Wasserstoffanwendungen in der Stahlindustrie

Fotos: Hartmann Valves

In Deutschland werden zurzeit zirka 45 Millionen Tonnen Stahl pro Jahr erzeugt. Die Stahlherstellung ist somit eine CO2-intensivsten Industriebranchen in Deutschland und erfolgt bislang größtenteils auf Kohle- und Koksbasierenden Prozessen zur Reduzierung von Eisenerz im Hochofen. Dabei werden große Mengen an CO2 an die Umwelt abgegeben.

Ein Beitrag von Christopher Papendorf

Es gibt verschiedene Ansätze, die Stahlproduktion durch den Einsatz von Wasserstoff klimaneutraler zu gestalten. Bislang wurde Wasserstoff bei der Stahlherstellung hauptsächlich als Schutzgas / Inertgas in den Hochöfen eingesetzt.

Wasserstoff als Reduktionsmittel

Ein Ansatz zur Verminderung von CO2-Emissionen ist der Ersatz von Kohle und Koks durch Wasserstoff als Reduktionsmittel im traditionellen Hochofenprozess. Erste Hochöfen in Deutschland wurden vom Verfahren her umgestellt, weitere sind bereits in Planung. Die Betreiber erhoffen sich bei vollständiger Umstellung des Reduktionsmittels auf Wasserstoff bei diesem Verfahren eine CO2-Verminderung um zirka 20 Prozent.

Direktreduktionsanlagen

Eine gängige Alternative zum traditionellen Hochofenprozess im Hochofen bietet die Direktreduktion von Eisenerz. Direktreduktionsanlagen auf Erdgasbasis sind seit vielen Jahrzehnten etabliert und im Einsatz. Hierbei wird das Eisenerz an Stelle von Kohle und Koks durch Erdgas bei Temperaturen von ca. 1000°C zu Eisenschwamm reduziert, wodurch CO2-Emissionen direkt vermindert werden. Der Anteil an Wasserstoff als Beimischung zum Erdgas kann dabei zukünftig beliebig erhöht werden, einer Machbarkeitsstudie zu Folge ist ein Betrieb auch mit 100% Wasserstoff möglich.

Der eingesetzte Wasserstoff wird bislang in der Regel über Erdgas Dampfreformierung gewonnen. Grundsätzlich kann der in der Stahlindustrie benötigte Wasserstoff zukünftig auch durch grünen Wasserstoff gedeckt werden. Bei Einsatz von Direktreduktionsanlagen mit grünem Wasserstoff ist eine Einsparung der CO2 Emissionen von bis zu 95 Prozent gegenüber dem traditionellen Hochofenprozess möglich (DENA 2018). Durch eine vollständige Substitution des Kohle-Koksbedarfs entsteht in Deutschland ein zusätzlicher Wasserstoffbedarf von 2,4 Millionen Tonnen pro Jahr.

Durch zuverlässige Absperrarmaturen, die richtige Auswahl von Werkstoffen sowie standardisierte Druckprüfungen können Anwender die Betriebssicherheit in den bestehenden und neuen Einsatzbereichen von Wasserstoff erhöhen. Neben wasserstofftauglichen Spezialkugelhähnen und Bohrlochköpfen bietet Hartmann Valves auch Materialeignungsprüfungen und Dichtheitstests für das anspruchsvolle Medium Wasserstoff (H2) an. Für die Herstellung von Wasserstoffarmaturen werden von Hartmann eher Standardmaterialien verwendet wie C-Stahl, Edelstahl, Duplex, Superduplex. Bei der Herstellung der Materialien müssen jedoch spezielle Herstellvorschiften beachtet werden, um Wasserstoffversprödung der Materialien ausschließen zu können.

H2 Dichtheitstests für Armaturen: Ein umfassender Drucktest mit Wasserstoff gibt Sicherheit, dass die Grenzwerte eingehalten und fl üchtige Emissionen minimiert werden. | Foto: Hartmann Valves

Materialeignungsprüfung

Für alle metallischen Komponenten, die mit Wasserstoff in Berührung kommen, führt Hartmann standardisierte Materialeignungsprüfungen durch. Hierbei werden die metallischen Werkstoffe auf ihre Resistenz gegenüber Wasserstoffversprödung und damit auf ihre Einsatzfähigkeit für Wasserstoff beurteilt. Molekularer Wasserstoff H2 ist vergleichsweise beständig und wenig reaktiv, daher ist eine klassische Korrosion nicht zu erwarten. Die sogenannte Wasserstoffversprödung, d.h. die wasserstoffinduzierte Spannungsrisskorrosion stellt für hochbelastete drucktragende Bauteile allerdings ein Risiko dar, welches eine besondere Betrachtungsweise benötigt. Die Prüfung erfolgt basierend auf den Regelwerken: DGRL 2014/68/EU, API 6A, API 6D, ASME sowie der DIN EN ISO 15156 / NACE MR175. Betrachtet werden dabei die Kriterien, Härte, Oberflächenhärte, Duktilität sowie Wärmebehandlung und Gefüge.

Test auf Wasserstoff-Dichtheit

Als kleines Molekül kann Wasserstoff durch Dichtelemente der Armaturen diffundieren. Der umfassende H2 Dichtheitstest von Hartmann gibt Sicherheit, dass die Grenzwerte eingehalten und somit flüchtige Emissionen minimiert werden. Die Messung für die Dichtigkeit nach außen erfolgt dabei mittels Massenspektrometer. Als Prüfmedium wird Formiergas nach DIN EN ISO 14175 verwendet. Die Dichtheit wird in Anlehnung an DIN EN ISO 15848 gemessen (mit entsprechenden Grenzwerten).

So kann unter Einhaltung der Sicherheitsanforderung mit dem Originalmedium Wasserstoff getestet werden. Die Mischung im Formiergas sorgt dafür, dass die untere Explosionsgrenze in der Mischung mit Luft nicht erreicht werden kann. Gleichzeitig sorgt die hohe Sensitivität des Massenspektrometers dafür, dass die Mischung keinerlei Nachteile hinsichtlich der Messgenauigkeit hat. So können auch kleinste Leckagen im ppm-Bereich sicher detektiert werden.

Catrin Senger
Catrin ist Redakteurin bei Edelstahl Aktuell. Stahl zieht sich wie ein roter Faden durch ihr Berufsleben. Sie hat eine Ausbildung bei einem Großhändler für Rohr- und Rohrzubehör absolviert und in verschiedenen Funktionen bei einem Hersteller und Lieferanten von Analysegeräten für die Metallindustrie gearbeitet.

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Catrin Senger
Catrin ist Redakteurin bei Edelstahl Aktuell. Stahl zieht sich wie ein roter Faden durch ihr Berufsleben. Sie hat eine Ausbildung bei einem Großhändler für Rohr- und Rohrzubehör absolviert und in verschiedenen Funktionen bei einem Hersteller und Lieferanten von Analysegeräten für die Metallindustrie gearbeitet.