Transformation der Stahlerzeugung: Neue Route, bewährte Qualität

Ein lautes Rattern, dann ein Knall. Im Prüfzentrum der Salzgitter Mannesmann Forschung GmbH in Duisburg ist soeben ein Wasserstoffbehälter aus hochfestem Stahl kontrolliert geborsten. Was für Laien wie ein Unfall klingt, ist für Alexander Gering, Gruppenleiter im Bereich Mechanische Prüfung, ein Erfolg. In einer Testreihe werden Bauteile gezielt immer höherem Wasserstoffdruck ausgesetzt, bis sie ihre Belastungsgrenze erreichen. Diesen Punkt genau zu kennen, ist notwendig. Denn um Wasserstoff in begrenzten Behältern zu transportieren oder in Fahrzeugen zu nutzen, muss er stark komprimiert werden. Dabei entsteht hoher Druck, dem der Stahl des Behälters langfristig standhalten muss. – auch unter zyklischen Innendruckbelastungen. „Wir wollen genau wissen, wo die Grenzen des Materials liegen und nachweisen, dass die Bauteile auch bei anspruchsvollsten Bedingungen sicher sind“, erklärt Alexander Gering. „Jeder dieser Berstversuche liefert uns belastbare Daten dazu, wie sich ein Stahl unter Wasserstoffbeanspruchung verhält und ob er für den sicheren Einsatz geeignet ist.“

Die Härtetests sind wichtiger Bestandteil der Transformation, die bei der Salzgitter AG in vollem Gange ist: des Umstiegs auf CO₂-reduziertere Prozesse in der Stahlerzeugung. Doch Wasserstoff bringt dabei neue Herausforderungen mit sich.

Bei der Stahlherstellung soll Wasserstoff künftig als Reduktionsmittel Kohle ersetzen. Direktreduktion statt der klassischen Hochofenroute bedeutet allerdings weit mehr als den Austausch einzelner Anlagen und Brennstoffe: Sie verändert die Prozesse in der Stahlerzeugung grundlegend. „Weil hier weiterhin erheblicher Entwicklungsbedarf besteht, untersuchen wir die Auswirkungen unserer Transformation in der Metallurgie sehr genau. “, sagt Dr. Benedikt Ritterbach, Geschäftsführer der Salzgitter Mannesmann Forschung GmbH, der zentralen Stahlforschungsgesellschaft der Salzgitter AG.

Das zeigt sich etwa dann, wenn per Direktreduktion gewonnener Eisenschwamm mit Schrott in einem Elektrolichtbogenofen zu Rohstahl geschmolzen wird. Im Elektrolichtbogenofen ist die Schmelze prozessbedingt stärker atmosphärischen Einflüssen ausgesetzt als in der klassischen Konverterroute. „Dadurch kann zusätzlicher Stickstoff in die Schmelze gelangen“, sagt Ritterbach. Das kann besonders für hochumformbare Stähle kritisch werden, wie sie etwa die Automobilindustrie für Karosserieanwendungen benötigt. Denn Stickstoff kann die Verformbarkeit des Stahls einschränken. Diese ist notwendig, um komplexe Bauteile wie Türen oder Kotflügel zu formen. „Wir untersuchen, bei welchen Stahlsorten welcher Stickstoffgehalt kritisch ist und mit welchen Maßnahmen wir ihn sicher begrenzen können.“

Auch der Umgang mit Stahlschrott und seiner Wiederverwertung im Elektrolichtbogenofen beschäftigt die Experten. Denn Schrott kann unerwünschte Begleitelemente wie Kupfer aus alten Kabeln in die Schmelze einbringen. Die Forschung muss daher für jede Stahlsorte genau definieren, welche Verunreinigungen in welchem Rahmen tolerierbar sind. Klar ist: Auch wenn künftig Wasserstoff Kohle ersetzt, müssen Produktqualität, Lieferfähigkeit und ein wettbewerbsfähiger Kostenrahmen gesichert bleiben. „Das müssen wir über alle Herstellungsschritte und Verfahren hinweg sicherstellen“, sagt Ritterbach.

Härtetest für die Wasserstoffinfrastruktur

Daneben eröffnet die Wasserstoffwirtschaft dem Konzern ein zweites anspruchsvolles Entwicklungsfeld. Denn wenn H₂ künftig auch in anderen Industrien zu einem wichtigen Energieträger wird, müssen Stähle, die dort etwa in Leitungsrohren oder Tanks zum Einsatz kommen, neuen Belastungen standhalten. Ritterbach und seine Teams forschen hierfür unter anderem an der sogenannten wasserstoffinduzierten Versprödung. Das bedeutet: Unter Belastung kann Wasserstoff in den Stahl eindringen und dort Schädigungsmechanismen auslösen. In speziellen Prüfprogrammen wie dem Duisburger Berstversuch wird die Widerstandsfähigkeit von Material und Schweißnähten unter extremen Bedingungen getestet. „Wir führen unterschiedlichste Material- und Bauteilprüfungen unter Drücken bis zu 1000 bar durch“, erklärt Ritterbach. Solche Prüfprogramme liefern die Grundlage, um Stähle für den Einsatz in der Wasserstoff-Infrastruktur belastbar zu bewerten.