter Stahl.

Richtwerte für nicht subventionierte Stahlkosten und Vorsteuerkosten in €/kg für verschiedene Stahlproduktionstechnologien

ING-Forschung

Die Kosten werden aus europäischer Sicht berechnet und basieren auf den folgenden Annahmen. Die Berechnung der Wasserstoffkosten basiert auf einem Gaspreis von 45 €/MWh, einem Strompreis von 110 €/MWh für das Gasnetz (Benchmark), 99 €/MWh für das Kohlenetz (-10 %) und € 88/MWh für das erneuerbare Energienetz (-20 %). Die Strompreisunterschiede basieren auf den tatsächlichen Strompreisen für die genannten Länder im Zeitraum 2015–2023. Der Wirkungsgrad des Elektrolyseurs liegt bei 70 % bei einem Kapazitätsfaktor von 95 %. Daraus ergeben sich Preise für grünen Wasserstoff von etwa 6,00 €/kg, 5,50 €/kg bzw. 5,00 €/kg. Wir haben einen CO2-Preis von 85 €/Tonne verwendet und gehen davon aus, dass das gesamte CO2 besteuert wird (keine kostenlosen Zertifikate). Bei Gas- und CO2-Preisen ergeben sich Kosten für grauen Wasserstoff in Höhe von 2,40 €/kg und Kosten für blauen Wasserstoff in Höhe von 2,55 €/kg. Der Kohle- und Ölpreis liegt bei 100 $/Tonne und 75 $/Barrel bei einem Wechselkurs von 1 $=0,93 € und Eisenerzpellets kosten 110 €/Tonne. Beachten Sie, dass es sich dabei um Spot- und Zukunftspreise (für 2023) auf dem nordwesteuropäischen Energiemarkt mit Stand Anfang Juni 2023 handelt. Wir haben eine CCS-Abscheidungsrate von 85 % für blauen Wasserstoff und 80 % für die kohlebasierte Stahlproduktion in Hochöfen angewendet. Der Diskontsatz ist auf 8 % festgelegt, die Inflation der Betriebskosten (OPEX) auf 3 %. Beachten Sie, dass wir die gasbasierte Stahlerzeugung nicht untersucht haben, da Gas im Allgemeinen nur als Übergangsbrennstoff und nicht als Hauptenergiequelle in einer Netto-Null-Wirtschaft angesehen wird. Diese Rolle wird vollständig grünem Wasserstoff zugeschrieben (Wasserstoff aus Sonnen-, Wind-, Wasser- oder Atomkraft).

„Der Wechsel von konventionellem Stahl zu grünem Stahl verdoppelt die Kosten – macht aber kaum einen Unterschied in der Endpreisgestaltung stahlreicher Produkte.“

Stahl ist ein sehr billiges Produkt. Mit kohlebasierter Technologie kostet es nur etwa 50 Cent pro Kilogramm – billiger als ein Kilogramm Kartoffeln oder ein Liter Milch. Eine weitere überraschende Tatsache bei Stahl ist seine marginale Rolle beim Preis des Endprodukts. Nehmen Sie zum Beispiel ein Auto und eine Offshore-Windmühle. Beide enthalten eine enorme Menge Stahl – etwa eine Tonne Stahl pro Auto und 1.000 Tonnen für eine Windmühle. Der Wechsel von konventionellem Stahl zu grünem Stahl verdoppelt die Kosten, macht aber kaum einen Unterschied in der Endpreisgestaltung stahlreicher Produkte. Je nach Verkaufspreis erhöht sich der Preis eines Autos lediglich um 1 bis 2 %. Der Kapitalbedarf für die Investition in die Windkraftanlage erhöht sich je nach Standort des Windparks (flaches oder tieferes Wasser) um 2 % bis 6 %.

Indikative Preisauswirkungen einer Umstellung von herkömmlichem Kohlestahl auf wasserstoffbasierten Stahl, der voraussichtlich doppelt so teuer ist

ING-Forschung

Für ein typisches Auto beläuft sich der Preisanstieg durch grünen Stahl auf nur ein paar Hundert Euro. Angesichts der Tausenden, die Verbraucher für das Ankreuzen der Optionsliste im Ausstellungsraum ausgeben, scheint das keine so große Sache zu sein. Wenn „grüner Stahl“ eine Option wäre, würde er weitaus weniger kosten als die Option auf zusätzliche Funktionen wie Leichtmetallfelgen. Immer mehr Verbraucher zeigen ihre Bereitschaft, für umweltfreundliche Produkte mehr zu bezahlen. Der Kostenanstieg für ein Auto und eine Offshore-Windkraftanlage liegt deutlich innerhalb der Schätzungen für die grüne Prämie. Aus dieser Sicht unterscheidet sich der Stahlsektor stark vom Transportsektor. Stahl macht oft nur einen geringen Anteil an den Gesamtkosten des Endprodukts aus. Flugtickets in der Luftfahrt oder Frachttarife in der Seeschifffahrt reagieren wesentlich stärker auf die Treibstoffkosten. Nehmen wir als Beispiel die Luftfahrt. Der Ersatz von herkömmlichem Kerosin durch einen synthetischen Treibstoff auf Wasserstoffbasis würde die Kosten für ein Hin- und Rückflugticket von Amsterdam nach London um etwa +150 %, nach New York um +400 % und nach Sydney um +450 % erhöhen , ist es nicht allzu überraschend, dass Unternehmen wie Volkswagen mit großen Stahlherstellern wie der Salzgitter AG zusammenarbeiten, um grünen Stahl zu beziehen. Volkswagen plant, den CO2-armen Stahl ab Ende 2025 in wichtigen Zukunftsprojekten wie dem E-Modell Trinity1 einzusetzen, das ab 2026 in Wolfsburg produziert wird.

Diese Transformation der Stahlindustrie ist nicht nur eine theoretische Übung, und die größten Stahlhersteller der Welt begeben sich nun auf den Weg, Netto-Null-Emissionen zu erreichen. Laut Bloomberg New Energy Finance (BNEF) liegen über 615 Millionen Tonnen Stahl oder 18 % der weltweiten Produktion unter einem Netto-Null-Ziel und die meisten streben an, bis 2050 CO2-neutral zu sein. Unternehmensanalysen von BNEF zeigen, dass es in naher Zukunft einen Konsens gibt. Fast alle Stahlhersteller sind sich einig, dass der Schwerpunkt auf der Erhöhung der Recyclingquoten und der Verbesserung der Energieeffizienz des herkömmlichen kohlebasierten Prozesses liegen sollte, während gleichzeitig Technologien zur tiefgreifenden Dekarbonisierung wie CCS und Wasserstoff erprobt werden sollten. Für die weitere Zukunft besteht weniger Konsens, da die langfristigen Technologieentscheidungen unterschiedlich sind zwischen Unternehmen. Diversifizierte Majors wie Baowu (China) und ArcelorMittal (Luxemburg), die beiden größten Stahlunternehmen der Welt, testen sowohl die CCS- als auch die Wasserstoffroute. ThyssenKrupp (Deutschland), Posco (Südkorea) und TataSteel IJmuiden (Niederlande) planen dies Ihre Flotten vollständig auf wasserstoffbasierte Produktion umstellen. Sie entwickeln neue Anlagen, um minderwertiges Eisenerz in der wasserstoffbasierten Stahlerzeugung zu verarbeiten. SSAB (Schweden) steht an der Spitze der wasserstoffbasierten Stahlerzeugung, plant jedoch, in erster Linie auf reinere Formen von Eisen wie recycelten Stahl zu setzen. Nippon Steel und JFE (beide aus Japan) wollen die Emissionen durch den Einsatz von CCS bei bestehender kohlebasierter Strahlerzeugung reduzieren Öfen, haben aber vor Kurzem auch damit begonnen, Wasserstoff zu untersuchen. Während US Steel etwas hinter seinen Mitbewerbern zurückbleibt, wird das Unternehmen aufgrund der verstärkten politischen Unterstützung in den USA für Wasserstoff und CCS wahrscheinlich Pilotprojekte sowohl für CCS als auch für Wasserstoff einführen. Aber die wirkliche Veränderung kommt möglicherweise nicht von den Stahlkonzernen, die dies getan haben Kohlestahlanlagen im Wert von mehreren Milliarden Dollar sind in ihren Bilanzen enthalten. Positiv zu vermerken ist, dass ihnen dadurch das Kapital für die Entwicklung von CCS und Wasserstoff zur Verfügung steht. Negativ zu vermerken ist, dass dies den realen Wandel begrenzen könnte, da die aktuellen Vermögenswerte stagnieren könnten, sobald die Wasserstofftechnologie die Oberhand gewinnt. Umwälzende Veränderungen könnten durch Neueinsteiger im Tesla-Stil vorangetrieben werden. Vulcan Green Steel aus Oman ist ein neues Unternehmen der Branche, das den Bau eines wasserstoffbasierten Stahlwerks von Grund auf plant. Blastr macht ähnliche Dinge in Norwegen und Finnland. GravitHy in Frankreich konzentriert sich auf die Produktion von grünem Eisen. Van Merksteijn plant den Bau einer Anlage für umweltfreundlichen Stahl zur Herstellung eines speziellen Stahlprodukts (Walzdraht) im niederländischen Eemshaven. Das H2 Green Steel-Werk in Nordschweden ist derzeit das fortschrittlichste grüne Stahlprojekt in Europa. Schließlich könnte die Ukraine ein Land sein, das den Wandel in der Branche vorantreibt. Während der anhaltende Krieg andauert, liegt der finanzielle Fokus von Politikern und Finanziers auf kurzfristigen Finanzierungsfragen. Aber langsam beginnen sie, auch langfristige Wiederaufbaubemühungen in Betracht zu ziehen. Die Weltbank schätzt, dass der Wiederaufbau der Ukraine mehr als 400 Milliarden US-Dollar kosten wird. Die Ukraine sucht bis zu 40 Milliarden US-Dollar, um den ersten Teil eines Green-Marshall-Plans zum Wiederaufbau ihrer Wirtschaft zu finanzieren. Die Hauptpriorität wird auf der Eisen- und Stahlindustrie liegen, mit der Vision, eine grüne Stahlindustrie mit 50 Millionen Tonnen aufzubauen.

Wenn Unternehmen beginnen, den Wandel voranzutreiben, werden sie wahrscheinlich auch die Geschäftsmodelle in der Stahlindustrie verändern. Derzeit kümmern sich die meisten Stahlwerke um den gesamten Stahlherstellungsprozess. An fast jedem Produktionsstandort wird Eisenerz zu Eisen und Stahl verarbeitet. Der erste Schritt der Umwandlung von Eisenerz in Eisen ist bei weitem der energie- und kohlenstoffintensivste Schritt und verursacht etwa 80 % der Emissionen bei der kohlebasierten Stahlerzeugung. Zukünftig könnte dieser Prozess von Regionen mit hohen Energie- und Wasserstoffkosten in solche mit niedrigeren Kosten verlagert werden. Beispielsweise dürften Australien, der Nahe Osten und die USA einen Wettbewerbsvorteil bei der Produktion von Wasserstoff haben. Die Eisenproduktion könnte in diesen Regionen konzentriert und dann als Hot Briquetted Iron (HBI) in kostenintensivere Regionen wie Europa verschifft werden. Alternativ kann es innerhalb Europas in Regionen mit niedrigen Strompreisen aus grünen Quellen verlagert werden, beispielsweise in die nördlichen Teile Norwegens und Schwedens, die über ausreichend Platz und ein großes Angebot an Wasserkraft verfügen, die als Grundlast für die Produktion von grünem Stahl dienen können. In dieser Hinsicht ist es nicht verwunderlich, dass die Pläne für ein umweltfreundliches Stahlwerk in der Stadt Boden in Schweden am weitesten fortgeschritten sind. HBI ist eine kompakte Form von direkt reduziertem Eisen (direkte Umwandlung von Eisenerz in Eisen mit Wasserstoff anstelle von Kohle). . Die Briketts sind für den Transport über große Entfernungen und so konzipiert, dass sie leicht geschmolzen und zu Stahl verarbeitet werden können. Dieser zweite Schritt kann in Elektrolichtbogenöfen durchgeführt werden, die den Prozess der Stahlherstellung weiter elektrifizieren und umweltfreundlicher machen – vorausgesetzt, der Ofen wird mit kohlenstoffarmen Energiequellen wie Sonnenkollektoren, Windturbinen, Wasserkraftwerken oder Kernkraftwerken betrieben. Während der Stahlherstellung Da es sich größtenteils um ein integriertes Unternehmen handelt, könnte sich die Lieferkette hin zu globaleren Produktionszentren für reine Eisenformen und lokalen Standorten entwickeln, die sich auf den letzten Schritt der Umwandlung von Eisen in verschiedene Stahlqualitäten spezialisiert haben.

Der Stahlsektor gilt weithin als konservativer Sektor, der durch große etablierte Unternehmen gekennzeichnet ist, die auf kohlebasierte Technologie setzen. Die Eintrittsbarrieren sind hoch und daher vollzog sich der Wandel nur langsam. Die Technologie bietet jetzt wichtige Möglichkeiten für die Ökologisierung der Industrie, entweder durch die Anwendung von CCS auf die aktuelle kohlebasierte Technologie oder durch die Neugestaltung des Prozesses der Umwandlung von Eisenerz in Eisen mit Wasserstoff anstelle von Kohle. Das mag radikal klingen, ist aber in Wirklichkeit eher eine Form der Evolution als der Revolution. Die Technologie des direkt reduzierten Eisens wird bereits in der gasbasierten Stahlerzeugung eingesetzt. Grüner und blauer Wasserstoff können die Oberhand gewinnen, sobald sie reichlich verfügbar sind. Die Elektrifizierung könnte beide Routen noch umweltfreundlicher machen, indem einfache Sauerstofföfen durch elektrische Öfen ersetzt werden.

„Wir glauben, dass sowohl CCS als auch Wasserstoff erforderlich sind, um das Ziel einer Netto-Null-Stahlindustrie zu erreichen.“

Grundsätzlich führt die Tatsache, dass zwei Routen zur Verfügung stehen, oft zu einer intensiven Debatte darüber, welche Route die dominierende sein wird. Wir glauben nicht, dass es ganz so schwarz und weiß ist, und sehen beide Wege als entscheidend für das Erreichen des Ziels einer Netto-Null-Stahlindustrie. Industrieländer könnten es vorziehen, schneller in die Wasserstoffroute zu investieren, während Entwicklungs- und Kohleländer wie Indien und China sich möglicherweise dafür entscheiden, stärker auf die CCS-Technologie zu setzen. Das Klima profitiert von beidem und die Diskussion sollte sich auf die Geschwindigkeit des Wandels konzentrieren und nicht auf einen Kampf zwischen Technologien. Schließlich sollten uns solche Debatten nicht davon abhalten, die Nachfrage nach Stahl zu dämpfen, da das Klima am meisten von Stahl profitiert, der nicht produziert wird. Die Grundlagen der Ökonomie machen deutlich, dass grüner Stahl teurer ist – obwohl dieser Aufschlag glücklicherweise einen Einfluss zu haben scheint Der Einfluss auf den Verbraucherpreis vieler Produkte aus Stahl ist relativ gering. Leider lässt sich diese Preislücke nicht einfach schließen. Unsere Berechnungen deuten darauf hin, dass wasserstoffbasierter Stahl unter sonst gleichen Bedingungen dem Preis von kohlebasiertem Stahl entspricht, wenn:

Mit dem Ziel, den Preis für Kohlenstoff oder Kohle zu erhöhen, können politische Entscheidungsträger Preismechanismen einführen, die die Umweltauswirkungen von kohlebasiertem Stahl berücksichtigen und grünen Stahl wettbewerbsfähiger machen. Eine Senkung der Kosten für grünen Wasserstoff könnte für politische Entscheidungsträger ein wichtiger Grund dafür sein Wir streben eine Forschungs- und Entwicklungspolitik an, die die Kosten für (im Inland) hergestellte Elektrolyseure senkt. Es kann auch Maßnahmen fördern, die darauf abzielen, die Betriebskosten zu senken, beispielsweise durch die Erhöhung des Anteils erneuerbarer Energien im Stromnetz, was wahrscheinlich zu niedrigeren Strompreisen führen wird. Schließlich könnten Stahlproduzenten durch Vorschriften gezwungen werden, umweltfreundlichen Stahl zu produzieren und die Nutzer von grünem Stahl könnten bereit sein, einen Aufpreis zu zahlen. Wenn diese Dinge zusammenkommen, könnte die Stahlindustrie eher früher als später damit beginnen, Vollgas zu geben.