CircSmeltSteel: CO₂-arme und kreislauforientierte Verwertung von Sekundärrohstoffen in Elektroöfen zur Erprobung einer hochwertigen Stahlherstellung mit hervorragenden Produkteigenschaften

Horizon Europe, 1. Juli 2026 — 30. Juni 2030

Projektbeschreibung

Das Gesamtziel des Projektes CircSmeltSteel ist es, in einem systemübergreifenden Ansatz neue Wege für eine zirkuläre und CO₂-arme Eisen- und Stahlherstellung zu entwickeln und zu validieren. Dabei sollen metallurgische Nebenprodukte als sekundäre Rohstoffe in elektrischen Schmelzaggregaten genutzt und so Stoffkreisläufe in der Stahlindustrie besser geschlossen werden.

Im Mittelpunkt stehen zwei CO₂-arme Prozessrouten: der Electric Smelting Furnace (ESF) zur Herstellung von grünem Roheisen und der Electric Arc Furnace (EAF) zur Herstellung von Rohstahl. Betrachtet wird die gesamte Prozesskette – von der Aufbereitung primärer und sekundärer Einsatzstoffe über ESF, EAF, Sekundärmetallurgie und Gießen bis hin zu Warmwalzen, Kaltwalzen und Glühen der fertigen Stahlprodukte. Die Laufzeit des Projektes beträgt 48 Monate; das Projekt ist in 10 Arbeitspakete gegliedert. Das Konsortium umfasst 25 Projektpartner aus Industrie, Forschung, Anlagenbau, Digitalisierung, Werkstoffwissenschaft, Nachhaltigkeitsbewertung und Sozialwissenschaften.

Ausgangssituation und Motivation

Die Stahlindustrie befindet sich in einem tiefgreifenden Transformationsprozess, in dem klassische CO₂-intensive Prozessrouten wie Sinteranlage, Hochofen und Konverter zunehmend durch CO₂-arme Technologien ersetzt oder ergänzt werden sollen. Gleichzeitig fallen große Mengen metallurgischer Nebenprodukte wie Stäube, Schlämme, Schlacken und Walzzunder an, die heute teilweise in integrierten Hochofen-Konverter-Routen wiederverwertet, extern behandelt oder in Einzelfällen deponiert werden. Mit dem perspektivischen Wegfall von Sinteranlagen und Hochöfen entsteht daher eine Lücke in den bisherigen Recyclingpfaden der Stahlindustrie. CircSmeltSteel setzt genau an dieser Stelle an und untersucht, wie Nebenprodukte aus der Hochofen-Konverter-Route, der EAF-Route und der Sekundärmetallurgie gezielt in ESF- und EAF-Prozessen eingesetzt werden können. Für den ESF werden unter anderem Hochofenstaub, eisenreiche Fraktionen aus Roheisenentschwefelungsschlacke, BOF-Schlacke und EAF-Staub betrachtet. Für den EAF stehen beispielsweise Walzzunder, EAF-Nachverbrennungsstaub, Schlämme aus der innerbetrieblichen Abwasserbehandlung, AOD-Konverterstaub sowie EAF- und Pfannenschlacken im Fokus. Neben metallischen Einsatzstoffen werden auch sekundäre Kohlenstoffträger untersucht, einschließlich biobasierter Kohlenstoffquellen.

Technischer Ansatz

Im Projekt werden feinkörnige Nebenprodukte zunächst aufbereitet und agglomeriert, damit sie zuverlässig in elektrischen Schmelzprozessen eingesetzt werden können. Dazu werden insbesondere Brikettierung und Mikrogranulation miteinander verglichen, um geeignete Rezepturen und Prozessparameter für den Einsatz im ESF und EAF abzuleiten. Die hergestellten Agglomerate werden anschließend gemeinsam mit primären Eisenträgern wie DRI beziehungsweise HBI, Schrott, Kohlenstoffträgern und Schlackenbildnern in den Schmelzprozessen eingesetzt.

Im ESF soll grünes Roheisen erzeugt werden, das anschließend im EAF zu Rohstahl weiterverarbeitet wird. Parallel dazu wird auch der direkte Einsatz von Nebenprodukten im EAF untersucht, um eine eigenständige EAF-Route zur Verwertung sekundärer Rohstoffe zu bewerten. Die erzeugten Stahlproben werden anschließend sekundärmetallurgisch behandelt, wobei insbesondere Entstickung, Entschwefelung, Entphosphorung und das Verhalten nichtmetallischer Einschlüsse untersucht werden.

Durch Gießversuche und weiterführende Analysen wird bewertet, wie sich erhöhte Gehalte an Begleit- und Spurenelementen auf Oberflächenfehler, Segregation und Stahlreinheit auswirken.

Im Downstream-Bereich stehen Warmwalzen sowie Glühen nach dem Kaltwalzen als zentrale Prozessschritte im Fokus. Für diese Schritte werden physikalisch und datenbasiert gestützte Modelle entwickelt, mit denen sich Mikrostruktur und Produkteigenschaften auch bei schwankenden chemischen Zusammensetzungen gezielt einstellen lassen.

Beitrag der RWTH

Die RWTH ist im Projekt insbesondere an der Untersuchung der EAF-Route sowie an der Modellierung der ESF- und EAF-Prozesse beteiligt. Im Rahmen der EAF-Versuche wird unter anderem ein zweiphasiger AC-EAF mit einer Metallproduktion von bis zu etwa 200 kg eingesetzt, um den Einsatz kohlenstoffhaltiger, selbstreduzierender Briketts und metallurgischer Nebenprodukte zu untersuchen. Gemeinsam mit Tecnalia wird zudem der AC- und DC-EAF-Betrieb verglichen, um die Verwertung von Nebenprodukten in unterschiedlichen elektrischen Ofenkonzepten besser zu verstehen.

Darüber hinaus entwickelt die RWTH gemeinsam mit weiteren Partnern ein umfassendes ESF-Modell, das verschiedene Betriebszustände, Materialströme und Prozessszenarien abbilden soll. Die RWTH liefert hierfür ein Energieeintragsmodell zur Integration in die Multiphysiksimulation des BFI.

Weiterhin wird das bestehende dynamische EAF-Prozessmodell auf den ESF-Betrieb mit zirkulären Rohstoffen erweitert und entsprechend adaptiert. Die Modellierungen unterstützen die Übertragung der Versuchsergebnisse auf größere und industriell relevante Maßstäbe.

Nachhaltigkeit und Wirkung

CircSmeltSteel soll einen Beitrag zur Transformation der europäischen Stahlindustrie hin zu klimaneutralen, zirkulären und digitalisierten Wertschöpfungsketten leisten. Durch den Einsatz von Nebenprodukten in ESF und EAF können primäre Eisenträger teilweise ersetzt und interne Stoffkreisläufe besser geschlossen werden. Ein besonders hohes CO₂-Minderungspotenzial ergibt sich aus dem ESF, der im Vergleich zur klassischen Hochofenroute eine Scope-1-CO₂-Reduktion von mehr als 80 % ermöglichen soll.

Zusätzlich soll der Einsatz von Biokohle und weiteren sekundären Kohlenstoffträgern dazu beitragen, fossile Kohlenstoffquellen in der Stahlherstellung zu reduzieren.

Neben der CO₂-Minderung adressiert das Projekt auch die stoffliche Verwertung von Prozessschlacken, beispielsweise als Zementzusatzstoff, im Straßenbau oder als sekundärer Rohstoff für weitere Anwendungen. Die ökologische Bewertung erfolgt mithilfe standardisierter Life-Cycle-Assessment-Methoden nach ISO 14040 und ISO 14044. Die ökonomische Bewertung kombiniert Life Cycle Costing und Techno-Economic Assessment, um Investitions‑, Betriebs- und Skalierungsperspektiven der neuen Prozessrouten abzuschätzen. Darüber hinaus werden soziale Auswirkungen, neue Qualifikationsanforderungen und mögliche Veränderungen der Arbeitsbedingungen in der Stahlindustrie untersucht.

Projektziele

Übergeordnetes Ziel von CircSmeltSteel ist die Validierung innovativer, CO₂-armer Eisen- und Stahlherstellungsrouten mit hohem Anteil sekundärer Rohstoffe und gleichbleibend hoher Stahlqualität.

Im Folgenden sind die zentralen Teilziele des Projektes zusammengefasst:

Es sollen mindestens sechs verschiedene Nebenproduktströme im Projekt getestet werden
Im ESF soll ein Nebenproduktanteil von bis zu 50 % im Einsatzmaterial untersucht werden
Im EAF soll ein Nebenproduktanteil von bis zu 20 % im Einsatzmaterial untersucht werden
Für ESF und EAF sollen jeweils mindestens drei geeignete Agglomeratrezepturen entwickelt werden
Für den ESF wird eine direkte CO₂-Reduktion von mehr als 80 % gegenüber der Hochofenreferenz angestrebt
Im ESF und im EAF soll der Einsatz von bis zu 100 % sekundären Kohlenstoffträgern untersucht werden
Im EAF wird durch den Einsatz von Biokohle als Schaumschlackenbildner eine direkte CO₂-Reduktion von 25 % sowie eine Reduktion des fossilen Energieverbrauchs von 25 % angestrebt
Die Eigenschaften von ESF‑, EAF- und Sekundärmetallurgieschlacken sollen analysiert und ihr Potenzial für eine stoffliche Verwertung, beispielsweise in der Zement- oder Bauindustrie, bewertet werden
Das Verhalten der sechs relevanten Begleit- und Spurenelemente N, P, S, Cu, Mo und Sn soll entlang der Prozesskette quantifiziert werden
Die Qualität von zwei Stahlgüten, nämlich Baustahl und mikrolegierter Stahl, soll im Projekt bewertet werden
Für Downstream-Prozesse sollen reduzierte Ordnungsmodelle für die Level-2-Automatisierung entwickelt und im Labormaßstab demonstriert werden
Eine digitale Plattform für Datenerfassung, Datenmanagement, Modellimplementierung und Modellnutzung soll aufgebaut und den Projektpartnern nach 14 Monaten zugänglich gemacht werden
Eine technische, ökologische und ökonomische Bewertung der untersuchten Prozessrouten soll mithilfe von LCA, LCC, Material- und Energiebilanzen sowie Business-Case-Analysen durchgeführt werden
Zusätzlich soll eine Strategie zur Kompetenzentwicklung für eine zirkuläre und CO₂-arme Stahlherstellung erarbeitet werden