DE102012109284A1

DE102012109284A1 - Verfahren zum Erzeugen von Stahl und Verfahren zum Speichern diskontinuierlich anfallender Energie

Info

Publication number: DE102012109284A1
Application number: DE201210109284
Authority: DE
Inventors: Peter Schwab; Wolfgang Eder; Thomas Bürgler
Original assignee: Voestalpine Stahl GmbH
Current assignee: Voestalpine Stahl GmbH
Priority date: 2012-09-14
Filing date: 2012-09-28
Publication date: 2014-03-20

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen von Stahl, wobei Eisenerz mit Wasserstoff reduziert wird und das so gewonnene Zwischenprodukt aus reduziertem Eisenerz und gegebenenfalls Begleitstoffen metallurgisch weiterverarbeitet wird, wobei der Wasserstoff durch Elektrolyse von Wasser erzeugt ist, wobei die zur Elektrolyse notwendige elektrische Energie regenerative Energie ist, welche aus Wasserkraft und/oder Windkraft und/oder Fotovoltaik oder anderen regenerativen Energieformen stammt und wobei der Wasserstoff und/oder das Zwischenprodukt unabhängig von der momentanen Nachfrage immer dann erzeugt wird, wenn ausreichend regenerativ erzeugte elektrische Energie vorhanden ist, wobei nicht nachgefragtes Zwischenprodukt bis zur Nachfrage/Verwendung gelagert wird, so dass auch die regenerative Energie, die darin gespeichert ist, gelagert wird und ein Verfahren zum Speichern diskontinuierlich erzeugter Energie wobei die diskontinuierliche erzeugte Energie bei deren Vorhandensein bzw. nach deren Erzeugung einem Prozess zugeführt wird in dem aus einem Ausgangsstoff ein speicherbares Zwischenprodukt erzeugt wird und das speicherbare Zwischenprodukt solange gespeichert wird, bis es zur Herstellung eines Endprodukts benötigt und abgerufen wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen von Stahl nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein und Verfahren zum Speichern diskontinuierlich anfallender Energie.
Die Stahlerzeugung wird zur Zeit auf unterschiedliche Arten vorgenommen. Die klassische Stahlerzeugung erfolgt über die Erzeugung von Roheisen im Hochofenprozess aus vorwiegend oxidischen Eisenträgern. Bei diesem Verfahren werden ca. 450 bis 600 kg Reduktionsmittel, zumeist Koks, pro Tonne Roheisen verbraucht, wobei dieses Verfahren sowohl bei der Erzeugung von Koks aus Kohle als auch bei der Erzeugung des Roheisens ganz erhebliche Mengen CO₂ freisetzt. Zudem sind sogenannte "Direktreduktionsverfahren" bekannt (Verfahren entsprechend der Marken, MIDREX, FINMET, ENERGIRON/HYL, etc.), bei denen aus vorwiegend oxidischen Eisenträgern der Eisenschwamm in der Form von HDRI (Hot Direct Reduced Iron), CDRI (Cold Direct Reduced Iron) bzw. sogenanntes HBI (hot briquetted iron) erzeugt wird.
Zudem gibt es noch sogenannte Schmelzreduktionsverfahren, bei denen der Schmelzprozess, die Reduktionsgaserzeugung und die Direktreduktion miteinander kombiniert werden, beispielsweise Verfahren der Marken COREX, FINEX, HiSmelt oder HiSarna.
Eisenschwamm in der Form von HDRI, CDRI bzw. HBI werden üblicherweise in Elektroöfen weiter verarbeitet, was außerordentlich energieintensiv ist. Die Direktreduktion wird mittels Wasserstoff und Kohlenstoffmonoxid aus Methan und ggf. Synthesegas vorgenommen. Beispielsweise wird beim sogenannten MIDREX-Verfahren zunächst Methan entsprechend der folgenden Reaktion umgesetzt: CH₄ + CO₂ = 2CO + 2H₂ und das Eisenoxid reagiert mit dem Reduktionsgas beispielsweise nach: Fe₂O₃ + 6CO(H₂) = 2Fe + 3CO₂(H₂O) + 3CO(H₂).
Auch dieses Verfahren stößt somit CO₂ aus.
Aus der DE 198 53 747 C1 ist ein kombinierter Prozess zur Direktreduktion von Feinerzen bekannt, wobei die Reduktion mit Wasserstoff oder einem anderen Reduktionsgas in einer liegenden Wirbelschicht erfolgen soll.
Aus der DE 197 14 512 A1 ist eine Kraftwerksanlage mit Solargewinnung, Elektrolyseeinrichtung und einem industriellen Metallurgieprozess bekannt, wobei dieser industrielle Prozess entweder die stromintensive Metallherstellung von Aluminium aus Bauxit betrifft oder ein Metallurgieprozess mit Wasserstoff als Reduktionsmittel bei der Herstellung von nichtheißen Metallen wie Wolfram, Molybdän, Nickel oder dergleichen oder ein Metallurgieprozess mit Wasserstoff als Reduktionsmittel unter Anwendung des Direktreduktionsverfahren bei der Herstellung von Eisenmetallen sein soll. Dies wird in dieser Schrift jedoch nicht weiter ausgeführt.
Aus der WO 2011/018124 sind Verfahren und Anlagen zum Bereitstellen speicherbaren und transportablen kohlenstoffbasierter Energieträger unter Einsatz von Kohlendioxid und unter Einsatz von regenerativer elektrischer Energie und von fossilen Brennstoffen bekannt. Hierbei werden ein Anteil von regenerativ erzeugtem Methanol und ein Anteil von Methanol bereitgestellt, der mittels nicht regenerativer elektrischer Energie und/oder mittels Direktreduktion und/oder über partielle Oxidation und/oder Reformierung erzeugt wird.
Bei allen bislang bekannten Verfahren zur Stahlherstellung ist von Nachteil, dass ein nachhaltiges, und umfassendes Herstellungskonzept auf Basis regenerativer Ressourcen für die Stahlherstellung im industriellen Maßstab fehlt.
Aufgabe der Erfindung ist es ein Verfahren zu schaffen, mit dem Roheisen insbesondere Stahl CO2-neutral im industriellen Maßstab hergestellt werden kann.
Die Aufgabe wird mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in Unteransprüchen gekennzeichnet.
Erfindungsgemäß wird die Stahlherstellung zumindest teilweise, bevorzugt vollständig mit regenerativer Energie betrieben, wobei hierbei einerseits ein Direktreduktionsverfahren betrieben wird und andererseits das im Direktreduktionsverfahren gewonnene Zwischenprodukt im beispielsweise Elektrolichtbogenofen entsprechend weiter verarbeitet wird. Jedoch wäre auch ein Einsatz im LD-Verfahren und/oder Hochofen möglich. Ein besonderer Vorteil ist, dass das mittels regenerativer Energie erzeugte Zwischenprodukt bis zu seiner Weiterverarbeitung lagerbar ist, was bedeutet, dass mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Speicherung regenerativer Energie möglich ist. Genau diese Speicherung regenerativer Energie stellt bislang ein sehr großes Problem dar, da insbesondere elektrische Energie, welche aus Wind oder Sonne gewonnen wird, von klimatischen Bedingungen abhängig ist, die nicht immer gleich sind. Auch aus Wasserkraft gewonnene elektrische Energie steht nicht immer zur Verfügung. Oftmals liegen die Verbraucher nicht an denselben Orten der Erzeugung von regenerativer Energie. Dieses Problem der Speicherung und des Transports der gespeicherten Energie wird mittels der Erfindung gelöst, da das erfindungsgemäß erzeugte Zwischenprodukt in kleinen Einheiten in beliebiger Menge beispielsweise durch Schiffstransport effizient an beliebige Orte transportiert werden kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, diese aus Wind-, Wasser- oder Sonnenenergie erzeugte elektrische Energie dafür zu nutzen, Wasserstoff aus Wasser im Wege der Elektrolyse zu erzeugen. Vorzugsweise am Ort der Erzeugung des Wasserstoffs wird eine Direktreduktionsanlage betrieben, in der – ebenfalls bevorzugt mit derart erzeugter elektrischer Energie – aufbereitete Eisenerze reduziert werden. Das so gewonnene Zwischenproduktstellt einen idealen Speicher dieser regenerativen Energie dar und kann bis zu seiner Weiterverarbeitung gelagert werden und ist jeder Form des Transports zu einer weiterverarbeitenden Einrichtung zugänglich, insbesondere wenn es dort benötigt wird. Insbesondere kann dieses Zwischenprodukt am Ort seiner Entstehung dann in großen Mengen, die den momentanen Bedarf übersteigen, hergestellt werden, wenn die entsprechende elektrische Energie ausreichend zur Verfügung steht. Steht diese Energie nicht zur Verfügung, sind ausreichende Mengen des Zwischenprodukts und damit auch der Energie vorhanden, um den Bedarf erfüllen zu können.
Durch das Betreiben eines entsprechenden Elektrolichtbogens, ebenfalls vorzugsweise insbesondere vollständig mit Energie aus Wind-, Wasser- oder Solarenergie, gelingt es, eine CO₂-freie Stahlerzeugung zu verwirklichen und zudem regenerative Energie zu speichern. Alternativ kann das Zwischenprodukt auch im Hochofen bzw. LD-Verfahren eingesetzt werden.
Erfindungsgemäß kann der Wasserstoff aus den regenerativen Prozessen mit kohlenstoff- bzw. wasserstoffhältigen Gasströmen wie beispielsweise CH4, COG, Synthesegas usw., in einer Direktreduktionsanlage eingesetzt werden. Das Verhältnis zwischen Wasserstoff aus den regenerativen Prozessen zu kohlenstoff- bzw. wasserstoffhältigen Gasströmen kann je nach Verfügbarkeit kontinuierlich variiert werden. Beispielsweise wird bei Vorliegen von sehr viel Wasserstoff dieses zu fast 100 % für die Direktreduktion verwendet. Den Rest bildet der minimal notwendige kohlenstoff- bzw. wasserstoffhältigen Gasstrom für die Einstellung des Kohlenstoffanteils. Im Bedarfsfall kann aber auch auf reine kohlenstoff- bzw. wasserstoffhältige Gasströme (beispielsweise Erdgas, Biogas, Gas aus Pyrolyse nachwachsender Rohstoffe) umgestellt werden.
Bevorzugt wird jedoch das Verfahren so betrieben, dass mittels regenerativer Energie bei deren Vorhandensein so viel Wasserstoff erzeugt wird, wie es die vorhandene Energie zulässt und diesen Wasserstoff für die Direktreduktion zu verwenden. Als kohlenstoff- bzw. wasserstoffhältige Gasströme kommen selbstverständlich auch Gasströme aus der Biogaserzeugung und der Pyrolyse nachwachsender Rohstoffe in Frage.
Überschüssiger Wasserstoff, welche nicht unmittelbar verbraucht werden kann, kann zwischengespeichert werden. Diese Zwischenspeicherung des Wasserstoffs kann beispielsweise in einem Gasometer verwendet werden und die Einstellung der Gehalte an kohlenstoff- bzw. wasserstoffhältigen Gasströmen kann über eine Prognosesteuerung erfolgen. Diese Prognosesteuerung kann den prognostizierten Anfall/Erzeugungsmenge von Wasserstoff bzw. regenerativer Energie messen, des Weiteren aber auch beispielsweise Wettervorhersagen um die Erzeugungsmenge an regenerativer Energie abschätzen zu können. Darüber hinaus kann in diese Prognosesteuerung auch Bedarfsvorhersagen anderer externer Verbraucher einfließen, damit die erzeugte elektrische Energie aus regenerativen Quellen optimal am wirtschaftlich sinnvollsten eingesetzt wird.
Die hierbei herrschenden Temperaturen des Gasstromes werden durch Erwärmung mittels beispielsweise Reformer, Heater oder partielle Oxidation auf 450°C bis 1200°C, bevorzugt 600°C bis 1200°C insbesondere 700°C bis 900°C eingestellt und dann in den Direktreduktionsprozess eingeführt, um dort eine chemische Reaktion durchzuführen. Auch der Gasstrom, welcher den Direktreduktionsprozess verlässt, kann in den Prozess als kohlenstoff- bzw. wasserstoffhältiger Gasstromrückgeführt werden.
Die sich hieraus ergebenden möglichen erfindungsgemäßen Zwischenprodukte sind HBI, HDRI oder CDRI.
Hierbei werden Überdrücke von 0 bar bis 15 bar eingestellt. Beispielsweise sind Überdrücke von ca. 1,5 bar beim MIDREX Verfahren und etwa 9 bar bei Energiron bevorzugt.
Bei der Vermischung des regenerativ erzeugten Wasserstoffs mit kohlenstoff- bzw. wasserstoffhältigen Gasströmen, kann der Kohlenstoffgehalt idealerweise eingestellt werden, und zwar auf 0,0005 % bis 6,3 %, bevorzugt 1 % bis 3 % und direkt als C oder Fe₃C im Zwischenprodukt eingebaut sein. Ein solches Zwischenprodukt ist im Kohlenstoffgehalt ideal eingestellt und besonders gut zur Weiterverarbeitung geeignet da es den notwendigen Kohlenstoffgehalt für den metallurgischen Prozess beisteuert.
Die Erfindung wird beispielhaft anhand einer Zeichnung erläutert. Es zeigen hierbei:
1 das erfindungsgemäße Verfahren in einer beispielhaften Ausführungsform (Elektrolichtbogenofen) im Überblick;
2 das erfindungsgemäße Verfahren in einer zweiten beispielhaften Ausführungsform (LD-Verfahren) im Überblick;
3 die Stoff- und Energieströme schematisch. Erfindungsgemäß erfolgt die Reduktion der vorwiegend oxidischen Eisenträger über Wasserstoff und gegebenenfalls Kohlenstoffträger entweder CO₂ aus industriellen Prozessen, die einen CO₂-Ausstoß nicht vermeiden können, oder Methan, insbesondere aus regenerativen Prozessen wie der Biogaserzeugung.
Die Eisenerzreduktion kann bekannterweise in drei Möglichkeiten erfolgen:

– „klassischer“ Hochofen Prozess-Erzeugung Roheisen aus Eisenträgern und Reduktionsmittel, vor allem Koks
– Direktreduktion – beispielsweise MIDREX-Eisenschwamm (HDRI, CDRI und HBI –,
– Schmelzreduktion-Kombination von Schmelzprozess, Reduktionsgaserzeugung und Direktreduktion beispielsweise COREX oder FINEX.

Eisenerzreduktion (Hämatit, Eisen(III)-Oxid erfolgt durch:
Kohlenmonoxid: Fe₂O₃ + 6CO → 2Fe + 3CO + 3CO₂
Wasserstoff: Fe₂O₃ + 6H2 → 2Fe + 3H₂ + 3H₂O
Das im Direktreduktionsverfahren gewonnene Zwischenprodukt kann hierbei sogenanntes DRI (direct reduced iron) oder HBI (hot briquetted iron) sein, welches entsprechend 1 im Elektrolichtbogenofen ggf. unter Zugabe von Schrott zu Stahl verhüttet werden kann.
1 zeigt des Weiteren, dass HDRI bzw. CDRI auch ohne den „Umweg“ der HBI-Herstellung direkt in den Elektroofen geführt werden können.
Erfindungsgemäß kann HBI auch in anderen metallurgischen Prozessen außer dem Elektrolichtbogenofen wie z.B. im Hochofenprozess oder als Schrottersatz im LD-Verfahren eingesetzt werden.
Eine solche Ausführungsform wird in 2 dargestellt. Hierbei kann noch erwähnt werden, dass CDRI bzw. HDRI auch direkt dem Hochofenprozess bzw. LD-Verfahren zugeführt werden können.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann zum Ausgleich von kurzfristigen Schwankungen bei der Erzeugung der erneuerbaren Energie diese in Form von Wasserstoff gespeichert werden, wenn diese im Überschuss vorhanden ist.. Diese Speicherung kann beispielsweise in einem Gasometer erfolgen. Ein solcher Speicher wird dann bei Schwankungen genützt. Kurzfristige Schwankungen können vorhersehbar z.B. bei Solaranlagen in der Nacht oder unvorhersehbar wie z.B. Windstärkenschwankungen bei Windkraftanlagen auftreten.
Längerfristige Schwankungen welche unter anderem durch die unterschiedlichen Jahreszeiten sich ergeben können, können bevorzugt in die Energiespeicherung in Form von HBI erfolgen.
Auch kann im Bedarfsfall auf den Einsatz von kohlenstoff- bzw. wasserstoffhältigen Gasen wie beispielsweise Erdgas zurückgegriffen werden und ein Einsatz von Wasserstoff optimalerweise nur bei bei ausreichend erneuerbarem Strom erfolgen.
Vorteilhafterweise ergeben sich daraus die optimalen Einsatzmöglichkeiten der regenerativen Energie, da diese kontinuierlich je nach Verfügbarkeit der entsprechenden Energieform eingesetzt werden kann und die fehlende Restenergie durch andere Energieträger im Bedarfsfall ergänzt werden kann. Dadurch kann die Emission von CO2 jederzeit auf das in diesem Moment mögliche Minimum durch die Nutzung regenerativer Energiequellen reduziert werden.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt in der räumlichen Entkopplung der Orte der Herstellung der regenerativen Energie und der Nutzung dieser Energie. Beispielsweise werden Solaranlagen eher in sonnenbegünstigten, wärmeren Gegenden mit viel Platz errichtet, wohingegen Stahlwerke oftmals in der Nähe von Flüssen oder Meeren zu finden sind. Da die produzierte Energie beispielsweise in HBI gespeichert vorliegt ist diese leicht und effizient zu transportieren.
Zudem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Speichern diskontinuierlich anfallender Energie.
Der Anteil an regenerativen Energien soll weltweit gesteigert werden wobei regenerative Energie einerseits Energie aus nachwachsenden Rohstoffen aber auch aus Wasserkraft, Sonnenlicht und Wind umfasst. Durch die Nutzung nachwachsender Rohstoffe kann häufig kontinuierlich Energie erzeugt werden, beispielsweise in Biomassekraftwerken oder Biogaserzeugungsanlagen.
Bei der Nutzung von Sonnen- und Windenergie wird jedoch aufgrund der Abhängigkeit vom Wetter diskontinuierlich Energie erzeugt. Diese diskontinuierlich erzeugte Energie liegt nicht immer dann vor, wenn sie eigentlich gebraucht werden würde, so dass ein Problem darin besteht diese Energie zu speichern und zur Verfügung zu stellen wenn diese Energie gebraucht wird.
Insbesondere ist es bei dieser diskontinuierlich erzeugten Energie schwer diese Energie in einer Form zu speichern, die ohne Weiteres für den Endverbraucher oder für die Einspeisung in Netzwerke für Endverbraucher sofort nutzbar zu machen.
Aufgabe dieser Erfindung ist es, ein Verfahren zum Speichern der diskontinuierlich erzeugten Energie zu schaffen.
Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 11 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in Unteransprüchen gekennzeichnet.
Erfindungsgemäß wird nicht versucht, diskontinuierlich erzeugte Energie in ihrer ursprünglichen erzeugten Form zu nutzen sondern die Energie für die Erzeugung eines leicht lagerbaren Zwischenproduktes zu nutzen und somit in diesem Zwischenprodukt einzubinden, wobei es sich bei dem Zwischenprodukt um ein Produkt handelt welches weltweit benötigt wird. Dieses Zwischenprodukt wird beim Vorliegen der diskontinuierlichen Energie unabhängig vom Bedarf am Zwischenprodukt erzeugt und gelagert und bei Bedarf der Weiterverarbeitung zugeführt. Da die Erzeugung des Zwischenproduktes ohnehin große Mengen an Energie verbraucht wird der Energieverbrauch der ansonsten bei der Produktion anfallen würde zeitlich und örtlich verlagert.
Erfindungsgemäß wird als Endprodukt zum Beispiel Metall, insbesondere Stahl erzeugt. Grundsätzlich ist das erfindungsgemäße Verfahren für alle industriellen Produktionen geeignet, bei denen ein lagerfähiges Zwischenprodukt anfällt.
Hierbei ist von Vorteil, dass bei der Speicherung der diskontinuierlich angefallenen Energie hierbei keine Rückführung aus einem, wie auch immer gearteten Speichermedium in die Ursprungsenergie notwendig ist, sondern die Ursprungsenergie sinnvoll genutzt in dem Zwischenprodukt gespeichert ist und zur Erzeugung des Zwischenproduktes am Produktionsstandort des Endproduktes nicht erneut Energie aufgewendet werden muss.
Erfindungsgemäß handelt es sich bei dem Zwischenprodukt um ein Zwischenprodukt welches mit recht hohem Energieaufwand gefertigt werden muss, insbesondere beispielsweise Zwischenprodukte für die ein Schmelzprozess und/oder Reduktionsprozess erforderlich ist, der insbesondere mit Hilfe von Strom, d. h. beispielsweise im Lichtbogen erfolgt. Insbesondere kann jedoch dieses Zwischenprodukt auch aus vor allem oxidischen Eisenträgern direkt reduziertes Eisen z. B. in Form eines Eisenschwamms bzw. sogenannten Hot Briquetted Iron (HBI) sein. Der Einsatz der diskontinuierlich vorliegenden regenerativen Energie bzw. die Speicherung derselben in dem Zwischenprodukt hat zudem den Vorteil, dass klimaneutral gearbeitet werden kann.
Die Stahlerzeugung wird zur Zeit auf unterschiedliche Arten vorgenommen. Die klassische Stahlerzeugung erfolgt über die Erzeugung von Roheisen im Hochofenprozess aus vorwiegend oxidischen Eisenträgern. Bei diesem Verfahren werden ca. 450 bis 600 kg Reduktionsmittel, zumeist Koks, pro Tonne Roheisen verbraucht, wobei dieses Verfahren sowohl bei der Erzeugung von Koks aus Kohle als auch bei der Erzeugung des Roheisens ganz erhebliche Mengen CO₂ freisetzt. Zudem sind sogenannte "Direktreduktionsverfahren" bekannt (Verfahren entsprechend der Marken, MIDREX, FINMET, ENERGIRON/HYL, etc.), bei denen aus vorwiegend oxidischen Eisenträgern der Eisenschwamm in der Form von HDRI (Hot Direct Reduced Iron), CDRI (Cold Direct Reduced Iron) bzw. sogenanntes HBI (hot briquetted iron) erzeugt wird.
Zudem gibt es noch sogenannte Schmelzreduktionsverfahren, bei denen der Schmelzprozess, die Reduktionsgaserzeugung und die Direktreduktion miteinander kombiniert werden, beispielsweise Verfahren der Marken COREX, FINEX, HiSmelt oder HiSarna.
Eisenschwamm in der Form von HDRI, CDRI bzw. HBI werden üblicherweise in Elektroöfen weiter verarbeitet, was außerordentlich energieintensiv ist. Die Direktreduktion wird mittels Wasserstoff und Kohlenstoffmonoxid aus Methan und ggf. Synthesegas vorgenommen. Beispielsweise wird beim sogenannten MIDREX-Verfahren zunächst Methan entsprechend der folgenden Reaktion umgesetzt: CH₄ + CO₂ = 2CO + 2H₂ und das Eisenoxid reagiert mit dem Reduktionsgas beispielsweise nach: Fe₂O₃ + 6CO(H₂) = 2Fe + 3CO₂(H₂O) + 3CO(H₂).
Auch dieses Verfahren stößt somit CO₂ aus.
Aus der DE 198 53 747 C1 ist ein kombinierter Prozess zur Direktreduktion von Feinerzen bekannt, wobei die Reduktion mit Wasserstoff oder einem anderen Reduktionsgas in einer liegenden Wirbelschicht erfolgen soll.
Aus der DE 197 14 512 A1 ist eine Kraftwerksanlage mit Solargewinnung, Elektrolyseeinrichtung und einem industriellen Metallurgieprozess bekannt, wobei dieser industrielle Prozess entweder die stromintensive Metallherstellung von Aluminium aus Bauxit betrifft oder ein Metallurgieprozess mit Wasserstoff als Reduktionsmittel bei der Herstellung von nichtheißen Metallen wie Wolfram, Molybdän, Nickel oder dergleichen oder ein Metallurgieprozess mit Wasserstoff als Reduktionsmittel unter Anwendung des Direktreduktionsverfahren bei der Herstellung von Eisenmetallen sein soll. Dies wird in dieser Schrift jedoch nicht weiter ausgeführt.
Aus der WO 2011/018124 sind Verfahren und Anlagen zum Bereitstellen speicherbaren und transportablen kohlenstoffbasierter Energieträger unter Einsatz von Kohlendioxid und unter Einsatz von regenerativer elektrischer Energie und von fossilen Brennstoffen bekannt. Hierbei werden ein Anteil von regenerativ erzeugtem Methanol und ein Anteil von Methanol bereitgestellt, der mittels nicht regenerativer elektrischer Energie und/oder mittels Direktreduktion und/oder über partielle Oxidation und/oder Reformierung erzeugt wird.
Erfindungsgemäß wird das Zwischenprodukt für die Stahlherstellung mittels Hochofen und nachfolgendem LD-Verfahren bzw. Elektrolichtbogenofen mit regenerativer Energie erzeugt und dadurch gespeichert. Ein besonderer Vorteil ist, dass das mittels regenerativer Energie erzeugte Zwischenprodukt bis zu seiner Weiterverarbeitung lagerbar ist, was bedeutet, dass mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Speicherung regenerativer Energie möglich ist. Genau diese Speicherung regenerativer Energie stellt bislang ein sehr großes Problem dar, da insbesondere elektrische Energie, welche aus Wind oder Sonne gewonnen wird, von klimatischen Bedingungen abhängig ist, die nicht immer gleich sind. Auch aus Wasserkraft gewonnene elektrische Energie steht nicht immer zur Verfügung. Oftmals liegen die Verbraucher nicht an denselben Orten der Erzeugung von regenerativer Energie. Dieses Problem der Speicherung und nachfolgend der Mobilität der gespeicherten Energie wird mittels der Erfindung gelöst, da das erfindungsgemäß erzeugte Zwischenprodukt in kleinen Einheiten in beliebiger Menge beispielsweise durch Schiffstransport effizient an beliebige Orte transportiert werden kann.
Zwar wird die Energie bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eben nicht in einer Form gespeichert die quasi für jedermann und für den allgemeinen Verbrauch aus dem Speicher abrufbar ist, jedoch ist der Bedarf an bestimmten Zwischenprodukten weltweit so hoch, dass dadurch, das erfindungsgemäß das Zwischenprodukt den Energiespeicher darstellt für andere Energiebedarfsformen z. B. für Stromendkunden elektrische Energie aus anderen Quellen oder anderen Speichern zur Verfügung steht, so dass der Gesamtenergiehaushalt besser verwaltbar und disponierbar wird.
Insbesondere kann das erfindungsgemäße Verfahren in Gegenden der Erde betrieben werden in denen der Rohstoff für das Zwischenprodukt und die entsprechende diskontinuierlich erzeugte regenerative Energie am selben Ort auftreten. Als Beispiel hierfür seien genannt Magnesialagerstätten zur Erzeugung von Schmelzmagnesia (z. B. zur Verwendung in der Feuerfestindustrie) wie es beispielsweise in Kanada oder China vorkommt und dementsprechend die Verwendung von beispielsweise Wasserkraft oder Windenergie oder (China) Solarenergie. Bei Eisenerzen die in Direktreduktionsverfahren in das entsprechende Zwischenprodukt umgewandelt werden sollen wären derartige Standorte z. B. Schweden bzw. Norwegen (Wasserkraft) oder Australien (Sonnenenergie) bei denen die regenerative Energie dazu verwendet wird, einerseits den entsprechenden Rohstoff, nämlich das Eisenerz mechanisch aufzubereiten (u.a. Brechen, Mahlen, Agglomerieren) und zudem Wasserstoff für die Direktreduktion zu erzeugen oder beispielsweise Holz zu pyrolysieren um entsprechende kohlenstoff- bzw. wasserstoffhältigen Gasströme zu erzeugen.
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, diese aus Wind-, Wasser- oder Sonnenenergie erzeugte elektrische Energie dafür zu nutzen, Wasserstoff aus Wasser im Wege der Elektrolyse zu erzeugen. Vorzugsweise am Ort der Erzeugung des Wasserstoffs wird eine Direktreduktionsanlage betrieben, in der – ebenfalls vorzugsweise insbesondere vollständig mit derart erzeugter elektrischer Energie – aufbereitete Eisenerze direkt reduziert werden. Das so gewonnene Zwischenprodukt, insbesondere hot briquetted iron HBI, HDRI oder CDRI stellt einen idealen Speicher dieser regenerativen Energie dar und kann unbegrenzt in großen Mengen gelagert werden und ist jeder Form des Transports zu einer weiterverarbeitenden Einrichtung zugänglich, insbesondere wenn es dort benötigt wird. Insbesondere kann dieses Zwischenprodukt am Ort seiner Entstehung dann in großen Mengen, die den momentanen Bedarf übersteigen, hergestellt werden, wenn die entsprechende elektrische Energie ausreichend zur Verfügung steht. Steht diese Energie nicht zur Verfügung, sind ausreichende Mengen des Zwischenprodukts und damit der Energie in gespeicherter Form vorhanden, um den Bedarf erfüllen zu können.
Durch das Betreiben eines entsprechenden Elektrolichtbogens, ebenfalls mit Energie aus Wind-, Wasser- oder Solarenergie, gelingt es, eine CO₂-freie Stahlerzeugung oder Schmelzerzeugung (z. B. Schmelzmagnisia) zu verwirklichen und zudem regenerative Energie zu speichern.
Erfindungsgemäß kann der Wasserstoff aus den regenerativen Prozessen mit kohlenstoff- bzw. wasserstoffhältigen Gasströmenwie beispielsweise CH4, COG, Synthesegas usw., in einer Direktreduktionsanlage eingesetzt werden. Das Verhältnis zwischen Wasserstoff aus den regenerativen Prozessen zu kohlenstoff- bzw. wasserstoffhältigen Gasströmenkann je nach Verfügbarkeit kontinuierlich variiert werden. Beispielsweise wird bei Vorliegen von sehr viel Wasserstoff dieser zu fast 100 % für die Direktreduktion verwendet, im Bedarfsfall kann aber auch auf reine kohlenstoff- bzw. wasserstoffhältige Gasströme (beispielsweise Erdgas, Biogas, Gas aus der Pyrolyse nachwachsender Rohstoffe) umgestellt werden.
Bevorzugt wird jedoch das Verfahren so betrieben, dass mittels regenerativer Energie bei deren Vorhandensein so viel Wasserstoff erzeugt wird, wie es die vorhandene Energie zulässt und diesen Wasserstoff für die Direktreduktion zu verwenden. Als kohlenstoff- bzw. wasserstoffhältige Gasströmekommen selbstverständlich auch Gasströme aus der Biogaserzeugung und Pyrolysebzw. Synthesgas aus Biomasse also nachwachsende Rohstoffe in Frage.
Überschüssiger Wasserstoff, welche nicht unmittelbar verbraucht werden kann, kann zwischengespeichert werden. Diese Zwischenspeicherung des Wasserstoffs kann beispielsweise in einem Gasometer verwendet werden und die Einstellung der Gehalte an kohlenstoff- bzw. wasserstoffhältigen Gasströmen kann über eine Prognosesteuerung erfolgen. Diese Prognosesteuerung kann den prognostizierten Anfall/Erzeugungsmenge von Wasserstoff bzw. regenerativer Energie messen, des Weiteren aber auch beispielsweise Wettervorhersagen um die Erzeugungsmenge an regenerativer Energie abschätzen zu können. Darüber hinaus kann in diese Prognosesteuerung auch Bedarfsvorhersagen anderer externer Verbraucher einfließen, damit die erzeugte elektrische Energie aus regenerativen Quellen optimal am wirtschaftlich sinnvollsten eingesetzt wird.
Die hierbei herrschenden Temperaturen des Gasstromes werden durch Erwärmung mittels beispielsweise Reformer, Heater oder partielle Oxidation auf 450°C bis 1200°C, bevorzugt 600°C bis 1200°C insbesondere 700°C bis 900°C eingestellt und dann in den Direktreduktionsprozess eingeführt, um dort eine chemische Reaktion durchzuführen. Auch der Gasstrom, welcher den Direktreduktionsprozess verlässt, kann in den Prozess als kohlenstoff- bzw. wasserstoffhältiger Gasstromrückgeführt werden.
Die sich hieraus ergebenden möglichen erfindungsgemäßen Zwischenprodukte sind HBI, HDRI oder CDRI.
Hierbei werden Überdrücke von 0 bar bis 15 bar eingestellt. Beispielsweise sind Überdrücke von ca. 1,5 bar beim MIDREX Verfahren und etwa 9 bar bei Energiron bevorzugt.
Bei der Vermischung des regenerativ erzeugten Wasserstoffs mit kohlenstoff- bzw. wasserstoffhältigen Gasströmen, kann der Kohlenstoffgehalt idealerweise eingestellt werden, und zwar auf 0,0005 % bis 6,3 %, bevorzugt 1 % bis 3 % und direkt als C oder Fe₃C im Zwischenprodukt eingebaut sein. Ein solches Zwischenprodukt ist im Kohlenstoffgehalt ideal eingestellt und besonders gut zur Weiterverarbeitung geeignet da es den notwendigen Kohlenstoffgehalt für den metallurgischen Prozess beisteuert.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann zum Ausgleich von kurzfristigen Schwankungen bei der Erzeugung der erneuerbaren Energie diese in Form von Wasserstoff gespeichert werden, wenn diese im Überschuss vorhanden ist. Diese Speicherung kann beispielsweise in einem Gasometer erfolgen. Ein solcher Speicher wird dann bei Schwankungen genützt. Kurzfristige Schwankungen können vorhersehbar z.B. bei Solaranlagen in der Nacht oder unvorhersehbar wie z.B. Windstärkenschwankungen bei Windkraftanlagen auftreten.
Längerfristige Schwankungen welche unter anderem durch die unterschiedlichen Jahreszeiten sich ergeben können, können bevorzugt in die Energiespeicherung in Form von HBI erfolgen.
Eine andere Möglichkeit des Ausgleichs von Schwankungen kann in der variablen Nutzung von Erdgas liegen. Vorteilhafterweise lässt sich damit der thermische Zustand der Anlage stabil halten.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt in der räumlichen Entkopplung der Orte der Herstellung der regenerativen Energie und der Nutzung dieser gespeicherten Energie. Beispielsweise werden Solaranlagen eher in sonnenbegünstigten, wärmeren Gegenden mit viel Platz errichtet, wohingegen Stahlwerke oftmals in der Nähe von Flüssen oder Meeren zu finden sind. Da die produzierte Energie beispielsweise in HBI gespeichert vorliegt ist diese leicht und effizient zu transportieren.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19853747 C1 [0006, 0051]
DE 19714512 A1 [0007, 0052]
WO 2011/018124 [0008, 0053]

Claims

Verfahren zum Erzeugen von Stahl, wobei Eisenerz mit Wasserstoff reduziert wird und das so gewonnene Zwischenprodukt aus reduziertem Eisenerz und gegebenenfalls Begleitstoffen metallurgisch weiterverarbeitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserstoff durch Elektrolyse von Wasser erzeugt ist, wobei die zur Elektrolyse notwendige elektrische Energie regenerative Energie ist, welche aus Wasserkraft und/oder Windkraft und/oder Fotovoltaik oder anderen regenerativen Energieformen stammt und wobei – der Wasserstoff und/oder das Zwischenprodukt unabhängig von der momentanen Nachfrage immer dann erzeugt wird, wenn ausreichend regenerativ erzeugte elektrische Energie vorhanden ist, wobei – nicht nachgefragtes Zwischenprodukt bis zur Nachfrage/Verwendung gelagert wird, so dass auch die regenerative Energie, die darin gespeichert ist, gelagert wird.
Verfahren zum Erzeugen von Stahl nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Reduktion des Eisenerzes zum Zwischenprodukt, dem Wasserstoff ein kohlenstoff- bzw. wasserstoffhältiges Gas zugesetzt wird, um Kohlenstoff im Zwischenprodukt einzubauen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das kohlenstoff- bzw. wasserstoffhältige GasMethan oder andere Kohlenstoffträgergase aus industriellen Prozessen oder der Biogaserzeugung oder Pyrolyse oder Synthesegas aus Biomasse sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Wasserstoff zur Reduktion mindestens so viel kohlenstoff- bzw. wasserstoffhältiges Gaszugesetzt wird, dass der Kohlenstoffgehalt im Zwischenprodukt 0,0005 Masse-% bis 6,3 Masse-% bis vorzugsweise 1 Masse-% bis 3 Masse-% beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Reduktionsgas aus Wasserstoff und gegebenenfalls Kohlenstoffträgergas mit 450°C bis 1200°C, bevorzugt 600°C bis 1200°C insbesondere 700°C bis 900°C in den Reduktionsprozess eingeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Überdruck bei der Reduktion zwischen 0 bar und 15 bar beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis zwischen Wasserstoff aus regenerativer Herstellung und kohlenstoff- bzw. wasserstoffhältigen Gasströmen nach Verfügbarkeit kontinuierlich variiert wird, wobei bei ausreichenden regenerativen Energie Wasserstoff aus der Erzeugung mit regenerativer Energie eingesetzt wird und beim Ausbleiben von regenerativer Energie auf rein kohlenstoff- bzw. wasserstoffhältige Gasströme umgestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstellung der Gehalte an Wasserstoff und/oder kohlenstoff- bzw. wasserstoffhältigen Gasströmenim Gesamtgasstrom über eine Prognosesteuerung erfolgt, wobei mit der Prognosesteuerung der prognostizierte Anfall/Erzeugungsmenge von Wasserstoff und/oder regenerativer Energie und/oder kohlenstoff- bzw. wasserstoffhältigen Gasströmenaus der Biogaserzeugung oder der Pyrloyse von nachwachsenden Rohstoffen gemessen wird und/oder Wettervorhersagen in die Abschätzung regenerativer Energie einfließen, wobei auch Bedarfsvorhersagen anderer externer Verbraucher einfließen wodurch die elektrische Energie aus regenerativen Quellen optimal und am wirtschaftlichsten verteilt werden kann.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasstrom, der von der Direktreduktionsanlage als Abgas emittiert wird in den Prozess als kohlenstoff- bzw. wasserstoffhältiger Gasstrom geführt wird.
Verfahren zum Speichern diskontinuierlich erzeugter Energie wobei die diskontinuierliche erzeugte Energie bei deren Vorhandensein bzw. nach deren Erzeugung einem Prozess zugeführt wird in dem aus einem Ausgangsstoff ein speicherbares Zwischenprodukt erzeugt wird und das speicherbare Zwischenprodukt solange gespeichert wird, bis es zur Herstellung eines Endprodukts benötigt und abgerufen wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass soviel Zwischenprodukt hergestellt wird, wie die vorhandene diskontinuierlich erzeugte Energiemenge es erlaubt und dieses Zwischenprodukt unabhängig von einem Bedarf an dem Zwischenprodukt gespeichert wird.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischenprodukt ein unter Einsatz von elektrischer Energie erschmolzenes oder umgewandeltes Produkt ist und/oder ein Produkt ist, welches mit Hilfe von elektrischer Energie aus einem Rohstoff oder Ausgangsprodukt durch mechanische Bearbeitung aufbereitetes Produkt ist und/oder ein Produkt ist, welches mittels eines Gases umgewandelt wird, welches unter Zuhilfenahme elektrischer Energie erzeugt wurde.
Verfahren nach einem der nach Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischenprodukt ein im Direktreduktionsverfahren gewonnenes Eisenmaterial ist, wobei der Ausgangsstoff Eisenerz ist welches mit Hilfe von Wasserstoff und/oder kohlenstoff- bzw. wasserstoffhältigen Gasströmen direktreduziert und der Wasserstoff durch Elektrolyse von Wasser mittels regenerativ erzeugter elektrischer Energie ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei Eisenerz mit Wasserstoff und/oder kohlenstoff- bzw. wasserstoffhältigen Gasströmen reduziert wird und das so gewonnene Zwischenprodukt aus reduziertem Eisenerz und gegebenenfalls Begleitstoffen metallurgisch weiterverarbeitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserstoff durch Elektrolyse von Wasser erzeugt ist, wobei die zur Elektrolyse notwendige elektrische Energie regenerative Energie ist, welche aus Wasserkraft und/oder Windkraft und/oder Fotovoltaik oder anderen regenerativen Energieformen stammt und wobei – der Wasserstoff und/oder das Zwischenprodukt unabhängig von der momentanen Nachfrage immer dann erzeugt wird, wenn ausreichend regenerativ erzeugte elektrische Energie vorhanden ist, wobei – nicht nachgefragtes Zwischenprodukt bis zur Nachfrage/Verwendung gelagert wird, so dass auch die regenerative Energie, die darin gespeichert ist, gelagert wird.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Reduktion des Eisenerzes zum Zwischenprodukt, dem Wasserstoff ein kohlenstoff- bzw. wasserstoffhältiges Gaszugesetzt wird, um im Reduktionsprozess als Kohlenstoff in verschiedenen Modifikationen im Zwischenprodukt eingebaut zu werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das kohlenstoff- bzw. wasserstoffhältige Gas Methan oder andere Kohlenstoffträgergase aus industriellen Prozessen oder der Biogaserzeugung oder die Pyrolyse nachwachsender Rohstoffe sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass dem Wasserstoff zur Reduktion mindestens so viel kohlenstoff- bzw. wasserstoffhältiges Gas in verschiedenen Modifikationen zugesetzt wird, dass der Kohlenstoffgehalt im Zwischenprodukt 0,0005 Masse-% bis 6,3 Masse-% bis vorzugsweise 1 Masse-% bis 3 Masse-% beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Reduktionsgas aus Wasserstoff und gegebenenfalls kohlenstoff- bzw. wasserstoffhältiges Gasmit 450°C bis 1200°C, bevorzugt 600°C bis 1200°C, insbesondere 700°C bis 900°C in den Reduktionsprozess eingeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Überdruck bei der Reduktion zwischen 0 bar und 15 bar beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis zwischen Wasserstoff aus regenerativer Herstellung und kohlenstoff- bzw. wasserstoffhältigen Gasströmennach Verfügbarkeit kontinuierlich variiert wird, wobei bei ausreichenden regenerativen Energie Wasserstoff aus der Erzeugung mit regenerativer Energie eingesetzt wird und beim Ausbleiben von diskontinuierlich erzeugter regenerativer Energie auf kohlenstoff- bzw. wasserstoffhältige Gasströme aus kontinuierlich erzeugter regenerativer Energie umgestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstellung der Gehalte an Wasserstoff und/oder kohlenstoff- bzw. wasserstoffhältigen Gasströmenim Gesamtgasstrom über eine Prognosesteuerung erfolgt, wobei mit der Prognosesteuerung der prognostizierte Anfall/Erzeugungsmenge von Wasserstoff und/oder regenerativer Energie und/oder kohlenstoff- bzw. wasserstoffhältigen Gasströmenaus der Biogassynthese oder der Vergasung von nachwachsenden Rohstoffen gemessen wird und/oder Wettervorhersagen in die Abschätzung regenerativer Energie einfließen, wobei auch Bedarfsvorhersagen anderer externer Verbraucher einfließen wodurch die elektrische Energie aus regenerativen Quellen optimal und am wirtschaftlichsten verteilt werden kann.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass der nahezu gesamte Gasstrom, der die Direktreduktionsanlage verlässt in den Prozess als kohlenstoff- bzw. wasserstoffhältiger Gasstromgeführt wird.