Elektrolysetechnologien die Eisenherstellung
Stand 21.10.2026
1.Wasserstoffwirtschaft
Der Einsatz von Wasserstoff in der Stoffwirtschaft und in der Stahlerzeugung wird gegenwärtig als Allheilmittel zur Verminderung der Emission von Treibhaugasen angesehen. Man will aus „grünem Strom“ über die Elektrolyse in Wasserstoff erzeugen, weltweit transportieren und verteilen. Die notwendigen Technologien sind vorhanden; und man muss das nur noch ganz schnell umsetzen. Nüchterne Analysen zeigen aber die engen Grenzen einer Wasserstoffwirtschaft aus Kostengründen.
Für die Metallerzeugung ist die Verwendung von Wasserstoff als Reduktionsmittel technologisch möglich. Wenn man aber auf Wasserstoff als Reduktionsmittel verzichtet und die Metalle elektrolytisch erzeugt, arbeitet man effizienter und kostengünstiger.
2. Nasschemische Verfahren
Nasschemische Verfahren sind für Erzeugung aller Metalle geeignet, deren Normalpotential in der elektrochemischen Spannungsreihe positiv ist. Für die Verarbeitung muss das Metall aus dem Ausgangsmaterial durch Säuren herausgelöst werden.
Nasschemische Verfahren sind seit langem bewährt und Stand der Technik. Für die Kupferraffination und die Herstellung von Wasserstoff sind bewährte Technologien vorhanden, die hohe Anlagenleistungen erlauben.
Man benötigt vier Stufen
- Erzaufbereitung/Zerkleinerung
- Entfernung von Störstoffen
- Lösung - meistens in Säuren
- Elektrolyse
Die Erzaufbereitung ist technologisch gelöst.
Bei der Elektrolyse wird das Endprodukt in hoher Reinheit gewonnen. Metalle, die edler sind als das Zielprodukt werden als nutzbarer Schlamm gewonnen.
Die Kenntnisse aus der elektrolytischen Kupferraffination sind weitgehend anwendbar.
Mechanischen Aufbereitung
- Zerkleinerung
- Klassierung
- Wertstoffkonzentrierung
Die Entfernung von Störstoffen ist von besondere Wichtigkeit. Störstoffe erhöhen den Bedarf an Säure während der Lösung und beeinträchtigen die Qualität der Endprodukte. Hier könnte noch Entwicklungsbedarf bestehen.
Im folgenden sauren Aufschluss wird nach der Abtrennung ungelöster Bestandteile der Einsatzstoff für die Elektrolyse gewonnen. Für die Auflösung der meisten Metalle ist Schwefelsäure ausreichend.
Die Elektrolyse ist Stand der Technik. Besonders die Kupferraffination hat einen hohen Entwicklungsstand erreicht und kann für die Gewinnung anderer Metalle das Know how liefern.
Metalle, die unedler sind als Wasserstoff, sind die für die Erzeugung durch nasschemische Verfahren nicht geeignet.
3. Schmelzflusselektrolyse
Metalle mit einem negativen Normalpotential lassen sich in wässriger Phase elektrolytisch nicht abscheiden. Das betrifft besonders die viel genutzten Metalle Eisen, Mangan, Titan, Aluminium und Zink.
Bei oxydischen Erzen bietet sich die Reduktion durch Alkalimetalle an. Hierbei ist Lithium wegen des geringeren Dampfdrucks und geringeren Korrosivität am besten geeignet .
Herstellung von Eisen :
Fe3 O4 + 8 Li = 3 Fe + 4 Li2O
Das Lithium wird durch Schmelzflusselektrolyse erzeugt:
Li2 O = 2Li + 0,5 O2
Um das Eisen in flüssiger Form zu erhalten, muss die Prozesstemperatur über seinem Schmelzpunkt liegen.
Schmelzpunkte:
- Fe 1537°C
- Fe3 O4 1538°C
- Li2O 1570°C
Probleme bereitet der Siedepunkt von Lithium von 1330°C. Um einen erhöhten Prozessdruck zu vermeiden, kann man ein Gemisch von Li/Li2O verwenden. Li2O siedet bei 2600°C. Wenn man die Prozesstemperatur mit 1600°C wählt, sollte die Mischung etwa 70% Li und 30% Li2O enthalten. Daten für das Siedeverhalten des Stoffsystems Li/Li2O konnten nicht gefunden werden.
Für die Technologie ergibt sich folgendes Schema.
Die Aufbereitung muss einen geringen Anteil an Störstoffen erlauben, denn die Störstoffe können die Eigenschaften des Lithiumgemisches nachteilig beeinflussen und müssen nach der Reduktion aus dem Prozess entfernt werden. Andere reduzierte Stoffe lösen sich in der Eisenschmelze und beeinflussen die Qualität des Endprodukts
Bei der Reduktion fällt reines Eisen an, das sich wegen seiner hohen Dichte gut von der alkalischen Schmelze abtrennen lässt.
In Eisen nicht lösliche Stoffe lösen sich in der alkalischen Schmelze (andere Alkalimetalle, (Erdalkalien ?…). Stoffe, die weder In Eisen noch alkalisch löslich sind, sind schwer aus der Schmelze abzutrennen. Das zeigt die große Bedeutung der Vorreinigung.
Das Eisenoxid ist bei der Prozesstemperatur flüssig. Wenn es sich in der Schmelze nicht löst, ist eine sehr feine Dispersion wichtig. Für diesen Zweck können Apparate auf der Basis des magnetohydrodynamischen Effekts entwickelt werden. Wenn sich das Eisenoxid löst, würde sich der Siedepunkt der Schmelze erhöhen.
Die Trennung des Eisens sollte keine größeren Probleme bereiten, denn die Dichtedifferenzen der beteiligten Stoffe sind ausreichend hoch. Probleme können entstehen, wenn größere Mengen an Störstoffen aus dem Kreislauf entfernt werden müssen.
Das Endprodukt ist Eisen, dass sich von dem aus dem Hochofen merklich unterscheidet. Es enthält weniger Störstoffe wie Schwefel, Silizium, Phosphor aber auch keinen Kohlenstoff. Es ist für die Herstellung hochwertiger Stähle gut geeignet.
Die Die Herstellung von Lithium durch Schmelzflusselektrolyse ist Stand der Technik.
Die Reaktion von Eisenoxiden mit Lithium ist exotherm. Eine Vorausberechnung der Reaktionswärme gelingt noch nicht, weil Werte für die spezifische Wärme der Reaktionspartner bei Prozesstemperatur sind nicht verfügbar sind. Diese Werte sind auch für die Auslegung der Anlage notwendig.
Die Beherrschung der Prozesstemperatur ist unbedingt notwendig. Besonders die Verdampfung von Lithium ist zu vermeiden.
Die Lösung des Problems ist die Prozessführung:
- Das Eisenoxid muss sehr fein zerkleinert und danach mit der Lithiumoxidschmelze vermischt werden.
- Es ist zu sichern, dass das bei der Elektrolyse gebildete Lithium sofort vollständig umgesetzt wird. Ein Überschuss an Eisenoxid kann notwendig sein.
Ob eine Kühlung erforderlich ist, ist noch offen. Die Aufwärmung des Einsatzstoffes benötigt Wärme. Durch das flüssige Eisen wird eine erhebliche Wärmemenge ausgetragen. Die Aufstellung der Wärmebilanz des Prozesses ist die nächste Entwicklungsaufgabe.
4. Entwicklungsaufgaben
- Ermittlung des Siedeverhaltens des binären Stoffsystem Li/Li2O
- Ermittlung des Einflusses von störenden Bestandteilen ( Alkalimetalle, Erdalkalimetalle)
- Korrosion durch eine Li/Li2O-Schmelze auf relevante Werkstoffe bei 1600°C
- Mischvorgänge in der Li2O-Schmelze
- Aufbereitung der Einsatzstoffe: Die vorhandenen Technologien sind anzupassen und zu optimieren, dass ein Einsatzstoff mit einem geringen Anteil an Störstoffen geliefert wird. Die Verwertung der Störstoffe ist zu sichern.
- Aufbereitung der Schmelze: Natrium und Kalzium sind häufige Nebenbestandteile im Erz und werden sich in de Schmelze anreichern. Dabei vergrößert sich die Menge und die Eigenschaften der Schmelze. Der Überschuss muss abgetrennt werden. Die Technologie für seine Aufbereitung muss noch entwickelt werden.
5. Ausblick für die Stahlerzeugung
Die Erzeugung von Metallen, insbesondere von Eisen bringt große Vorteile gegenüber Technologien unter Einsatz von Wasserstoff:
- weniger Verfahrensstufen
- weniger Energieaufwand
- geringere Umweltbelastung
Besonders günstig ist die direkte Verwertung von Strom aus Photovoltaikanlagen in der Elektrolyse.
Als Standort bietet sich Norddeutschland wegen seines günstigen Energieangebots an.
Noch bessere Bedingungen hat Namibia.
- Ideal für die Photovoltaik
- Eisenerz aus Australien oder Brasilien
Seit wir Eisen nutzen, wird Kohle als Reduktionsmittel verwendet. Wer Wasserstoff als Reduktionsmittel einsetzen will, erkennt nicht, dass der erzeugte Stahl sich im Markt behaupten muss.
Eine Alternative ist der Ersatz von Koks durch Erdgas. Dadurch könnte die Emission drastisch gesenkt werden. Man müsste nur die erfolglosen Sanktionen gegen Russland aufheben.
Die Null-Emissions-Politik ist ohnehin unrealistisch. Es ist vielmehr effektiver, die Entfernung von Kohlendioxid aus der Atmosphäre zu intensivieren. Technische Systeme auf der Basis der verfügbaren Technologien sind für diesen Zweck aus Kostengründen zum Scheitern verurteilt.
Wir können diese Aufgabe der Natur überlassen. Die grünen Pflanzen sind für diese Aufgabe optimiert und können durch technische Systeme nicht übertroffen werden.
Obwohl wir das alles wissen, werden Wälder und aquatische Systeme zu wenig gefördert. Im Gegenteil! Wir erlauben die weltweite ständige Vernichtung von Wäldern. Wären hier nicht harte Gegenmaßnahmen - auch Sanktionen - dringend erforderlich?
Stahl werden wir immer brauchen. Die Auslagerung der Stahlerzeugung in Länder mit großen Eisenerzvorkommen und die dortigen Möglichkeiten, günstig grüne Energie bereitzustellen, wird sich langfristig durchsetzen.
6. Aluminium – Neue Hoffnung
Alkalimetalle sind sehr reaktionsfähig, gefährlich und stellen an die Gestaltung technologischer Prozesse hohe Anforderrungen.Aluminium ist weniger gefährlich. Es hat auch ein beträchtliches Reduktionspotential, das seinen Einsatz in der Metallherstellung interessant macht.
Beim Thermitschweissen nutzt man die Reduktion von Eisenoxid durch Aluminiumpulver. Dien Reaktion benötigt eine Temperatur von 1500°C, die durch eine Zündmischung von Bariumperoxid und Magnesium erzeugt wird.
Die Reaktion
Fe2 O3 +2Al = 2Fe+Al2 O3
ist stark exotherm und läuft sehr schnell ab. Es wird eine Temperatur von 2500°C angegeben.Aluminium wird nach einem bewährten Verfahren durch Schmelzflusselektrolyse erzeugt. Dieses Verfahren kann auch als erste Stufe für die Metallerzeugung auf der Basis der Reduktion durch Aluminium dienen. Die Prozesstemperatur muss aber über dem Schmelzpunkt der Metalle liegen (bei Eisen 1538°C).
Die Hauptprobleme entstehen durch die stark exotherme Reaktion. Um Temperaturspitzen zu vermeiden, muss man mit einem Überschuss von Aluminium arbeiten und den Reaktionspartner- fein gemahlener Feststoff- portionsweise zugeben.
Das Temperaturniveau erlaubt viele Möglichkeiten der Abwärmeverwertung.
Der Wärmeüberschuss lässt sich auch nutzen, wenn man Aluminiumoxid in einer solchen Menge zugibt, deren Aufheizung und Schmelzen den Wärmeüberschuss bindet. dadurch wird die Eisenerzeugung an die Aluminiumproduktion gekoppelt.
Daraus ergibt sich die Möglichkeit auf die Entfernung von Rotschlamm bei der Aluminiumerzeugung zu verzichten. Nur einige Störstoffe wie Siliziumdioxid müssen entfernt werden. Die Technologie muss nicht wesentlich geändert werden:
- Die Prozesstemperatur musss über 1538 liegen.
- Flüssiges Eisen ist abzuführen.
- Es kann ein Kühlkreislauf über flüssiges Aluminium notwendig werden.
Wenn man Bauxit in die Schmelzflusselektrolyse einspeist, kann das gebildete Aluminium mit dem Eisen und es entsteht wieder Aluminiumoxid.
7. Erzeugung seltener Erden
Die seltenen Erden liegen in den meisten Lagerstätten als Oxide vor und können durch Reduktion mit Lithium gewonnen werden. Wegen ihrer hohen Dichte ist die Abtrennung der Metalle aus der Schmelze kein Problem.
Die Technologie ist ähnlich der für die Eisenherstellung. Die Schmelztemperaturen der Oxide liegen über 200°C (Tabelle 1). Die Einsatzprodukte müssen deshalb sehr fein zerkleinert werden.
Tabelle 1 Daten seltener Erden
Der Gehalt der seltenen Erden im Ausgangsgestein ist sehr gering und und stellt hohe Anforderungen an die mechanische Aufbereitung.
noxid reagiere. Das Eisen