Aus­gangs­punkt

Die Erzeu­gung von metal­li­schen Roh­pro­duk­ten gehört zu den wich­tigs­ten Indus­trie­bran­chen. Deutsch­land gehört bei­spiels­wei­se zu den welt­weit füh­ren­den Ländern in der Pro­duk­ti­on von Stahl, Alu­mi­ni­um, Blei, Kupfer und Zinn. Laut den Autoren Schul­ten und Echter­hof („Indus­tri­el­le Anwen­dun­gen von Bio­mas­se­kar­bo­ni­sa­ten. Metall­ur­gie.“ in Quicker/Weber 2016, Bio­koh­le) besteht fast in allen Berei­chen der Metall­ur­gie prin­zi­pi­ell die Mög­lich­keit fossile Kohle bzw. Koks durch Pflan­zen­koh­le zu sub­sti­tu­ie­ren. Denn die Pro­zes­se zur Metall­ge­win­nung benö­ti­gen große Mengen an Ener­gie­roh­stof­fen und Koh­len­stoff­trä­gern zur Reduk­ti­on metal­li­scher Erze, d.h. zur Abtren­nung des Sauer­stoffs vom Metall. Die metall­ur­gi­sche Indus­trie gehört zu den größten Ver­brau­chern fos­si­ler Kohle auf der Welt und ist damit auch eine der größten CO2-Emis­si­ons­quel­len. Hinzu kommt: Sowohl die Preise für Erze als auch für Koks­koh­len sind in den letzten Jahren um teil­wei­se 200% gestie­gen. In Ver­bin­dung mit dem CO2-Zer­ti­fi­ka­te­han­del führen diese Kos­ten­stei­ge­run­gen dazu, dass Betrei­ber von metall­ur­gi­schen Pro­zes­sen immer mehr über den Einsatz von alter­na­ti­ven Ein­satz­stof­fen wie Bio­mas­se­kar­bo­ni­sa­ten nach­den­ken. Die Anfor­de­run­gen, die dabei an die Kar­bo­ni­sa­te gestellt werden, sind jedoch je nach Prozess sehr unter­schied­lich.

Pflan­zen­koh­le in Sin­ter­an­la­ge & Hoch­öfen

Laut Schul­ten und Echter­hof müssen die Bio­mass­kar­bo­ni­sa­te für einen Einsatz während des Sin­ter­pro­zes­ses (ther­mi­scher Pro­zess­schritt als Vor­be­hand­lung für das Eisen­erz) einen hohen Gehalt an fixem Koh­len­stoff bei gleich­zei­tig gerin­gen Antei­len an flüch­ti­gen Bestand­tei­len auf­wei­sen. Ist das gegeben, können die fos­si­len Ener­gie­trä­ger bei diesem Ver­fah­ren bis zu 100% durch Pflan­zen­koh­le ersetzt werden. Bei expe­ri­men­tel­le Studien wurden keine tech­ni­schen Ein­schrän­kun­gen fest­ge­stellt, teil­wei­se wurde sogar eine Erhö­hung der Pro­duk­ti­vi­tät beob­ach­tet.
Ähnlich verhält es sich beim Einsatz von Bio­mas­se­kar­bo­ni­sa­ten zur Eisen­er­zeu­gung in Hoch­öfen. Ein gewis­ser Teil des Kokses kann hier durch das Ein­bla­sen von soge­nann­ter PCI-Pflan­zen­koh­le (PCI – pul­ve­ri­zed coal injec­tion) als Brenn­stoff ein­ge­spart werden. Diese Pflan­zen­koh­le besitzt Koh­len­stoff­ge­hal­te von über 80 Mas­se­pro­zent und flüch­ti­ge Bestand­tei­le von min­des­tens 25 Mas­se­pro­zent. Mehrere Studien konnten zeigen, dass Ein­blas­ra­ten von 150–200 kg/Mg Roh­ei­sen erzielt weden können. Die getes­te­ten Bio­mas­se­kar­bo­ni­sa­te weisen auf­grund ihrer grö­ße­ren spe­zi­fi­schen Ober­flä­che teil­wei­se sogar bessere Eigen­schaf­ten auf als die kon­ven­tio­nell ein­ge­setz­ten Stein­koh­len.

Pflan­zen­koh­le im Elek­tro­st­ahl­ver­fah­ren

Der Anteil der Elek­tro­st­ahl­er­zeu­gung an der Roh­stahl­er­zeu­gung wird in Europa wird laut den Autoren immer größer. Ein­ge­setzt werden Stahl­schrott (98% in Deutsch­land), Eisen­schwamm oder Roh­ei­sen und diverse Zuschlä­ge. Diese kommen in einen Licht­bo­gen­ofen und werden dort mit Hilfe von Ener­gie­trä­gern wie Kohle ein­ge­schmol­zen. Neben der Stahl­schmel­ze bildet sich dabei eine Schla­cke, die Ver­un­rei­ni­gun­gen aus dem Schrott auf­neh­men soll. In der indus­tri­el­len Praxis ver­ur­sacht der Einsatz fos­si­ler Kohle etwa 40–70% der direk­ten CO2-Emis­sio­nen des Elek­tro­strahl­pro­zes­ses. Kohle wird laut Schul­ten und Echter­hof im Elek­tro­licht­bo­gen­ofen aus meh­re­ren Gründen ein­ge­setzt: Sie dient der Basis­auf­koh­lung, trägt zur Schaum­schla­cken­bil­dung bei und rea­li­siert bei der Oxi­da­ti­on einen che­mi­schen Ener­gie­ein­trag. Ver­su­che konnten zeigen, dass Bio­mas­se­kar­bo­ni­sa­te aus Palm­ker­nen für den Prozess des Schla­cke­schäu­mens eine prak­ti­ka­ble Alter­na­ti­ve zu fos­si­lem metall­ur­gi­schem Koks dar­stel­len. Auch im Rahmen eines vom euro­päi­schen Rese­arch Fund for Coal & Steel geför­der­ten For­schungs­vor­ha­bens wurde eine qua­li­ta­tiv größere Volu­men­zu­nah­me der Schla­cke bei der Ver­wen­dung von Bio­mas­se­kar­bo­ni­sa­ten im Ver­gleich zu fos­si­ler Kohle fest­ge­stellt. Auch zeigten weitere Studien, bei denen fossile Char­gen­koh­len durch Pflan­zen­koh­le ersetzt wurden, eine gene­rel­le Eignung der Bio­mas­se­kar­bo­ni­sa­te und dass diese keinen nega­ti­ven Ein­fluss auf den Pro­zess­ver­lauf haben.

Pflan­zen­koh­le bei der Her­stel­lung von Nicht­ei­sen­me­tal­len

Nicht nur im Bereich der Eisen­me­tall­ur­gie, sondern auch bei der Her­stel­lung von Nicht­ei­sen­me­tal­len werden Koh­le­pro­duk­te als Reduk­ti­ons­mit­tel oder Ener­gie­trä­ger benö­tigt. So etwa bei Schmelz­pro­zes­sen der Kupfer- und Alu­mi­ni­um­in­dus­trie, Blei- und Zink­pro­duk­ti­on. Laut den Autoren besteht auch hier für den Einsatz von alter­na­ti­ven Koh­len­stoff­trä­gern als Reduk­ti­ons­mit­tel aus­rei­chend Mög­lich­keit zur Sub­sti­tu­ti­on.

Ori­gi­nal­ar­ti­kel: Indus­tri­el­le Anwen­dun­gen von Bio­mas­se­kar­bo­ni­sa­ten. Metall­ur­gie

Autor: Marc Schul­ten, Thomas Echter­hof

Erschie­nen in: Peter Quicker, Kathrin Weber (Hrsg): Bio­koh­le. Her­stel­lung, Eigen­schaf­ten und Ver­wen­dung von Bio­mas­se­kar­bo­ni­sa­ten. Sprin­ger Verlag 2016, p. 254–277