Thermodynamische Berechnung der Ausbeute an metallischem Fe und der CO2-Emissionen im gasbasierten Direktreduktionsprozess im Schachtofen

Abfallgas in nützliches Metall verwandeln

Stahl ist die Grundlage der modernen Gesellschaft, doch seine Herstellung setzt große Mengen Kohlendioxid frei. In China, wo mehr als die Hälfte des weltweiten Stahls produziert wird, ist die Emissionsreduktion für die Klimaziele entscheidend. Diese Studie untersucht, wie ein bisher wenig genutztes Nebenprodukt aus Kokereien, das Koksofengas, sowohl als Brennstoff als auch als chemisches Reagens eingesetzt werden kann, um in einem als Schachtofen bekannten Reaktor effizienter Eisen zu erzeugen und gleichzeitig die Kohlenstoffverschmutzung zu senken.

Warum Stahlschornsteine zählen

Die Stahlproduktion beruht meist auf Kohle in hohen Hochöfen, was hohe CO2-Emissionen mit sich bringt. Gleichzeitig entlassen Kokereien, die Kohle für die Stahlerzeugung aufbereiten, große Mengen gasförmiger Nebenprodukte, die reich an Wasserstoff und Methan sind. Ein erheblicher Teil dieses Gases wird abgefackelt oder verschwendet. Da es pro Energieeinheit einen ähnlichen Klimaeinfluss wie Erdgas hat, könnte eine sinnvollere Nutzung dieses Abfallgases fossile Brennstoffe ersetzen, die abgebaut oder importiert werden müssten. Die zentrale Frage der Autoren lautet, wie weit Koksofengas in gasbetriebenen Schachöfen eingesetzt werden kann, die Eisenerz in festes Eisen umwandeln, und welche Folgen das für die CO2-Emissionen hätte.

Eine virtuelle Eisenfabrik bauen

Statt teure Pilotanlagen zu betreiben, erstellten die Forscher ein detailliertes thermodynamisches Modell — eine Art virtuelle Fabrik, die auf den Gesetzen von Energie- und Stofferhaltung beruht. Sie verfolgten das Koksofengas, das zunächst in einem separaten Heizofen erhitzt und umgewandelt wird, um ein wasserstoffreiches Gemisch zu erzeugen, das dann in den Schachtofen geleitet wird, wo es Sauerstoff aus Eisenerzpellets entfernt. Das Modell erfasst, wie viel metallisches Eisen produziert wird, wie viel Gas für chemische Reaktionen und zur Beheizung verbraucht wird und wie viel Kohlendioxid mit den Abgasen austritt. Durch Variation wichtiger Eingangsgrößen wie dem Eisengehalt des Erzes, dem Anteil des vollständig zu Metall umgesetzten Eisens und der Temperatur, bei der metallisches Eisen gebildet wird, konnten sie sehen, wie jede Wahl Ausbeute und Emissionen beeinflusst.

Erzqualität schlägt Feintuning

Ein klares Ergebnis ist, dass der Eisengehalt des Erzes der wichtigste Hebel ist. Wenn der Eisengehalt von vergleichsweise schlechtem Erz mit 45 Prozent auf reichhaltigeres Erz mit 70 Prozent steigt, erhöht sich die Masse an produziertem metallischem Eisen pro festem Volumen Koksofengas um mehr als 60 Prozent. Gleichzeitig sinkt das freigesetzte Kohlendioxid pro Tonne Metall deutlich, von etwa 1,2 Tonnen auf rund 0,74 Tonnen. Das liegt daran, dass reichhaltigeres Erz weniger nichtmetallisches Material enthält, das zwar aufgeheizt, aber nie zu Eisen wird. Weniger nutzloses Gestein im Gemisch bedeutet, dass weniger Gas rein zum Heizen verbrannt wird und mehr Gas zur tatsächlichen Reduktion von Eisenoxid zu Metall genutzt werden kann.

Ofenbedingungen feinjustieren

Das Team untersuchte außerdem zwei Betriebsgrößen im Schachtofen: wie vollständig das Erz in Metall umgewandelt wird und die Temperatur, bei der der letzte Reduktionsschritt stattfindet. Eine höhere Metallisierungsrate erhöht tendenziell sowohl die Eisenproduktionsmenge als auch die CO2-Emissionen pro Tonne Festprodukt, senkt jedoch die Emissionen pro Tonne reinem Metall, weil dieselbe Gasmenge mehr nutzbares Eisen erzeugt. Eine leichte Erhöhung der Temperatur zur Bildung von metallischem Eisen verringert die Metallausbeute und erhöht die Emissionen, da heißere Betriebsbedingungen zusätzlichen Gasbedarf für die Beheizung erfordern. Insgesamt sind diese Faktoren relevant, aber deutlich weniger wichtig als der Einsatz höherwertigen Erzes.

Heißgase recyceln, um Abfall zu reduzieren

Das Modell zeigt, dass die Wärmebilanz, nicht nur die chemischen Reaktionen, weitgehend bestimmt, wie viel Gas das System benötigt. Wenn die heißen Abgase vom oberen Teil des Schachtofens im Heizofen verbrannt werden, reicht etwa ein Fünftel dieses gereinigten Gases aus, um den Heizbedarf zu decken. Die verbleibenden vier Fünftel können prinzipiell von Kohlendioxid befreit und als frisches Reduktionsgas wieder in das System eingespeist werden. In einem praxisnahen Beispiel, das eine Kokerei betrachtet, die Gas aus 1,2 Millionen Tonnen Koks pro Jahr erzeugt, könnte das verfügbare Gas die Produktion von etwa 4,9 Millionen Tonnen metallischem Eisen jährlich in einem Schachtofen unterstützen, wobei die jährlichen CO2-Emissionen durch die Gasproduktion begrenzt sind und die Emissionen pro Tonne Eisen sinken.

Was das für saubereren Stahl bedeutet

Für Interessierte an klimafreundlicher Industrie lautet die Schlussfolgerung: Die gezielte Nutzung vorhandener Nebenproduktgase und bessere Erzqualität können den CO2-Fußabdruck der Eisenherstellung merklich verringern. Die Studie verspricht keine Null-Emissionen, skizziert aber die thermodynamischen Grenzen dessen, was koksofengasbasierte Schachöfen erreichen können. Durch Priorisierung eisenreicher Erze, das Recycling der meisten heißen Abgase und das Vermeiden unnötiger Überhitzung könnten Stahlproduzenten mehr Metall aus demselben Brennstoff gewinnen und gleichzeitig weniger Kohlendioxid in die Atmosphäre abgeben.

Zitation: Jiang, X., Deng, X., Fan, X. et al. Thermodynamic calculation of metallic Fe yield and CO₂ emissions in gas-based shaft furnace direct reduction process. Sci Rep 16, 15263 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-45162-4

Schlüsselwörter: Koksofengas, Schachtofen, direktreduziertes Eisen, Stahldekarbonisierung, thermodynamische Modellierung