Die Stahlindustrie ist weltweit ein großer CO₂-Emittent, dessen Emissionen etwa 7 %–11 % der globalen Treibhausgasemissionen ausmachen. Angesichts des zunehmend drängenden globalen Klimawandels haben zahlreiche Länder nationale Ziele für Kohlenstoffspitzenwerte und Klimaneutralität gesetzt. China, das die Hälfte der weltweiten Rohstahlproduktion ausmacht, steht unter dem politischen Druck der Doppel-Kohlenstoff-Ziele.

Die Kohlenstoffemissionen der Stahlindustrie stammen hauptsächlich aus den chemischen Prozessen in der Produktion und dem enormen Energieverbrauch. Das derzeit vorherrschende integrierte Hochofenverfahren verwendet Koks als Reduktionsmittel, um im Hochofen Eisenerz zu Roheisen zu reduzieren, wobei große Mengen an Kohlendioxid freigesetzt werden. Das traditionelle Verfahren ist nicht nur kohlenstoffintensiv, sondern hat auch strukturelle Nachteile wie einen langen Prozessablauf, hohen Energieverbrauch und eine starke Abhängigkeit von hochwertigem Eisenerz, was eine grundlegende Dekarbonisierung kurzfristig durch punktuelle Nachbesserungen unmöglich macht. Studien der Internationalen Energieagentur zeigen, dass zur Erreichung der Temperaturziele des Pariser Abkommens die Kohlenstoffemissionen der Stahlindustrie bis 2050 um über 90 % sinken müssen, was eine bahnbrechende technologische Revolution unabdingbar macht.

Unter den traditionellen Dekarbonisierungswegen wurde die Wasserstoff-basierte Direktreduktion – Elektrolichtbogenofen-Route einst als Königsweg angesehen. Dieses Verfahren ersetzt Koks durch Wasserstoff, wobei das Reduktionsprodukt Wasserdampf ist, was chemisch betrachtet die Kohlenstoffemissionen eliminiert. Allerdings steht die Wasserstoffmetallurgie in der praktischen Umsetzung vor Hürden: Ein wirtschaftlich tragfähiges System für grünen Wasserstoff ist noch nicht ausgereift, Probleme der Energieverluste und Emissionsverlagerung bei der Wasserstoffproduktion, hohe Kosten und technische Engpässe bei der Wasserstoffspeicherung und dem Transport, sowie die hohen Anforderungen an die Rohstoffqualität in wasserstoffbasierten Schachtöfen, begrenzen allesamt ihre kurzfristige industrielle Anwendbarkeit.

Angesichts des "Wasserstoff-Dilemmas" beginnt die Wissenschaft, einen anderen technologischen Pfad neu zu bewerten – die elektrochemische Metallurgie. Da die Erzeugung und Reduktion von Wasserstoff zwei getrennte Prozessschritte sind, zeigt die Elektrolyse natürliche Vorteile in der Energieausnutzungseffizienz. Die von der US-amerikanischen Boston Metal Company entwickelte Technologie der geschmolzenen Oxid-Elektrolyse (MOE) und das von der australischen Firma Fortescue geleitete Projekt zur direkten elektrochemischen Reduktion (DER) haben die Machbarkeit dieses technologischen Weges bestätigt. Allerdings bleiben technische Hürden wie die schnelle Korrosion des Anodenmaterials und die niedrige Elektrolyse-Effizienz das größte Hindernis auf dem Weg zur Industrialisierung.

Die Forschung des Teams der Universität für Wissenschaft und Technologie Peking (USTB) und der Baowu-Gruppe hat genau in diesem technologischen Stillstand einen Durchbruch gefunden. Durch das geschickte Design der Schlackenstruktur konnte die Stabilität der Anode in der Hochtemperatur-Schmelzsalz-Umgebung erheblich verbessert werden, was die Nachhaltigkeit und Wirtschaftlichkeit der gesamten Elektrolyse-Reaktion auf eine neue Stufe hob.

Die Alchemie der "Schlackenstruktur" ergründen

Der Kern dieser Technologie liegt darin, dass die "Schlacke" nicht nur ein Nebenprodukt der Reaktion ist, sondern zum “Kontrollorgan” der gesamten elektrochemischen Reaktion wird.

Gestaltung einer neuartigen Schlackenstruktur

Ohne die physikalisch-chemischen Grundprinzipien der Stahlherstellung zu verändern, nahmen die Forscher strukturelle Feinjustierungen am quaternären Basisschlackensystem CaO-SiO₂-Al₂O₃-FeOx vor, so dass sich auf der Anodenoberfläche eine "aktive Grenzschicht" mit hoher Sauerstoffionenleitfähigkeit bildet. Durch die Kontrolle des Fe³⁺/Fe²⁺-Ladungsausgleichs in der Schlacke wurde das Ionen-Netzwerk der Schlacke so umgestaltet, dass die Transportrate der O²⁻-Ionen an der Anodengrenzfläche signifikant erhöht wurde. Molekulardynamik-Simulationen zeigten, dass der Diffusionskoeffizient der Sauerstoffionen im optimierten Schlackensystem um den Faktor 3,14 anstieg, was die Triebkraft der Elektrolyse deutlich erhöht.

Dieses Schlackensystem behält eine hervorragende chemische Stabilität unter extremen Bedingungen von bis zu 1600 °C und einer stark korrosiven Umgebung bei, unterdrückt effektiv die Oberflächenoxidation und Korrosionsschichtablösung der inerten Anode und verlängert die Anodenlebensdauer auf über 500 Stunden, weit über das bisher in vergleichbaren internationalen Forschungsarbeiten berichtete Niveau.

Selektive Sauerstoffentwicklungsreaktion und Herstellung hochreinen Roheisens

Im Ultrahochtemperatur-Elektrolyseur nutzt diese Technologie die eisenoxidhaltige Schlacke direkt als Elektrolyt. Wenn Gleichstrom angelegt wird werden Eisenionen an der Kathode zu metallischem Eisen reduziert, während Sauerstoffionen an der Anode zu Sauerstoff oxidiert werden. Durch die Kontrolle der Struktur der CaO-SiO₂-FeOx-Schlacke selektierte das Forschungsteam gezielt die anodische Sauerstoffentwicklungsreaktion und vermied so die Entstehung schädlicher Anodengase, die bei herkömmlichen Schmelzsalz-Elektrolyseverfahren auftreten. Die gesamte Reaktion verbraucht kein kohlenstoffbasiertes Reduktionsmittel; das einzige Nebenprodukt ist Sauerstoff, was eine "Null-Kohlenstoff"-Umwandlung von Erz zu Roheisen ermöglicht. Im Vergleich zur wasserstoffbasierten Direktreduktion benötigt diese Technologie nicht die zweistufige Energieumwandlung („Grünstrom → grüner Wasserstoff → Reduktion von Eisen“) und kann die Energieausnutzungseffizienz um über 40 % steigern, was die Gesamtenergiekosten aus thermodynamischer Sicht erheblich senkt. Das Verfahren ist äußerst robust gegenüber den Rohstoffen. Es kann nicht nur hochwertige Eisenkonzentrate, sondern auch direkt komplexe, niedriggradige Eisenerze verarbeiten, ohne aufwändige Vorbereitungsschritte wie die Vorkonzentrierung oder Pelletierung.

Das gesamte Systemdesign dieser Technologie gewährleistet eine ultrahohe Reinheit des endgültigen Roheisenprodukts von über 99,9 %. Dies kann die anschließende Tiefentkohlungsstufe der herkömmlichen Konverterroute vollständig überflüssig machen und realisiert so aus einer top-level thermodynamischen Perspektive eine Prozess-Neugestaltung und drastische Verkürzung des gesamten Stahlproduktionsprozesses.

Von "Low Carbon" zu "Zero Carbon": Neugestaltung eines vollständigen industriellen Pfads

Die erfolgreiche Verifizierung dieser "Schmelz-Flusselektrolytischen Eisenreduktions"-Technologie zeigt, dass eine kurzprozessig, emissionsfreie saubere Stahlproduktion nun über die theoretische Grundlage und einen Kern eines Technologie-Prototyps für eine großflächige Industrialisierung verfügt. Diese Technologie ist natürlicherweise mit der globalen grünen Energierevolution verbunden. Mit den kontinuierlich fallenden Kosten für die Stromerzeugung aus erneuerbaren Energiequellen wie Solar- und Windkraft könnte der wirtschaftliche Wendepunkt für die direkte Nutzung von Grünstrom zur Stahlherstellung schneller kommen als erwartet.

Aus der Perspektive der gesamten Industriekette löst diese Technologie nicht nur die hohen Kosten der Stahlunternehmen für CO₂-Steuern und Umweltschutz, sondern könnte auch ein neues internationales Handelssystem für "Grünen Stahl" und Zertifizierungsstandards für den CO₂-Fußabdruck hervorbringen.

Durchbruch in der Null-Kohlenstoff-Stahlproduktion durch die Universität für Wissenschaft und Technologie Peking

Diese Zusammenarbeit der Universität für Wissenschaft und Technologie Peking, der Yanshan-Universität und der Baowu Steel Group markiert einen weltweit führenden Fortschritt Chinas im zukunftsweisenden Bereich der Null-Kohlenstoff-Stahlproduktion basierend auf "Grünstrom + Elektrolyt-Metallurgie". Diese Forschung überwindet nicht nur das Problem der Stabilität von Inertanoden-Materialien von Umgebungen aus geschmolzenen Salzen nach Maßstäben von Nichtgleichgewichts-Datensätzen beschrieben. Sie präsentiert auch einen umfassenden wissenschaftlichens Lagees Ansatzes zur Steigerungen nutzendes Designens chemischer effizienzies von Effizienzie misst schim <blankgt; im Geler & erhöhen. Mit dem maßstägebilchen Einsatz von Komplettausstattungen und Schlüsselkomponenten wird die Stahlindustrie endgültig ihre Geschichte der "CO₂-Verdrängung durch Hochöfen" lose... Sieht ag das sich Klimas Spiel eingehenden Part zu leise Leist & Gebtig