Europäischer Forschungsrat ERC fördert Grundlagen-Forschungsprojekt zu grünem Stahl

Prof. Dierk Raabe, Direktor am Düsseldorfer Max-Planck-Institut für Eisenforschung, erhält 2,5 Millionen Euro

Prof. Dierk Raabe, Direktor am Max-Planck-Institut für Eisenforschung (MPIE), erhält für sein Projekt "ROC" einen mit 2,5 Millionen Euro dotierten Advanced Grant vom Europäischen Forschungsrat (ERC). Der Preis ist die höchste wissenschaftliche Auszeichnung des Europäischen Forschungsrates und ermöglicht Raabe seine Grundlagenforschung zu intensivieren, um den effizientesten und nachhaltigsten Weg zur Herstellung von grünem Stahl zu finden. Das Akronym "ROC" steht für "Reducing Iron Oxides without Carbon by using Hydrogen-Plasma", also übersetzt “Reduzierung von Eisenoxiden mit Wasserstoffplasma, anstelle von Kohlenstoff“.

Durch Wasserstoffplasma bis zu 8% der globalen Treibhausgas-Emissionen einsparen

„Die globale Stahlindustrie ist der größte Einzelverursacher von Treibhausgasen und verantwortlich für 8% der weltweiten Kohlendioxidemissionen. Stellen Sie sich vor, welche Auswirkungen es hätte, wenn wir diese Emissionen um 80% oder noch mehr reduzieren könnten“, sagt Raabe, „deshalb freue ich mich sehr über diese renommierte Auszeichnung. Die Hebelwirkung ist enorm, denn schon kleine Schritte können helfen, gigantische Mengen an Emissionen im schnell wachsenden globalen Metallurgiesektor zu vermeiden, in dem jedes Jahr mehr als 1,8 Milliarden Tonnen Stahl produziert werden. Dieses Problem lässt sich nicht durch Trial-and-Error lösen. Es erfordert tiefe Einblicke in die zugrunde-liegenden Mechanismen, um eine 3.500 Jahre alte Industrie innerhalb weniger Jahre neu zu erfinden“. Heute werden 70% des Eisens durch die Reduktion von Erzen in riesigen Hochöfen mit Kohlenmonoxid als Reduktionsmittel gewonnen, wobei ein Eisen-Kohlenstoff-Gemisch entsteht. Dieses wird weiter in Konvertern veredelt, indem der größte Teil des Kohlenstoffs entfernt wird. Dadurch wird das Roheisen zu Stahl. Sowohl bei der Reduktion als auch bei der Veredelung entstehen enorme Kohlendioxidemissionen.

Die Industrie erforscht derzeit mehrere neue Methoden zur Herstellung von Eisen, die kohlenstoffhaltige Reduktionsmittel ersetzen. Dies geschieht zum Beispiel durch Direktreduktion im festen Zustand mit Erdgas oder Wasserstoff. Der Prozess ist jedoch langsam und viele der zugrundeliegenden Reduktionsmechanismen sind nicht gut verstanden. Das Projekt "ROC" basiert auf zwei Ansätzen: a) Verwendung von Wasserstoff-Plasma anstelle von Kohlenstoff als Reduktionsmittel für Eisenerz, so dass nur Wasser als Nebenprodukt anfällt, und b) Verwendung von moderat reduzierenden elektrischen Lichtbogenöfen, die Reduktion, Schmelzen, Mischen und Entfernen von Verunreinigungen in einem einzigen Prozessschritt kombinieren. „Unser Ziel ist es, die physikalischen und chemischen Grundlagen der Reduktionsprozesse bis auf die atomare Skala zu erforschen. Dieses Verständnis wird es uns ermöglichen, die am besten geeigneten Reaktoren und Reduktionsmittel zu finden, um die höchsten Metallausbeuten bei geringstem Wasserstoff- und Energieverbrauch zu erzielen", erklärt Raabe.

Bei der Herstellung von 1 Tonne Stahl werden 2 Tonnen Kohlendioxid ausgestoßen. Damit ist die Stahlindustrie weltweit für 8% der gesamten CO<sub>2</sub>-Emissionen verantwortlich. Wie kann man diese Emissionen reduzieren und die Stahlindustrie klimafreundlich machen?<br />Ayman El-Zoka erklärt die Herausforderungen, denen sich die Wissenschaftler*innen stellen, und ihren Ansatz, Wasserstoff anstelle von Kohlenstoff zur Herstellung von grünem Stahl zu verwenden.

Grüner Stahl

Bei der Herstellung von 1 Tonne Stahl werden 2 Tonnen Kohlendioxid ausgestoßen. Damit ist die Stahlindustrie weltweit für 8% der gesamten CO2-Emissionen verantwortlich. Wie kann man diese Emissionen reduzieren und die Stahlindustrie klimafreundlich machen?
Ayman El-Zoka erklärt die Herausforderungen, denen sich die Wissenschaftler*innen stellen, und ihren Ansatz, Wasserstoff anstelle von Kohlenstoff zur Herstellung von grünem Stahl zu verwenden.

Experimentelle und computergestützte Methoden erklären Reduktionsprozesse

Mit dem ERC Grant werden mehrere Stellen für Wissenschaftler*innen finanziert, und alle Abteilungen des MPIE werden an dem Projekt beteiligt sein. Raabe und sein Team werden Laboröfen, Charakterisierung auf atomarer Ebene sowie Simulations- und maschinelle Lernmethoden nutzen, um die Mechanismen und Grundlagen von Transport, Keimbildung, Phasenumwandlung, Verunreinigungen, verschiedene Erze und ihre Dispersionen sowie verschiedene Reduktions- und Plasmaparameter zu untersuchen. Der gesamte Stahlherstellungsprozess könnte auf Basis dieser Forschung kohlenstofffrei werden, wenn der Wasserstoff und der Strom aus nachhaltigen Quellen stammen und im Elektrolichtbogenofen kein Graphit verwendet wird.

Dierk Raabe studierte zunächst Musik und danach Metallurgie und Metallphysik an der RWTH Aachen, wo er 1992 promovierte und sich 1997 habilitierte. Anschließend erhielt er ein Heisenberg-Stipendium der Deutschen Forschungsgemeinschaft und arbeitete zwei Jahre lang als Postdoktorand an der Carnegie Mellon University in Pittsburgh (USA), bevor er 1999 als Direktor der Abteilung "Mikrostrukturphysik und Legierungsdesign" an das MPIE kam. Raabes Forschungsschwerpunkte liegen in der Multiskalenanalyse komplexer metallischer Werkstoffe und im Legierungsdesign, wobei er sowohl experimentelle als auch computergestützte Methoden kombiniert. Er hat mehrere Auszeichnungen erhalten, darunter den Gottfried Wilhelm Leibniz Preis 2004, einen ERC Advanced Grant 2012 und die Acta Materialia Gold Medal 2022.

Die Grants des Europäischen Forschungsrats gelten als eine der renommiertesten internationalen Forschungsförderungen. In dieser Antragsrunde wurden europaweit 1735 Anträge eingereicht, von denen 253 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler erfolgreich waren. 

Weiterführende Literatur:

Making green steel with hydrogen

1.
Isnaldi Rodrigues Souza Filho, Hauke Springer, Yan Ma, Ankita Mahajan, Cauê Corrêa da Silva, Michael Kulse, and Dierk Raabe, "Green steel at its crossroads: Hybrid hydrogen-based reduction of iron ores," Journal of Cleaner Production 340, 130805 (2022).
2.
Isnaldi Rodrigues Souza Filho, Yan Ma, Michael Kulse, Dirk Ponge, Baptiste Gault, Hauke Springer, and Dierk Raabe, "Sustainable steel through hydrogen plasma reduction of iron ore: Process, kinetics, microstructure, chemistry," Acta Materialia 213, 116971 (2021).
3.
Se-Ho Kim, Xue Zhang, Yan Ma, Isnaldi Rodrigues Souza Filho, Kevin Schweinar, Katja Angenendt, Dirk Vogel, Leigh Stephenson, Ayman El-Zoka, Jaber Rezaei Mianroodi, Michael Rohwerder, Baptiste Gault, and Dierk Raabe, "Influence of Microstructure and Atomic-Scale Chemistry on Iron Ore Reduction with Hydrogen at 700°C," Acta Materialia 212, 116933 (2021).
4.
Dierk Raabe, Cemal Cem Tasan, and Elsa A. Olivetti, "Strategies for improving the sustainability of structural metals," Nature 575, 64-74 (2019).

Autorin: Yasmin Ahmed Salem

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