Stahl ist eines der unverzichtbaren Materialien des modernen Lebens und verleiht unzähligen Branchen Festigkeit – vom Bauwesen und der Automobilfertigung über die Infrastruktur bis hin zur Technologie. Viele können sich kaum vorstellen, wie aus Ausgangsmaterialien diese feste und vielseitige Legierung entsteht. Dieser Artikel nimmt Sie mit auf eine anschauliche Erkundung der Stahlherstellung und erläutert die einzelnen Prozesse präzise und verständlich. Ob Sie sich aus persönlichem Interesse näher informieren möchten oder in der Branche tätig sind und wissenschaftliche Einblicke suchen: Dieser Leitfaden führt Sie durch die detaillierten Schritte der Stahlherstellung und zeigt, wie Wissenschaft und Ingenieurwesen bei der Erzeugung einer der grundlegenden Ressourcen der Menschheit zusammenwirken.
Einführung in die Stahlherstellung
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Bei der Stahlherstellung werden Ausgangsmaterialien wie Eisenerz, Kohle oder Stahlschrott in mehreren sorgfältig geprüften Stufen zu Stahl verarbeitet. Die beiden heute wichtigsten Verfahren sind das Sauerstoffblasverfahren im Konverter (BOF) und das Lichtbogenofenverfahren (EAF). Beim BOF-Verfahren wird hochreines Eisen aus dem Hochofen eingesetzt und der Kohlenstoffgehalt gezielt eingestellt, während beim EAF-Verfahren Stahlschrott mit elektrischem Strom geschmolzen wird. Bei beiden Verfahren müssen Temperatur und Zusammensetzung genau auf die herzustellende Stahlsorte abgestimmt werden. Diese Verfahren sind unverzichtbar, um den weltweiten Bedarf an diesem vielseitigen Werkstoff zu decken, der die Grundlage weiterer Branchen wie Bauwesen, Transport und Fertigung bildet.
Was ist Stahl?
Stahl ist eine Legierung, die hauptsächlich aus Eisen und Kohlenstoff besteht und geringe Mengen Mangan, Chrom, Nickel oder Vanadium enthalten kann. Ein Kohlenstoffgehalt von 0,02 % bis 2,14 % ist für Härte, Festigkeit und Duktilität von Stahl von großer Bedeutung. Dank seiner ausgezeichneten Eigenschaften wie Zugfestigkeit, Haltbarkeit und Recyclingfähigkeit bildet dieser Werkstoff heute das Rückgrat von Infrastruktur und Technologie. Stahl ist wichtig, weil er für eine enorme Vielfalt an Produkten in zahlreichen Branchen verwendet wird. Die Automobilindustrie setzt zunehmend auf hochfesten Stahl, um die Fahrzeugsicherheit und Kraftstoffeffizienz zu verbessern, während das Bauwesen große Mengen Baustahl für Gebäude, Brücken und Rohrleitungen verbraucht. Neueste Entwicklungen in der Stahlherstellung, etwa ultraleichte und korrosionsbeständige Güten, eröffnen ein noch breiteres Anwendungsspektrum. Ein weiterer Vorteil von Stahl ist seine Nachhaltigkeit: Mit Recyclingquoten von über 85 percent zählt er zu den umweltfreundlichsten Baustoffen. Gleichzeitig richtet sich der Eisen- und Stahlsektor zunehmend auf eine nachhaltigere Produktion mit erneuerbaren Energien aus und beginnt, vielversprechende Ansätze zur Verringerung von Kohlenstoffemissionen wie die wasserstoffbasierte Reduktion zu erforschen. Diese Entwicklungen machen Stahl zu einem wichtigen Faktor für eine nachhaltige Zukunft, während er zugleich weiterhin eine bedeutende Rolle für die Weltwirtschaft spielt.Historischer Überblick über die Stahlherstellung
Die Geschichte der Stahlherstellung reicht weit zurück. Frühe Zivilisationen wie die Hethiter entwickelten um 1200 BCE grundlegende Verfahren zur Herstellung von Werkzeugen auf Eisenbasis. Während der Industriellen Revolution im 18. und 19. Jahrhundert wurde der Übergang von Schmiedeeisen zu Stahl systematischer und brachte bemerkenswerte Neuerungen hervor. Zu den bahnbrechenden Entwicklungen gehörte das Bessemer-Verfahren der 1850er-Jahre, bei dem Luft eingeblasen wurde, um Verunreinigungen zu entfernen. Dadurch sanken Kosten und Zeitaufwand für die Stahlherstellung erheblich. Bis zum späten 19. Jahrhundert dominierten Siemens-Martin-Öfen die Stahlherstellung. Sie ermöglichten eine vergleichsweise bessere Qualität und mehr Flexibilität bei der Legierungszusammensetzung. Mitte des 20. Jahrhunderts wurden sie schließlich durch die schnelleren und effizienteren Sauerstoffblas- (BOF) und Lichtbogenofenverfahren (EAF) ersetzt. Diese Verfahren dominieren heute weltweit: Rund 71 % des Rohstahls werden im BOF-Verfahren und 29 % im EAF-Verfahren hergestellt. Die heutige Stahlherstellung setzt auf moderne Technologien, um Produktion und Nachhaltigkeit zu verbessern. So hat das Stranggießen das frühere Blockgießen ersetzt und Ausbeute sowie Qualität deutlich verbessert. Weitere Fortschritte wie Digitalisierung und Automatisierung ermöglichen gezielte Energieeinsparungen durch präzise Prozesssteuerung. Die Stahlherstellung wird heute von ihrem Streben nach Nachhaltigkeit geprägt. Im Mittelpunkt der Verringerung von Kohlenstoffemissionen bei der Stahlproduktion stehen erneuerbare Energien, Konzepte der Kreislaufwirtschaft sowie Technologien wie die CO₂-Abscheidung und -Speicherung (CCS). Trotz der Herausforderungen steht die Stahlindustrie damit kurz davor, die globalen Ziele zur Emissionsminderung zu erfüllen.Bedeutung von Stahl für die moderne Industrie
Stahl zählt aufgrund seiner Festigkeit, Vielseitigkeit und Recyclingfähigkeit weiterhin zu den wichtigsten Werkstoffen für die industrielle Entwicklung weltweit. Er bildet die Grundlage zahlreicher Branchen, vom Bauwesen und Transport bis hin zu Energie und Luft- und Raumfahrt. Weltweit werden jährlich mehr als 1,8 billion metric tons Stahl produziert. In den Schwellenländern dürfte die Nachfrage mit der zunehmenden Urbanisierung stetig wachsen. Das Bauwesen verbraucht rund 50 % der weltweiten Stahlproduktion, etwa für Brücken, Gebäude und Verkehrsnetze. Angesichts des begrenzten Platzes in Großstädten steigt daher die Nachfrage nach nachhaltiger stahlbasierter Infrastruktur für wachsende Hochhäuser und Wohnanlagen. Die Automobilindustrie setzt bei rund weiteren 12 % des Stahlverbrauchs auf hochfesten Stahl, um die Verkehrssicherheit und Kraftstoffeffizienz zu verbessern und die Infrastruktur für Elektrofahrzeuge zu unterstützen. Für den Übergang zu nachhaltigen Energiesystemen ist Stahl von herausragender Bedeutung. Eine einzelne Windkraftanlage benötigt beispielsweise rund 140 tons Stahl. Rund 85 % der Stahlwerkstoffe sind recycelbar. Das macht den Produktkreislauf nachhaltiger und trägt letztlich dazu bei, die Verschwendung von Ressourcen zu minimieren. Stahl entwickelt sich stetig weiter, etwa durch jüngste Innovationen wie leichte Legierungen und kohlenstofffreie Produktionstechnologien. Er ist damit ein wichtiger Werkstoff, der den industriellen Fortschritt unterstützt und zugleich zur Bewältigung ökologischer Herausforderungen beiträgt. Seine vielseitige Einsetzbarkeit und seine entscheidenden Beiträge zu globalen Nachhaltigkeitsinitiativen haben dazu beigetragen, Stahl als geeignete Währung einer nachhaltigen Wirtschaft zu etablieren.Ausgangsmaterialien für die Stahlherstellung
Bei der Stahlherstellung kommen vor allem drei Ausgangsmaterialien zum Einsatz:
- Eisenerz – die wichtigste Eisenquelle und ein grundlegender Ausgangsstoff für die Stahlherstellung. Es wird aus der Erde gewonnen und so aufbereitet, dass sein Eisengehalt nutzbar ist.
- Kohle (Koks) – Koks wird aus Kohle gewonnen und dient bei der Stahlherstellung als Brennstoff und Reduktionsmittel, das Verunreinigungen aus dem Eisenerz entfernt.
- Kalkstein – als Flussmittel entfernt er beim Schmelzen Verunreinigungen wie Siliziumdioxid und andere Oxide.
Diese Ausgangsmaterialien werden in einen Hochofen oder einen Lichtbogenofen eingebracht. Sie bilden eine wesentliche Grundlage für die Stahlherstellung, die Produktqualität und gleichbleibende Ergebnisse.
Eisenerz und seine Rolle
Eisenerz ist eines der wichtigsten Ausgangsmaterialien für die Stahlherstellung, da es die wichtigste Eisenquelle ist. Eisen macht ungefähr 98 % der Stahlzusammensetzung aus. Eisenerz kommt meist in natürlicher Form vor und enthält in der Regel Eisenoxide. Daher muss es aufbereitet werden, um entweder Roheisen in Spitzenqualität oder Roheisen für die Stahlherstellung zu gewinnen. Die wichtigsten Eisenerzförderländer der Welt sind Australien, Brasilien und China. Australien und Brasilien stehen zusammen für über 60 % der Exporte. Die australische Region Pilbara verfügt über umfangreiche Reserven. Zu den wichtigsten exportierenden Unternehmen zählen Rio Tinto und BHP. Auch Indien ist ein bedeutender Exporteur, zugleich aber ein großer Importeur, um den Bedarf seiner heimischen Stahlindustrie zu decken. Die Verarbeitung von Eisenerz beginnt mit dem Abbau. Dabei werden zwei Haupttypen unterschieden: Hämatit (Fe2O3) und Magnetit (Fe3O4). Hämatit weist in der Regel einen höheren Eisengehalt auf, durchschnittlich etwa 62-65 % Eisen. Magnetit muss angereichert werden, kann aber ein Eisenerzkonzentrat mit einer Reinheit von über 68 % ergeben. Moderne Verfahren wie die Erzaufbereitung und Pelletierung ermöglichen die Nutzung von Erzen niedrigerer Güte, die andernfalls als Abfall behandelt würden, und steigern so die Produktivität. Da die globale Stahlindustrie den wachsenden Bedarf des Bauwesens, der Automobilbranche und der Infrastruktur decken muss, ist der Eisenerzverbrauch stetig gestiegen. Bis 2030 soll er voraussichtlich mehr als 2,5 billion metric tons pro Jahr erreichen, wobei der größte Teil auf Schwellenländer entfällt. Neben der Gewinnung als Ausgangsmaterial spielt Eisenerz auch bei nachhaltigen Technologien eine Rolle, die den CO₂-Fußabdruck der Eisenproduktion verringern sollen. Dabei werden Verfahren erprobt, bei denen Wasserstoff statt Koks als Reduktionsmittel dient. Das unterstreicht die Vielseitigkeit von Eisenerz. Diese Entwicklungen machen Eisenerz zu einem unverzichtbaren Bestandteil eines der wichtigsten industriellen Prozesse der Welt.Kohle: ein unverzichtbarer Bestandteil
Kohle ist seit vielen Jahrhunderten eine wichtige Energiequelle und bleibt auch heute für einige industrielle Anwendungen unverzichtbar. Aufgrund ihrer großen Bedeutung für die Stromerzeugung liefert Kohle weltweit etwa 36 % des Stroms. In der Fertigung wird Kohle zu Koks verarbeitet, der bei einem wichtigen Schritt im Hochofenprozess als starkes Reduktionsmittel dient, um Roheisen aus Erz zu gewinnen. Rund 70 % der weltweiten Stahlproduktion sind daher stark von Kohle abhängig. Das unterstreicht ihre Bedeutung für das Bau- und Fertigungsgewerbe. Die Kehrseite ihres Beitrags sind die Umweltprobleme, die Kohle als Umweltverschmutzer verursacht. Dazu gehören Treibhausgasemissionen und Luftverschmutzung. Deshalb fließen erhebliche Investitionen in sauberere Technologien, die Emissionen aus Kohlekraftwerken drastisch senken, darunter die CO₂-Abscheidung und -Speicherung (CCS). Auch die Vergasung wird als Alternative entwickelt, bei der Energie effizienter und mit weniger Schadstoffen gewonnen wird. Diese Fortschritte halten Kohle in der Zeit des schrittweisen Übergangs zu erneuerbaren Energiequellen relevant.Stahlschrott und Recycling
Stahlschrott ist ein unverzichtbarer Werkstoff für das moderne Recycling und bietet wichtige ökologische und wirtschaftliche Vorteile. Durch das Recycling von Stahl werden natürliche Ressourcen wie Eisenerz und vor allem große Mengen Energie eingespart. Jüngsten Statistiken zufolge benötigt die Herstellung von Stahl aus Schrott bis zu 74 % weniger Energie als die Stahlproduktion aus Ausgangsmaterialien. Diese Energieeinsparungen verringern die Kohlenstoffemissionen: Pro recycelter Tonne Stahl lassen sich schätzungsweise etwa 1.8 metric tons CO2 einsparen. Außerdem trägt das Recycling zur Kreislaufwirtschaft bei, indem wertvolle Materialien wieder in die Produktion zurückgeführt und Abfälle minimiert werden. Die Branche verbessert ihre Recyclingverfahren kontinuierlich. Zugleich hat sich die Technologie so weit entwickelt, dass Lichtbogenöfen Schrott sauberer und energieeffizienter schmelzen können. Heute enthält fast 70 % des weltweit produzierten Stahls recyceltes Material. Solche nachhaltigen Verfahren helfen der Stahlindustrie, Umweltschutz und den steigenden weltweiten Bedarf an Qualitätsstahl miteinander in Einklang zu bringen.Stahlherstellungsprozess
Hochofenverfahren
Das Hochofenverfahren dient traditionell als wichtigstes Verfahren zur Herstellung großer Mengen Eisen und Stahl. Dabei werden Eisenerz, Koks und Kalkstein bei sehr hohen Temperaturen, häufig um 1.500°C (2.732°F), geschmolzen. Chemische Reaktionen im Ofen reduzieren das Eisenerz zu flüssigem Eisen, das anschließend am Boden des Ofens abgestochen wird. Moderne Fortschritte haben die Effizienz des Hochofenbetriebs erhöht. So hilft die Einblastechnologie für Kohlenstaub, den Koksverbrauch zu senken und damit die Produktionskosten und Kohlenstoffemissionen zu verringern. Berichten zufolge können einige der größten Hochöfen der Welt täglich 14.000 tons Eisen erzeugen. Deshalb sind sie für die industrielle Versorgung nach wie vor von zentraler Bedeutung. Mehrere Anlagen haben auf der Hochofenroute Systeme zur CO₂-Abscheidung und -Speicherung (CCS) eingeführt, um die Umweltauswirkungen zu begrenzen. Diese Entwicklungen tragen dazu bei, die mit der traditionellen Stahlherstellung verbundenen Kohlendioxidemissionen zu senken, und sichern zugleich Zuverlässigkeit und Produktivität. Dank laufender Innovationen ist das Hochofenverfahren weiterhin relevant und passt sich zunehmend an moderne Anforderungen an die Nachhaltigkeit an.Lichtbogenofenverfahren
Das Lichtbogenofenverfahren (EAF) ist ein modernes, energieeffizientes Verfahren zur Stahlherstellung, das auch eine nachhaltige Industrialisierung unterstützt. Anders als bei herkömmlichen Hochofenverfahren werden die hohen Temperaturen zum Schmelzen von Stahlschrott und direkt reduziertem Eisen (DRI) durch elektrische Ströme mit sehr hoher Spannung erzeugt. Das Verfahren ist zudem sehr flexibel: Es ermöglicht die Herstellung einer großen Vielfalt an Stahlgüten bei vergleichsweise geringeren Treibhausgasemissionen. Zu den wichtigsten Vorteilen des EAF-Verfahrens gehört, dass recycelter Stahl als wichtigstes Ausgangsmaterial eingesetzt werden kann. Aktuellen Angaben zufolge kann der im EAF-Verfahren hergestellte Stahl zu fast 90 % aus Stahlschrott bestehen. Dadurch sinkt der Bedarf an neu gewonnenem Eisenerz und die Umweltbelastung durch die Stahlherstellung insgesamt wird verringert. Der Energieverbrauch liegt je nach Anlage bei etwa 400-500 kWh pro metrischer Tonne Stahl und damit deutlich unter dem herkömmlicher Verfahren. Technologische Verbesserungen haben die Effizienz von Lichtbogenöfen in den letzten Jahren erhöht. Heute ermöglichen eine Pfannenbehandlung und moderne Sensorsysteme eine präzise Einstellung der chemischen Zusammensetzung und Temperatur des Stahls und verbessern so die Produktqualität. Da immer mehr erneuerbare Energie in den Betrieb von Lichtbogenöfen einfließt, beschleunigt sich auch die Verringerung der Emissionen. Studien zufolge könnten die CO₂-Emissionen im Vergleich zur Hochofenproduktion um etwa 75 % sinken, wenn die Stahlherstellung auf Lichtbogenöfen umgestellt würde. Das flexible und umweltfreundlich ausgelegte EAF-Verfahren unterstützt durch das Recycling von Schrott auch die Kreislaufwirtschaft. Es hat sich zu einem wichtigen Baustein entwickelt, um die globalen Nachhaltigkeitsziele der Stahlindustrie zu erfüllen. Mit dem zunehmenden Tempo der Dekarbonisierung und der Verbreitung grüner Technologien wird das EAF-Verfahren die Stahlherstellung noch stärker verändern.Direktreduktionsverfahren
Das Direktreduktionsverfahren (DRI) ist eine innovative, moderne, effiziente und fortschrittliche Technik zur Stahlherstellung. Es ist besonders, weil Eisenerz dabei ohne Hochofen direkt zu einem hochreinen Eisenprodukt reduziert wird. Als Reduktionsmittel dient hauptsächlich Erdgas, wodurch das Verfahren etwas umweltfreundlicher ist als bekannte kohlebasierte Alternativen. Besonders bei der Dekarbonisierung ist DRI von Vorteil, da damit die Kohlenstoffemissionen stärker gesenkt werden als mit älteren Verfahren. Hochwertige Eisenerzpellets dienen als Ausgangsmaterial für das DRI-Verfahren. Sie werden bei Temperaturen zwischen 800 und 1.050 °C mit Reduktionsgasen, üblicherweise Wasserstoff und Kohlenmonoxid, behandelt. Bei der chemischen Reaktion wird dem Eisenerz Sauerstoff entzogen. So entsteht festes Eisenschwamm, das direkt einem Lichtbogenofen (EAF) zugeführt oder für die weitere Verwendung mit Stahlschrott vermischt werden kann. In jüngerer Zeit haben einige moderne DRI-Anlagen begonnen, Erdgas durch grünen Wasserstoff zu ersetzen. Das ermöglicht Produktionswege mit praktisch null Kohlenstoffemissionen. Pilotprojekte in Europa und anderen Teilen der Welt haben unter anderem gezeigt, dass sich die Kohlendioxidemissionen durch diesen Umstieg um bis zu 90 % senken lassen. Außerdem ist die weltweite DRI-Produktion stetig auf mehr als 120 million metric tons pro Jahr gestiegen und macht damit über 7 % der gesamten Stahlproduktion aus. Die zunehmende Verbreitung von DRI-Verfahren unterstützt neue Nachhaltigkeitsziele weltweit. Aufgrund der Eignung für erneuerbare Energien und der Möglichkeit einer Produktion in großem Maßstab zählt das Verfahren zu den größten Hoffnungen für eine umweltfreundlichere Stahlindustrie.Umweltauswirkungen der Stahlherstellung
Der Energieverbrauch und die Treibhausgasemissionen der Stahlindustrie tragen wesentlich zur Umweltverschmutzung bei. Schätzungen zufolge verursachen herkömmliche, auf fossilen Brennstoffen basierende Hochofenverfahren jährlich etwa 7 to 9 percent der weltweiten CO2-Emissionen. Bei der Stahlherstellung entstehen weiterhin erhebliche Mengen an Industrieabfällen, Luftschadstoffen und verunreinigtem Wasser. Zugleich schaffen technologische Entwicklungen wie DRI und Lichtbogenöfen in Verbindung mit erneuerbarer Energie bereits umweltfreundlichere Alternativen, die Emissionen und Energieverbrauch deutlich senken. Die Umweltauswirkungen der Stahlindustrie müssen durch den Umstieg auf solche Verfahren unbedingt minimiert werden.
Kohlendioxidemissionen
Die Stahlindustrie ist jährlich für rund 2.6 Gigatonnen CO2 verantwortlich – etwa 7 % der weltweiten Gesamtemissionen. Diese hohen Kohlendioxidemissionen sind vor allem auf die traditionelle Hochofen- und Sauerstoffkonverterroute zurückzuführen, bei der überwiegend Kohle als Energieträger eingesetzt wird. Bei herkömmlichen Verfahren werden pro Tonne erzeugtem Rohstahl etwa 1.8 Tonnen CO2 freigesetzt. Die erwarteten Emissionsminderungen lassen sich durch Alternativen zu den heutigen Technologien und Materialien erreichen. Die Wasserstoff-Stahlherstellung ist vielversprechend, vor allem als Ersatz für herkömmliche, kohlenstoffintensive Reduktionsverfahren; bei Verwendung von grünem Wasserstoff kann sie die Emissionen um bis zu 90 % senken. Darüber hinaus gewinnen Systeme zur CO2-Abscheidung, -Nutzung und -Speicherung (CCUS) für die Emissionsminderung in bestehenden Anlagen zunehmend an Bedeutung, da sie bis zu 95 % des prozessbedingten CO2 abscheiden können. Der breite Einsatz dieser Technologien ist entscheidend, damit die Stahlindustrie zu den Klimaschutzzielen und dem gemeinsamen Ziel der Klimaneutralität bis 2050 beitragen kann.Abfallmanagement in der Stahlherstellung
Das Abfallmanagement in einem Stahlwerk ist sehr wichtig, um die Auswirkungen auf die Natur zu minimieren und eine nachhaltige Produktion zu gewährleisten. Bei der Stahlherstellung fallen verschiedene Abfälle an: Schlacke, Staub und Schlamm. Schlacke ist dabei ein bedeutender Abfallstoff und macht 15-20 % der Stahlproduktion aus. Sie lässt sich zu Baustoffen weiterverarbeiten, etwa für die Zementherstellung, als Straßenbaumaterial oder zur Umweltsanierung. Verschiedene Verfahren machen das Abfallmanagement in diesem Sektor immer komplexer. Durch den Einsatz modernster Technologien kann Stahlschlacke beispielsweise zu Hochleistungswerkstoffen recycelt werden, während sich die Staubemissionen wirksam begrenzen lassen. Auch die zunehmende Akzeptanz von Zero-Waste-Konzepten fördert diese sinnvolle Nutzung von Nebenprodukten. Untersuchungen zeigen, dass nahezu 90 % der Nebenprodukte der Stahlherstellung wiederverwendet oder recycelt werden können, wodurch die Belastung durch Deponien deutlich sinkt. Die Anwendung der Prinzipien der Kreislaufwirtschaft verbessert das Abfallmanagement zusätzlich. Indem Stahlhersteller Rückstände wie Metallstaub und Schlamm zurückgewinnen und wiederverwenden, verringern sie nicht nur ihren ökologischen Fußabdruck, sondern auch ihre Abhängigkeit von Ausgangsmaterialien und erzielen dadurch eine höhere Kosteneffizienz. Die breite Anwendung solcher Ansätze trägt wesentlich dazu bei, die Stahlherstellung auf einen global nachhaltigen Kurs zu bringen und die Erschöpfung natürlicher Ressourcen zu verringern.Energieverbrauch und Effizienz
Der Energieverbrauch spielt bei der Stahlherstellung eine zentrale Rolle, denn sie zählt zu den energieintensivsten bekannten Industrieprozessen. Technologische Fortschritte haben die Energieeffizienz verbessert; dennoch verursacht die Branche weiterhin 7 %-9 % der weltweiten CO2-Emissionen. Für die Herstellung einer Tonne Stahl werden etwa 20-25 Gigajoule Energie benötigt. Der genaue Bedarf hängt davon ab, ob das BF-BOF- oder das EAF-Verfahren zum Einsatz kommt. Bemühungen um Energieeinsparungen haben zur Einführung verschiedener Technologien geführt, darunter Systeme zur Abwärmenutzung, hocheffiziente Öfen und alternative Energiequellen wie erneuerbare Energien und Wasserstoff. Untersuchungen zeigen beispielsweise, dass sich die Emissionen durch eine wasserstoffbasierte Direktreduktion gegenüber dem konventionellen Verfahren um nahezu 90 % senken lassen, während zugleich die Energienutzung verbessert wird. Mit KI und digitalen Werkzeugen wird der Energieverbrauch außerdem während der Produktionsprozesse in Echtzeit überwacht und optimiert, was weitere Einsparungen ermöglicht. Ein Übergang ist erforderlich, um die weltweite Stahlnachfrage mit den dringenden Umweltzielen in Einklang zu bringen.Nachhaltige Praktiken in der Stahlindustrie
Zu nachhaltigen Praktiken in der Stahlindustrie gehören Recycling, Energieeffizienz, Wassermanagement, CO₂-Abscheidung und die Nutzung erneuerbarer Energien.
| Kernaussage | Details |
|---|---|
|
Recycling |
Stahlschrott wiederverwenden |
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Effizienz |
Energieverbrauch senken |
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Wassermanagement |
Wasser recyceln und aufbereiten |
|
Kohlenstoff |
Emissionen abscheiden |
|
Erneuerbare Energien |
Grüne Energie nutzen |
Innovative Technologien für mehr Nachhaltigkeit
Auf dem Weg zu mehr nachhaltiger Entwicklung hat die Stahlindustrie infolge des technologischen Wandels grundlegende Veränderungen durchlaufen. Eine wichtige Methode ist die wasserstoffbasierte Direktreduktion, da bei vielen herkömmlichen Verfahren Kohlenstoff zum Einsatz kommt. Wird grüner Wasserstoff verwendet, der mithilfe erneuerbarer Energien erzeugt wird, lassen sich die CO₂-Emissionen deutlich senken. Zahlen zeigen beispielsweise, dass sich die Emissionen bei der Stahlherstellung durch den Ersatz fossiler Brennstoffe durch grünen Wasserstoff um fast 95 % hätten senken lassen. Damit wird dieses Verfahren zu einer besonders wichtigen Lösung auf dem Weg zur Klimaneutralität. Technologien zur CO₂-Abscheidung, -Nutzung und -Speicherung (CCUS) tragen ebenfalls maßgeblich dazu bei, die Umweltverschmutzung in der Branche zu verringern. Sie scheiden CO₂-Emissionen direkt in Stahlwerken ab, statt sie in die Atmosphäre entweichen zu lassen. Berichten zufolge könnte der Einsatz von CCUS dazu beitragen, jährlich Millionen Tonnen Kohlenstoff zu speichern und der Branche so helfen, die von internationalen Klimabehörden festgelegten Anforderungen zu erfüllen. Auch der digitale Wandel macht Nachhaltigkeitsmaßnahmen wirksamer. Intelligente Fertigungswerkzeuge und KI-gestützte Optimierung ermöglichen eine präzise Steuerung des Energieverbrauchs und der Materialnutzung. IoT-gestützte vorausschauende Instandhaltung verringert Produktionsverluste und verbessert zugleich die Umweltbilanz und die betriebliche Effizienz. Studien zufolge können digitale Technologien in verschiedenen Phasen des Stahlherstellungszyklus Energieeinsparungen von 15-20 % ermöglichen. Für die weitere Entwicklung der grünen Stahlproduktion sind kontinuierliche Investitionen in fortschrittliche Technologien und gemeinsame Anstrengungen von Interessengruppen weltweit unverzichtbar. Sie bleibt für moderne Infrastruktur und die wirtschaftliche Entwicklung von entscheidender Bedeutung.Abscheidung und Speicherung von Kohlenstoff
Carbon Capture and Storage (CCS) gehört zu den Technologien, die dazu beitragen sollen, den CO2-Ausstoß in die Atmosphäre zu verringern. Dazu wird CO2 an Industrie- und Kraftwerksstandorten abgeschieden und sicher unterirdisch gespeichert. Dieses Verfahren ist seit Langem ein wichtiges Mittel im Kampf gegen den Klimawandel und auf dem Weg zu emissionsfreien Industrien. Aktuellen Studien zufolge kann CCS 85-90 % der CO2-Emissionen aus Kraftwerken und Industrieanlagen abscheiden und könnte sich damit als besonders wirksame Lösung für schwer zu dekarbonisierende Branchen wie die Zement-, Stahl- und Chemieindustrie erweisen. Nach der Abscheidung wird das CO2 komprimiert und über Rohrleitungen zu Speicherstätten transportiert, etwa zu erschöpften Öl- und Gaslagerstätten oder tiefen salinen Aquiferen. Seit 2023 sind weltweit mehr als 35 kommerzielle CCS-Anlagen im Betrieb, die jährlich etwa 40 Millionen metrische Tonnen CO2 speichern. Bei weiterer Förderung und breiter Anwendung könnte CCS Schätzungen zufolge bis 2050 allein bis zu 14 % der weltweiten Treibhausgasemissionen senken. Die weitere Forschung zur CCS-Technologie konzentriert sich sowohl auf Kostensenkungen als auch auf die Skalierbarkeit. Neue Verfahren wie die direkte Luftabscheidung (DAC) werden erprobt, um die Abscheidung von CO2 aus der Umgebungsluft praktikabler zu machen. Zudem gewinnen öffentlich-private Partnerschaften bei CCS-Projekten durch den U.S. Inflation Reduction Act und EU-Fördermechanismen sowie weitere Maßnahmen an Dynamik. In Verbindung mit anderen Dekarbonisierungspfaden bietet CCS der Industrie eine Möglichkeit, die grundlegenden Herausforderungen nachhaltigen Wachstums und der Umweltverschmutzung gemeinsam anzugehen.Recycling und Kreislaufwirtschaft
Recycling und Kreislaufwirtschaft sind zwei wichtige Strategien für ein nachhaltiges Ressourcenmanagement weltweit. Die Kreislaufwirtschaft zielt darauf ab, Produkte und Systeme so zu gestalten, dass möglichst wenig Abfall entsteht, Ressourcen effizient genutzt und Materialien möglichst lange im Umlauf gehalten werden. Recycling ist dabei ein wesentlicher Baustein: Es hält Papier, Kunststoffe, Metalle und Glas von Deponien und aus der Umwelt fern. Die jüngsten Entwicklungen zeigen, welchen Unterschied der Ausbau der Recyclinginfrastruktur auf internationaler Ebene macht. So lag die Recyclingquote für Siedlungsabfälle in der Europäischen Union 2021 Berichten zufolge bei 48 %. Das zeigt zwar Fortschritte, macht aber auch deutlich, dass weitere Anstrengungen nötig sind, um die für 2035 festgelegte Zielvorgabe von 65 % zu erreichen. Gleichzeitig tragen technologische Innovationen wie das fortschrittliche Kunststoffrecycling dazu bei, schwerer recycelbare Materialien zurückzugewinnen und die Abhängigkeit von Primärrohstoffen erheblich zu verringern. Große Unternehmen setzen die Prinzipien der Kreislaufwirtschaft inzwischen auch in geschlossenen Lieferketten und Rücknahmeprogrammen für Produkte um. Große Elektronikhersteller bieten beispielsweise Programme an, bei denen gebrauchte Geräte zurückgegeben, aufbereitet oder recycelt werden, um wertvolle Ausgangsmaterialien wie Seltene Erden zurückzugewinnen. Dadurch fällt weniger Elektroschrott an und die Ressourcenknappheit nimmt ab. Die Verbindung von Recycling und Kreislaufwirtschaft bietet zahlreiche Vorteile. Das weltweite Recycling von Aluminium spart beispielsweise 95 % der Energie, die andernfalls für dessen Herstellung aus Ausgangsmaterialien benötigt würde, und verringert dabei die Treibhausgasemissionen erheblich. Papierrecycling trägt dazu bei, die Abholzung von Wäldern zu verhindern, und senkt den Wasser- und Energieverbrauch entsprechend um nahezu 40 %.” Durch Innovation, Zusammenarbeit und abgestimmte politische Maßnahmen können Länder und Branchen die Kreislaufwirtschaft rasch verwirklichen und so eine nachhaltige und widerstandsfähige Zukunft gestalten.Anwendungen von Stahl in verschiedenen Branchen
Stahl ist aufgrund seiner Festigkeit, Langlebigkeit und Recyclingfähigkeit ein vielseitiger Werkstoff. Er findet in zahlreichen Branchen Anwendung:
- Im Bauwesen wird Stahl für Gebäude, Brücken und andere Infrastruktur eingesetzt, da er schwere Lasten und raue klimatische Bedingungen aushält.
- Automobilbau: Stahl wird für Fahrzeugrahmen, Motoren und andere Sicherheitsteile verwendet. Diese Bauteile müssen Kräften standhalten und bei Unfällen Energie aufnehmen.
- Energie: Stahl wird vor allem beim Bau von Anlagen für erneuerbare Energien wie Windkraftanlagen und Solarmodulen sowie von Öl- und Gasleitungen eingesetzt.
- Fertigung: Stahl wird aufgrund seiner Präzision und Zuverlässigkeit für Maschinen, Werkzeuge und Haushaltsgeräte bevorzugt.
- Verkehr: Stahl kommt im Schienenverkehr, im Schiffbau und sogar im Flugzeugbau zum Einsatz und sorgt dort für strukturelle Stabilität und hohe Leistungsfähigkeit.
Diese vielfältigen Anwendungen verdeutlichen die entscheidende Rolle von Stahl für den weltweiten Fortschritt. Durch seine Recyclingfähigkeit bleibt er zugleich eine nachhaltige Wahl.
Bauwesen und Infrastruktur
Aufgrund seiner Festigkeit und Vielseitigkeit, die seine Einsatzmöglichkeiten kaum begrenzen, ist Stahl auf Baustellen unverzichtbar. Er gilt als Werkstoff für nahezu alles: von Wolkenkratzern über Brücken und Autobahnen bis hin zu Wohngebäuden. Außerdem ist er recycelbar und damit für langfristige Projekte im Einklang mit den heutigen Umweltzielen geeignet.
Automobilindustrie
Stahl spielt eine zentrale Rolle in der Automobilindustrie und trägt dazu bei, moderne Fahrzeuge sicher, effizient und nachhaltig zu machen. Rund 60 % der Werkstoffe eines durchschnittlichen Autos bestehen aus Stahl. Dabei wird vor allem moderner hochfester Stahl (AHSS) eingesetzt, der sich durch sein Verhältnis von Gewicht zu Festigkeit auszeichnet. Damit lassen sich sicherere Fahrzeuge mit höherer Kollisionsbeständigkeit herstellen und zugleich das Gewicht sowie der Kraftstoffverbrauch senken. AHSS hat dazu beigetragen, das Fahrzeuggewicht um bis zu 25 % zu reduzieren. Dadurch sinken die Kohlendioxidemissionen direkt um 3 bis 4 Gramm-km. Stahl sorgt außerdem bei Elektrofahrzeugen für strukturelle Stabilität und schützt die Batterie. Da Stahl vollständig recycelbar ist, bildet er eine Grundlage für nachhaltige Mobilitätslösungen und ist heute wie künftig ein wichtiger metallurgischer Werkstoff für die Automobilindustrie.Fertigung und Maschinenbau
Die Verwendung von Stahlkonstruktionen bei der Herstellung von Werkzeugmaschinen ermöglicht die Fertigung robuster, langlebiger und hocheffizienter Maschinen. Moderner hochfester Stahl (AHSS) hat die Branche durch sein außergewöhnliches Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht verändert: Er verbessert die Maschinenleistung und verringert zugleich den Materialbedarf erheblich. AHSS verleiht Maschinen außerdem eine ausgezeichnete Ermüdungsbeständigkeit, sodass sie den hohen Belastungen in Branchen wie Bauwesen, Landwirtschaft und Bergbau standhalten. Neben seiner Bedeutung für die Fertigungsindustrie wird Stahl auch für seine gute Zerspanbarkeit und Anpassungsfähigkeit geschätzt. Durch Legieren und Wärmebehandlung lässt er sich zu Spezialteilen für Werkzeuge, Getriebe und Fertigungslinien verarbeiten. So dürfte die weltweite Nachfrage nach Industriemaschinen bis 2027 aufgrund verschiedener Innovationen wie Automatisierung und intelligenter Fertigung auf über $835 Milliarden steigen. Viele dieser Maschinen enthalten Stahlkomponenten, die Präzision und Zuverlässigkeit gewährleisten. Auch der Einsatz von Stahl als tragende Struktur in Fertigungsanlagen für automatisierte Robotersysteme und Förderanlagen unterstreicht seine Bedeutung für mehr Effizienz und Skalierbarkeit. Mit dem Aufkommen umweltfreundlicher Fertigung bleibt Stahl dank seiner Recyclingfähigkeit und seines umweltfreundlichen Herstellungsprozesses ein wichtiger Werkstoff.Quellen
- Einfluss der Elektrodenverlängerung auf die Geometrie von Bauteilen aus 316LSi-Stahl, hergestellt im Wire-Arc-Additive-Manufacturing-Verfahren (WAAM)
- Autoren: Przemysław Połaski et al.
- Veröffentlichungsdatum: 1. Juni 2024
- Zusammenfassung: Diese Studie untersucht den Einfluss der Länge der Elektrodenverlängerung auf die Geometrie von Bauteilen aus nichtrostendem Stahl 316LSi, die im Wire-Arc-Additive-Manufacturing-Verfahren (WAAM) hergestellt wurden. Die Untersuchung zeigt, dass die Länge der Elektrodenverlängerung die Raupengeometrie und die Gesamtgeometrie des Modells erheblich beeinflusst. Ein bemerkenswertes Ergebnis war, dass eine Verlängerung der Elektrode um 6 mm zu einem Modell führte, das über 8 mm höher war. Dies verdeutlicht die Bedeutung dieses Parameters im WAAM-Prozess.
- Methodik: In der Studie wurden Versuchsaufbauten verwendet, in denen mithilfe des WAAM-Verfahrens 3D-Strukturen in Form gerader Wände aufgebaut wurden. So konnten die geometrischen Eigenschaften und die strukturelle Integrität beurteilt werden(Połaski et al., 2024).
- Herstellung eines Prototyps aus martensitischem Stahl 1.4313 durch direkte Laser-Metallabscheidung und Laserschweißen
- Autoren: I. Dey et al.
- Veröffentlichungsdatum: 7. Dezember 2022
- Zusammenfassung: Diese Untersuchung befasst sich mit der Herstellung leichter Kolben mithilfe der direkten Laser-Metallabscheidung (DMD) und des Laserschweißens. Die Studie hebt die Herausforderungen herkömmlicher Gießverfahren hervor und stellt einen Fertigungsablauf für einen Kolben aus martensitischem Stahl 1.4313 vor. Zu den wichtigsten Ergebnissen zählen eine Gewichtsreduzierung von 40 % gegenüber gegossenen Kolben, eine höhere geometrische Genauigkeit und die Wirksamkeit wechselnder Vorschubrichtungen während des DMD-Prozesses.
- Methodik: Die Studie kombinierte DMD und Laserschweißen. Mithilfe metallografischer Analysen und 3D-Scans wurden die Werkstoffqualität und die geometrische Genauigkeit bewertet(Dey et al., 2022, pp. 1993–2009).
- Analyse der technologischen Vererbung bei der Herstellung von Wälzlagerringen aus AISI 52100-Stahl anhand von Welligkeitsmessungen
- Autor: P. Zmarzły
- Veröffentlichungsdatum: 1. Juni 2022
- Zusammenfassung: Diese Arbeit untersucht die Herstellungsprozesse von Wälzlagerringen aus AISI 52100-Stahl und analysiert, wie sich verschiedene Fertigungsschritte auf die Oberflächenwelligkeit auswirken. Die Studie beschreibt das Phänomen der technologischen Vererbung: Die Qualität des Endprodukts wird von den vorherigen Fertigungsschritten beeinflusst. Die Ergebnisse zeigen, dass Drehbearbeitungen die Oberflächenwelligkeit verringern, während eine Wärmebehandlung sie erhöhen kann.
- Methodik: Die Untersuchung umfasste die Messung der Oberflächenwelligkeit mit Spezialgeräten und die Analyse der Auswirkungen verschiedener Fertigungsschritte auf die Qualität der Lagerringe(Zmarzły, 2022).
