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Große Herausforderungen für grünen Stahl
Geplante Midrex-Direktreduktionsanlage mit Wasserstoff im geplanten grünen Stahlwerk Blastr in Inkoo, Finnland.
Die Stahlindustrie, einer der CO2-intensivsten Sektoren, muss ihre Emissionen reduzieren. Mit einer aktuellen Analyse bieten die Stahlexperten der Beratungsgesellschaft Arthur D. Little einen Überblick über den aktuellen Stand der grünen Stahlproduktion und die Herausforderungen in Bezug auf Kosten, Energieversorgung und Lieferkettenbereitschaft auf dem Weg zu einer CO2-freien Zukunft der Stahlindustrie.
Die Stahlindustrie muss ihre globalen Emissionen innerhalb der nächsten sechs Jahre um 25 % reduzieren, um das 1,5 °C-Ziel des Pariser Abkommens zu erreichen, was eine jährliche Senkung um mehr als 4 % erfordert. Die Internationale Energieagentur (IEA) kam jedoch Ende 2023 zu dem Schluss, dass der Sektor nicht auf dem richtigen Weg ist, um bis Mitte des Jahrhunderts Netto-Null-Emissionen zu erreichen, da die Gesamtemissionen jährlich weiter steigen. Dies unterstreicht die dringende Notwendigkeit einer raschen Transformation in einer der CO₂-intensivsten und am schwierigsten zu reduzierenden Branchen.
Derzeit trägt der Stahlsektor 7 % zu den weltweiten CO₂-Emissionen bei, was vor allem auf die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen im Reduktionsprozess zurückzuführen ist. Infolgedessen treiben starke Markttreiber den Übergang zu grünem Stahl voran, der mit minimalen Treibhausgasemissionen (THG) hergestellt wird.
Produktionsrouten zu grünem Stahl
Es gibt zwei Hauptwege, um die Emissionen der Stahlindustrie zu reduzieren, entweder separat oder in Kombination: - Direktreduktion mit grünem Wasserstoff. Dabei wird Koks als Reduktionsmittel durch Wasserstoff ersetzt, wodurch theoretisch keine CO2-Emissionen entstehen. In Verbindung mit einem Elektrolichtbogenofen wird dieses Verfahren als Direktreduktions-Lichtbogenofen-Route (DRI-EAF) bezeichnet. - Kohlenstoffabscheidung und -speicherung (CCS). Dabei werden die CO2-Emissionen aus dem herkömmlichen Stahlherstellungsprozess abgeschieden und gespeichert.
Die Direktreduktion mit grünem Wasserstoff findet derzeit große Beachtung. Die wichtigsten Unterschiede zwischen dem herkömmlichen Hochofen-Sauerofen-Verfahren (BF-BOF) und dem DRI-EAF-Verfahren: Das BF-BOF-Verfahren, bei dem Koks als Reduktionsmittel verwendet wird, verursacht erhebliche CO2-Emissionen und macht mehr als 70 % der weltweiten Rohstahlproduktion aus. Im Gegensatz dazu entsteht bei DRI-EAF mit grünem Wasserstoff während des Reduktionsprozesses kein CO2. Allerdings stammt der Wasserstoff für DRI-EAF derzeit überwiegend aus fossilen Brennstoffen (70 % aus Erdgas, 30 % aus Kohle), was zu CO2-Emissionen führt. Um dieses Problem zu lösen, ist es entscheidend, die Produktion von grünem Wasserstoff durch Elektrolyse mit erneuerbaren Energien auszuweiten.
Hindernisse für die Umstellung auf grünen Stahl
Grüner Stahl hat Potenzial, aber fünf wesentliche Hindernisse stehen laut Analyse einer schnelleren Einführung im Weg.
Die begrenzte Verfügbarkeit von DR-tauglichem Eisenerz (das weniger als 5 % des weltweiten Angebots ausmacht) behindert die Fähigkeit der Industrie, die wachsende Nachfrage nach kohlenstoffarmem Stahl zu befriedigen. Australien, das 38 % des weltweiten Eisenerzes produziert, steht bei der Umstellung auf grünen Stahl vor großen Herausforderungen. Rund 96 % seiner Eisenerzausfuhren bestehen aus Hämatit, einer Erzart mit hohem Verunreinigungsgrad, die ohne aufwendige Verarbeitung für den zur Produktion von grünem Stahl erforderlichen DR-Prozess ungeeignet ist. Dies schränkt Australiens Fähigkeit ein, die wachsende Nachfrage nach kohlenstoffarmem Stahl zu decken. Im Gegensatz dazu hat Schweden, das nur etwa 2 % des weltweiten Eisenerzes produziert, einen erheblichen Vorteil. Mehr als 85 % des schwedischen Eisenerzes, das hauptsächlich aus der Mine in Kiruna stammt, ist Magnetit, das weniger Verunreinigungen aufweist und sich hervorragend für DR-Pellets eignet. In Kombination mit reichlich vorhandener, kostengünstiger sauberer Energie und starker staatlicher Unterstützung ist Schweden gut aufgestellt, um von der Umstellung der Industrie auf die Produktion von grünem Stahl zu profitieren.
Zusammenarbeit entlang der gesamten Wertschöpfungskette
Der Übergang zu grünem Stahl erfordert eine Zusammenarbeit entlang der gesamten Wertschöpfungskette, von der Beschaffung von DR-Pellets über die Stahlproduktion bis hin zur Herstellung der Anlagen.
Bezugsquellen für DR-Pellets
DR-Pellets werden hauptsächlich von führenden Unternehmen wie Vale (Brasilien), LKAB (Schweden) und IOC (Kanada) geliefert, die für ihre hochwertigen Eisenerzvorkommen und ihre fortschrittliche Pelletproduktion bekannt sind. Weitere Beiträge kommen von Metalloinvest (Russland) und Produzenten im Nahen Osten und in Indien, die zunehmend in die Produktion investieren, um die steigende weltweite Nachfrage zu befriedigen.
Produzenten von grünem Stahl
Führende Stahlproduzenten verfolgen Initiativen für grünen Stahl und investieren in wasserstoffbasierte Reduktionstechnologien und EAFs, um traditionelle Hochöfen zu ersetzen. Jüngste Ankündigungen von ArcelorMittal und Thyssenkrupp deuten jedoch auf Verzögerungen bei ihren Investitionen in grünen Stahl aufgrund der wirtschaftlichen Lage, technologischer Herausforderungen und politischer Unsicherheiten hin, was die Herausforderungen für die Umstellung auf grünen Stahl unterstreicht.
Anlagenhersteller
Die Produktion von grünem Stahl ist in hohem Maße von Anlagenherstellern abhängig, die Technologien für die wasserstoffbasierte Direktreduktion vorantreiben. Midrex ist führend in der Entwicklung von Schachtöfen für die Direktreduktion mit Wasserstoff. Neben Schachtöfen kommen auch alternative Verfahren wie die Chargenproduktion auf den Markt. GreenIron plant beispielsweise die Einführung eines Glockenofens für die wasserstoffbasierte Chargenverarbeitung.
Fazit - koordinierte Maßnahmen in drei Bereichen
Um das volle Potenzial einer dekarbonisierten Stahlindustrie auszuschöpfen, müssen Unternehmensführer und politische Entscheidungsträger laut Arthur D. Little koordinierte Maßnahmen in drei Bereichen ergreifen: Transformation der Marktdynamik. Durch die Einführung differenzierter kohlenstoffarmer Stahlprodukte und deren bevorzugte Beschaffung können Synergien zwischen Angebot und Nachfrage geschaffen werden, die es den Lieferanten ermöglichen, einen Aufpreis zu verlangen und eine stabile Nachfrage zu etablieren. Schaffung politischer Rahmenbedingungen für die Dekarbonisierung. Kohlenstoffsteuern und Zölle auf kohlenstoffintensive Importe können die Kostendifferenz zwischen kohlenstoffintensiven und kohlenstoffarmen Produktionsmethoden ausgleichen und so einen fairen Wettbewerb gewährleisten. Maßnahmen zur Förderung von Recyclinganteilen und Schrottverwertung verbessern die Nachhaltigkeit. Mobilisierung finanzieller Unterstützung. Regierungen und Finanzinstitute müssen den Übergang durch die Finanzierung von Forschung und Entwicklung in der Spätphase, Preisstabilisierungsmechanismen und Verbriefungsinstrumente zur Bewältigung des Wertverlusts kohlenstoffintensiver Vermögenswerte unterstützen.
Quelle: Arthur D. Little
Die Stahlindustrie muss ihre globalen Emissionen innerhalb der nächsten sechs Jahre um 25 % reduzieren, um das 1,5 °C-Ziel des Pariser Abkommens zu erreichen, was eine jährliche Senkung um mehr als 4 % erfordert. Die Internationale Energieagentur (IEA) kam jedoch Ende 2023 zu dem Schluss, dass der Sektor nicht auf dem richtigen Weg ist, um bis Mitte des Jahrhunderts Netto-Null-Emissionen zu erreichen, da die Gesamtemissionen jährlich weiter steigen. Dies unterstreicht die dringende Notwendigkeit einer raschen Transformation in einer der CO₂-intensivsten und am schwierigsten zu reduzierenden Branchen.
Derzeit trägt der Stahlsektor 7 % zu den weltweiten CO₂-Emissionen bei, was vor allem auf die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen im Reduktionsprozess zurückzuführen ist. Infolgedessen treiben starke Markttreiber den Übergang zu grünem Stahl voran, der mit minimalen Treibhausgasemissionen (THG) hergestellt wird.
- Regulatorischer Druck. Insbesondere innerhalb der EU zwingen Vereinbarungen wie das Pariser Abkommen und der Europäische Green Deal zusammen mit handelspolitischen Maßnahmen wie dem CO2-Grenzausgleichssystem der EU (CBAM) zu Emissionsreduktionen entlang der gesamten Lieferketten (Scopes 1, 2 und 3). Der im Vergleich zu Schwellenländern wie Indien und Afrika hohe regulatorische Druck beschleunigt die Einführung von grünem Stahl innerhalb der EU. Unterdessen treiben internationale Abkommen, ein wachsendes Umweltbewusstsein und die Notwendigkeit, Zugang zu Exportmärkten zu erhalten, die Einführung von grünem Stahl in Schwellenländern voran.
- Kommerzielle Anforderungen. Große Unternehmen dekarbonisieren ihre Betriebsabläufe und beziehen CO2-neutralen Stahl, um ihre Emissionsziele zu erreichen. Unternehmen wie Volvo, Mercedes-Benz, BMW und General Motors engagieren sich aktiv für die Beschaffung von grünem Stahl.
- Soziale Erwartungen. Die wachsende öffentliche Nachfrage nach nachhaltigen und transparenten Produktionspraktiken beeinflusst die Entscheidungen und Strategien von Investoren.
Produktionsrouten zu grünem Stahl
Es gibt zwei Hauptwege, um die Emissionen der Stahlindustrie zu reduzieren, entweder separat oder in Kombination: - Direktreduktion mit grünem Wasserstoff. Dabei wird Koks als Reduktionsmittel durch Wasserstoff ersetzt, wodurch theoretisch keine CO2-Emissionen entstehen. In Verbindung mit einem Elektrolichtbogenofen wird dieses Verfahren als Direktreduktions-Lichtbogenofen-Route (DRI-EAF) bezeichnet. - Kohlenstoffabscheidung und -speicherung (CCS). Dabei werden die CO2-Emissionen aus dem herkömmlichen Stahlherstellungsprozess abgeschieden und gespeichert.
Die Direktreduktion mit grünem Wasserstoff findet derzeit große Beachtung. Die wichtigsten Unterschiede zwischen dem herkömmlichen Hochofen-Sauerofen-Verfahren (BF-BOF) und dem DRI-EAF-Verfahren: Das BF-BOF-Verfahren, bei dem Koks als Reduktionsmittel verwendet wird, verursacht erhebliche CO2-Emissionen und macht mehr als 70 % der weltweiten Rohstahlproduktion aus. Im Gegensatz dazu entsteht bei DRI-EAF mit grünem Wasserstoff während des Reduktionsprozesses kein CO2. Allerdings stammt der Wasserstoff für DRI-EAF derzeit überwiegend aus fossilen Brennstoffen (70 % aus Erdgas, 30 % aus Kohle), was zu CO2-Emissionen führt. Um dieses Problem zu lösen, ist es entscheidend, die Produktion von grünem Wasserstoff durch Elektrolyse mit erneuerbaren Energien auszuweiten.
Hindernisse für die Umstellung auf grünen Stahl
Grüner Stahl hat Potenzial, aber fünf wesentliche Hindernisse stehen laut Analyse einer schnelleren Einführung im Weg.
- Kosten. Die Herstellung von grünem Stahl ist teurer als die von herkömmlichem Stahl, da sie einen höheren Strombedarf für die Wasserstoffproduktion (d. h. Elektrolyseure), Elektrolichtbogenöfen, Pellets in Direktreduktionsqualität (DR-Qualität),[2] grünen Wasserstoff und erhebliche Infrastrukturverbesserungen erfordert. Allerdings kann die Bepreisung von CO2 herkömmlichen Stahl verteuern, da seine hohen Emissionen berücksichtigt werden. Damit grüner Stahl wettbewerbsfähig wird, müssen die CO2-Preise möglicherweise auf 90 bis 100 Euro pro Tonne CO2 steigen, verglichen mit dem aktuellen EU-Durchschnitt von rund 80 Euro pro Tonne. Mechanismen wie der CBAM und der Inflation Reduction Act der USA können die Marktdynamik verändern, indem sie die tatsächlichen Kosten der CO2-Emissionen widerspiegeln und grünen Stahl attraktiver machen.
- Begrenzte Verfügbarkeit von hochwertigem Eisenerz. Wie bereits erwähnt, erfordert die DRI-EAF-Technologie DR-Eisenerzpellets. Derzeit macht DR-Erz weniger als 5 % der weltweiten Eisenerzversorgung aus. Diese Knappheit stellt eine erhebliche Herausforderung für die Ausweitung der Produktion von grünem Stahl dar. Da die Nachfrage nach DR-Eisenerzpellets bis 2030 voraussichtlich dramatisch steigen wird, wird das weltweite Angebot an hochwertigem Eisenerz voraussichtlich an seine Kapazitätsgrenzen stoßen, sofern keine neuen Bergbauprojekte entwickelt werden oder eine Methode zur Verwendung von minderwertigerem Eisenerz gefunden wird.
- Mangel an sauberer Energie. Im Durchschnitt verbraucht die Produktion von grünem Stahl drei- bis viermal mehr Strom als das herkömmliche BF-BOF-Verfahren. Dies ist vor allem auf die energieintensive Elektrolyse zur Erzeugung von grünem Wasserstoff und den hohen Strombedarf der Lichtbogenöfen zum Schmelzen von Eisen zurückzuführen. Die Umstellung der europäischen Stahlindustrie auf eine wasserstoffbasierte Produktion würde den Strombedarf um schätzungsweise 15 % bis 20 % des aktuellen Gesamtstromverbrauchs der EU erhöhen, was die Installation von 50 000 neuen Windkraftanlagen erfordern würde.
- Verfügbarkeit von grünem Wasserstoff. Grüner Wasserstoff, der weniger als 0,1 % der weltweiten Wasserstoffproduktion ausmacht, ist für grünen Stahl von entscheidender Bedeutung, steht jedoch vor erheblichen Versorgungsproblemen. Bis 2024 haben nur 4 % der angekündigten Projekte für emissionsarmen Wasserstoff eine endgültige Investitionsentscheidung getroffen oder mit dem Bau begonnen, während fast 70 % der zugesagten Elektrolyseurkapazitäten in China liegen. Die Kosten sind jedoch nach wie vor 1,5- bis 6-mal höher als bei fossilem Wasserstoff.
- Knappheit von Schrott. Der Direktreduktionsprozess erfordert Stahlschrott, und die Nachfrage nach Schrott wird voraussichtlich das Angebot übersteigen. Protektionistische Maßnahmen verschiedener Länder zur Sicherung der Schrottversorgung und zur Einführung hoher Exportzölle können dieses Problem noch verschärfen. Um dieses Risiko zu mindern, erwerben Stahlunternehmen strategisch Schrottplätze, sodass mittlerweile 25 bis 30 % des weltweiten Schrotts im Besitz von Stahlunternehmen sind. Diese Knappheit dürfte zu höheren Schrottpreisen führen und könnte die Gesamtproduktionskapazität für grünen Stahl begrenzen.
Die begrenzte Verfügbarkeit von DR-tauglichem Eisenerz (das weniger als 5 % des weltweiten Angebots ausmacht) behindert die Fähigkeit der Industrie, die wachsende Nachfrage nach kohlenstoffarmem Stahl zu befriedigen. Australien, das 38 % des weltweiten Eisenerzes produziert, steht bei der Umstellung auf grünen Stahl vor großen Herausforderungen. Rund 96 % seiner Eisenerzausfuhren bestehen aus Hämatit, einer Erzart mit hohem Verunreinigungsgrad, die ohne aufwendige Verarbeitung für den zur Produktion von grünem Stahl erforderlichen DR-Prozess ungeeignet ist. Dies schränkt Australiens Fähigkeit ein, die wachsende Nachfrage nach kohlenstoffarmem Stahl zu decken. Im Gegensatz dazu hat Schweden, das nur etwa 2 % des weltweiten Eisenerzes produziert, einen erheblichen Vorteil. Mehr als 85 % des schwedischen Eisenerzes, das hauptsächlich aus der Mine in Kiruna stammt, ist Magnetit, das weniger Verunreinigungen aufweist und sich hervorragend für DR-Pellets eignet. In Kombination mit reichlich vorhandener, kostengünstiger sauberer Energie und starker staatlicher Unterstützung ist Schweden gut aufgestellt, um von der Umstellung der Industrie auf die Produktion von grünem Stahl zu profitieren.
Zusammenarbeit entlang der gesamten Wertschöpfungskette
Der Übergang zu grünem Stahl erfordert eine Zusammenarbeit entlang der gesamten Wertschöpfungskette, von der Beschaffung von DR-Pellets über die Stahlproduktion bis hin zur Herstellung der Anlagen.
Bezugsquellen für DR-Pellets
DR-Pellets werden hauptsächlich von führenden Unternehmen wie Vale (Brasilien), LKAB (Schweden) und IOC (Kanada) geliefert, die für ihre hochwertigen Eisenerzvorkommen und ihre fortschrittliche Pelletproduktion bekannt sind. Weitere Beiträge kommen von Metalloinvest (Russland) und Produzenten im Nahen Osten und in Indien, die zunehmend in die Produktion investieren, um die steigende weltweite Nachfrage zu befriedigen.
Produzenten von grünem Stahl
Führende Stahlproduzenten verfolgen Initiativen für grünen Stahl und investieren in wasserstoffbasierte Reduktionstechnologien und EAFs, um traditionelle Hochöfen zu ersetzen. Jüngste Ankündigungen von ArcelorMittal und Thyssenkrupp deuten jedoch auf Verzögerungen bei ihren Investitionen in grünen Stahl aufgrund der wirtschaftlichen Lage, technologischer Herausforderungen und politischer Unsicherheiten hin, was die Herausforderungen für die Umstellung auf grünen Stahl unterstreicht.
Anlagenhersteller
Die Produktion von grünem Stahl ist in hohem Maße von Anlagenherstellern abhängig, die Technologien für die wasserstoffbasierte Direktreduktion vorantreiben. Midrex ist führend in der Entwicklung von Schachtöfen für die Direktreduktion mit Wasserstoff. Neben Schachtöfen kommen auch alternative Verfahren wie die Chargenproduktion auf den Markt. GreenIron plant beispielsweise die Einführung eines Glockenofens für die wasserstoffbasierte Chargenverarbeitung.
Fazit - koordinierte Maßnahmen in drei Bereichen
Um das volle Potenzial einer dekarbonisierten Stahlindustrie auszuschöpfen, müssen Unternehmensführer und politische Entscheidungsträger laut Arthur D. Little koordinierte Maßnahmen in drei Bereichen ergreifen: Transformation der Marktdynamik. Durch die Einführung differenzierter kohlenstoffarmer Stahlprodukte und deren bevorzugte Beschaffung können Synergien zwischen Angebot und Nachfrage geschaffen werden, die es den Lieferanten ermöglichen, einen Aufpreis zu verlangen und eine stabile Nachfrage zu etablieren. Schaffung politischer Rahmenbedingungen für die Dekarbonisierung. Kohlenstoffsteuern und Zölle auf kohlenstoffintensive Importe können die Kostendifferenz zwischen kohlenstoffintensiven und kohlenstoffarmen Produktionsmethoden ausgleichen und so einen fairen Wettbewerb gewährleisten. Maßnahmen zur Förderung von Recyclinganteilen und Schrottverwertung verbessern die Nachhaltigkeit. Mobilisierung finanzieller Unterstützung. Regierungen und Finanzinstitute müssen den Übergang durch die Finanzierung von Forschung und Entwicklung in der Spätphase, Preisstabilisierungsmechanismen und Verbriefungsinstrumente zur Bewältigung des Wertverlusts kohlenstoffintensiver Vermögenswerte unterstützen.
Quelle: Arthur D. Little