Die Stahlindustrie befindet sich im Wandel. Klassische Hochöfen werden schrittweise stillgelegt, mit Strom betriebene Elektrolichtbogenöfen übernehmen zunehmend die Metallschmelze. Dadurch gibt es aber auch weniger Hochofen-Hüttensand für die Zementherstellung. Im Projekt „WAGEOS2SHS“ wird nun erprobt, wie sich auch Elektroofenschlacke zur Herstellung von „schwarzem Hüttensand“ nutzen lässt.
Das Forschungsprojekt wird von den Zementherstellern Holcim und Märker in Zusammenarbeit mit den Lech-Stahlwerken sowie dem Recycling-Unternehmen Max Aicher Umwelt GmbH betrieben. Ziel ist die Entwicklung eines neuartigen, CO2-reduzierten Zement-Zumahlstoffs, der künftig den zunehmenden Wegfall des klassischen Hochofen-Hüttensandes kompensieren kann. Die komplizierte Abkürzung WAGEOS2SHS steht für „Wassergranulation von Elektroofenschlacke zu Schwarzem Hüttensand“. Das Projekt startete im Juli 2024 und läuft noch bis Mitte 2027.
Neuer Klinkerersatzstoff gesucht
In industriellen Produktionsprozessen wie der Stahlerzeugung, aber auch der Kohleverstromung entstehen als Nebenprodukte große Mengen an Aschen und Schlacken . Dabei handelt es sich um mineralische, nicht brennbare Rückstände, die bei der Verbrennung von organischen Materialien wie Kohle und Erdöl anfallen. Hat die Asche durch den Erhitzungsprozess eine teigige bis zähflüssige Konsistenz angenommen, spricht man gemeinhin von Schlacke.
Solche Schlacken werden aus gutem Grund als Nebenprodukte und eben nicht als Abfall bezeichnet. Sie lassen sich nämlich als wertvolle Zuschlagstoffe für Baustoffe wie Zement und Beton sinnvoll wiederverwenden. Die abgekühlte, glasig erstarrte Schlacke, die bei der Roheisenherstellung im Hochofen entsteht („Hüttensand“), wird beispielsweise in der Zementindustrie wiederverwendet. Sie kommt dort als Ersatzstoff für den klassischen Zementklinker zum Einsatz. Das ist nachhaltiger, weil die herkömmliche Klinkerherstellung sehr energieintensiv ist und für hohe CO2-Emissionen steht.
Künftig wird allerdings deutlich weniger Hüttensand anfallen – zum einen, weil die Kohleverstromung endet, zum anderen, weil auch die herstellende Industrie immer weniger auf fossile Brennstoffe setzt. Auch das ist natürlich nachhaltig. Gleichwohl stellt sich für die Zementindustrie die Frage, wie sie die herkömmliche Eisenhüttenschlacke als Klinkerersatzstoff in Zukunft ersetzen soll. Dazu wird in den letzten Jahren viel geforscht, und es wurden auch bereits eine ganze Reihe alternativer Lösungen erarbeitet. Mit dem Forschungsprojekt WAGEOS2SHS zeichnet sich nun ein weiterer vielversprechender Ansatz zur Dekarbonisierung der Zementbranche ab.
Hüttensand aus Elektrolichtbogenöfen
Die Forschenden arbeiten an der Herstellung von „schwarzem Hüttensand“ aus Elektroofenschlacke durch ein innovatives Wassergranulationsverfahren. Elektroofenschlacke fällt als Nebenprodukt in Elektrolichtbogenöfen an. In diesen strombetriebenen Anlagen werden über Graphitelektroden elektrische Lichtbögen erzeugt, mit deren Hilfe man zum Beispiel Stahlschrott oder Roheisen einschmelzen kann. Die Öfen dienen auch zunehmend als Alternative zur Dekarbonisierung der traditionellen Hochofenprozesse in der Stahlindustrie.
Die WAGEOS2SHS-Projektpartner wollen nachweisen, dass sich auch aus dem Nebenprodukt Elektroofenschlacke ein geeignetes Zement-Bindemittel herstellen lässt, das herkömmlichen Zementklinker ganz oder teilweise ersetzt. „Die Verwendung von wassergranulierter Elektroofenschlacke als Bindemittel ist für uns ein weiterer Schritt auf dem Weg zum klimaneutralen Unternehmen“, erläutert Dr. Eberhard Liebig, Leiter Produktmanagement Zement bei Holcim Deutschland.
Das neuartige Bindemittel – die wassergranulierte Elektroofenschlacke – bezeichnen die Forschenden aufgrund seiner Farbe und seiner Funktion als Hüttensand-Ersatz als „Schwarzen Hüttensand“.
Pilotanlage in Meitingen
Im vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz geförderten Projekt WAGEOS2SHS sollen also Zemente aus schwarzem Hüttensand hergestellt werden. Die Forschenden wollen diese Produkte bezüglich ihrer Leistungsfähigkeit systematisch bewerten und zudem die Datenbasis für eine spätere bauaufsichtliche Zulassung schaffen – unter anderem auch durch die Erstellung von Ökobilanzen .
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Auf dem Weg zu diesem Ziel wurde im bayerischen Meitingen eine Pilotanlage in Betrieb genommen. Sie dient zur großtechnischen Erprobung der Herstellung von schwarzem Hüttensand per Wassergranulation. Konkret wird in der Anlage schmelzflüssige Elektroofenschlacke durch Wasserzufuhr rasch abgekühlt. Bei diesem Prozess entsteht der schwarze Hüttensand-Ersatz. Die verwendeten Schlacken fallen durch das strombetriebene Einschmelzen von Metallschrott in mit Grünstrom betriebenen Elektrolichtbogenöfen an.
Die neu errichtete Anlage ist mit einem Schlackenaufgabetrichter, einem speziellen Spritzkopf, einem 12 m3 großen Prozesswasserbecken und zwei Hochleistungspumpen ausgestattet. Sie gilt als weltweit einzigartig und ermöglicht die erste Nassgranulation von schmelzflüssiger Elektroofenschlacke im Tonnenmaßstab. Damit lassen sich die bisher nur im Labor erprobten Verfahren erstmals im industriellen Maßstab erproben.
