Grüner Stahl

Genaue Angaben zu den jährlichen Emissionen der weltweiten Stahlherstellung unterscheiden sich je nach Quelle, Jahr und den betrachteten Systemgrenzen. [1] verweist auf den IEA-Bericht World Energy Outlook 2023, laut dem die Stahlherstellung im Vorjahr für 8 % der CO₂- und 6 % der Treibhausgasemissionen verantwortlich war. [4] schätzt die direkten Emissionen aus Eisen und Stahl 2019 auf 2,6 GtCO₂, was 7 % der weltweiten CO₂-Emissionen des Energiesystems entspricht. [3] beziffert den Anteil der Branche bei einer weiter gefassten Branchengrenze auf etwa 7-8 % der menschengemachten Treibhausgasemissionen. Die 8-%-Angabe im Skript stammt vor allem aus [1], dient aber auch als gerundeter Überblick über diese sich überschneidenden Schätzungen.

Die weltweiten CO₂-Emissionen des Verkehrssektors beliefen sich 2024 schätzungsweise auf 9 Gt CO₂, bei insgesamt geschätzten 41,6 Gt CO₂ (d. h. alle vom Menschen verursachten CO₂-Emissionen aus fossilen Brennstoffen und LULUCF [Landnutzung, Landnutzungsänderung und Forstwirtschaft], unter Berücksichtigung der menschengemachten Senke durch Karbonatisierung von Zement) ^[5,6]. Auf die Luftfahrt (international und national) entfielen laut Angaben 9,9 % der Emissionen des Verkehrssektors, das entsprach 2,14 % der globalen CO₂-Emissionen (knapp eine Milliarde Tonnen). Auf die Schifffahrt (international, national und Fischerei) entfielen laut Angaben 10,67 % der Emissionen des Verkehrssektors, das entsprach 2,31 % der globalen CO₂-Emissionen ^[5,6].

Ein früherer Vergleich vor der Pandemie, der spezielle Studien zu Luftfahrt und Schifffahrt derselben Gesamtsumme globaler CO₂-Emissionen gegenüberstellt, bietet eine nützliche Gegenprüfung für diese Schätzung von 2024 und kommt zu einem ähnlichen Ergebnis. 2018 stieß die weltweite Luftfahrt etwa 1,034 Gt CO₂ aus ^[7], während die Schifffahrt etwa 1,056 Gt CO₂ ausstieß ^[8]. Die gemeinsamen Emissionen betrugen somit etwa 2,090 Gt CO₂. Verglichen mit den 42,5 Gt CO₂ im Global Carbon Budget für dasselbe Jahr ^[6], entfielen auf Luftfahrt und Schifffahrt zusammen etwa 4,92 %. Ein Anteil von 8 % der Emissionen aus der Stahlherstellung wäre damit etwa 3,08 Prozentpunkte höher, oder 1,63-mal so hoch wie die gemeinsamen Emissionen von Luftfahrt und Schifffahrt. Dies vergleicht nur die jährlichen CO₂-Emissionen und berücksichtigt nicht die zusätzlichen, nicht durch CO₂ verursachten Erwärmungseffekte der Luftfahrt.

Zum Zeitpunkt der Erstellung sind dies die besten verfügbaren Zahlen, um Sektoren direkt zu vergleichen, und sie stützen sich, wo immer möglich, auf aktuelle, maßgebliche Quellen (z. B. Schifffahrtsemissionen der International Maritime Organization). Solche Vergleiche erfordern jedoch Vorsicht, denn veröffentlichte Schätzungen können leicht unterschiedliche Arten oder Kategorien von Treibhausgasen, Aktivitäten und Emissionsquellen abdecken.

Erstens können verschiedene Studien entweder nur CO₂, alle Treibhausgase oder Kohlendioxidäquivalentwerte (CO₂eq) angeben, die Gase wie Methan und Lachgas enthalten, gewichtet nach ihrem Treibhauspotenzial im Vergleich zu CO₂. Diese Messgrößen sind ohne einheitliche Standardisierung nicht austauschbar oder direkt vergleichbar, und die Darstellung der einen statt der anderen kann den scheinbaren Anteil der Emissionen eines Sektors stark verändern. Quellen, Studien und Berichte von Organisationen machen oft nicht sofort klar, welche genaue Messgröße (/Art der Emissionsmessung) verwendet wurde, und nennen regelmäßig eine, obwohl sie eigentlich eine andere meinen (z. B. ‘CO₂’, wenn sie ‘CO₂eq’ meinen).

Zweitens ist die Wahl des globalen Bezugswerts wichtig: Manche Vergleiche beziehen sich nur auf energiebedingte CO₂-Emissionen, während andere alle anthropogenen Quellen wie Landnutzung, Landnutzungsänderung und Forstwirtschaft (LULUCF) einbeziehen, was den Nenner und damit den berechneten Prozentsatz des Sektors bestimmt.

Besonders internationale Schifffahrtsemissionen sind schwer zu verfolgen, weil sie größtenteils in internationalen Gewässern entstehen. Historisch stammten Daten oft aus Verkäufen von Bunkertreibstoff statt aus einer direkten Überwachung der Schiffsaktivität, was zusätzliche Unsicherheit schafft. Die IMO kombiniert inzwischen Methoden zu Treibstoffverkäufen, Schiffsaktivität (AIS-Modellierung) und der Zuordnung von Reisen, und die Schätzungen können je nach verwendeten Methoden variieren. Ein ähnliches Bild ergibt sich auch bei Luftfahrtdaten. Zusammen mit den genannten Problemen bei der Veröffentlichung von Zahlen kann das dazu führen, dass verfügbare globale Emissionsschätzungen stark auseinandergehen, selbst wenn sie auf demselben Sektor/derselben Aktivität beruhen.

Jährlich werden 1,892 Gt Stahl produziert, davon werden 52 % im Bau eingesetzt (983,84 Mt Stahl).

[14] zeigt, dass die globale Stadtfläche zwischen 1985 und 2015 jährlich um 9.687 km² wuchs. Das entspricht (9.687/365 =) 26,539 km² pro Tag.

Manhattan hat eine Fläche von 59,1 km^2 A.: 59,1/26,539 = 2,2 Tage

Allerdings könnte die aktuelle Wachstumsrate sogar noch höher sein. Die Weltbank ^B schätzt (Stand April 2023), dass bis 2030 weltweit 1,2 Millionen km² neue bebaute Stadtfläche hinzukommen werden. Das entspricht einer durchschnittlichen jährlichen Stadtausdehnung im gesamten 2020er-Jahrzehnt von etwa 120.000 km² pro Jahr, 328,77 km² pro Tag oder 13,698 km² pro Stunde, was bedeutet, dass alle 4 Stunden eine Fläche so groß wie Manhattan bebaut wird.

Weitere Vergleiche sind möglich: Wenn jährlich 983,84 Mt Stahl im Bau eingesetzt werden (siehe oben), sind das täglich 2,7 Mt. Zum Vergleich: Die Golden Gate Bridge in San Francisco, USA, enthält ~75.000 metrische Tonnen Stahl ^C, das heißt, aus dem täglich im Bau eingesetzten Stahl könnten ~36 Golden Gate Bridges gebaut werden. Alternativ enthält das Empire State Building ~51.700 metrische Tonnen Stahl ^D,E, das heißt, aus dem täglich im Bau eingesetzten Stahl könnten ~52,2 Empire State Buildings gebaut werden.

^A Überblick über New York City | NYMTC

^B Überblick Stadtentwicklung | Weltbankgruppe

^C Design- und Baudaten | Statistiken & Daten | Golden Gate

^D ASCE Metropolitan Section | Empire State Building

^E Empire State Building | Die höchsten Türme der Welt

94 % des geförderten Erzes ist Eisenerz, und 98 % des Eisenerzes werden für Stahl verwendet. Daher entsprechen 98 % von 94 % 92 %. Das ist eine aus Massenanteilen abgeleitete Schätzung und keine gemessene Statistik.

[39] nennt eine maximal mögliche Emissionsminderung von bis zu 85 %; diese ist jedoch möglicherweise nicht allgemein übertragbar, und die Quelle legt für ihre Schätzung keine vollständige Systemgrenze eindeutig fest. In der Praxis können die Emissionseinsparungen stark vom Anteil an Schrott im Elektrolichtbogenofen, dem Strommix und dem Umfang der betrachteten größeren Systemgrenzen abhängen. Dennoch berichtet WorldSteel ^F über ähnlich große Unterschiede zwischen erz- und schrottrecyclingbasierten Stahlherstellungswegen: weltweit im Schnitt 2,34 tCO₂/t Rohstahl für den traditionellen Hochofen-/Sauerstoffkonverterweg und 0,69 tCO₂/t für den Schrottmetall-/Elektrolichtbogenofenweg, was einer durchschnittlichen Minderung von etwa 70,5 % entspricht.

^F Nachhaltigkeitsindikatoren-Bericht 2025 | World Steel Association

Leckage bedeutet, dass CO₂ aus der vorgesehenen Speicherung entweicht - durch ein Bohrloch, eine Störung, einen Riss oder Deckgestein - und möglicherweise eine andere geologische Formation, das Grundwasser, den Meeresboden oder die Atmosphäre erreicht. Speicherversagen kann Leckagen umfassen, aber auch zu hohen Druck, unerwartete Wanderung oder den Verlust der Injektionsfähigkeit bedeuten, wodurch der Standort nicht wie vorgesehen betrieben werden kann, ohne dass zwingend CO₂ in die Atmosphäre gelangt. Beides ist bei einem sachgerecht ausgewählten und betriebenen Standort nicht zu erwarten. EU-Vorschriften verlangen, dass für vorgeschlagene Standorte nachgewiesen wird, dass kein erhebliches Leckagerisiko besteht, und dass Pläne für Überwachung und Korrekturmaßnahmen aufrechterhalten werden.

Das Ersetzen von „Kohle im Hochofen“ bedeutet, die herkömmliche kohlebasierte Hochofenreduktion selbst durch gasbasierte Direktreduktion zu ersetzen, die meist in einem separaten Schacht-/Direktreduktionsofen stattfindet; es bedeutet nicht, Kohle im selben Hochofen eins zu eins durch fossiles Gas zu ersetzen.

Andere DRI-Verfahren unterscheiden sich stark bei ihren Emissionen. [60] legt nahe, dass DRI auf Kohlebasis die Emissionen gegenüber dem herkömmlichen Hochofen-Sauerstoffkonverter-Verfahren um 38 % senken kann. Fossiles Gas mit seiner üblichen Mischung aus CH₄, H₂ und CO senkt die Emissionen dagegen um 61 %. Fossiles Gas vollständig durch H₂ zu ersetzen, kann die Emissionen um 97 % senken. Diese Schätzungen gelten jedoch nicht überall, und die genaue Emissionseinsparung hängt nicht nur vom wichtigsten Reduktionsmittel im Prozess ab, sondern auch von der übrigen DRI-Konfiguration, dem Energiemix und der Systemgrenze. Wichtig ist, dass Emissionen aus der Herstellung von H₂ vor seinem Einsatz in der Stahlproduktion in den Schätzungen für Wasserstoff-DRI nicht berücksichtigt wurden. Grüner Wasserstoff nutzt CO₂-armen Strom, doch mit Transport & Infrastruktur können weiterhin Emissionen verbunden sein (siehe unten). Auch wenn fossiles Gas bei DRI weniger Emissionen verursacht als Kohle, kommen weiterhin fossile Brennstoffe zum Einsatz, also sind Emissionen unvermeidlich.

Grüner Wasserstoff wird hergestellt, indem erneuerbarer Strom Wasser durch Elektrolyse in Wasserstoff und Sauerstoff spaltet. Dadurch entfallen die Emissionen, die bei der Herstellung von Wasserstoff aus fossilen Brennstoffen entstehen. Wenn der Wasserstoff bei der Eisenreduktion in den Stahlherstellungsprozess gelangt, um Eisen von seinem Erz zu trennen, reagiert er mit Eisenoxiden im Erz und verbindet sich mit Sauerstoff zu Wasserdampf statt CO₂.

Allerdings kann der gesamte Prozess weiterhin einige Emissionen verursachen. Diese indirekten Begleitemissionen können durch Infrastruktur für Herstellung, Transport und Speicherung von grünem Wasserstoff entstehen oder durch Strom aus einem Netz, dessen Energiemix noch nicht vollständig CO₂-frei ist. In der Praxis wird als „grün“ bezeichneter Wasserstoff daher möglicherweise nicht immer im gesamten Prozess ausschließlich mit erneuerbarem Strom hergestellt.

Stahl aus grünem Wasserstoff kann also sehr nahe an Nullemissionen kommen, ohne unbedingt absolut null CO₂-Emissionen zu erreichen. Tatsächlich verursacht Stahl aus erneuerbarem Wasserstoff ungefähr 0,08 kg CO₂ pro kg Stahl ^[67].

Blauer und grauer Wasserstoff haben klarer umrissene Begleitemissionen. Grauer Wasserstoff wird meist aus fossilem Gas hergestellt, durch ein Verfahren namens Dampfreformierung von Methan (SMR), das Wasserstoff aus dem Methan im fossilen Gasgemisch abspaltet und CO₂ freisetzt. Das ist derzeit die häufigste und günstigste Art, Wasserstoff herzustellen. Blauer Wasserstoff entsteht durch denselben Grundprozess, aber kombiniert mit Technologie zur CO₂-Abscheidung und -Speicherung (CCS), damit die meisten dieser Produktionsemissionen nicht in die Atmosphäre entweichen. Weil der Abscheideprozess meist nicht alles auffängt, verursacht blauer Wasserstoff weiterhin einige Emissionen in die Atmosphäre.

Wenn eine der beiden Wasserstoffformen genutzt wird, um Eisen von seinem Erz zu trennen, entsteht bei der Reduktionsreaktion selbst weiterhin nur Wasser statt CO₂. Der Hauptunterschied liegt in den vorgelagerten Emissionen, die früher bei der Herstellung des Wasserstoffs entstehen. Kleinere Emissionen können auch an anderer Stelle im Stahlherstellungsprozess bleiben, etwa durch Strom und Kohlenstoff im Elektrolichtbogenofen.

Laut [67] verursacht Stahl aus blauem Wasserstoff ungefähr 0,22 kg CO₂ pro kg Stahl, wenn 85 % der Emissionen aus der Wasserstoffherstellung abgeschieden werden. Das steht im Vergleich zu 1,87 kg CO₂ bei herkömmlichem kohlebasiertem Stahl und 0,38 kg CO₂ bei kohlebasiertem Stahl mit CO₂-Abscheidung, für den eine separate Abscheiderate von 80 % angenommen wird ^[67].

Mehr als 95 % des weltweit genutzten Wasserstoffs wird aus fossilem Gas hergestellt, meist ohne jede Form von CO₂-Abscheidung. Wenn dieser herkömmliche graue Wasserstoff in der wasserstoffbasierten DRI-Stahlherstellung genutzt wird, schätzt [67] die Emissionen auf ungefähr 0,7 kg CO₂ pro kg Stahl ^[67]. Das ist deutlich weniger als bei herkömmlicher kohlebasierter Stahlproduktion, aber erheblich mehr als bei Stahl aus grünem Wasserstoff.

In diesen Berechnungen stammen die meisten verbleibenden Emissionen aus CO₂, das CCS entgangen ist, weil es nicht das gesamte CO₂ auffängt, das bei herkömmlicher Stahlherstellung oder der Produktion von blauem Wasserstoff entsteht.

Die mögliche Emissionseinsparung von mehr als 95 % beschreibt daher eine bestmögliche DRI-Route mit grünem Wasserstoff und kein allgemeines Ergebnis, das für jede Form von wasserstoffbasiertem Stahl gilt ^[60,67]. [67] schätzt für seinen Fall mit erneuerbarem Wasserstoff ungefähr 0,08 kg CO₂ pro kg Stahl; verglichen mit 1,87 kg CO₂/kg bei herkömmlichem kohlebasiertem Stahl entspricht das einer Verringerung um 95,7 % ^[67]. Letztlich hängt das Ergebnis von der Wasserstoffherstellung, der CO₂-Intensität des Stroms, den eingesetzten Rohstoffen und Schrottmengen sowie den zugrunde gelegten Emissions-/Systemgrenzen ab.

Stahl ist kein reines Eisen: Er ist eine Legierung, die normalerweise eine kleine, genau kontrollierte Menge Kohlenstoff enthält, die ihm die nötigen Eigenschaften verleiht. Deshalb wird auch dann noch etwas Kohlenstoff gebraucht, wenn Wasserstoff in der ersten Stufe, der Eisenreduktion, Kohlenstoff ersetzt und das Eisen anschließend zu Stahl wird.

Stahlhersteller nutzen Kohlenstoff in einem Elektrolichtbogenofen auch für mehrere technische Aufgaben, auf die das Skript nicht genauer eingeht. Dazu gehören das Einstellen des endgültigen Kohlenstoffgehalts (einschließlich Aufkohlen), das Entfernen von restlichem Sauerstoff (Desoxidation) und die Schlackenbildung (Wenn Stahl schmilzt, steigen Verunreinigungen nach oben und bilden eine flüssige Abfallschicht namens Schlacke. Wird Kohlenstoff in die Mischung eingeblasen, reagiert er mit dem Eisenerz und erzeugt Blasen aus Kohlenmonoxidgas, die die Schlacke zu Schaum aufblähen. Diese Schaumschicht schützt den Ofen vor der starken Hitze und verbessert seine Leistung, indem sie Wärme im flüssigen Metall festhält und so den nötigen Energieeinsatz senkt).

Stahlschrott dient vor allem als recycelte Quelle für Eisen und bereits hergestellten Stahl (metallischer Einsatzstoff), nicht als Ersatz für gezielt zugeführten Kohlenstoff, obwohl der schon im Schrott enthaltene Kohlenstoff zur endgültigen Kohlenstoffbilanz des Ofens beiträgt. Bei der Stahlherstellung im Elektrolichtbogenofen muss daher möglicherweise weiterhin zusätzlicher Kohlenstoff zugegeben werden.

Biogene Abfallreste können potenziell eine weitere Kohlenstoffquelle liefern, müssen aber zuerst zu geeignetem Biokohlenstoff oder Pflanzenkohle verarbeitet werden. Passend aufbereitete Kunststoffabfälle und Altreifen können ebenfalls als kohlenstoffhaltige Reduktions- oder Schlackenaufschäumungsmittel wirken oder Energie liefern und damit einen Teil des sonst eingesetzten herkömmlichen Kokses oder der Kohle ersetzen.

Die meisten Kunststoffe und ein großer Teil des in Reifen enthaltenen Kohlenstoffs stammen jedoch ursprünglich aus fossilen Brennstoffen, sodass ihre Nutzung weiterhin fossiles CO₂ freisetzen kann. Der Umweltvorteil hängt daher vom verwendeten Abfallmaterial (Zusammensetzung des Einsatzstoffs), seiner Verarbeitung (Vorbehandlung), der Menge an neu gefördertem (primärem) fossilem Kohlenstoff, die es ersetzt, der Ofenleistung und den berücksichtigten Teilen des Lebenszyklus ab. Die Nutzung von Abfällen kann den Bedarf an herkömmlichem fossilem Kohlenstoff senken, macht den Prozess aber nicht automatisch CO₂-frei.

Stahl, der mit dem Wasserstoffverfahren hergestellt wird, wird in verschiedenen Ländern erprobt:

[76] Deutschland, [77] Österreich, [78] die Niederlande, [79,80] Vereinigtes Königreich, [81] Südkorea