Wasserstoff im Ofen: Der Feind bringt Hoffnung

„Wasserstoff ist eigentlich ein  Feind des Stahls.“ Das sagt Felix Mayser, Produktionsleiter des Krefelder Standorts der Deutschen Edelstahlwerke, einer Tochter der Swiss Steel Group. Und doch testet er hier in Krefeld, ob mit Wasserstoff eine CO₂-neutrale Stahlproduktion möglich ist. 

Wasserstoffatome zählen hinsichtlich ihres Aufbaus zu den kleinsten überhaupt. Sie können in das Kristallgitter des Stahls eindringen und sich dort einlagern. Das macht den Stahl spröde. Und wie ist es, wenn Wasserstoff verbrannt wird? Hat der erhöhte Wasserdampfanteil bei der Verbrennung Einfluss auf die Stahloberfläche? Wie können wir im industriellen Maßstab sicher mit Wasserstoff umgehen? Das sind nur einige der Fragen, mit denen sich Mayser und seine Kollegen beschäftigen.

2200 kg CO₂ pro Tonne Stahl

Swiss Steel Group verarbeitet 1,3 Millionen Tonnen Schrott pro Jahr (2025), um daraus Stahl zu erzeugen. Anders als im Hochofen, wo Eisenerz mit Kokskohle zu Roheisen reduziert wird, arbeitet Swiss Steel Group mit elektrisch betriebenen Lichtbogenöfen – mit erheblichen Auswirkungen auf die CO₂-Bilanz. Mayser: „Bei Stahl aus einem Hochofen werden pro Tonne Stahl 2.200 kg CO₂ ausgestoßen. Bei unserem Stahl sind es nur 171 kg, bei unserem Standort in Emmenbrücke dank Wasserkraft sogar nur 35 kg.“

Im September 2023 gab die Bundesregierung bekannt, das Projekt „H2-HotRoll“ in Krefeld zu 50 Prozent zu fördern. Ziel ist es, zu untersuchen, was passiert, wenn Wiedererwärmungsöfen von Erdgasfeuerung auf grünen Wasserstoff umgestellt werden. Welche Auswirkungen hat dies auf Brenner, Armaturen, Ofenkammer, Mess- und Regelungstechnik? Unterstützt wird das Projekt vom VDEh-Betriebsforschungsinstitut (BFI) in Düsseldorf. 

Herzstück beider Projekte: ein Testofen in Krefeld

Im gleichen Jahr startete die Swiss Steel Group ein weiteres Projekt: HYDREAMS. Es wird aus EU-Geldern finanziert und umfasst neun europäische Partner darunter die Schwesterfirma UGITECH in Frankreich, die Messer Industriegase GmbH, das BFI-Düsseldorf, die Technische Universität Graz und weitere Hersteller von Simulationen und Feuerfesttechnik. Geht es bei „H2-Hot Roll“ vor allem um Anlagenfragen, richtet sich das Interesse von HYDREAMS nicht nur auf Brenner und Armaturen, sondern vor allem auch auf den Stahl: Verändert sich die Qualität des Stahls? Welche Auswirkungen hat der Wassertoff auf die Zunderschicht, also die Oxidschicht auf der Stahloberfläche, die entsteht, wenn Stahl bei hohen Temperaturen mit Sauerstoff in Kontakt kommt? HYDREAMS gilt als erstes umfassendes Programm im Stahlsektor, das die Auswirkungen der Wasserstoffverbrennung auf verschiedene Stahlsorten systematisch unter realistischen Bedingungen untersucht. Die Erkenntnisse sollen bis 2032 dazu beitragen, jährlich 4,5 Millionen Tonnen CO₂ im europäischen Stahlsektor einzusparen.

Herzstück beider Projekte: ein Testofen in Krefeld. Es handelt sich um einen Wiedererwärmungsofen, der traditionell mit Erdgas betrieben wird. Hier werden die Stahlhalbzeuge (Blöcke, Knüppel, ) auf 1.100 bis 1.300 Grad erwärmt, um dann geschmiedet zu werden – ein sehr energieintensiver Teil der Stahlproduktion. Und gerade deshalb sind die Wasserstoffprojekte so interessant. 

Erste Testergebnisse

Gibt es bereits Erkenntnisse aus den bisherigen Tests? Ja. Sie zeigen die Chancen – und die Probleme, die noch gelöst werden müssen. 

„Wir hatten anfänglich die Sorge, dass Wasserstoff in den Stahl eindiffundieren könnte“, erzählt Projektleiter Gregor Ebbers. „Das ist aber zum Glück nicht der Fall. Der Wasserstoff verbrennt in der Hitze des Ofens vollständig. Wir konnten bisher keinen negativen Einfluss auf das Material feststellen. Es sind aber noch weitere Versuche und tiefgründigere Untersuchungen erforderlich, um ein abschließendes Urteil zu fällen.“ 

Ein zentrales Problem ist die Versorgung mit Wasserstoff. Zwei Tanks mit je 115 m³ stehen auf dem Werk, täglich liefern ein bis zwei Lkw den Wasserstoff an. Das funktioniert für den 2-MW-Testofen – aber nicht als Dauerlösung. „Der Testofen hat eine Leistung von 2 MW. Die Durchschnittsleistung bei unseren Öfen ist 5 MW. Wir haben 82 Öfen mit ca. 1.000 Brennern am Standort Krefeld der DEW. Wenn wir die alle auf Wasserstoff umstellen, geht das nur, wenn wir dafür eine Pipeline zu unserem Werk haben“, sagt Ebbers. 

Höhere Anforderungen als bei Erdgas

Die Pläne für ein Wasserstoff-Kernnetz in Deutschland sehen vor, zumindest Krefeld anzubinden. Doch ob die Pipeline auch bis zum Standort Krefeld reicht – und wann –, ist offen. Eine Entscheidung ist auf die 30er Jahre vertagt. Eine Alternative, den Wasserstoff per Elektrolyseur selbst zu erzeugen, scheidet für Krefeld aus: Dafür scheint in Nordrhein-Westfalen zu wenig Sonne. 

Die Untersuchungen beinhalten auch verschiedene Mischungsverhältnisse von Erdgas und Wasserstoff. Damit kann im Übergang bis zu einer höheren Verfügbarkeit von Wasserstoff auch schon CO2 reduziert werden.

„Bis zu einem Mischungsverhältnis von 50:50 machen das alle Brenner mit. Wenn der Wasserstoffanteil höher ist, wird die Flamme kürzer und heißer. Dann müssen wir Brennerkomponenten austauschen“, sagt Ebbers. Und das ist  teuer. Krefeld mit seinen 82 Ofenanlagen hat mehrere Hundert Brenner. "All die Bauteile auszutauschen, wäre bis Mitte der 40er Jahre nicht zu schaffen." 

Hinzu kommt ein weiteres technisches Problem: Wasserstoff ist geruchsneutral. Die Anforderungen an die Dichtheit der Anlagen sind daher noch höher als bei Erdgas.

Ein Puzzle mit 5.000 Teilen

Swiss Steel Group verfolgt ungeachtet einiger ungeklärter Fragen wie nach dem Zeitplan für die Wasserstoffpipeline, die Verfügbarkeit von grünem Wasserstoff sowie den Kosten für die Umrüstung der Brenner strikt die gesteckte Dekarbonisierungs-Roadmap. Wie das am Ende wirtschaftlich werden kann, hängt nicht zuletzt davon ab, wie viel Wasserstoff in zehn Jahren kosten wird – und was die Menschen dann bereit sind, für Stahlprodukte zu zahlen.

„Die staatliche Förderung unterstützt die Einhaltung unserer selbst gesteckten Ziele“, sagt Produktionsleiter Mayser. Offen ist noch, ob die Ergebnisse der Forschungsprojekte veröffentlicht werden, damit auch andere Stahlhersteller davon profitieren.

Strategisches Ziel ist es, die Marktposition bei grünem Stahl zu stärken.  Wer Stahl kauft – ob für Autos, Maschinen oder Windkraftanlagen – wird eines Tages CO₂-neutralen Stahl verlangen, damit die eigene Lieferkette klimaneutral wird. Swiss Steel Group bereitet sich darauf bereits heute vor:  Die Gruppe setzt gezielt auf CO₂-armen Stahl aus der Lichtbogenroute und vermarktet das als Wettbewerbsvorteil – gegenüber Herstellern, die noch Jahre brauchen werden, um ihre Hochöfen umzustellen.

Gregor Ebbers beschreibt den Stand der Dinge mit einem Bild, das die Dimension der Aufgabe auf den Punkt bringt: „Das ist wie ein Puzzle mit 5.000 Teilen. Wir haben jetzt vielleicht 500 zusammen.“

Und Felix Mayser ergänzt, warum das kein Grund zur Resignation ist: „Wenn wir glauben, wir könnten so weiter machen wie bisher, wäre das die falsche Herangehensweise. Wir müssen Lösungen suchen – und das tun wir mit diesen Projekten in Krefeld.“ Noch etwas stimmt ihn zuversichtlich: „Innerhalb der Gruppe ist die Unterstützung groß, da ziehen alle Ebenen an einem Strang.“  So erfolge die Genehmigung von Maßnahmen sehr zügig. 

Auch in der Belegschaft wird das Thema sehr positiv aufgenommen. „Es ist für die Kolleginnen und Kollegen ein wichtiges, sichtbares Zeichen für die Zukunft.“

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