Prozessdetails: MetallStahl-Elektro-DE-2030

1.1 Beschreibung

Elektrostahl-neu: In Elektrostahlwerken werden Elektrolichtbogenöfen in unterschiedlicher Ausgestaltung betrieben. Der einfache Elektrolichtbogenofen, in dem Stahlschrott durch Elektrizität geschmolzen wird, wurde ersetzt durch Elektroöfen mit Sauerstoff- und Brennstoffeinsatz. Diese neueren Öfen schmelzen nicht nur den Schrott, sondern „frischen" den Stahl, d.h. übernehmen Teilfunktionen des Konverters.
Die „Eisenträger" Schrott, Roheisen oder Eisenschwamm werden in den Ofen gefüllt und Kalk und Koks als Abdeckung zugegeben. Die Wärme wird über strombelastete Elektroden erzeugt und teilweise mit zusätzlichem Brennstoff / Sauerstoff- Brennern zugeheizt. Nach dem Schmelzen der Stoffe werden durch Sauerstoffzugabe die uner-wünschten Eisenbegleiter Kohlenstoff, Silizium, Phosphor und Mangan oxidiert. Kohlen-stoff entweicht dabei gasförmig als Kohlenmonoxid, während die anderen Stoffe als Oxide in die Schlackephase überführt werden. Das flüssige Eisen wird abgegossen und verarbeitet. Es wird nur Elektrostahl zur Herstellung von Rundstählen / Baustählen betrachtet.
Allokation: keine
Genese der Daten: In der folgenden Übersicht sind Kennziffern aus bekannten Werken zusammengefaßt:
Input Einheit WIKUE Habersatter ETH GEMIS
Schrott kg 1098 1075 1100 974
andere Fe-Tr. kg - - - 100
Zuschlagstoffe kg 30 - 57 60
Elektroden kg 12 3 3 3
Öl / Gas kg / MJ - - -/288 5/225
Kohle kg / MJ - 28/812 - 10/290
fos. Brennst. MJ 133 - - -
Sauerstoff kg 36 - 24 43
Wasser kg 120 1100 - -
Strombedarf MJel 1697a 1944 1800 1440
Output
Stahl, fl. kg 1000 1000 1000 1000
Staub kg 15 15 - 15
Schlacke kg 55 70 100 129
Abwasser 20 - - -
Kühlwasser kg 4710 - - 1900

a bei einem Wirkungsgrad der Stromerzeugung von 33%.

Der Haupteinsatzstoff besteht aus Schrott, der zu 974 kg/t E-Stahl eingesetzt wird. Zusätzliche Eisenträger sind nah #1 Roheisen, Eisenschwamm und Legierungsbestandteile. In GEMIS werden sie nach #2 als Roheisen betrachtet . Es müssen ca. 60 kg Zuschlagsstoffe (Kalk) eingesetzt werden, um die Fremdstoffe des Eisens in der Schlacke aufzunehmen.
Nach #1 werden ca. 5 kg Gas und Öl (225 MJ), sowie 10 kg Kohle (290 MJ) pro Tonne E-Stahl eingesetzt. Der Anteil Gas und Öl wird zusammen als 225 MJ Öl in die Berechnung eingestellt. Zusätzlich verbrauchen die Öfen zur Verbrennung 43 kg Sauerstoff. Der Bedarf an elektrischer Energie beträgt nach #2 ca. 400 kWh/t E-Stahl.
Kühlwasser wird gebraucht, um wichtige Anlagenteile zu kühlen. Da keine genaueren Daten recherchiert werden konnten, wird der Kühlwasserbedarf von 1,9 m3/t E-Stahl aus der Untersuchung zu Gießereien übertragen. Funktionsweise und Kühlbedarf der Gießereiöfen sind ähnlich. Es wird im Prozeß kein Wasser eingesetzt. Die Entstaubung der Elektrolicht-bogen-öfen erfolgt trocken.
An Abfall fallen 15 kg Stäube und 129 kg Schlacke pro Tonne E-Stahl an. Je nach Qualität des Schrottes können die Stäube rückgeführt werden. Ansonsten müssen die Stäube extern verwertet oder deponiert werden. Die Schlacke wird zum größten Teil im Straßenbau verwertet.
Die gasförmigen Emissionen setzen sich wie folgt zusammen:
Emission Einheit Quelle
CO2 kg/t 39,7 stöchiometrisch
CO kg/t 11,5 #3
SO2 kg/t -
NOx kg/t 0,08 #3
Staub kg/t 0,3 #3
Für CO, NOx und Staub wurden die Emissionen aus der UBA-Liste der prozeßbedingten Emissionen übernommen. (ETH 1995) gibt für die NOx-Emissionen einen Wert von 0,18 kg/t und für Staub (Partikel) 0,14 kg/t an. In (Habersatter 1990) werden 0,13 kg Staub/t und 1,3 kg CO/t bilanziert. Die CO2-Emissionen wurden stöchiometrisch berechnet. Für Schwefeldioxid liegen keine Werte vor.
Das Umweltbundesamt stellt für den Prozeß Elektrostahl nur prozeßbedingte Emissionen auf. Emissionen die sich aus dem Einsatz von Zusatzbrennstoffen ergeben können werden nicht berücksichtigt. Die daraus resultierenden Mehremissionen sind allerdings als gering einzuschätzen.
Achtung: Die Schwermetall und Dioxin/Furan-Emissionsdaten sind ein Aggregat über die gesamte vorgelagerte Prozesskette, d.h nicht nur die des Oxygenstahlwerks ! (Daten nach ÖKO 2001)

1.2 Referenzen

  1. Jahrbuch Stahl 1992, Band I, Verlag Stahleisen, Düsseldorf
  2. Ullmann 1994: Ullmann`s Encyclopedia of Industrial Chemistry, Fifth Completely Revised Edition, Vol. A 25, Weinheim
  3. Umweltbundesamt (UBA) 1995: persönl. Mitteilung, Berlin
  4. Originaldokumentation von 'MetallStahl-Elektro-DE-2030'

1.3 ProBas-Anmerkungen

Kurzinfo: Datensatz aus GEMIS. Negative Werte durch Gutschriftenrechnung. Werte des Prozesses in Spalte ‚Prozess direkt’, Werte des Prozesses einschließlich Vorkette in Spalte ‚Prozess inkl. Vorkette’. Weiter…

GEMIS steht für „Globales Emissions-Modell Integrierter Systeme&“; es ist ein Softwaretool des Öko-Instituts. GEMIS wurde 1987 erstmals angewendet und wird seitdem weiterentwickelt.

Die GEMIS-Datensätze beruhen - je nach Anwendung - auf unterschiedlichen Methoden; auch der zeitliche und der örtliche Bezug der Datensätze sind verschieden.

Methode bei Prozessen mit mehreren Outputs:

Zur Modellierung der Datensätze zu Multi-Output Prozessen wird in GEMIS die Methode der Systemerweiterung verwendet. Hierbei werden Datensätze, in denen jeweils alle Inputs, alle Outputs und alle Umweltaspekte eines Multi-Output Prozesses ausgewiesen sind, als „Brutto&“ bezeichnet. Durch Subtraktion von ‚Bonus’-Prozessen, die jeweils einen der Outputs auf herkömmliche Weise bereitstellen, entsteht ein Nettoprozess, in denen das substituierte Nebenprodukt als Gutschrift erscheint. Die Gutschrift ist dabei kein realer Output des Prozesses, sondern ein rechnerischer ‚Merker’.

Beispiel (s.a. Bild 1):

Multi-Output Prozess Biogas-BZ-MC-HKW-D-2020/brutto: Output ist 1 TJ Elektrizität und 0,6 TJ Wärme, der „Netto&“-Datensatz soll sich aber nur auf die Elektrizität beziehen. Durch Subtraktion des Bonusprozesses Wärme-Bonus-Gas-Hzg-D-2020 mit dem Output Wärme(0,6 TJ) entsteht der „Netto&“-Datensatz Biogas-BZ-MC-HKW-D-2020/Gas, für den als Output 1 TJ Elektrizität und 0,6 TJ ‚Gutschrift Wärme-Bonus-für-KWK (Bio)-2020 bei Wärme-Bonus-Gas-Hzg-D-2020’ angegeben werden; die Gutschrift stellt keinen Stoff- oder Energiefluss des Prozesses dar, sie ist allein rechnerisch begründet.

Bild 1: Beispiel zur GEMIS-Methode der Gutschriftsrechnung / Systemerweiterung

Transport:

Angaben zu den angesetzten Transportdistanzen werden nicht gegeben.

Abschneidekriterien:

Wasser wird in der Regel nur auf der Inputseite angegeben (etwa als Kühlwasser), auch wenn es den Prozess wieder verlässt als Abwasser.
Weitere Angaben zu angewendeten Abschneidekriterien werden nicht gegeben.

Besondere Nomenklatur:

Zahlreiche Abkürzungen für Brennstoffe aus Biomasse und entsprechende Technologien, siehe Glossar #link#.

Besonderheiten auf Datensatzebene:

Die Datensätze sind mit Vorketten-Datensätzen verknüpft, in denen die jeweils benötigten Vorprodukte, Energien und Transportleistungen erzeugt werden. Die Daten zu den Umweltaspekten werden erstens „direkt&“ (d.h., nur aus dem jeweiligen Prozess, falls dieser direkt zu Umweltaspekten beiträgt) als auch „mit Vorkette&“ (d.h., einschließlich aller vorausgehenden Prozesse) ausgewiesen.
Negative Werte für Stoffflüsse kommen in GEMIS regelmäßig vor; sie entstehen durch die Anwendung von Systemerweiterung (#link auf Systemerweiterung oben) um Multi-Output Prozesse in Single Output Prozesse umzurechnen.
Teilweise werden Aufwendungen für Produktionsmittel (Anlagen, Fahrzeuge etc.) aufgeführt (als Stoffflüsse im Input); diese sind jedoch nicht auf die funktionelle Einheit bezogen, sondern werden als absolute Werte angegeben; sie werden nur als Input und nicht als Output (Entsorgung der Betriebsmittel) angegeben.
Die durch die Herstellung dieser Produktionsmittel verursachten Umweltaspekte sind dagegen über Leistung, jährliche Auslastung und Lebensdauer auf die funktionelle Einheit bezogen

Weiterführende Hinweise und Literatur:

#1: Fritsche, U.R., Schmidt, K.: Globales Emissions-Modell Integrierter Systeme (GEMIS), Version 4.2, Handbuch, Darmstadt, August 2004.
#2: Fritsche, U.R., Schmidt, K.: Globales Emissions-Modell Integrierter Systeme (GEMIS), Version 4.1, Handbuch, Darmstadt, Darmstadt, Januar 2003.
#3: Fritsche, U., et al.: Stoffstromanalyse zur nachhaltigen energetischen Nutzung von Biomasse, Verbundprojekt gefördert vom BMU im Rahmen des ZIP, Projektträger: FZ Jülich, Mai 2004, Anhangband zum Endbericht.
#4: Fritsche, U., et al.: Umweltanalyse von Energie-, Transport- und Stoffsystemen: Gesamt-Emissions-Modell integrierter Systeme (GEMIS) Version 2.1 - erweiterter und aktualisierter Endbericht, U. Fritsche u.a., i.A. des Hessischen Ministeriums für Umwelt, Energie und Bundesangelegenheiten (HMUEB), veröffentlicht durch HMUEB, Wiesbaden 1995

Website: http://www.gemis.de

1.4 Weitere Metadaten

Quelle Öko-Institut
Projekte -
Bearbeitet durch IINAS - International Institute for Sustainability Analysis
Datensatzprüfung nein
Ortsbezug Deutschland
Zeitbezug 2030

1.5 Technische Kennwerte

Funktionelle Einheit 1 kg Stahl
Auslastung 5000 h/a
Brenn-/Einsatzstoff Recyclate
gesicherte Leistung 100 %
Jahr 2030
Lebensdauer 20 a
Leistung 1 t/h
Nutzungsgrad 103 %
Produkt Metalle - Eisen/Stahl

Funktionelle Einheit ist »1 kg Stahl«.

Inputs - Aufwendungen für den Prozess

Input Aus Vorprozess Menge Einheit
Branntkalk (CaO) Steine-ErdenCaO-mix-DE-2030 0,06 kg
Eisen MetallFe-roh-DE-2030 0,1 kg
Elektrizität Netz-el-DE-Verbund-HS-2030 1,44*10-6 TJ
O2 (gasförmig) Xtra-generischO2 (gasförmig) 0,043 kg
Öl-schwer-DE-2030 RaffinerieÖl-schwer-DE-2030 225*10-9 TJ
Stahlschrott Xtra-RestSchrott 0,974 kg
Steinkohle-DE-Vollwert-subv-2030 Kohle-mix-DE-gesamt-2030 290*10-9 TJ

Transportaufwendungen

Transport Menge Einheit
Transport von Öl-schwer-DE-2030 mit Zug-el-Güter-DE-2030 2475 tkm
Transport von Steinkohle-DE-Vollwert-subv-2030 mit Zug-el-Güter-DE-2030 8532 tkm

Outputs

Output Menge Einheit
Stahl 1 kg
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Funktionelle Einheit ist »1 kg Stahl«.

Ressourcen

Ressource inkl. Vorkette Einheit
Abwärme -842*10-18 TJ
Atomkraft 36,2*10-9 TJ
Biomasse-Anbau 24,4*10-6 kg
Biomasse-Anbau 97,2*10-9 TJ
Biomasse-Reststoffe 352*10-9 TJ
Biomasse-Reststoffe 10,1*10-6 kg
Braunkohle 227*10-9 TJ
Eisen-Schrott 0,974 kg
Erdgas 624*10-9 TJ
Erdgas 66,8*10-6 kg
Erdöl 571*10-9 TJ
Erdöl 0,000101 kg
Erze 0,146 kg
Fe-Schrott 1,76*10-9 kg
Geothermie 16*10-9 TJ
Luft 0,0432 kg
Mineralien 0,142 kg
Müll 98,3*10-9 TJ
NE-Schrott 17,3*10-6 kg
Sekundärrohstoffe 30*10-6 kg
Sekundärrohstoffe 399*10-9 TJ
Sonne 184*10-9 TJ
Steinkohle 2,71*10-6 TJ
Wasser 1,76 kg
Wasserkraft 78,7*10-9 TJ
Wind 465*10-9 TJ

Ressourcen (Aggregierte Werte, KEA, KEV, KRA)

Ressource inkl. Vorkette Einheit
KEA-andere 497*10-9 TJ
KEA-erneuerbar 1,19*10-6 TJ
KEA-nichterneuerbar 4,17*10-6 TJ
KEV-andere 497*10-9 TJ
KEV-erneuerbar 1,19*10-6 TJ
KEV-nichterneuerbar 4,16*10-6 TJ

Luftemissionen

Luftemission direkt inkl. Vorkette Einheit
As (Luft) 50*10-9 50,6*10-9 kg
Cd (Luft) 10*10-9 11,4*10-9 kg
CH4 0 0,000799 kg
CO 0,0115 0,0148 kg
CO2 0,0397 0,373 kg
Cr (Luft) 200*10-9 202*10-9 kg
H2S 0 18,5*10-9 kg
HCl 0 1,83*10-6 kg
HF 0 164*10-9 kg
HFC-125 0 0 kg
HFC-134 0 0 kg
HFC-134a 0 0 kg
HFC-143 0 0 kg
HFC-143a 0 0 kg
HFC-152a 0 0 kg
HFC-227 0 0 kg
HFC-23 0 0 kg
HFC-236 0 0 kg
HFC-245 0 0 kg
HFC-32 0 0 kg
HFC-43-10mee 0 0 kg
Hg (Luft) 250*10-9 251*10-9 kg
N2O 0 12,7*10-6 kg
NH3 0 3,15*10-6 kg
Ni (Luft) 100*10-9 109*10-9 kg
NMVOC 0 31,1*10-6 kg
NOx 80*10-6 0,000624 kg
PAH (Luft) k.A. 972*10-15 kg
Pb (Luft) 500*10-9 512*10-9 kg
PCDD/F (Luft) 1,8*10-12 1,81*10-12 kg
Perfluoraethan 0 3,75*10-9 kg
Perfluorbutan 0 0 kg
Perfluorcyclobutan 0 0 kg
Perfluorhexan 0 0 kg
Perfluormethan 0 29,3*10-9 kg
Perfluorpentan 0 0 kg
Perfluorpropan 0 0 kg
SF6 0 0 kg
SO2 0 0,00031 kg
Staub 300*10-9 0,000233 kg

Luftemissionen (Aggregierte Werte, TOPP-Äquivalent, SO2-Äquivalent, direkt)

Luftemission direkt Einheit
CO2-Äquivalent 0,0397 kg
SO2-Äquivalent 55,7*10-6 kg
TOPP-Äquivalent 0,00136 kg

Gewässereinleitungen

Gewässereinleitung inkl. Vorkette Einheit
anorg. Salze 0,000193 kg
AOX 703*10-12 kg
As (Abwasser) 67,3*10-15 kg
BSB5 0,000116 kg
Cd (Abwasser) 164*10-15 kg
Cr (Abwasser) 163*10-15 kg
CSB 0,00414 kg
Hg (Abwasser) 82,2*10-15 kg
Müll-atomar (hochaktiv) 14*10-9 kg
N 69,4*10-9 kg
P 3,86*10-9 kg
Pb (Abwasser) 1,07*10-12 kg

Abfälle

Abfall direkt inkl. Vorkette Einheit
Klärschlamm 0 8,12*10-6 kg
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