Direktreduktion

Die Direktreduktion (auch Eisenschwammherstellung) ist ein relativ neues Verfahren zur Erzeugung von Eisen, das als Schlüsseltechnologie für die Dekarbonisierung der Stahlindustrie gilt. Im Gegensatz zur konventionellen Hochofenroute wird bei der Direktreduktion Eisenerz direkt mittels Erdgas, Kohle oder Wasserstoff zu festem Eisen reduziert, ohne den Umweg über flüssiges Roheisen zu gehen.

Grundprinzip und Produkte

Bei der Direktreduktion reagiert ein Reduktionsmittel – meist Erdgas, zunehmend auch Wasserstoff – mit dem Eisenoxid des Erzes. Dabei entsteht ein Produkt mit 92-95 % Eisengehalt, das als Eisenschwamm, DRI (Direct Reduced Iron) oder auch Schwammeisen bezeichnet wird. Anders als flüssiges Roheisen aus dem Hochofen besitzt DRI eine schwammartig-porige Konsistenz und weist Unreinheiten auf. Daher muss es vor der Weiterverarbeitung zu Rohstahl verdichtet oder geschmolzen werden. 

Je nach Produktionstemperatur unterscheidet man zwischen kaltem DRI (CDRI), heißem DRI (HDRI) und heißbrikettiertem Eisen (HBI).  Während HDRI unmittelbar im angeschlossenen Stahlwerk weiterverarbeitet wird, eignet sich CDRI für kurze und HBI für längere Transportwege.

Marktentwicklung und Technologie

Die globale DRI-Produktion verzeichnet ein kontinuierliches Wachstum. 2023 wurden weltweit 135,7 Millionen Tonnen (Mt) produziert –  6,5% mehr als im Jahr 2022 und doppelt so viel wie noch 2012. Wichtigste Produzenten waren 2023 Indien (49,3 Mt), Iran (33,4 Mt) und Russland (7,8 Mt).

Eine Direktreduktionsanlage besteht aus mehreren Hauptkomponenten:

• Reduktionsreaktor als Kernstück
• Gas- und Erzzuführungssysteme
• Gasreinigung und -aufbereitung
• Produktaufbereitung und -kühlung

Zwei Verfahren dominieren den Markt:

1. Der Midrex-Prozess, der bei relativ niedrigen Temperaturen und Drücken arbeitet und etwa 56% der weltweiten DRI-Produktion ausmacht.
2. Das EnergIron-Verfahren von Tenova/Danieli.

Beide Anlagentypen erreichen heute Volumina von bis zu 2,7 Mt pro Jahr. Das liegt unter dem Volumen klassischer Hochöfen, die jährlich zwischen 3,6 und 4 Mt Roheisen erzeugen.

Umweltaspekte und Herausforderungen für H2

Ein Hauptargument für die Direktreduktion ist dessen im Vergleich zur klassischen Hochofenroute deutlich bessere Klimabilanz: Erdgasbetriebene DRI-Anlagen erzeugen etwa 60 % weniger CO₂ als die Hochofenroute. Bei Verwendung von grünem Wasserstoff sinken die Emissionen weiter: H2-DRI kann bis zu 95 % einsparen. Hinzukommt, dass der gesamte Prozess weniger Energie benötigt als konventionelle Verfahren, da auf das energieintensive Einschmelzen verzichtet wird. Aus diesem Grund entstehen auch allgemein weniger Nebenprodukte und Schadstoffe.

Nach Angaben des US-amerikanischen Anlagenplaners Midrex waren 2023 etwa 68,5% des produzierten DRI erdgas- und 31,5% kohlebasiert. Wasserstoffbasiertes DRI spielt bisher nur in Pilotprojekten eine Rolle. Die größte Hürde für den Einsatz von wasserstoffbasiertem DRI sind die hohen Kosten: Pro Millionen Tonnen Jahreskapazität werden Investitionen von etwa einer Milliarde Euro benötigt.

Zudem ist grüner Wasserstoff derzeit noch etwa dreimal so teuer wie konventioneller Wasserstoff. Dennoch zeigen Unternehmen wie Stegra (ehemals H2 Green Steel) in Schweden, dass die Technologie unter günstigen Bedingungen wirtschaftlich sein kann. Auch in Deutschland treiben zahlreiche Konzerne Projekte zur Wasserstoffverwendung voran, etwa die niedersächsische Salzgitter AG.