Elektrifizierung von Eisen: Die Zukunft der grünen Stahlherstellung

Die Bedeutung von Eisen

Eisen wird von Investoren oft als ein langweiliges Metall angesehen. Es folgt größtenteils den globalen Wirtschaftszyklen und wird wahrscheinlich keine eigene Narrative erhalten. Niemand erwartet, dass die Eisen­nachfrage im nächsten Jahrzehnt aufgrund der Batterienachfrage, der Produktion von Solarmodulen, eines Raumfahrtbooms im Zuge eines Weltraumwettlaufs oder zunehmender Risiken globaler Konflikte sich verdreifacht.

Aber das kann auch eine Stärke sein. Ungefähr 90 % aller heute raffinierten Metalle sind Eisen.

Eisen und Stahl (bestehend zu 97 % aus Eisen) sind in allem, was wir im modernen Alltag verwenden, absolut allgegenwärtig:

• Infrastruktur: Brücken, Eisenbahnen, Häfen.
• Bauwesen: Stahlbeton, Träger, Dächer, Nägel & Schrauben usw.
• Transport: Autos, Züge, Schiffe.
• Industrielle Nutzung: Rohre & Leitungen, Lagertanks, schwere Maschinen,
• Verteidigung: Kriegsschiffe, Panzer, Artilleriegeschosse, Waffen, Kugeln usw.
• Energie: Öfen, Turbinen, Windturbinensäulen, Solarpanelrahmen usw.
• Gesundheitswesen: Betten, chirurgische Instrumente usw.
• Konsumgüter: Küchen­geräte, Haushaltsgeräte, Kamine usw.

Allerdings ist die Eisenproduktion leider ein sehr kohlenstoffintensiver Prozess, der hauptsächlich auf einer speziellen Kohleart beruht: Koks.

Es wurden Versuche unternommen, Koks durch grünen Wasserstoff zu ersetzen, doch nur sehr hochwertiges Eisenerz kann mit Wasserstoff verwendet werden. Günstigeres Erz mit niedrigerem Eisengehalt wäre nötig, um die höheren Kosten von Wasserstoff im Vergleich zu Kohle auszugleichen.

Wir haben bereits diskutiert, dass das traditionelle Hochofenverfahren könnte durch einen neuen Prozess namens Blitz‑Eisenschmelze ersetzt werden, mehr einer Explosion ähnelnd als einem langsamen Schmelzen des Erzes.

Forscher der University of Oregon untersuchen eine noch faszinierendere Möglichkeit: Auf hohe Temperaturen zu verzichten und Eisenerze ausschließlich mit Strom zu veredeln. Das wäre ein gewaltiger Fortschritt für die Welt, da grüne Elektrizität direkt genutzt werden könnte, ohne teure Umwandlung in Wasserstoff, und damit die globalen CO₂‑Emissionen massiv reduzieren würde.

They published this research in ACS Energy Letters¹, under the title “Wege zur elektrochemischen Eisenherstellung im großen Maßstab über die direkte Reduktion von Fe2O3”.

Eisenerz zu Eisenmetall

Eisen kommt in der Natur in oxidierter Form vor, insbesondere als Hämatit (Fe2O3). Um als Industriemetall nutzbar zu sein, müssen die Sauerstoffatome entfernt werden.

Normalerweise geschieht dies durch Zugabe von Kohle, wobei der enthaltene Kohlenstoff zu CO2 wird. Alternativ verwendet grünes Eisen Wasserstoff, der zu Wasser (H2O) wird.

Eine weitere Möglichkeit besteht darin, dem Eisenoxid genügend Energie zuzuführen, damit das Sauerstoffatom sich löst und gasförmigen Sauerstoff (O2) bildet. Das ist das Prinzip der elektrochemischen Eisenherstellung. Es handelt sich um eine elektrochemische Reaktion, die am besten unter alkalischen Bedingungen funktioniert (das Gegenteil von sauer).

Quelle: ACS Energy Letters

Es sollte beachtet werden, dass dieser Prozess ebenfalls sehr skalierbar sein muss, da die jährliche globale Eisenproduktion im Maßstab von Millionen Tonnen pro Jahr liegt.

Elektroreduktion von Eisen

Um zu testen, wie diese Art von Reaktion effizienter gestaltet werden kann, entwickelten die Forscher ein maßgeschneidertes System, das ein wenig wie eine Batterie funktioniert und bei nur 82 °C (180 °F) arbeitet.

Quelle: ACS Energy Letters

In diesem Aufbau werden die Eisenpartikel in einer Natriumhydroxid‑Lösung (NaOH) suspendiert, aber geschmolzenes Salz (NaCl) ist ebenfalls möglich und kann Chlor (Cl2) als Nebenprodukt erzeugen.

Dichte Eisenoxide wurden reduziert bzw. in elementares Eisen umgewandelt, am selektivsten bei einer Stromdichte von 50 Milliampere pro Quadratzentimeter, ähnlich dem schnellen Laden von Lithium‑Ion‑Batterien.

Sie stellten fest, dass der Prozess zwar mit Test‑Eisenpartikeln gut funktionierte, wenn natürliches Erz mit unregelmäßig großen, dichten Partikeln und Verunreinigungen verwendet wurde, der Prozess jedoch nicht selektiv und effizient genug war.

Die richtigen Bedingungen finden

Ein seltsames Phänomen während der ersten Tests war, dass einige Partikel besser zu Metall-Eisen umgewandelt wurden als andere, ohne Zusammenhang mit ihrer Größe, entgegen den Erwartungen. Daher begannen die Forscher zu prüfen, ob die nanoskopische Struktur der Partikel ein wichtigerer Faktor sein könnte.

Mikrometergroße Eisenoxidpartikel mit Kohlenstoff‑ und Bariumverunreinigungen wurden getestet und reduzierten nicht ausreichend.

Alternativ ermöglichten lockere Partikel mit höherer Porosität und damit größerer Oberfläche eine effizientere elektrochemische Eisenproduktion im Vergleich zu solchen, die dem weniger porösen natürlichen Eisenerz Hämatit ähneln.

Quelle: ACS Energy Letters

Dies könnte darauf hindeuten, dass nur eine bestimmte Form von Eisen für diesen Prozess geeignet ist.

“Die Identifizierung von Oxiden, die bei niedrigen Temperaturen in Eisenmetall umgewandelt werden können, ist ein wichtiger Schritt bei der Entwicklung vollständig elektrifizierter Prozesse für die Stahlerzeugung.”
Paul Kempler – Leitender Forscher an der University of Oregon

Elektroreduktion von Eisen wettbewerbsfähig machen

Trotz dieser Einschränkung könnte die Elektroreduktion von Eisen aus wirtschaftlicher Sicht weiterhin funktionieren. Das liegt daran, dass das Verfahren deutlich weniger Energie und niedrigere Temperaturen benötigt, wodurch die Gesamtkosten der Eisenproduktion gesenkt werden.

Mit diesem Verfahren würden die Eisenproduktionskosten bei etwa 600 $/t liegen. Das ist relativ wirtschaftlich, aber im Vergleich zu den nivellierten Kosten für Stahl, der im Hochofen‑/Sauerstoffblasverfahren hergestellt wird, die kürzlich auf etwa 400 $/t geschätzt wurden, nicht ideal.

Ein weiterer Schritt zur Steigerung der Rentabilität könnte darin bestehen, die Eisenreduktion mit der chemischen Produktion zu kombinieren. Die eisenproduzierenden Elektrozellen könnten mit Chlorproduktionszellen zu einer Chlor‑Eisen‑Produktionseinheit verbunden werden, die in Reihe geschaltet ein komplettes Werk bilden könnte.

Quelle: ACS Energy Letters

Wenn die Produktion von Cl2, einem sehr nützlichen Chemikal, das in riesigen Mengen von der chemischen Industrie verwendet wird, berücksichtigt wird, sehen die Wirtschaftlichkeitszahlen besser aus und nähern sich wahrscheinlich den Kosten des Hochofens.

Weitere Verbesserungen

Das Problem, ausschließlich auf Erz mit den richtigen nanoskaligen Strukturen zu setzen, besteht darin, dass es das Potenzial für eine breite Einführung dieser Technologie stark einschränken könnte, selbst wenn die Wirtschaftlichkeit günstig ist. Insgesamt ist es unrealistisch, die gesamte Eisenbergbauindustrie, die viel Hämatit mit geringer Porosität produziert, neu zu gestalten.

Eine Alternative könnten neue Techniken sein, um Eisenoxid‑Rohstoffe poröser zu machen, möglicherweise durch den Einsatz von Elektrizität oder thermischem Schock.

Eisenbergbauunternehmen

Eine Senkung der Eisenhüttenkosten und der CO₂‑Emissionen könnte Stahl zu einem noch populäreren Material machen als es heute ist. Beim Bergbau sind Größe und gute Geologie alles, da niedrige Produktionskosten höhere Gewinne und Sicherheit in Abschwungphasen ermöglichen, die auf den Rohstoffmärkten unvermeidlich sind.

Das brasilianische Unternehmen Vale ist der weltweit größte Produzent von Eisen und Nickel, mit insgesamt 323‑330 Millionen Tonnen im Jahr 2024.

Das Unternehmen ist zudem Produzent von Metallen, die für die Energiewende relevant sind, wie Kupfer. Während diese Metalle in Zukunft wichtiger werden könnten, ist Eisen derzeit das Kernprodukt des Unternehmens.

Das Unternehmen war früher stärker diversifiziert, hat sich jedoch in den letzten Jahren wieder auf Eisen konzentriert und Vermögenswerte im Wert von 2 Mrd. $ aus verschiedenen anderen Metallminen und Rohstoffen wie Palmöl veräußert.

Quelle: Vale

Große Vermögensbasis

Vale gilt als mittelgroßes Versorgungsunternehmen, das seine eigene Eisenbahn, Züge, Häfen und Schiffe betreibt, um das Erz vom Abbau bis zur Auslieferung an Kunden zu transportieren.

Es erzeugt zudem einen Großteil seiner eigenen Energie, da es in abgelegenen Regionen tätig ist und nicht auf die brasilianische Regierung zählen kann, die Aufgabe ordnungsgemäß zu erfüllen, insbesondere angesichts des enormen Energiebedarfs.

Dies wurde üblicherweise mit Wasserkraft umgesetzt, da das Bergbaugeschäft nicht so sehr von der Wasserkraftkonstruktion (Erdarbeiten, Gesteinsabbruch mit Sprengstoffen, massive Betonmengen, schwere Maschinen, Großbauprojekte, Regenmanagement usw.) zu unterscheiden ist.

Diese Infrastrukturen werden durch das F&E‑Zentrum des Unternehmens, Labore, Hunderte von Geologen, Schulungszentren usw. ergänzt.

Überwindung vergangener Verbindlichkeiten

Ein großes Risiko bei einem riesigen Bergbauunternehmen wie Vale ist ein schwerer Unfall, der massive Schäden verursacht.

Das geschah 2015, als nach dem Einsturz eines von Vale errichteten Damms eine massive Katastrophe eintrat. Und ein ähnlicher Vorfall ereignete sich 2019.

Die Flut verursachte Brasiliens bisher schwerste Umweltdisaster, bei dem 19 Menschen starben und 39 Gemeinden in zwei Bundesstaaten von Bergbauabfällen betroffen waren.

Seitdem wurden viele ähnliche Dämme repariert und/oder verbessert, um während der Regenzeit eine weitere Katastrophe zu vermeiden.

Das Unternehmen hat zudem seine Betriebsweise geändert und 2,5 Mrd. $ in vier Filtrationsanlagen investiert, um trockene Rückstände (zerkleinertes Gestein, Staub und Schlamm) anstelle von nassen Rückständen, die Dämme erfordern, zu erzeugen. In Zukunft wird die Eisenerzförderung also keinen Abfall mehr produzieren, der Dämme erfordert.

Das Unternehmen arbeitet zudem aktiv an seiner Reputation und betont, dass seine Bergbautätigkeit ein großes Naturschutzgebiet geschaffen hat, das vom Unternehmen finanziert wird und ein bedeutender Beitrag zum Erhalt des brasilianischen Regenwaldes ist, während der Rest der Region in den vergangenen Jahrzehnten in Weideland umgewandelt wurde.

Quelle: Vale

Insgesamt überwindet Vale nun seine früheren Probleme mit ökologischen Katastrophen und entwickelt sich zu einem der wertvollsten Vermögenswerte Brasiliens sowie zu einem zentralen Eisenlieferanten für die Welt, insbesondere für China, ein Land, mit dem Brasilien durch das BRICS‑Handelsnetzwerk engere Beziehungen aufbaut, und das im Kontext steigender Zölle und Spannungen mit den USA steht.

Neueste Informationen zu Vale

Studienreferenzen:

^{1. Anastasiia Konovalovaet al. (2025). Wege zur elektrochemischen Eisenherstellung im großen Maßstab über die direkte Reduktion von Fe2O3. ACS Energy LettersVol 10/Issue 4. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenergylett.5c00166}