Circular Steel: Wegbereiter einer zirkulären und klimaneutralen Stahlwirtschaft

Das DFG-Gra­du­ier­ten­kol­leg Cir­cu­lar Steel ist ein struk­tu­rier­tes, von der Deut­schen For­schungs­ge­mein­schaft geför­der­tes Pro­mo­ti­ons­pro­gramm. Es führt Pro­mo­vie­ren­de und Betreu­en­de ver­schie­de­ner Fach­rich­tun­gen in einem koor­di­nier­ten For­schungs- und Qua­li­fi­zie­rungs­pro­gramm zusam­men. Das Gra­du­ier­ten­kol­leg för­dert die inter­dis­zi­pli­nä­re Zusam­men­ar­beit, den Aus­tausch von Metho­den und Daten sowie die Ent­wick­lung inte­grier­ter Lösun­gen, die über ein­zel­ne For­schungs­pro­jek­te hinausgehen.

Im Rah­men die­ses Pro­gramms unter­sucht Cir­cu­lar Steel die wis­sen­schaft­li­chen und tech­no­lo­gi­schen Grund­la­gen, die für eine zir­ku­lä­re und kli­ma­neu­tra­le Stahl­in­dus­trie erfor­der­lich sind. Die For­schung umfasst die Pri­mär- und Sekun­där­stahl­er­zeu­gung, Pro­zess­tech­nik, Legie­rungs- und Werk­stoff­ent­wick­lung, Pro­duk­tei­gen­schaf­ten, Recy­cling, Stoff­strö­me und Nach­hal­tig­keits­be­wer­tung. Durch die Ver­knüp­fung die­ser Per­spek­ti­ven soll der gesam­te Stahl­kreis­lauf betrach­tet wer­den, anstatt iso­lier­te Her­aus­for­de­run­gen der Pro­duk­ti­on oder der Werk­stof­fe zu untersuchen.

Im Gesamt­pro­gramm kon­zen­triert sich Bereich I auf Pro­zess­tech­no­lo­gien für eine kli­ma­neu­tra­le Stahl­er­zeu­gung. The­ma I‑2 unter­sucht den inte­grier­ten Betrieb der was­ser­stoff­ba­sier­ten Direkt­re­duk­ti­on und der Stahl­er­zeu­gung im Elek­tro­licht­bo­gen­ofen. Berück­sich­tigt wer­den die Aus­wir­kun­gen der DRI-Eigen­schaf­ten und Char­gier­be­din­gun­gen sowie die Ein­bin­dung der Was­ser­stoff­er­zeu­gung und Abwärmerückgewinnung.

Gekop­pel­te Pro­zess­si­mu­la­ti­on der was­ser­stoff­ba­sier­ten DRI-EAF-Stahlerzeugung

Die was­ser­stoff­ba­sier­te Direkt­re­duk­ti­on mit anschlie­ßen­der Stahl­er­zeu­gung im Elek­tro­licht­bo­gen­ofen (EAF) ermög­licht den Ersatz der koks­ba­sier­ten Pri­mär­stahl­er­zeu­gung bei gleich­zei­ti­ger fle­xi­bler Nut­zung von Recy­cling­stahl­schrott. Ihre Leis­tungs­fä­hig­keit hängt von Schnitt­stel­len ab, die bei getrenn­ten Simu­la­tio­nen von Was­ser­stoff­er­zeu­gung, Direkt­re­duk­ti­on und EAF-Stahl­er­zeu­gung nicht erfasst werden.

Tem­pe­ra­tur, Metal­li­sie­rung, Rest­ge­hal­te an Sau­er­stoff und Koh­len­stoff, Gang­art­zu­sam­men­set­zung und Ver­un­rei­ni­gun­gen des DRI bestim­men EAF-Schmelz­ener­gie, Schla­cken­men­ge und ‑zusam­men­set­zung, den Bedarf an Schla­cken­bild­nern, die Bedin­gun­gen für das Schla­cken­schäu­men, Feu­er­fest­be­las­tung, Emis­sio­nen und Stahl­qua­li­tät. Auch die Char­gier­wei­se ist ent­schei­dend: Kon­ti­nu­ier­lich heiß char­gier­tes, was­ser­stoff­re­du­zier­tes DRI wird mit kal­tem oder vor­ge­wärm­tem HBI und ver­schie­de­nen Schrot­t/­DRI-Ver­hält­nis­sen verglichen.

Im The­ma I‑2 ent­steht ein gekop­pel­tes dyna­mi­sches Pro­zess­mo­dell aus Hoch­tem­pe­ra­tur-SOEC, was­ser­stoff­ba­sier­ter Direkt­re­duk­ti­on im Schacht­ofen, DRI/H­BI-Hand­ha­bung und EAF-Stahl­er­zeu­gung. Ein lite­ra­tur­ba­sier­tes DR-Modell über­gibt Mas­se, Zusam­men­set­zung und ther­mi­schen Pro­dukt­zu­stand an das erwei­ter­te dyna­mi­sche RWTH-EAF-Modell. Die­ses bil­det Schmel­zen, Wär­me­über­tra­gung und die Ver­tei­lung von C, O, P, S und N zwi­schen Stahl, Schla­cke und Gas ab. Abwär­me­rück­ge­win­nung sowie die Zwi­schen­spei­che­rung von Dampf, Was­ser­stoff und Sau­er­stoff ermög­li­chen die Bewer­tung der Ener­gie- und Res­sour­cen­ef­fi­zi­enz des Gesamtsystems.

Die Sze­na­ri­en ver­glei­chen Strom, Erd­gas, Was­ser­stoff, Sau­er­stoff sowie bio­ge­ne und ande­re alter­na­ti­ve Koh­len­stoff­trä­ger. Was­ser­stoff dient als Pro­zess­wär­me­quel­le; alter­na­ti­ve Koh­len­stoff­trä­ger wer­den für Auf­koh­lung und Schla­cken­schäu­men bewer­tet. Das Modell ermit­telt Betriebs­fens­ter mit gerin­ge­ren direk­ten fos­si­len CO2-Emis­sio­nen bei unver­än­der­ter Stahl‑, Schla­cken- und Prozessqualität.

Zen­tra­le For­schungs­fra­ge: Wie beein­flus­sen DRI-Eigen­schaf­ten, Schrott­an­teil und Char­gier­tem­pe­ra­tur den EAF-Ener­gie­be­darf, die Schla­cken­che­mie, Emis­sio­nen und Produktqualität?