Schnellere Stahlproduktion mit Wasserstoff

Katalysatoren wie Nickeloxid beschleunigen die Herstellung von Stahl und machen sie energieeffizienter

Auf den Punkt gebracht:

• Grüner Stahl: Die konventionelle Stahl- und Metallproduktion verursacht rund zehn Prozent der weltweiten CO₂-Emissionen. Die wasserstoffbasierte Produktion kann den Treibhausgasausstoß deutlich reduzieren, ist bislang jedoch vergleichsweise langsam und energieintensiv.
• Schnellere Reaktion: Nickeloxide katalysieren die wasserstoffbasierte Eisenproduktion und beschleunigen die Herstellung von Legierungen um das Zweifache.
• Technische Relevanz: Durch eine schnellere und energieeffizientere Reaktion bringt dieser Ansatz die wasserstoffbasierte Stahlproduktion einen Schritt näher an die industrielle Anwendung.

Die Stahl- und Metallproduktion zählt zu den größten Verursachern von Treibhausgasemissionen und ist für etwa zehn Prozent der weltweiten CO₂-Emissionen verantwortlich. Gleichzeitig ist moderne Technik auf maßgeschneiderte Stähle und Metalle angewiesen, zum Beispiel für Anwendungen in den Bereichen Mobilität, Energie, Infrastruktur, Sicherheit und Medizin. Die wasserstoffbasierte Metallproduktion bietet eine vielversprechende und CO₂-freie Alternative zu den konventionellen Verfahren. Darüber hinaus ermöglicht sie es, die Reduktion von Erzen, also die Umwandlung des Metalloxids in das reine Metall, die Legierung von Metallen und Mikrostrukturdesign in einem einzigen Prozessschritt zu vereinen. Dennoch steht sie auf dem Weg zur breiten industriellen Anwendung noch vor mehreren Herausforderungen. Eine ist die vergleichsweise langsame Reduktionsgeschwindigkeit von Metallerzen bei Temperaturen unter 800 Grad Celsius.

Ein Forschungsteam des Max-Planck-Instituts für Nachhaltige Materialien hat nun jedoch herausgefunden, dass bestimmte Metalloxide die wasserstoffbasierte Direktreduktion von Eisenerzen zu Eisen und die Herstellung von Legierungen um ein zweifaches beschleunigen und den Energieverbrauch reduzieren können. Das Team veröffentlichte seine Forschungsergebnisse jetzt in der Fachzeitschrift Nature Synthesis.

Nickel-Oxide für die Herstellung von Edel- und Hochleistungsstählen

Legierungen werden bislang typischerweise in drei Schritten produziert: Zunächst werden Erze zu Metallen reduziert, die Metalle werden zu einer Legierung gemischt und schließlich thermomechanisch behandelt, um die gewünschten Eigenschaften zu erzielen. Jeder dieser Schritte ist energieintensiv; dabei wird Kohlenstoff sowohl als Energieträger als auch als Reduktionsmittel genutzt. Dadurch entstehen erhebliche CO₂-Emissionen und ein hoher Energieverbrauch.

Das Team des Max-Planck-Instituts für Nachhaltige Materialien hat zuvor bereits gezeigt, dass mit Hilfe von Wasser- statt Kohlenstoff, dieser bisher dreistufige Prozess in einem einzigen Schritt und Reaktor zusammengefasst werden kann. Und dies CO₂-frei und bei weitaus niedrigeren Temperaturen, also mit einem geringeren Energieverbrauch.

Ein Team um Xinren Chen, Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Nachhaltige Materialien, hat nun gezeigt, dass sich Eisenoxide deutlich schneller mit Wasserstoff reduzieren lassen, wenn dabei auch Nickeloxide eingesetzt werden. Dann entsteht am Anfang der Reaktion poröses Nickel, das die Reduktion der Eisenoxide katalysiert.

„Die Zugabe von Nickeloxiden in den Lichtbogenofen beschleunigt die Reduktion der Eisenoxide um ein Zweifaches, und die Temperatur, bei der die Reduktion beginnt, sinkt um 100 Grad Celsius“, erklärt Chen. „Das Ergebnis dieser beschleunigten Reduktion ist eine Eisen-Nickel-Legierung, die sich optimal als Ausgangsmaterial für Edelstähle, zum Beispiel 304 und 316, und für Hochleistungsstähle für den Automobilbau, die Energietechnik oder medizinische Anwendungen, eignet.“

Eignen sich andere Oxide als Katalysatoren?

„Prinzipiell gehen wir davon aus, dass auch andere Metalloxide mit ähnlichen Eigenschaften wie Nickel, zum Beispiel Kobalt, die Reduktion beschleunigen können. Nachdem wir Nickel entdeckt haben, geht es nun darum systematisch mögliche Katalysatoren zu identifizieren“, erklärt Dierk Raabe, Direktor am Max-Planck-Institut für Nachhaltige Materialien.

„Unsere Studie eröffnet einen neuen Ansatz, wie sich die wasserstoffbasierte Stahlherstellung beschleunigen und sich die Prozesseffizienz verbessern lässt“, sagt Chen. „Allerdings wird die industrielle Umsetzung weitere technische und wirtschaftliche Entwicklungen erfordern. Denn die Wettbewerbsfähigkeit des Prozesses hängt stark von der Verfügbarkeit und den Kosten von grünem Wasserstoff ab“. 

Am Max-Planck-Institut für Nachhaltige Materialien untersuchen Forschende die nachhaltige Herstellung von Metallen und Legierungen aus verschiedenen Perspektiven, wobei sie experimentelle und theoretische Ansätze kombinieren. Die Direktreduktion wird durch ein komplexes Zusammenspiel verschiedener Faktoren bestimmt – darunter Temperatur, die Wahl des Reduktionsmittels und des Metallsystems sowie katalytische Effekte. Die Max-Planck-Forscherinnen und -Forscher wollen die gekoppelten Mechanismen besser verstehen, um die Entwicklung nachhaltigerer und kosteneffizienterer Reduktionstechniken gezielt voranzutreiben.

YAS