Ein Spiel der Stahlindustrie

NRRI-Forschungstechniker Dan Carrigan – mitLeitender Forschungstechniker Steve Zaitz – dimensioniert grüne Kugeln, die im Pot Grate-Ofen für ein Forschungsprojekt gebrannt werden sollen.

Eine Fahrradtour zwischen zwei Mineralienforschern im Norden Minnesotas könnte zu einem der größten Fortschritte der heimischen Stahlindustrie werden.

Forscher des Natural Resources Research Institute (NRRI) Coleraine Lab, einem Labor für Mineralien, Metallurgie und Biomasseumwandlung in Coleraine, Minnesota, testen künstlichen Biokohlenstoff, der einen Teil des fossilen Kohlenstoffs ersetzen könnte, der bei der Stahlproduktion in Elektrolichtbogenöfen verwendet wird ( EAFs), sagen Labormitarbeiter.

„Angesichts des laufenden Übergangs von Hochöfen zur Lichtbogenstahlerzeugung sucht jeder in der Branche nach Möglichkeiten, seinen CO2-Fußabdruck zu reduzieren“, sagte Kevin Kangas, Leiter des Laborstandorts Coleraine. „Sie überlegen, wie man Ausgangsmaterial für EAFs herstellt und wie man in allen Bereichen, von der Minengrube bis zum Eisenbahnwaggon, geringere Emissionen erzielen kann.“

Der Ersatz fossiler Brennstoffe, die in der heimischen Stahlindustrie verwendet werden, durch kohlenstoffneutrale Biomassebrennstoffe – auch technisch hergestellte Biokohlenstoffprodukte genannt – ist eine Herausforderung.

Fossile Brennstoffe sind seit den Anfängen der Stahlindustrie die Energiegrundlage und Kohlenstoffquelle für die heimische Stahlproduktion.

Dennoch haben inländische Stahlhersteller in den letzten Jahrzehnten bereits erhebliche Fortschritte bei der Umstellung auf mehr Umweltfreundlichkeit gemacht.

Laut dem American Iron and Steel Institute (AISI) mit Sitz in Washington, D.C. ist die US-Stahlindustrie die sauberste und energieeffizienteste der führenden Stahlindustrien der Welt.

Ein großer Teil davon sei auf die Verwendung von im Inland gewonnenen Eisenerzpellets, den hohen Anteil von Stahl aus recyceltem Schrott und den verstärkten Einsatz von Erdgas anstelle von Kohle und Koks bei der Stahlherstellung zurückzuführen, was zu geringeren Emissionen führe, heißt es AISI.

Doch da Stahlhersteller noch umweltfreundlicher werden wollen, sei die Nachfrage nach nicht-fossilem Kohlenstoff, der geringere CO2-Emissionen ermöglicht, enorm, sagte Kangas.

„Es gibt viele Kunden, die sich aus diesem oder jenem Grund für ein Biomasseprodukt interessieren“, sagte Kangas. „Aber sie wissen oft nicht einmal, wie sie anfangen sollen.“

Hier kommt das Coleraine-Labor ins Spiel.

Das Labor befindet sich auf einem 27 Hektar großen Gelände an einem ehemaligen Standort von US Steel in der Nähe der Innenstadt von Coleraine und führt Forschungen zu innovativen Bergbau-, Verarbeitungs- und Stahlherstellungstechniken durch, die der Taconit- und Stahlindustrie des Staates und des Landes helfen.

Das Labor führt Tests im Labormaßstab und Pilottests durch, um Ideen in die kommerzielle Nutzung zu überführen.

Ein Zuschuss des US-Energieministeriums in Höhe von 4 Millionen US-Dollar trägt zur Förderung des Biomasse-/Biokohlenstoffprojekts bei.

„Es ist ein spannendes Projekt“, sagte Rolf Weberg, NRRI-Geschäftsführer. „Wir wurden dafür belohnt, dass wir einen wirklich, wirklich guten Vorschlag hatten, der den Biokohlenstoff, wenn man so will, für die Verwendung in einem Elektrolichtbogenofen nutzbar macht.“

Die Biomasseforschung in Coleraine konzentriert sich darauf, erneuerbare Produkte in eine Form zu bringen, die in EAFs eingespeist werden kann, sagte Weberg.

Erneuerbare Brennstoffe für die EAF-Industrie könnten möglicherweise aus Holz, landwirtschaftlichen Abfällen oder anderen erneuerbaren Ressourcen hergestellt werden.

Bei Coleraine liegt der Schwerpunkt derzeit auf Holzbiomasse.

Da einige erneuerbare Produkte jedoch ein geringes Gewicht haben und herumwirbeln, wenn sie in roher Form in einen EAF eingeführt werden, muss das Material zu einem Produkt geformt werden, das nicht in einem EAF herumweht, sagte Weberg.

Ein erneuerbarer EAF-Brennstoff könnte in Form von Briketts, Pellets oder einer anderen Form vorliegen, sagte Weberg.

Brett Spigarelli, Metallurgieingenieur im Coleraine-Labor, sagt, dass die im Labor entwickelte Biokohlenstoff-EAF-Beschickung aus in Minnesota produzierten erneuerbaren Produkten hergestellt wird.

„Was wir herstellen, sind technisch hergestellte Biokohlenstoffprodukte“, sagte Spigarelli. „Wenn es erfolgreich ist, wird es in der Lage sein, wahrscheinlich mehr als 90 Prozent der verwendeten Kohle in EAFs zu ersetzen, aber es wird nicht in der Lage sein, Dinge wie Erdgas zu ersetzen. Aber wir hoffen, dass es ein Ersatz für überall dort sein wird, wo in den Anlagen fossiler Kohlenstoff verwendet wird. Wir werden vor Ort in Coleraine Tonnen von Biokohlenstoff herstellen und ihn an eine Nucor-Anlage an unsere Projektpartner liefern, wo er in deren kommerzielle EAFs eingefüllt wird.“

Interessanterweise kam die Idee, in Coleraine ein Biokohlenstoffprodukt zu entwickeln, während einer Schotterradtour, bei der Spigarelli und Matt Mlinar, interimistischer Mineralien- und Metallurgieforscher und Gruppenleiter im Coleraine-Labor, über das Projekt zu sprechen begannen, sagte Spigarelli.

„Matt und ich waren unterwegs und haben Ideen ausgetauscht“, sagte Spigarelli. „Es war ein bisschen Pech, aber wir denken immer darüber nach, wie wir unsere Ressourcen nutzen können.“

Forschung und Tests im Labor haben zur Entwicklung eines Biokohlenstoffprodukts geführt, das dicht genug ist und genug Energie enthält, um in EAFs verwendet zu werden, sagte Mlinar.

„Bei unserer Innovation haben wir herausgefunden, dass wir mit unserer Technologie in der Lage sind, einige der chemischen, physikalischen und metallurgischen Eigenschaften fossiler Brennstoffe unter Verwendung von Holzbiomasse zu reproduzieren“, sagte Mlinar.

Wer ein Produkt entwickelt, das in EAFs effizient funktioniert, wird einen riesigen Markt für das Produkt haben, sagte Weberg.

Und Minnesota hofft, durch das NRRI an der Spitze zu stehen.

„Wenn man Eisen und Stahl im Allgemeinen betrachtet, hat Minnesota eine wirklich wunderbare Chance, einen globalen Einfluss auf die CO2-Emissionen zu haben, indem es die Idee des grünen Eisens wirklich vorantreibt“, sagte Weberg. „Das beginnt damit, dass man ein grünes Elektron nimmt und daraus grünes Eisen macht. Es ist ein spannendes Konzept, aber der Teufel steckt im Detail. Das sind die Teile, in die NRRI, da wir in das gesamte Institut investiert haben, bereit ist, mit der Landesregierung und der Bundesregierung und darüber hinaus zusammenzuarbeiten, um Minnesota solche Möglichkeiten zu bieten.“

Minnesota, das NRRI, sein Coleraine-Labor und seine Forst- und Wasserressourcengruppen in Hermantown arbeiten alle bei der Erforschung und Entwicklung von Biomasse-EAF-Produkten zusammen, sagte Weberg.

Die Entwicklung eines Biomasseprodukts, das in großem Maßstab hergestellt werden kann, würde für die Region, den Staat, das Land und die Stahlindustrie eine entscheidende Veränderung bedeuten, sagte er.

„Es ist aufregend, weil es in eine größere Diskussion passt, die im Norden von Minnesota beginnt“, sagte Weberg. „Die Idee der industriellen Dekarbonisierung ist derzeit ein nationales und internationales Thema, und Minnesota könnte aufgrund unserer Aktivitäten und der Ressourcen, die wir haben, ein wichtiger Schwerpunkt für die industrielle Karbonisierung in den Vereinigten Staaten sein.“

Obwohl bei der Stahlherstellung immer etwas Kohlenstoff benötigt wird, um die für Stahl erforderlichen Festigkeitsanforderungen zu erreichen, macht die Dekarbonisierung – oder Defossilisierung – der Industrie weiterhin Fortschritte, sagte Kangas.

Und das bleibt ein Schwerpunkt von NRRI, sagte Kangas.

„Die Leute reden über die Herstellung von grünem Stahl und wie das gemacht werden muss“, sagte Kangas. „Man kann über Wasserstoff reden, aber wir haben im Moment nicht die Versorgung, also müssen wir daran arbeiten. Und Sie können über Biokohlenstoff sprechen, und darauf konzentriert sich unsere Forschung derzeit, indem wir die Verwendung von fossilem Kohlenstoff durch Biokohlenstoff eliminieren, und das ist nicht einfach. Aber dorthin gehen wir.“

Die NRRI-Biokohlenstoffforschung könnte weitreichende Vorteile haben, sagte Weberg.

„Ich liebe das Wort Chance“, sagte Weberg. „Es ist eine Gelegenheit für Minnesota, eine Führungsrolle zu übernehmen und Einfluss auf das Land und die Welt zu nehmen.“ Und es hilft uns, unser Portfolio an hochwertigen Eisenprodukten hier im Staat zu erweitern, was gut für die Wirtschaft, gut für Arbeitsplätze und, ehrlich gesagt, auch gut für die Umwelt ist.“

Die Innenstadt wurde nach drei Jahren Straßenbau wiedereröffnet.

Das Rathaus hat die lokale Tourismusförderung ausgeschrieben.

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Aktualisiert: 28. August 2023 um 13:08 Uhr

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