Doppelt so schnell zu grünem Stahl: Max-Planck-Institut findet einen Trick
Stahl auf Wasserstoffbasis gilt als Hoffnung der Branche. Doch die entscheidende Reduktion des Eisenerzes läuft bei niedrigen Temperaturen nur langsam ab. Ein Düsseldorfer Max-Planck-Team hat einen Trick gefunden, der das Tempo verdoppelt.
Coil-Transport per Kran bei ThyssenKrupp Steel in Bochum. Die Stahlbranche zählt zu den größten CO₂-Emittenten und will ihre Produktion mit Wasserstoff statt Kohle klimafreundlicher machen.
Foto: picture alliance / SvenSimon/Malte Ossowski
Auf die Stahlerzeugung entfallen 7-9 % des weltweiten CO₂-Ausstoßes. Statt mit Kokskohle im Hochofen wollen daher immer mehr Produzenten ihr Eisenerz mit grünem Wasserstoff reduzieren. Ein gerne übersehenes Detail: Unterhalb von 800 °C läuft die wasserstoffbasierte Reduktion nur langsam ab.
Forscher des Max-Planck-Instituts für Nachhaltige Materialien (MPI-SusMat) in Düsseldorf wollen den Prozess beschleunigen. Im Fachjournal Nature Synthesis haben sie gezeigt, dass die Zugabe von Nickeloxid die Reduktion von Eisenoxid rund doppelt so schnell macht und bereits bei 300 °C in Gang setzt. Zudem fallen durch die Verwendung dieses Katalysators Reduktion und Legieren in einen einzigen Schritt zusammen. Macht das grünen (Edel-)Stahl wettbewerbsfähiger?
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Die Hürden der H₂-Umstellung
Den Löwenanteil der Stahl-Emissionen verursacht der Hochofen: Dort dient Kokskohle zugleich als Energieträger und Reduktionsmittel, das dem Eisenerz den Sauerstoff entzieht. Der CO₂-Ausstoß ist entsprechend hoch. Die klimafreundliche Alternative heißt Direktreduktion (DRI). Statt Koks reduziert hier Wasserstoff (übergangsweise auch Erdgas) das Erz zu festem Eisenschwamm, der anschließend im Elektrolichtbogenofen eingeschmolzen wird. Genau auf diese Route setzen Thyssenkrupp, Salzgitter und die Stahl-Holding-Saar beim Umbau ihrer Werke.
Doch die Umstellung bringt auch eigene Hürden mit sich:
- Unterhalb von 800 °C läuft die wasserstoffbasierte Reduktion deutlich träger ab.
- Klimaneutrale Direktreduktion gelingt bislang vor allem mit hochwertigen Erzen; minderwertige Erze sind ein unterschätzter Showstopper.
- Der nötige Wasserstoff muss erst klimaneutral erzeugt werden und ist heute noch teuer.
So wirkt das Nickeloxid als Katalysator
Die Düsseldorfer Forschenden setzen am ersten Punkt an: Sie geben zu Beginn der Reduktion Nickeloxid hinzu. Was dann passiert, lässt sich in vier Schritten erklären:
- Schritt 1: Das Nickeloxid wird selbst zuerst – und sehr schnell – zu porösem Nickel reduziert.
- Schritt 2: Dieses poröse Nickel spaltet die ankommenden Wasserstoffmoleküle in einzelne, hochreaktive Wasserstoffatome auf.
- Schritt 3: Die Atome „laufen über“ (Fachbegriff: Spillover) auf die benachbarten Eisenoxid-Flächen.
- Schritt 4: Dort treiben sie die Reduktion zu Eisen, laut Institut rund doppelt so schnell und mit Beginn schon bei etwa 300 °C statt erst oberhalb von 800 °C.
Der eigentliche Clou steckt aber im Material selbst: Das Nickel verschwindet nicht wieder, sondern bleibt im Produkt. Heraus kommt eine Eisen-Nickel-Legierung, die sich gut als Vormaterial für Edelstähle wie 304 und 316 oder für Hochleistungsstähle in Auto-, Energie- und Medizintechnik eignet. Das Legierungselement spielt also gleichzeitig den Reduktions-Beschleuniger; Reduktion und Legieren fallen in einen einzigen Schritt zusammen, was der sonst dreistufigen Produktion einen Verfahrensschritt erspart.
Das Prinzip ließe sich nach Einschätzung der Forschenden auf weitere Metalle übertragen: Auch Kobalt und – mit Abstrichen – Titan kämen als katalytisch wirksame Oxide infrage. Die Logik bleibt dabei immer dieselbe: Der Beschleuniger muss ein Metall sein, das im fertigen Werkstoff ohnehin erwünscht ist.
Wie neu ist der Befund?
Nicht ganz neu. Dass sich die Reduktion von Eisenoxiden mit fortschreitendem Verlauf selbst beschleunigt und Metalle wie Nickel dabei katalytisch wirken, ist metallurgisches Grundwissen – erste Beobachtungen zur katalytischen Wirkung von Nickel reichen bis in die 1960er-Jahre zurück, das Prinzip der autokatalytischen Oxidreduktion noch deutlich weiter. Das MPI arbeitet selbst seit Jahren an dieser Linie; Reduktion und Legieren in einem Schritt zu verschmelzen, stellte das Team bereits 2024 vor. Parallele Arbeiten zeigen denselben temperatursenkenden Trick etwa mit Chrom.
Das Neue liegt daher weniger im Effekt als in dessen Beherrschung. Die Forschenden klären den Mechanismus in ihrer Studie bis auf die atomare Grenzfläche zwischen porösem Nickel und Eisenoxid auf, beziffern die Beschleunigung und formen daraus ein gezielt einsetzbares Entwurfsprinzip für nachhaltigere Legierungen.
Zwei Einschränkungen bleiben:
- Der Befund stammt aus dem Labormaßstab und wurde in einem kompakten Reduktionsverfahren demonstriert, nicht in einer industriellen DRI-Schachtofenanlage.
- Er greift nur, wo Nickel im Endprodukt erwünscht ist, also bei nickelhaltigen Edel- und Spezialstählen – nicht beim nickelfreien Massenstahl, der das Gros des Bedarfs ausmacht.
Hilft das dem grünen Stahl im Überlebenskampf?
Nicht direkt. Denn das eigentliche Nadelöhr der Stahlwende ist nicht das Tempo der Produktion, sondern die Wirtschaftlichkeit. Und die hängt vor allem am Preis des grünen Wasserstoffs.
Der Energieträger kostet oft noch 7-9 €/kg, wirtschaftlich tragfähig wäre er für die Stahlindustrie erst bei rund 2 €. ArcelorMittal legte seine Direktreduktionspläne in Bremen und Eisenhüttenstadt deshalb 2025 auf Eis; Salzgitter und Thyssenkrupp halten an dem Konzept fest.
In dieser Situation ist die Düsseldorfer Arbeit ein kleiner, aber feiner Beitrag. Sie macht die Reduktion effizienter und könnte nickelhaltige grüne Stähle attraktiver machen. Ob grüner Stahl insgesamt im Rennen bleibt, entscheidet sich jedoch weniger an den Werkstoffen als an den Strom- und Wasserstoffpreisen.
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