Treiber der VPSA-Sauerstofferzeugungsanwendung: Ausbau der indischen Schrottstahlversorgung und -nutzung

1. Hintergrund
Aufgrund der starken Abhängigkeit Indiens von fossilen Brennstoffen wie Kohle und Öl verwendet die indische Stahlindustrie hauptsächlich Kokskohle für die Hochofen-Roheisenerzeugung und Nichtkokskohle für die Direktreduktion und Stromerzeugung. Öl wird sowohl als Brennstoff (zum Wiedererhitzen) als auch für den innerbetrieblichen Transport verwendet. Die CO₂-Emissionen der indischen Stahlindustrie machen etwa 12 % der gesamten Industrieemissionen des Landes aus und entsprechen etwa 7 %–9 % der weltweiten Gesamtemissionen. Obwohl das Hochofen-Konverter-Verfahren (BF-BOF) weniger als 50 % der gesamten Stahlproduktion Indiens ausmacht, liegt die CO₂-Emissionsintensität Indiens um über 30 % über dem globalen Durchschnitt.
Klimaneutralität ist eines der drängendsten Themen der heutigen Zeit. Auch die indische Regierung hat die Klimaneutralität auf die Agenda gesetzt und strebt an, bis 2070 Netto-Null-Emissionen zu erreichen. Um dieses Ziel zu erreichen, ergreift die indische Stahlindustrie Maßnahmen zur Reduzierung der Emissionsintensität. Kurzfristige Optionen umfassen die Senkung des Energieverbrauchs in derzeit genutzten Verfahren und die verstärkte Nutzung von Schrottstahl. Kohlenstoffabscheidung, -nutzung und -speicherung (CCUS) ist ebenfalls eine Option, jedoch mit Investitionskosten verbunden. Das indische Stahlministerium strebt an, dass große Stahlhersteller das Schrottverhältnis bis 2050 auf 50 % erhöhen.
2. Produktionssituation der großen indischen Stahlhersteller
2.1 Stahlerzeugungsverfahren Die aktuellen Kapazitäten und Stahlerzeugungsverfahren der großen indischen Stahlhersteller sind in Tabelle 1 unten aufgeführt. Im Geschäftsjahr 2023 machte die Rohstahlproduktion der großen Hersteller 60,7 % der Gesamtmenge aus, wobei etwa 70 % über das Sauerstoffaufblas-Konverter-Verfahren (BOF) und die restlichen 30 % über das Elektrolichtbogenofen-Verfahren (EAF) erzeugt wurden.
Tabelle 1 – Aktuelle Kapazitäten und Stahlerzeugungsverfahren der großen indischen Stahlhersteller
2.2 Verwendung von Eisenerz und Schrottstahl
In Indien liegt die Nutzung von Schrottstahl durch große Stahlhersteller weiterhin unter 10 % und sank von 8,44 % im Geschäftsjahr 2022 auf 7,27 % im Geschäftsjahr 2023. Insgesamt ging der Anteil von Schrottstahl am gesamten Stahleinsatz trotz gestiegener Importe von 22,76 % im Geschäftsjahr 2022 auf 21,16 % im Geschäftsjahr 2023 zurück, hauptsächlich aufgrund steigender Schrottstahlpreise. Der inländische Schrottstahlverbrauch betrug im Geschäftsjahr 2023 21,649 Millionen Tonnen, ein Rückgang gegenüber 27,837 Millionen Tonnen im Geschäftsjahr 2022.
Der Rückgang der Schrottstahlnutzung ist auf die gesunkene Inlandsproduktion, Preiserhöhungen und die begrenzte Verfügbarkeit importierten Schrottstahls zurückzuführen. Das indische Stahlministerium stellt fest, dass die derzeitige Nutzung von Schrottstahl nicht den Erwartungen der Regierung an eine Reduzierung der Kohlenstoffemissionen entspricht. Etwa 60 Länder haben entweder ein Verbot von Schrottstahlexporten erlassen oder befinden sich im Verfahren dazu. Während die inländische Schrottstahlproduktion in Indien steigen könnte, ist eine signifikante Reduzierung der Emissionen unwahrscheinlich. Aufgrund der unzureichenden Verfügbarkeit von Schrottstahl sind Elektrolichtbogenofen (EAF)-Stahlwerke gezwungen, Roheisen zu verwenden, das über 40 % des gesamten Stahleinsatzes ausmacht: 42,2 % im Geschäftsjahr 2022 und 43,2 % im Geschäftsjahr 2023. Der verstärkte Einsatz von direkt reduziertem Eisen (DRI, kohlebasiert) trägt nicht wesentlich zur Emissionsreduzierung bei. Der geringe Anteil an Schrottstahl ist einer der Gründe für die hohe Emissionsintensität Indiens. Jede Tonne Schrottstahl kann die CO₂-Emissionen um 1,5 Tonnen reduzieren und 1,4 Tonnen Eisenerz, 740 Kilogramm Kohle und 120 Kilogramm Kalkstein einsparen.
3. Erwartete Stahlproduktion und -verfahren für 2030 und 2050
3.1 Stahlproduktion
Gemäß der 2017 veröffentlichten indischen Nationalen Stahlpolitik wird die Rohstahlproduktion im Geschäftsjahr 2031 voraussichtlich 255 Millionen Tonnen erreichen. Dies erfordert eine durchschnittliche jährliche Wachstumsrate (CAGR) der Rohstahlproduktion von 9,2 % vom Geschäftsjahr 2023 bis zum Geschäftsjahr 2031.
Prognosen von Crisil zufolge wird Indien in den Geschäftsjahren 2024–2030 voraussichtlich knapp 143 Milliarden Rupien für die Infrastrukturentwicklung ausgeben – mehr als doppelt so viel wie die 670 Milliarden Rupien, die in den vorangegangenen 7 Geschäftsjahren ab 2017 ausgegeben wurden. Für die 15 Geschäftsjahre von 2016–2031 wird eine durchschnittliche CAGR von 7 % prognostiziert; für die 15 Geschäftsjahre von 2008–2023 betrug die tatsächliche CAGR 5,8 %; und für die 5 Geschäftsjahre von 2018–2023 (ohne das beeinträchtigte Geschäftsjahr 2021) betrug die CAGR 7,2 %. Daher wird angesichts des Schwerpunkts der indischen Regierung auf die Infrastrukturentwicklung für das Geschäftsjahr 2031 eine geschätzte CAGR von 8 % erwartet. Basierend auf einer CAGR von 8 % wird die Rohstahlproduktion im Geschäftsjahr 2031 voraussichtlich 233,7 Millionen Tonnen erreichen. Unter Berücksichtigung verschiedener Prognosen wird die Rohstahlproduktion Indiens bis zum Jahr 2050 auf etwa 500 Millionen Tonnen geschätzt.
3.2 Stahlverfahren
Gemäß der Nationalen Stahlpolitik werden bis zum Geschäftsjahr 2031 in Indien 60 %–65 % der Rohstahlproduktion über den Hochofen-Konverter-Weg (BF-BOF) und 35 %–40 % über das DRI-EAF-Verfahren erfolgen. Angesichts der aktuellen Situation, dass Indien derzeit 71 Hochöfen hat, 5 im Bau sind und weitere 22 neue Hochöfen angekündigt wurden, wird selbst bis zum Jahr 2050 eine erhebliche BF-BOF-Produktionskapazität in Indien erwartet, was darauf hindeutet, dass Hochöfen weiterhin eine entscheidende Rolle spielen werden.
4. Prognostizierte Verfügbarkeit von Schrottstahl in Indien für 2030 und 2050
Die geschätzte Schrottstahlerzeugung in Indien betrug im Geschäftsjahr 2022 etwa 280 Millionen Tonnen und im Geschäftsjahr 2023 rund 220 Millionen Tonnen. Da Indien ein Entwicklungsland ist, fließen mehr als 60 % der Stahlproduktion in die Infrastruktur- und Bausektoren mit einer Lebensdauer von etwa 50 Jahren, sodass die Menge an erzeugtem Schrottstahl nicht beträchtlich sein wird.
Altautos sind eine der Quellen für Schrottstahl. Die indische Regierung führte im Jahr 2022 eine Fahrzeugverschrottungspolitik ein, die vorschreibt, dass Personenkraftwagen über 20 Jahre und Nutzfahrzeuge über 15 Jahre verschrottet werden müssen. Es wird geschätzt, dass Schrottstahl aus verschrotteten Fahrzeugen im Geschäftsjahr 2023 4,6 Millionen Tonnen, im Geschäftsjahr 2025 5,3 Millionen Tonnen und bis 2030 7,3 Millionen Tonnen betragen wird. Bis 2050 könnte diese Zahl auf etwa 15 Millionen Tonnen ansteigen.
Weitere Schrottstahlquellen sind abgewrackte Schiffe, Baustellen, Fabriken, Werkstätten und intern erzeugter Schrottstahl aus Stahlwerken. Bis 2030 könnte das Abwracken von Schiffen 7–7,5 Millionen Tonnen Schrottstahl erzeugen, und intern erzeugter Schrottstahl in Stahlwerken macht etwa 8 % der Rohstahlproduktion aus. Für 2030 und 2050 wird geschätzt, dass diese Quelle etwa 200 Millionen Tonnen bzw. 400 Millionen Tonnen Schrottstahl erzeugen könnte.
Weltweit wird geschätzt, dass die Rohstahlproduktion bis 2030 1,95 Milliarden Tonnen erreichen wird, bei einem Schrottstahlverbrauch von 828 Millionen Tonnen und einer Schrottstahlnutzungsrate von 35 %–36 %. Das Verhältnis von Hochofen zu Elektrolichtbogenofen wird voraussichtlich 60:40 betragen, verglichen mit dem derzeitigen Verhältnis von 70:30.
5. Prognostizierte Stahleinsatzstruktur und -verfahren für das Geschäftsjahr 2030 und das Geschäftsjahr 2050
Die Stahlprozesse Indiens für das Geschäftsjahr 2023 bestehen zu 46% aus BF-BOF, zu 22% aus BF/DRI-EAF und zu 32% aus IF (DRI und Schrott). Die Nutzungsraten von Stahlschrott in Hochöfen, Lichtbogenöfen und Induktionsöfen liegen bei etwa 8 %, 27 % bzw. 30 %; die Anteile von Roheisen betragen 92 %, 43 % und 0 %, während die von DRI 0 %, 30 % und 70 % betragen. Von dem in Lichtbogenöfen verwendeten DRI basieren etwa 85 % auf Gas, die restlichen 15 % auf Kohle, und Induktionsöfen verwenden zu 100 % kohlebasiertes DRI. Das Roheisen umfasst auch die Produktion aus Schmelzreduktionsöfen.
Bei der Planung zukünftiger Prozesse sind zwei entscheidende Punkte zu beachten: Erstens die Reduzierung des hohen Anteils von BF-BOF zur Senkung der CO2-Emissionen; zweitens die Verringerung des Anteils von Induktionsöfen, um mehr hochwertige Stahlsorten herzustellen. Es wird empfohlen, die in Tabelle 2 unten aufgeführten Prozesse zu übernehmen.
Tabelle 2 - Empfohlene Stahlprozesse (%)
Tabelle 3 listet die prognostizierte Rohstahlproduktion, den Inputbedarf und deren Anteile (Roheisen: direkt reduziertes Eisen: Stahlschrott) für große Stahlwerke und andere Hersteller in den Geschäftsjahren 2030 und 2050 sowie die tatsächlichen Daten für das GJ 2023 auf.
Tabelle 3 – Prognostizierte Rohstahlproduktion, Inputbedarf und Anteile (Millionen Tonnen, %) für indische Stahlhersteller
6. Fazit
Derzeit liegt die CO2-Emissionsintensität der indischen Stahlindustrie 30 % über dem globalen Durchschnitt, was eine doppelte Herausforderung durch unzureichende Verfügbarkeit von Schrott und Erdgas darstellt. Infolgedessen führt die starke Nutzung von Roheisen und kohlebasiertem direkt reduziertem Eisen (DRI) zu einer hohen Emissionsintensität. Darüber hinaus ist der Import von Schrott aufgrund von Beschränkungen oder Verboten der Schrottausfuhr durch die meisten Länder zur Erhöhung der heimischen Schrottnutzung ebenfalls äußerst schwierig.
Es wird schwierig sein, bis 2050 alle Hochöfen zu ersetzen, da einige erst kürzlich in Betrieb genommen wurden und andere noch im Bau sind. Daher ist eine Steigerung der Schrottnutzung auf 50 % bis 2050 für große indische Stahlwerke nicht realisierbar.
Es wird prognostiziert, dass der Schrottanteil in Indien bis 2050 25 % erreichen könnte (derzeit etwa 20 %), wobei große Stahlhersteller 20 % erreichen (derzeit etwa 10 %).
Die traditionelle Stahlschrottproduktion ist stark auf Kohle und kohlebasiertes DRI angewiesen, was zu hohen Kohlenstoffemissionen führt. Im Gegensatz dazu nutzt die EAF-Stahlherstellung Strom zum Erhitzen von Stahlschrott und Eisen, wodurch der Kohlebedarf sinkt und die Kohlenstoffemissionen deutlich reduziert werden.
Bei der EAF-Stahlherstellung im Kurzprozess ist der Einsatz von Vakuum-Druckwechsel-Adsorption (VPSA) Sauerstoffanlagen entscheidend für die Verbesserung der Ofensteuerung und Produktionseffizienz. VPSA-Sauerstoffanlagen verwenden Molekularsiebe, um aus Luft angereicherten Sauerstoff zu erzeugen. Im Vergleich zu herkömmlichen Kryosystemen haben VPSA-Sauerstoffanlagen geringere Bau- und Betriebskosten und können den Sauerstoffdurchfluss je nach Bedarfsschwankungen während der Stahlherstellung anpassen, was zur Optimierung der Ofenatmosphäre und der chemischen Reaktionen in der Schmelze beiträgt, um die Ofenbetriebseffizienz weiter zu verbessern und die Stahlproduktqualität zu steigern sowie wesentlich zur Senkung des Energieverbrauchs und der Emissionen beizutragen, wodurch der gesamte Kohlenstoff-Fußabdruck verringert wird.
Mit 25 Jahren Erfahrung in der Gastrennung ist PKU Pioneer bei der VPSA-Sauerstofferzeugungstechnologie hinsichtlich Sauerstoffkapazität, Geräteleistung und Energieeffizienz international führend. PKU Pioneer hat über 70 Stahlunternehmen weltweit, darunter führende globale Firmen wie Baosteel, hochwertige Sauerstofferzeugungslösungen bereitgestellt und den Nutzern geholfen, Stahlherstellungsprozesse zu optimieren, den Energieverbrauch zu senken und eine grüne, nachhaltige Entwicklung zu erreichen.