Roadmap Industrie Zement - F&E-Fahrplan Energieeffizienz in der energieintensiven Industrie - Klima- und Energiefonds
←
→
Transkription von Seiteninhalten
Wenn Ihr Browser die Seite nicht korrekt rendert, bitte, lesen Sie den Inhalt der Seite unten
Roadmap Industrie
F&E-Fahrplan Energieeffizienz in der energieintensiven Industrie
Zement
Diskussionspapier/Überarbeitete Fassung – Juli 2014
Institut für Energietechnik und Thermodynamik
Autoren: Markus Haider, Andreas Werner
Wien, November 2014
Die vorliegende F&E-Roadmap ist im Auftrag des Klima- und Energiefonds entstanden. Die Erstellung des
Berichts erfolgte durch das Energieinstitut an der Johannes Kepler Universität Linz in Kooperation mit dem AIT
Austrian Institute of Technology.
Das Institut für Energietechnik und Thermodynamik der Technischen Universität Wien sowie das Clusterland
Oberösterreich wurden über Werkverträge beteiligt. Weitere Beiträge wurden vom Lehrstuhl für Thermoprozess-
technik der Montanuniversität Leoben beigesteuert.
Impressum
Herausgeber Klima- und Energiefonds der österreichischen Bundesregierung
Gumpendorfer Straße 5/22, 1060 Wien
E-Mail: office@klimafonds.gv.at, Internet: www.klimafonds.gv.at
Projektbetreuung Elvira Lutter, Programm-Management/Klima- und Energiefonds
Autoren Markus Haider, Andreas Werner (Technische Universität Wien)
Grafische Bearbeitung r+k kowanz
Foto © eugenesergeev – Fotolia
Herstellungsort Wien, November 2014
Die hier dargestellten Inhalte spiegeln nicht notwendigerweise die Meinung des Klima- und Energiefonds wider.
Weder der Klima- und Energiefonds noch das Bundesministerium für Verkehr, Innovation und Technologie (bmvit)
oder die Österreichische Forschungsförderungsgesellschaft (FFG) übernehmen Verantwortung für jegliche
Verwendung der in dieser Publikation enthaltenen Informationen.
2 Roadmap Industrie – Diskussionspapier Zement 2014
Inhalt
1.0 Erläuterungen zum Diskussionspapier 2
2.0 Erläuterungen der Autoren 2
3.0 Beschreibung der österreichischen Akteure 2
3.1 Anzahl Unternehmen, Standorte 2
3.2 Spezifika (Sub-Branchen, Herstellungsvarianten) 2
3.3 Stand der Technik 3
4.0 Trends 3
4.1 Zukunftsmärkte 3
4.2 Thematische Schwerpunkte 3
5.0 Bedarf der Industrie 3
5.1 Energieträger, Rohstoffe 3
5.2 FTI-Themenfelder 4
5.3 Begleitmaßnahmen 4
6.0 Absehbare technologische Neuerungen 4
6.1 Nach Ebene 4
6.2 Nach Technologiefeld 4
6.2.1 Entwicklung neuer energieeffizienter Produktionsprozesse 4
6.2.2 Reduktion des Energieeinsatzes im Prozess 4
6.2.3 Nutzung von Abwärme 5
6.2.4 Hocheffiziente (dezentrale) Stromerzeugung und -nutzung 6
6.2.5 Einsatz von Ersatzbrennstoffen 6
6.2.6 Einsatz von Ersatzrohstoffen 7
6.2.7 Industrielle Energiemanagementsysteme 7
6.2.8 Verfahren/Technologien zur Reduktion und Nutzung von Treibhausgasemissionen 7
6.2.9 Alternative Zemente und Bindemittel 9
7.0 Literatur 11
Roadmap Industrie – Diskussionspapier Zement 2014 11.0 Erläuterungen zum
Diskussionspapier
Dieses Diskussionspapier wurde im Zuge des Arbeits- österreichischer Technologielieferanten (Anlagenbau)
pakets 2 des Projekts „Roadmap Industrie – F&E- deren Angebot. Technologische Möglichkeiten gemäß
Fahrplan Energieeffizienz in der energieintensiven dem Stand und den Zielen der aktuellen Forschung
Industrie“ (FFG-Nr. 843864) angefertigt. Es beschreibt werden angeführt, um in folgenden Arbeitsschritten
die österreichischen Akteure, im Fall der energie- eine Baseline zu kreieren.
intensiven Industrie deren Bedürfnisse und im Fall
2.0 Erläuterungen der Autoren
Die nachfolgenden Vorschläge wurden auf Basis von der Vereinigung der Österreichischen Zementindustrie
Diskussionen mit VertreterInnen der Werke, Beiträgen sowie der Literatur erstellt.
3.0 Beschreibung der
österreichischen Akteure
3.1 Anzahl Unternehmen, Standorte 3.2 Spezifika (Sub-Branchen,
Herstellungsvarianten)
Im Folgenden sind österreichische Zement- und Mahl-
werke angeführt. Wärmetauscherturm (vier- oder fünfstufig; mit/ohne
• Zementwerk Hatschek GmbH (Gmunden, OÖ), Kalzinator)
• Kirchdorfer Zementwerk Hofmann GmbH (Kirchdorf Rohmaterialfeuchte > gibt Verfügbarkeit der Rest-
an der Krems, OÖ), wärme vor
• Lafarge Zementwerke GmbH (Mannersdorf, NÖ), Satelliten-Kühler im Zementwerk Gmunden, sonst
• Lafarge Zementwerke GmbH (Retznei, ST), Rostkühler
• Schretter & Cie GmbH & Co KG (Vils, T), Anzahl der Stufen im Wärmetauscherturm
• SPZ Zementwerk Eiberg GmbH & Co KG (Kufstein, T), • Spezifischer Energieverbrauch thermische Linie
• W & P Zement GmbH (Klein St. Paul, K), • Luftreinhaltung steigert Energieverbrauch
• W & P Zement GmbH (Peggau, ST), (Gebläse etc.)
• Wopfinger Baustoffindustrie GmbH (Waldegg, NÖ), • Biogene Brennstoffe > höhere Feuchte > mehr
• Zementwerk LEUBE GmbH (St. Leonhard, S). Abgas
Mahltechnik bei der Zementvermahlung
2 Roadmap Industrie – Diskussionspapier Zement 20143.3 Stand der Technik
Zur Zementproduktion ist eine Best Available Techno- BREF gemäß IPPC-Richtlinie) für die Herstellung von
logy Conclusion (BATC sind Nachfolgedokumente der Zement verfügbar.1
4.0 Trends
4.1 Zukunftsmärkte 4.2 Thematische Schwerpunkte
Aktuell wird der Zementmarkt regional beliefert. Der • Energieeffizienz, Emissionen
nationale Absatz ist derzeit rückläufig (Baubranche ist • Erhöhung der Zumahlstoff-Rate, in der Folge
rückläufig). weniger CO2
• Eigenschaften des Zements richten sich nach den
Für den Fall einer relativen Verschlechterung der im technischen Anforderungen (z. B. Festigkeiten,
internationalen Wettbewerb stehenden Unternehmen Erstarrungszeiten etc.)
(z. B. durch hohe CO2-Zertifikats-Preise) besteht die
Gefahr des Klinkerimports z. B. aus Nordafrika oder
dem Nahen Osten und somit einer Reduktion der natio-
nalen Wertschöpfung auf lokale Vermahlung von impor-
tiertem Zementklinker und Zumischung von lokalen
Zumahlstoffen (Kalkstein, Gips etc.). Dazu gibt es
Studien von McKinsey (2008) und BCG (2008).
Der Exportanteil durch die Zementindustrie ist relativ
gering.
5.0 Bedarf der Industrie
5.1 Energieträger, Rohstoffe • Wichtig ist die Verfügbarkeit von Hochofenschlacke
und Kohle-Flugasche (die Zementindustrie ist einer-
• Mehr alternative, biogene Brennstoffe seits von der aktuellen Schließung von Kohlekraft-
• Weg von fossilen Brennstoffen wie Kohle, Erdgas, werken betroffen, andererseits und noch stärker
Schweröl etc. würde sie von einer Abwanderung der Stahlindustrie
• In Richtung Kunststoffe, Reifen, Papierfaserrest- aus Ö und EU betroffen sein
stoffe, Tiermehl etc.
1
Amtsblatt der EU (2013) L 100, Jahrgang 56, 9. April 2013: Commission Implementing Decision of 26 March 2013 establishing the best available
techniques (BAT) conclusions under Directive 2010/75/EU of the European Parliament and of the Council on industrial emissions for the production
of cement, lime and magnesium oxide.
Roadmap Industrie – Diskussionspapier Zement 2014 35.2 FTI-Themenfelder 5.3 Begleitmaßnahmen
• Substitution fossiler Brennstoffe durch alternative, • EMAS-System; Energiemanagementsysteme etc.
biogene Brennstoffe • Energieeffizienzstudie der österreichischen
• Thermochemische Wärmespeicherung Zementindustrie (Allplan, 2010)
• Verstromung von Abwärme • Eigenstromerzeugung als Inhalt des Ökostrom-
• Heißgasfiltration gesetzes
• Katalytische Entstickung • Anwendungstechnik (maßgeschneiderte Zemente
• Produktentwicklung inkl. normativer Vorbereitung für die unterschiedlichen Anwendungsbereiche im
Hoch- und Tiefbau)
6.0 Absehbare technologische
Neuerungen
6.1 Nach Ebene Die österreichische Zementindustrie hat sämtliche
produzierenden Öfen vollständig auf das Trocken-
a. Komponentenebene verfahren und damit auf den aktuell modernsten Pro-
• Heißgasfilter, Verstromung, Wärmespeicherung, duktionsprozess umgestellt. Einzelne Potenziale zur
Zusatzfeuerungssysteme, Wärmetransformation weiteren Optimierung innerhalb dieses Prozesses
bewegen sich nachweislich nur mehr im geringen
b. Einzelprozessebene bzw. Anlagenebene Bereich (Allplan, 2010).
(Multiprozessebene)
• Alternative Mahlkonzepte Breakthrough-Technologien, die gegenüber dem Trocken-
• Vermehrt Zumahlstoffe einsetzen (Klinker- verfahren zu einer weiteren signifikanten Effizienz-
Zement-Faktor optimieren) steigerung führen, sind derzeit nicht in Sicht. Eine
• Integrale Abwärme-Verstromung fundamentale Änderung der derzeitigen Produktions-
(siehe z. B. Referenzanlage Rohrdorf) technologie, die unter Beibehaltung der von einer
entwickelten Bauindustrie nachgefragten hohen Produkt-
anforderung zu einer signifikanten Reduktion des
6.2 Nach Technologiefeld spezifischen Energiebedarfs führt, erscheint damit
aus heutiger Sicht unwahrscheinlich.
6.2.1 Optimierung bestehender und
Entwicklung neuer energie -
effizienter Produktionsprozesse 6.2.2 Reduktion des Energieeinsatzes
im Prozess
Zur Herstellung von Zementklinker ist das Trockenver-
fahren Stand der Technik. Bei diesem Verfahren wird Grundsätzlich weist der Zementerzeugungsprozess mit
das Rohmehl mit den heißen Ofenabgasen und der zu- ca. 70 % (chemische Energie zur Bildung der Klinker-
rückgewonnenen Abwärme aus dem Klinkerkühler vor- mineralien, Trocknungsenergie und Wärmeauskopp-
gewärmt und vorkalziniert, bevor es anschließend dem lung bezogen auf den thermischen Energieeinsatz) im
Drehrohrofen für den eigentlichen Sinterprozess zuge- Vergleich zu anderen Industrieprozessen einen insge-
führt wird. Durch das Trockenverfahren wird gegenüber samt hohen Wirkungsgrad auf. Der Gesamtenergie-
anderen Verfahren, wie z. B. dem Nass- oder Halb- bedarf in der Zementindustrie unterteilt sich in etwa
nassverfahren, wie sie derzeit noch weltweit im Einsatz 13 % elektrische Energie und etwa 87 % thermische
sind, eine beträchtliche Energieeinsparung erreicht. Energie.
4 Roadmap Industrie – Diskussionspapier Zement 2014Elektrischer Energiebedarf: Bei der Herstellung von Zementklinker wird das
Elektrische Energie wird in der Zementindustrie Rohmehl bis zu einer Temperatur von ungefähr
vor allem für Mahlprozesse, aber auch für Umwelt- 1.450 °C aufgeheizt, bis es im Drehrohrofen zu
schutzmaßnahmen benötigt. Bei den Mahlprozes- sintern beginnt. Dies führt zur Bildung der soge-
sen ist derzeit kein Potenzial für signifikante nannten Klinkermineralien, welche die charakteris-
Verbesserung der Energieeffizienz durch Break- tischen Eigenschaften von Zement gewährleisten.
through-Technologien in Sicht. Im Bereich des Aus technischer Sicht könnte neben der Reduktion
Umweltschutzes führen vor allem Maßnahmen des Klinkeranteils im Zement die Absenkung der
zur Minderung der Emissionen von Staub und Brenntemperatur eine weitere Möglichkeit zur
Stickoxiden zu einem höheren Druckverlust, der Reduktion des thermischen Energiebedarfs bieten.
überwunden und durch zusätzliche oder stärkere Diesbezüglich werden international verschiedenste
Ventilatoren mit entsprechendem Mehrstrom- Ansätze verfolgt (siehe Punkt 6.2.9 „Alternative
bedarf ausgeglichen werden muss. Bei weiter Zemente undBindemittel“). Die Herausforderungen
steigendem Umfang von Umweltschutzmaß- bei diesen Entwicklungen stellen die Beibehaltung
nahmen ist mit einem steigenden spezifischen der universellen Einsetzbarkeit von Zement (seine
Strombedarf zu rechnen. breiten Anwendungsbereiche) und die Verfügbarkeit
der benötigten Materialien dar.
Thermischer Energiebedarf:
Die Herstellung von Zementklinker erfordert einen
theoretischen Mindestenergiebedarf für die Bildung 6.2.3 Nutzung von Abwärme
der Klinkerminerale und zur Einleitung der chemi-
schen Umwandlungsprozesse. Thermische Energie Die Nutzung von Abwärme zählt in der österreichi-
wird in der Zementindustrie darüber hinaus für die schen Zementindustrie zum Stand der Technik. Die
Trocknung der Roh- und Brennstoffe benötigt. Eine Abwärme wird dabei vorwiegend werksintern zur
wesentliche Möglichkeit zur Minderung des thermi- Trocknung der Roh- und Brennstoffe verwendet, aber
schen Energiebedarfs und damit einhergehend zur auch extern in Wärmenetze eingespeist. Die in den ein-
Reduktion der CO2-Emissionen bietet die Reduktion zelnen Werken verfügbare Abwärme hängt dabei u. a.
des Klinkeranteils im Zement. Die Reduktion des von der Rohmaterialfeuchte ab. An zwei Standorten ist
Klinkergehalts von Zement kann prinzipiell durch einerseits ausreichend Abwärme und sind andererseits
die Zugabe von Zumahlstoffen wie Hüttensand, geeignete Verbraucher in der Umgebung des Zement-
Kalkstein, Flugasche oder Puzzolan im Mahlprozess werks mit einem hohen konstanten Wärmebedarf vor-
erfolgen, wobei die entsprechenden Zementnormen handen, um eine wirtschaftliche Einspeisung von
einzuhalten sind. Der geringere Klinkeranteil im Abwärme in bestehende Fern- und Nahwärmenetze
Zement muss zumeist durch eine höhere Mahlfein- durchführen zu können. An einem dritten Standort
heit der Zumahlstoffe ausgeglichen werden, wodurch wird derzeit die Machbarkeit einer Abwärmeauskopp-
die Senkung des thermischen Energiebedarfs durch lung zur Versorgung eines Nahwärmenetzes geprüft.
eine Erhöhung des elektrischen Energiebedarfs
konterkariert werden kann. Weltweit beträgt der Bislang wurde in der Zementindustrie immer wieder
durchschnittliche Klinkerfaktor im Zement 76 %, versucht, die Nutzung des vergleichsweise geringen
Europa verzeichnet einen Durchschnitt von 73,6 %. Potenzials der Strahlungsabwärme des Drehrohrofens
Im Vergleich dazu ist es der österreichischen zu ermöglichen. In diesem Zusammenhang hat sich
Zementindustrie gelungen, den Klinkergehalt im jedoch bis heute keine Technologie zum Stand der
Zement auf durchschnittlich 70 % abzusenken. Technik entwickelt: Zum einen fällt die Wärme auf
Prinzipiell sind noch weitere Reduktionen des niedrigem Temperaturniveau an, sodass eine weitere
Klinkeranteils im Zement denkbar. Die weitere Umwandlung nicht sinnvoll erscheint und die Wärme
Reduktion ist jedoch an die Produktanforderungen nur direkt als solche verwendet werden kann. Der
(Frühfestigkeit, Dauerhaftigkeit, chemische Resis- zweite, aus betriebstechnischer Sicht wichtigere
tenz etc.), an die lokale Verfügbarkeit der Zumahl- Punkt ist die notwendige Überwachung der Ofenwand-
stoffe und an die Besonderheiten des lokalen temperatur mittels Pyrometer als wichtiges Kontroll-
Marktes gekoppelt (Frost-Tau-Wechsel, Baukultur, instrument zur Vermeidung von Hotspots an der
Baugeschwindigkeit, Akzeptanz). Letzteres sind Ofenwand. In der Vergangenheit wurde eine Vielzahl
Faktoren, die die Zementindustrie ihrerseits nur technischer Maßnahmen zur Nutzung der Strahlungs-
sehr begrenzt beeinflussen kann. abwärme untersucht und Versuche zur Absenkung
Roadmap Industrie – Diskussionspapier Zement 2014 5der Strahlungsabwärme durch zusätzliche Isolation der 6.2.4 Hocheffiziente (dezentrale)
Drehrohrofenwand unternommen. Allerdings blieben Stromerzeugung und -nutzung
auch diese Versuche letztlich erfolglos, da durch die
Veränderung des Temperaturgradienten in der Dreh- Für eine effiziente Dampferzeugung aus Abwärme sind
rohrwand und der Ausmauerung gasförmige Alkali- hohe Abgastemperaturen erforderlich, welche in der
salze auf der Ofeninnenwand auskondensieren und Zementindustrie nur in einzelnen Fällen vorliegen.
zu erheblichen Schäden an Feuerfestmaterial und An keinem Standort der österreichischen Zement-
Verankerungen führten. Aus den hervorgerufenen industrie wird der Energieträger Dampf erzeugt.
Temperaturänderungen resultierte eine Veränderung Der ORC-Prozess basiert auf einem Wasser-Dampf-
der Ansatzbildung des Zementklinkers an der Innen- Prozess, verwendet jedoch ein organisches Arbeits-
wandung des Drehrohrs, die bis zu seiner Verstopfung medium, welches bereits bei geringen Temperaturen
führte. verdampft. Daher wurde dieser Prozess an allen
Standorten auf Basis der vorhandenen Abwärme-
potenziale der österreichischen Zementindustrie im
Zuge einer umfassenden Potenzialanalyse ausgiebig
untersucht (Allplan, 2010). Nachfolgend ist das
Potenzial für den ORC-Prozess in der österrei-
chischen Zementindustrie dargestellt:
Abbildung 1:
Technisches Potenzial für den ORC-Prozess in der österreichischen Zementindustrie (Quelle: Allplan, 2010)
Es konnte jedoch kein Zementwerk gefunden werden, 6.2.5 Einsatz von Ersatzbrennstoffen
wo sich dieser Prozess innerhalb eines wirtschaftlich
vertretbaren Zeitraums rentiert. Die statistischen Ersatzbrennstoffe sind aufgrund ihres niedrigeren Kohlen-
Amortisationszeiten lagen damals bei mehr als fünf stoffgehaltes und des höheren Anteils biogener Frak-
Jahren. Seit der Potenzialanalyse sind weitere Einfluss- tionen zur Senkung der CO2-Emissionen geeignet. Der
faktoren erschwerend hinzugekommen. So verzeichnen Einsatz von Ersatzbrennstoffen in der Zementindustrie
die Strompreise in den letzten Jahren sinkende Tendenz hängt von mehreren Faktoren ab. Dazu zählen Anfor-
und verlängern damit den Zeitraum, innerhalb dessen derungen an die Ofentechnologie, technische Eigen-
sich Investitionen in die Eigenstromerzeugung lohnen. schaften von Ersatzbrennstoffen, ihre Aufbereitung,
Auch die zuletzt in Österreich aufgetretene Diskussion Qualität und Verfügbarkeit, die soziale Akzeptanz von
über die Besteuerung der Eigenstromerzeugung verun- Ersatzbrennstoffen sowie die Abfallgesetzgebung. Die
sichert zunehmend die für diese Maßnahme langfristig Internationale Energieagentur prognostiziert, dass
erforderliche Planungssicherheit. Eine zunehmende der Anteil von Ersatzbrennstoffen am thermischen
Bedeutung könnte die Eigenstromversorgung hingegen Gesamtenergiebedarf in der Zementindustrie in ent-
zukünftig unter dem Blickwinkel der Versorgungs- wickelten Regionen bis zum Jahr 2030 auf 40–60 %
sicherheit erlangen. gesteigert werden kann. Zu unterstreichen ist dabei,
6 Roadmap Industrie – Diskussionspapier Zement 2014dass die Ersatzbrennstoffe in der Zementindustrie im werden können. Aufgrund der begrenzten Verfügbarkeit
Gegensatz zur reinen Monoverbrennung nicht nur ther- geeigneter Ersatzrohstoffe werden diese in der Zement-
misch, sondern auch stofflich verwertet werden: Die aus industrie vorwiegend als Zumahlstoffe eingesetzt. Auf
den Brennstoffen entstehenden Aschen werden vollständig diese Weise kann der Klinkeranteil im Zement und damit
im Produkt eingebunden. Ersatzbrennstoffe liefern damit der thermische Energiebedarf zur Zementherstellung
wertvolle Bestandteile, welche für die Bildung der Klinker- insgesamt reduziert werden. Würde es gelingen, zusätz-
minerale erforderlich sind. Dadurch können die natür- liche geeignete Ersatzrohstoffe verfügbar zu machen,
lichen Ressourcen geschont und der Einsatz von fossilen könnte dies zu einer weiteren Verbesserung der Emissions-
Energieträgern weiter zurückgedrängt werden. Dieses und Energieeffizienz in der Zementindustrie führen. Als
sogenannte CO-Processing ist Teil eines innovativen eine der weiteren Möglichkeiten für die Verwendung von
Rückgewinnungsprozesses, der inzwischen auch zum bereits entsäuerten Zementbestandteilen wurde im Beton-
Stand der Technik erklärt wurde. abbruch enthaltener Zementstein in Erwägung gezogen.
Bislang konnte jedoch kein Verfahren entwickelt werden,
Der Einsatz von Ersatzbrennstoffen erfordert umfang- mit dem der Zementstein unter einem vertretbaren
reiche Erfahrung zur Anpassung des Produktionsprozes- Energieeinsatz zufriedenstellend von den übrigen
ses an die unterschiedlichen Brennstoffeigenschaften Bestandteilen im Betonabbruch getrennt werden kann.
und Anlageninvestitionen vor allem im Bereich der Somit würde dieser Bereich eine Möglichkeit für weiteren
Lagerung, Behandlung und Aufbereitung der Brenn- Forschungsbedarf bieten.
stoffe. Die österreichische Zementindustrie weist heute
bereits mit einem Anteil der Ersatzbrennstoffe von
72,4 % am thermischen Gesamtenergiebedarf ein im 6.2.7 Industrielle Energiemanagement-
internationalen Vergleich überdurchschnittlich hohes systeme
Niveau auf. Aus technischer Sicht sind noch höhere
Einsatzraten prinzipiell nicht ausgeschlossen. Einige Zementwerke haben bereits Umwelt- und Ener-
giemanagementsysteme installiert, in weiteren Werken
Biogas in Form von vergaster Biomasse kann als Ersatz werden derzeit die Vorteile der Einführung von Energie-
von fossilen Brennstoffen eingesetzt werden. Diese und Umweltmanagementsystemen untersucht. Bishe-
Technologie wurde von Andritz in Nordeuropa wirt- rige Erfahrungen zeigen, dass diese Systeme mit fach-
schaftlich implementiert, für Österreich wird seitens kundigen Personen, welche über die erforderlichen
des VÖZ angesichts der Versorgungssituation mit Kenntnisse des komplexen Produktionsprozesses ver-
Biomasse kein Potenzial zur Umsetzung gesehen. fügen, zielführend betrieben werden können. Eine
zunehmende Bedeutung der Energiemanagementsys-
teme kann im Zuge der europäischen Energieeffizienz-
6.2.6 Einsatz von Ersatzrohstoffen richtlinie erwartet werden.
Kalziumoxid ist einer der Hauptbestandteile von Zement.
Die Quelle für Kalziumoxid ist üblicherweise Kalzium- 6.2.8 Verfahren/Technologien zur
karbonat, welches in Kalkstein und Mergel enthalten Reduktion und Nutzung von
ist. Durch den Einsatz von geeigneten kalziumoxidhalti- Treibhausgasemissionen
gen und bereits entsäuerten Ersatzrohstoffen können
die CO2-Emissionen und der thermische Energiebedarf Zur Reduktion der Treibhausgase wurden in der öster-
bei der Zementherstellung gesenkt werden. Zu den für reichischen Zementindustrie neben der Umstellung der
die Zementindustrie geeigneten Materialien zählen bei- Öfen auf den Stand der Technik der Einsatz von Ersatz-
spielsweise Hüttensand und Flugaschen. Hierbei handelt brennstoffen, die Reduktion des Klinkeranteils im
es sich um Produkte der Stahlindustrie bzw. Kohle- Zement und der Einsatz alternativer Rohstoffe forciert.
kraftwerksindustrie, deren Verfügbarkeit von der Pro- Diese Maßnahmen wurden in den obenstehenden
duktionstätigkeit dieser Industrie und ihrem Erhalt in Absätzen bereits näher erläutert.
der nahen Umgebung abhängt. Beim Einsatz von Ersatz-
rohstoffen in der Zementindustrie ist zu beachten, dass Nachfolgend soll ein kurzer Einblick in den Stand der
für Zement spezielle Qualitätsvorgaben einzuhalten Erforschung der Technologien zur CO2-Abscheidung
sind. Dies bedingt wiederum eine genau definierte gegeben werden. Die Forschungsagentur der euro-
Rohmehlzusammensetzung, mit der ein einwandfreier päischen Zementindustrie ECRA hat im Jahr 2007 ein
Ofenbetrieb gewährleistet und die spezifischen Pro- langfristiges Projekt zur Erforschung von Carbon Capture
dukteigenschaften des Zements wie z. B. Festigkeit, and Storage initiiert. Das Konsortium für dieses Projekt
Dauerhaftigkeit oder chemische Resistenz erreicht besteht aus Zementherstellern, Zementverbänden
Roadmap Industrie – Diskussionspapier Zement 2014 7und -vereinen, Anlagenherstellern und Gaslieferanten. Zementindustrie ergibt sich dadurch, dass sich
Im Zuge des Projektes soll die technische und wirt- das deaktivierte Kalzium-Sorbens für den Einsatz
schaftliche Machbarkeit der Abscheidung von CO2 in als Rohmaterial im Klinkerproduktionsprozess
der Zementindustrie als Voraussetzung für eine sichere eignen könnte.
geologische Speicherung untersucht werden. Für die
Zementindustrie stellen vor allem die hohen Rauchgas- Bei der Oxyfuel-Technologie handelt es sich um eine
volumen, die Abgaszusammensetzung und der Rein- weitere in Erforschung befindliche Methode zur CO2-
heitsgrad des Abgases eine Herausforderung dar. Um Abscheidung an Zementöfen:
auch die prozessbedingten CO2-Emissionen abscheiden • Beim Konzept der Oxyfuel-Technologie wird Sauer-
zu können, werden die sogenannte Post-Combustion- stoff anstelle von Luft in den Zementöfen zur Verbren-
Technologie und die Oxyfuel-Technologien näher unter- nung eingesetzt. Dadurch sollte ein vergleichsweise
sucht. reiner CO2-Strom erzielt werden, der z. B. kompri-
miert und in eine CO2-Transportinfrastruktur einge-
Nachfolgend werden einige Beispiele für Post-Com- leitet werden kann. Die Verwendung von Sauerstoff
bustion-Technologien aufgezählt: anstelle von Luft ist jedoch mit erheblichen Aus-
• Chemische Absorption: Die chemische Absorption wirkungen auf den Zementproduktionsprozess
mit Hilfe von Aminen hat sich in anderen Bereichen (Änderung der Energiebilanz, höhere Flammen-
wie der chemischen Industrie etabliert, wo die temperatur) verbunden, wodurch diese Technologie
Rauchgasvolumen und Absorbtionszyklen im Ver- nach ihrer Erprobung aus heutiger Sicht aufgrund
gleich zur Zementindustrie gering sind. Die Heraus- ihrer speziellen Anforderungen nur für neue An-
forderung liegt nun darin, diesen Prozess auf die lagen in Frage kommen wird. Unabhängig davon
Größenordnungen der Zementindustrie umzurüsten steckt diese Technologie derzeit in den Kinder-
und effizientere Absorbentien zu entwickeln. Um schuhen und erfordert intensive Untersuchungen,
eine Zersetzung der Absorbentien zu vermeiden, ist bevor sie in einer Pilotanlage eingehender unter-
für die Anwendung dieser Technologie die Reduktion sucht werden kann. Eine entsprechende Pilot-
von SO2, Feinstaub und Stickoxiden im Rauchgas anlage könnte frühestens im Jahr 2020 in Betrieb
erforderlich. Aufgrund der hohen Kosten müssen gehen. Die Anwendung in einer realen Zement-
Absorbentien zudem regeneriert und wiederverwen- anlage mit üblichen Größenordnungen wird nicht
det werden. Die Regeneration in einem Verdampfer vor 2025 erwartet.
ist mit hohen Energieverbräuchen verbunden und
erfordert die Installation eines zusätzlichen Kraft- Das ECRA-Projekt zur Erforschung der CO2-Abscheidung
werks wie z. B. einer kohle- oder gasbefeuerten ist auf eine globale Perspektive ausgelegt, bei der auch
Kesselanlage, deren CO2-Emissionen wiederum der Nachhaltigkeitsaspekt betrachtet werden soll. Dies
abgeschieden werden müssten. impliziert, dass nicht nur die CO2-Emissionen als solche,
• Membrantechnologien: Membrantechnologien sondern auch der sehr hohe Energieverbrauch für An-
können sich dann als eine taugliche Option erwei- lagen mit CO2-Abscheidungstechnologie betrachtet wird.
sen, wenn geeignete Materialien und Wäschetech- Bis heute liegen für keine der beschriebenen Methoden
nologien entwickelt werden können. Derzeit ist es Ergebnisse aus Versuchen an Drehrohröfen im indus-
fraglich, ob der Bau von Membranreaktoren in den triellen Maßstab vor. Die Betrachtungen für die CO 2 -
für die Zementindustrie erforderlichen Größenord- Abscheidung in der Zementindustrie basieren daher
nungen aus technischer Sicht möglich ist. vorwiegend auf theoretischen Studien mit begrenzter
• Carbonat Looping: Beim Carbonat-Looping- experimenteller Evaluierung. Weitere Anstrengungen
Verfahren wird Kalk als Kreislaufmedium für den zur Erforschung, Entwicklung und Demonstration der
Prozess eingesetzt. Bei diesem Prozess wird Kal- CO2-Abscheidetechnologie sind erforderlich, bevor diese
ziumoxid mit dem CO2 aus dem Abgas in Kontakt wirtschaftlich auf den Klinkerherstellungsprozess im
gebracht und im Zuge eines Sorptionsprozesses industriellen Maßstab angewendet werden kann. Bis-
Kalziumkarbonat erzeugt. Aus dem Kalziumkar- herige Forschungsergebnisse führen zur Erkenntnis,
bonat wird anschließend das CO2 ausgetrieben, dass die Vermeidungskosten pro Tonne CO2 inklusive
wodurch ein CO2-Strom mit einem hohen Reinheits- Investition, Transport und Speicherung bei Post-Com-
grad zur anschließenden Kompression und Einlei- bustion-Technologien im Bereich von 50–100 €/t und
tung in eine CO2-Transportinfrastruktur bzw. zur bei der Oxyfuel-Technologie im Bereich von 40–60 €/t
unterirdischen Speicherung erzielt werden kann. liegen werden. Die Herstellkosten für Zement würden
Dieser Prozess wird derzeit hinsichtlich der Möglich- durch die CO2-Abscheidung signifikant ansteigen. Es
keit einer Nachrüstung bestehender Zementanlagen wird erwartet, dass sich der Strom verbrauch für
eingehender untersucht. Die Synergie mit der die Klinkerherstellung durch diese Technologie
8 Roadmap Industrie – Diskussionspapier Zement 2014verdreifachen wird und sich die Produktionskosten In der folgenden Abbildung ist eine Kostenabschätzung
um 40–50 % erhöhen werden. für die vermiedene Tonne CO2 dargestellt:
Abbildung 2:
Direkte CO2-Vermeidungskosten von unterschiedlichen
Technologien in der Zementindustrie
(Quelle: ECRA 2014)
Die Grafik zeigt, dass neben den technischen Aspekten Mit alternativen Bindematerialien sind wesentliche
auch die wirtschaftlichen Rahmenbedingungen für die Herausforderungen verbunden, welche primär auf der
zukünftige Anwendung der CO2-Abscheidungstechno- begrenzten Verfügbarkeit der benötigten Materialien für
logien entscheidend sein werden. Die Anwendung der die Produktion und die beschränkte Anwendbarkeit der
CO2-Abscheidung wird zudem davon abhängen, ob die erzeugten Produkte beruhen. Im Folgenden sollen aus-
politischen Rahmenbedingungen Carbon Capture and gewählte Konzepte für neue Bindemittel kurz vorge-
Storage zulassen und das Risiko von Carbon Leakage stellt werden.
(damit wird die CO2-bedingte Verlagerung der Produk-
tion in das Ausland bezeichnet) effektiv eindämmen
werden. Weiters müssen die notwendigen Anreize, Kalksteinbasierte Zemente:
Forschungsförderungen und die langfristige Verbind- • Kalziumsulfoaluminatzement kann bei niedrigeren
lichkeit durch eine politische Unterstützung gewähr- Temperaturen hergestellt werden und ist aufgrund
leistet werden. Zur Nutzung bzw. Verwertung von des geringeren Kalkgehaltes im Vergleich zu her-
abgeschiedenem CO2 müssen noch geeignete Wege kömmlichem Portlandzement mit geringeren CO2-
gefunden werden. Die öffentliche Akzeptanz für den Emissionen verbunden. Diesem Vorteil steht vor
Transport und die Speicherung von CO2 wird dabei eine allem die schwierige und zeitintensive Verarbei-
wichtige Rolle spielen. Die Kompression und unter- tungsweise entgegen.
irdische Speicherung stellen eine Möglichkeit dar, die • Als ein Vertreter dieser Gruppe basiert „Aether“ auf
jedoch in Österreich per Gesetz erheblich eingeschränkt einer alternativen Produktionsmethode, wo der An-
wurde. Die Produktion von kohlensäurehaltigen Geträn- teil von Kalziumoxid reduziert und durch Aluminium-
ken bietet angesichts der großen CO2-Mengen in der sowie Siliziumoxid substituiert wird. Aufgrund des
Zementindustrie ein unrealistisches Potenzial. Andere geringeren Anteils von Kalziumoxid können die
Untersuchungen zielen auf CO2 als Grund- bzw. Roh- Brenntemperatur, der Brennstoffbedarf und die
stoff zur Herstellung von Kunststoffen und Lösungs- CO2-Emissionen reduziert werden. Die so produzier-
mitteln oder die Methanolsynthese ab. Bislang scheint ten Zemente werden für spezielle Anwendungs-
die Öffentlichkeit keine gefestigte Meinung zur CO2- bereiche optimiert. Eine Herausforderung stellt die
Abscheidung zu haben, hier bestünde durchaus ent- geänderte Rohstoffzusammensetzung dar, die an
sprechender Bildungs- und Informationsbedarf. den heutigen Standorten in der notwendigen Form
(Bauxite etc.) nicht zur Verfügung steht.
6.2.9 Alternative Zemente und
Bindemittel Kalziumaluminat und Kalzium-Aluminiumoxid-
Silikatzemente:
Schon seit längerer Zeit werden Alternativen zu Zement • Zu dieser Gruppe zählt z. B. „Celitement“. Die Her-
bzw. alternative Bindemittel erforscht. Hauptziel der stellung von „Celitement“ erfolgt auf Basis eines
Entwicklungen ist in den meisten Fällen die Reduktion geringeren Kohlenstoffgehaltes in der Rohstoff-
des Klinkeranteils bzw. eine Verringerung des Anteils mischung. Anstelle der heute weltweit angewendeten
von Kalziumoxid im Zement, da die Kalzinierung von Drehrohrofen-Technologie erfordert die Herstellung
Kalziumkarbonat einen wesentlichen Energieeinsatz von „Celitement“ die Anwendung von Druckgefäßen
erfordert und Hauptursache für die produktions- (Autoklaven) mit anschließender reaktiver Mahlung.
bedingten Brennstoff- und Prozessemissionen ist. Als ein erstes Anwendungsfeld von „Celitement“
Roadmap Industrie – Diskussionspapier Zement 2014 9sollen spezielle Baumaterialien wie Füllstoffe, Bislang hat keines dieser alternativen Konzepte
Fliesenkleber, Putze und Mörtel in Erwägung Marktreife erlangt. Es wird nicht erwartet, dass diese
gezogen werden. Materialien in den nächsten Jahren den derzeitigen
• Natürliche und künstliche Puzzolane: Puzzolane Portlandzementklinker signifikant substituieren wer-
können bis zu einem Anteil von 35 % als Ersatz von den können. Der heutige Anwendungsbereich von Ze-
Zementklinker dienen. Ihre Verfügbarkeit ist jedoch ment basiert auf umfangreichen und jahrzehntelangen
regional sehr unterschiedlich. praktischen Erfahrungen und der Anpassung der
Rezepturen an die regional zum Teil sehr unterschied-
Nicht kalksteinbasierte Zemente: lichen klimatischen Bedingungen (Frost-Tau-Wechsel,
• Magnesiumbasierte Zemente wie „Novacem“, chemische Resistenz), die strengen Sicherheitsvorgaben
„TecEco“ etc.: Bei diesen Zementen wird Kalzium- (Frühfestigkeit, Dauerhaftigkeit) sowie die hohen Pro-
karbonat durch korrespondierende Magnesiumkar- duktanforderungen am Markt (Baukultur und -tradition,
bonate und -oxide substituiert. Da die Reaktionen Baugeschwindigkeit, Ausschalzeiten-Akzeptanz). Auf
bei niedrigeren Temperaturen stattfinden, kann der diese Weise konnten Zement und seine Zusammen-
Energiebedarf um bis zu 30 % verringert werden. setzung mit weiteren Bestandteilen im Beton über
Aufgrund der beschränkten Verfügbarkeit der Jahrzehnte optimiert und perfektioniert werden.
magnesiumbasierten Bestandteile ist ihr Potenzial
für den weltweiten Einsatz eingeschränkt. Sollten einmal alternative Zemente oder Bindekon-
• „Calera“: Bei diesem Prozess wurde versucht, Kal- zepte das Entwicklungsstadium überwunden haben,
zium- und Magnesiumionen aus dem Meerwasser wird die eigentliche Herausforderung in ihrer Erpro-
zu gewinnen und in Verbindung mit CO2 und SO2 zu bung in der Praxis und in der Anpassung der Mixturen
gewünschten Kalzium- und Magnesiumkarbonaten an die bereits erwähnten regional sehr unterschiedli-
zu produzieren. Dieser Ansatz wurde letztlich auf- chen Vorgaben liegen. In diesem Sinne wird die Erfor-
grund der Versauerung des Ozeans, des großen schung der Anwendbarkeit alternativer Zemente mit
Wasser- und des großen Energiebedarfs nicht der erforderlichen Anpassung der Betonmixturen eine
mehr weiter verfolgt. wesentliche Breakthrough-Technologie darstellen.
• Geopolymere bestehen aus einer festen reaktiven
Komponente und einem alkalischen Aktivator (meist
Natronlauge). Da für die Herstellung der reaktiven
Komponente kein Kalkstein eingesetzt wird, entste-
hen im Vergleich zu gewöhnlichem Zement weniger
CO2-Emissionen. Mit Geopolymeren können sehr
hohe Festigkeiten für Anwendungen im korrosiven
sowie im hohen Temperaturbereich erzielt werden.
Die wesentliche technische Herausforderung bei
dieser Technologie liegt in der Aufrechterhaltung
einer stabilen und definierten Produktqualität sowie
der Performance im Beton. Geopolymere benötigen
eine hohe Basizität, die erreicht wird, indem der
Mischung kaum Wasser zugegeben wird. Die Visko-
sität wird dadurch sehr hoch und die Verarbeitbar-
keit sehr schwierig, der Umgang mit Laugen auf der
Baustelle ist zudem mit weiteren Herausforderungen
verbunden. Weltweit ist die Verfügbarkeit geeigneter
Bestandteile (Flugasche, Hüttensand ...) begrenzt,
sodass selbst bei Überwindung der technischen
Barrieren Geopolymere nur in begrenzten Mengen
produziert werden können.
10 Roadmap Industrie – Diskussionspapier Zement 20147.0 Literatur
[1] Allplan (2010): Energieeffizienz in der österrei-
chischen Zementindustrie, Allplan GmbH,
Verein Deutscher Zementwerke e.V., 2010,
www.zement.at/downloads/energieeffizienzanalyse.pdf
Download am 2014-03-10.
[2] BCG – Boston Consulting Group (2008): Assessment
of the Impact of the 2013-2020 ETS Proposal on the
European Cement Industry. Final Project Report,
November 2008.
[3] Mauschitz (2013): Emissionen aus Anlagen der
österreichischen Zementindustrie. Berichtsjahr
2012.
www.zement.at/downloads/emissionen_2012.pdf,
Download am 2014-03-10.
[4] McKinsey (2008): Änderungen der europäischen
Richtlinie zum Emissionshandel: Auswirkungen auf
die deutsche Zementindustrie. Im Auftrag von: Ver-
ein Deutscher Zementwerke e.V. und Bundesver-
band der Deutschen Zementindustrie e.V.
Düsseldorf, Juni 2008.
www.vdz-online.de/fileadmin/gruppen/vdz/3Litera-
turRecherche/UmweltundRessourcen/emissions-
handel/EU_ETS_Zementindustrie_DE.pdf,
Download am 2014-03-10.
[5] VÖZ (2012): Nachhaltigkeitsbericht 2012 der öster-
reichischen Zementindustrie.
www.zement.at/downloads/nachhaltigkeitsbericht_
2012.pdf,
Download am 2014-03-10.
Roadmap Industrie – Diskussionspapier Zement 2014 11Abkürzungsverzeichnis
BAT Best Available Techniques (dt. beste verfügbare Techniken (BVT))
BATC Best Available Techniques Conclusions (dt. BVT-Schlussfolgerungen)
BREF Best Available Techniques Reference Documents (dt. BVT-Merkblätter)
CO Chemische Formel von Kohlenmonoxid
CO2 Chemische Formel von Kohlendioxid
ECRA European Cement Research Academy (dt. Forschungsagentur der europäischen
Zementindustrie)
EMAS Eco-Management and Audit Scheme (Gemeinschaftssystem für Umweltmanagement und
Umweltprüfung)
ETS Emission Trading Scheme (dt. Emissionshandelssystem)
EU Europäische Union
FTI Forschung, Technologie und Innovation
F&E Forschung und Entwicklung
IPPC Integrated Pollution Prevention and Control
(dt. Integrierte Vermeidung und Verminderung der Umweltverschmutzung (IVU))
K Kärnten
NÖ Niederösterreich
OÖ Oberösterreich
ORC Organic Rankine Cycle (Verfahren des Betriebs von Expansionsmaschinen mit einem
organischen Arbeitsmittel)
Ö Österreich
S Salzburg
SO2 Chemische Formel von Schwefeldioxid
ST Steiermark
T Tirol
t Tonne
VÖZ Vereinigung der Österreichischen Zementindustrie
12 Roadmap Industrie – Diskussionspapier Zement 2014www.klimafonds.gv.at In Kooperation mit:
Sie können auch lesen
