Damit Eisen zu Stahl wird, sind eine Reihe chemischer Reaktionen nötig – Reaktionen, bei denen zwangsweise klimaschädliches Kohlendioxid erzeugt wird. Zudem fällt CO₂ bei Reaktionen rund um die Stahlerzeugung an, etwa bei der Herstellung von benötigtem Koks aus Kohle. Forscher wie Matthias Kiss untersuchen Methoden, mit denen der CO₂-Ausstoß reduziert werden kann. Kiss ist Dissertant an der Technischen Universität Wien und arbeitet für das metallurgische Forschungszentrum K1-MET in Linz.

Er modelliert das Strömungsverhalten und die Reaktionen von Kohlepartikeln im Hochofen mithilfe von fluidmechanischen Berechnungen. "Wir simulieren, wie sich Sauerstoff und Kohlenstoff in der Kohle verhalten, wie viel Energie frei wird und unter welchen Bedingungen die Kohle schneller oder langsamer umgesetzt wird", erklärt Kiss.

Alternative Reduktionsmittel

Dahinter steht die Idee, den in Produktion und Anschaffung teuren Koks durch alternative Reduktionsmittel zu ersetzen und so nicht nur Kosten zu sparen, sondern auch CO₂-Emissionen zu verringern. Moderne Hochofenprozesse nützen Kohlenstoff in Form von Koks, um Roheisen aus Eisenerz zu gewinnen. Dabei fällt aus chemischen Gründen CO₂ an.

Eine Möglichkeit, den Ausstoß in der Stahlproduktion zu senken, besteht darin, Wasserstoff statt Kohlenstoff zu verwenden. Diese Methode steht allerdings vor einer Reihe von Fragen und befindet sich noch im Entwicklungsstadium. Andere Verfahren zielen darauf ab, Koks durch Kohle oder andere Kohlenstoffträger zu ersetzen und dadurch das bei der Koksherstellung entstehende CO₂ einzusparen.

Simulationen am Computer

Matthias Kiss beschäftigt sich dazu mit der sogenannten Pulverized Coal Injection, bei der pulverisierte Kohle in den Hochofen geblasen wird. Koks wird aus unter Sauerstoffausschluss erhitzter Kohle erzeugt, wobei Verunreinigungen wie Schwefel entfernt werden. Es weist damit einen höheren Kohlenstoffgehalt und eine größere spezifische Oberfläche als Kohle auf und eignet sich besser für die Verwendung im Hochofen.

Beim Ersatz durch Kohle vergrößert das Mahlen die spezifische Oberfläche der Kohle, sie darf aber den Hochofen nicht verstopfen. "Wichtig ist daher, dass die pulverisierte Kohle möglichst vollständig reagiert. Weil es natürlich schwierig ist, direkt in den Hochofen zu sehen, machen wir darüber Simulationen am Computer", sagt Kiss.

Vor zwei Jahren hat der 28-Jährige mit seinem PhD begonnen, das Projekt läuft bis 2023. Bis dahin möchte er ein Partikelmodell entwickeln, das zuverlässig die optimalen Eigenschaften der Kohle und der Umgebung simuliert, und dieses Modell auf größere Dimensionen anwenden.

Der gebürtige Innsbrucker zog nach dem Bachelor seiner heutigen Frau zuliebe nach Wien, um hier sein Physikstudium abzuschließen. Mit dieser Entscheidung ist Kiss auch heute in privater und beruflicher Hinsicht voll zufrieden. Er streitet aber nicht ab, dass die Arbeit mit den Computermodellen eine gewisse Frustrationstoleranz erfordert: "Es sind komplexe Simulationen, da geht meistens viel schief, bis alle Fehler ausgebügelt sind. Aber sobald so ein Modell steht und gute Ergebnisse liefert, ist das eine sehr erfüllende Arbeit." (Markus Plank, 11.12.2021)