Britische Forscher entwickeln eine Möglichkeit, die Kohlenstoffemissionen von Stahl um 90 % zu reduzieren

davit85/iStock

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Forscher der Universität Birmingham im Vereinigten Königreich haben ein neues System entwickelt, das an bestehenden Stahlöfen nachgerüstet werden kann und dazu beiträgt, die Kohlenstoffemissionen des Prozesses um bis zu 90 Prozent zu reduzieren, heißt es in einer Pressemitteilung der Universität.

Die Eisen- und Stahlindustrie ist einer der größten Kohlendioxidproduzenten der Welt und verursacht fast neun Prozent aller globalen Emissionen. Nach Schätzungen der Internationalen Agentur für Erneuerbare Energien (IRENA) muss die Branche ihre Emissionen bis 2050 um bis zu 90 Prozent reduzieren, um die Ziele des Pariser Klimaabkommens zu erreichen.

Bisher sah der Plan zur Reduzierung der Emissionen die Umstellung auf einen Elektrolichtbogenofen vor, der mit erneuerbarem Strom betrieben wird. Allerdings kostet der Bau eines Elektrolichtbogenofens über 1,24 Milliarden US-Dollar, was den Umstieg für die Industrie erschwert. Die neuartige Nachrüstung kann in bestehenden Anlagen eingesetzt werden und soll zu finanziellen Einsparungen und einer Reduzierung der CO2-Emissionen führen.

Herkömmlicherweise wird bei der Stahlherstellung Hochöfen zur Gewinnung von Eisen aus Eisenerz und anschließende Umwandlung in Sauerstofföfen in Stahl eingesetzt. Bei der Destillation von Kohle entsteht in einem Koksofen der erste metallurgische Koks. Der Koks reagiert dann mit dem Eisenerz unter Bildung von Kohlendioxid.

Das Gichtgas aus dem Ofen enthält Stickstoff, Kohlenmonoxid und Kohlendioxid, das dann verbrannt wird, um die Lufttemperatur in einem heißen Ofen auf 1200 bis 1350 °C (2192–2462 Fahrenheit) zu erhöhen, bevor es in den Ofen geblasen wird. Bei der Stahlherstellung werden Kohlendioxid und Stickstoff in die Umwelt freigesetzt.

Ein Team um Yulong Ding, Professor für Chemieingenieurwesen an der Universität Birmingham, hat nun ein neues System entwickelt, das das Kohlendioxid aus dem Gichtgas auffängt und es dann mithilfe eines Perowskits, einem kristallinen Mineralgitter, zu Kohlenmonoxid reduziert.

Durch die Verwendung des Materials ist außerdem gewährleistet, dass Stahlherstellungsreaktionen nun in einem Temperaturbereich von 1292–1472 Fahrenheit (700–800 °C) stattfinden können, was durch erneuerbare Energiequellen oder an Hochöfen angeschlossene Wärmeaustauscher erreicht werden kann.

In Gegenwart großer Mengen Kohlendioxid spaltet der Perowskit das Gas in Sauerstoff, den seine Gitterstruktur aufnimmt, und Kohlenmonoxid wird dem Hochofen wieder zugeführt. Die Reaktion zwischen Perowskit und Sauerstoff ist ebenfalls reversibel. In einer sauerstoffarmen Umgebung gibt das Kristallgitter den absorbierten Sauerstoff ab, der dann im Sauerstoffofen zur Stahlherstellung verwendet werden kann.

In der Pressemitteilung heißt es, dass der geschlossene Kreislauf des Kohlenstoffrecyclings dieses Systems 90 Prozent des üblicherweise in Hochöfen verwendeten Kokses ersetzen könnte. „Aktuelle Vorschläge zur Dekarbonisierung des Stahlsektors basieren auf dem Ausstieg aus bestehenden Anlagen und der Einführung von Elektrolichtbogenöfen, die mit erneuerbarem Strom betrieben werden. Das von uns vorgeschlagene System kann in bestehenden Anlagen nachgerüstet werden, was das Risiko verlorener Vermögenswerte und sowohl die CO2-Reduzierung verringert.“ und die Kosteneinsparungen sind sofort sichtbar“, fügte Professor Ding hinzu.

Die Forschung wurde kürzlich im Journal of Clean Production veröffentlicht.

Abstrakt

Wir präsentieren hier eine First-Principles-Studie zur Sektorkopplung zwischen einem thermochemischen Kohlendioxid (CO2)-Spaltungszyklus und der bestehenden Hochofen-Sauerstoff-Basisofen-Stahlerzeugung (BF-BOF) für eine kostengünstige Dekarbonisierung. Für die thermochemische Spaltung von CO2 wird ein Doppelperowskit, Ba2Ca0,66Nb0,34FeO6, vorgeschlagen, ein geeigneter Kandidat aufgrund seiner niedrigen Reaktionstemperaturen, hohen Kohlenmonoxid (CO)-Ausbeuten und 100 % Selektivität gegenüber CO. Das vom TC erzeugte CO Der Kreislauf ersetzt teuren Hüttenkoks für die Reduktion von Eisenerz zu metallischem Eisen im Hochofen (BF). Das aus dem BF erzeugte CO2 wird im TC-Kreislauf verwendet, um mehr CO zu produzieren, wodurch ein geschlossener Kohlenstoffkreislauf entsteht, der die Entkopplung der Stahlproduktion von Treibhausgasemissionen ermöglicht. Eine technisch-ökonomische Analyse der Implementierung dieses Systems in britischen BF-BOFs könnte die Emissionen des Stahlsektors um 88 % reduzieren und gleichzeitig die Kostenwettbewerbsfähigkeit von britischem Stahl auf dem Weltmarkt durch Kostensenkung steigern. Nach fünf Jahren würde dieses System der britischen Stahlindustrie 1,28 Milliarden Pfund einsparen und gleichzeitig die Emissionen im gesamten Vereinigten Königreich um 2,9 % reduzieren. Die Implementierung dieses Systems in den BF-BOFs der Welt könnte es dem Stahlsektor ermöglichen, im Einklang mit dem Pariser Klimaabkommen die Erwärmung auf 1,5 °C zu dekarbonisieren.