Die Mechanik der Keramik: Wie die Industrie dekarbonisieren kann

Die Mechanik der Keramik: Wie die Industrie dekarbonisieren kann

Obwohl die Industrie weltweit versucht hat, zu nachhaltigeren Methoden überzugehen, hat sich der jährliche weltweite Abbau von Rohstoffen in den letzten 50 Jahren verdreifacht. In Europa hat die Keramikindustrie ihren Energieverbrauch in den letzten 25 Jahren dank neuer Fertigungstechnologien halbiert.

Nach Angaben der Europäischen Kommissionhat die Keramikindustrie in Europa über 338 000 Arbeitsplätze und hat einen Wert von 27,8 Milliarden Euro für die EU-Wirtschaft. Obwohl sie mit hohen Energiepreisen und der Abhängigkeit von Rohstoffen aus Nicht-EU-Ländern konfrontiert ist, können die KMU, aus denen sich die Branche zusammensetzt, schnell auf veränderte Anforderungen und neue Möglichkeiten reagieren.

Professor Ian M. Reaney, Inhaber des Dyson-Lehrstuhls für Keramik an der Fakultät für Materialwissenschaften und Ingenieurwesen der Universität Sheffield, war kürzlich in Modena, um über die Herausforderungen in der Keramikindustrie, die neuen Technologien, die möglicherweise zu einer drastischen Senkung der Emissionen führen können, und seine eigenen Beweggründe für die Unterstützung der Branche bei der Innovation zu sprechen.

Was sind für Sie als Keramikexperte die größten Herausforderungen in Ihrer Forschung?

Das sind viele. Die meisten keramischen Erzeugnisse werden mit schweren Methanbrennern hergestellt, so dass die traditionelle Keramikindustrie (Fliesen, Töpferwaren usw.) mit erheblichen Kohlenstoffemissionen verbunden ist. Eine weitere Herausforderung ist die Entwicklung von Materialien für nachhaltige Anwendungen wie Batterien, Brennstoffzellen, Kondensatoren für Elektrofahrzeuge zur Leistungssteigerung usw. Diese Materialien müssen verbessert werden, damit wir dazu beitragen können, dass die Welt effizienter mit Energie umgeht.

Sie hielten eine Grundsatzrede auf der 9. internationalen MSSM Konferenz eine Grundsatzrede gehalten, in der Sie über die Nachhaltigkeit der Keramikherstellung sprachen. Was sind Ihre Gedanken dazu?

Ein Aspekt ist die Massenproduktion von Keramik - diese Region Italiens ist sehr berühmt für die Herstellung von traditioneller Keramik in großen Stückzahlen. Diese Fabriken gibt es schon seit manchmal Hunderten von Jahren. Im Großen und Ganzen verwenden sie seit 30 bis 40 Jahren die gleichen Herstellungsmethoden. Sie verbrennen Methan, das natürlich teurer ist als früher, aber das Schlimmste ist, dass es ein riesiger CO2-Emittent ist. Die Temperaturen sind sehr hoch, so dass eine Menge Gas verbrannt wird. Man sintert oder verdichtet diese Keramiken bei etwa 1100 bis 1200 °C.

Die Schaffung nachhaltiger Herstellungsverfahren ist also ein wichtiges Ziel, das wir in den nächsten Jahren wirklich angehen und erreichen müssen.

Was sind die Alternativen?

Derzeit gibt es für die Massenproduktion von Keramik - Töpferwaren, Ziegel, Dachziegel, dekorative Fliesen - nur sehr wenige Alternativen, die sofort eingesetzt werden können.

Öfen sind riesig. Sie kosten Millionen und sind für eine Betriebsdauer von 30 bis 40 Jahren ausgelegt. Das ist ein sehr hoher Investitionsaufwand. Das Problem ist, dass die Abkehr davon teuer ist und die Technologien derzeit nicht so klar sind.

Es gibt zwei konkurrierende Technologien. Die eine besteht darin, die Anlagen auf die Verbrennung von Wasserstoff oder Gemischen aus CH4 und Wasserstoff umzurüsten, aber die Technologie steckt noch in den Kinderschuhen. Die andere besteht darin, Elektroöfen zu bauen, aber diese Elektroöfen werden ganz neue Öfen sein, die die Öfen in der Fabrik ersetzen würden. Die Investitionskosten für die Ausrüstung sind also extrem hoch. Das muss bei jeder Art von langfristiger Planung für ein Unternehmen berücksichtigt werden, wenn es den Weg der Elektrifizierung gehen will.

Die Herausforderung für die Nachhaltigkeit besteht also darin, die unnötige Wärme zu reduzieren.

Was die Nachhaltigkeit betrifft, so gibt es zwei Dinge. Bei der Herstellung von Keramik fällt viel Abfall an. Keramik ist zerbrechlich, bei der Produktion werden Fehler gemacht, und es entstehen Defekte. Die erste Aufgabe besteht darin, den Abfall zu minimieren. Das zweite ist die Wiederverwendung der Abfälle, die entstehen. Durch die Wiederverwendung von Abfällen oder die Hinzufügung von Dingen zum Prozess besteht die Möglichkeit, die Verdichtungstemperatur [die Temperatur, bei der kleine Partikel zu einer dichten Masse verschmelzen] zu senken. Bei einem herkömmlichen Verfahren ist das ziemlich schwierig, und man kann nur einige zehn Grad erreichen. Das ist vorteilhaft und wir sollten es auf jeden Fall tun. Aber das bedeutet nicht, dass der im Produkt enthaltene Kohlenstoff massiv reduziert wird. Es verringert ihn und verbessert ihn, aber es ist kein Patentrezept.

Wie werden diese Abfallprodukte derzeit gehandhabt?

Bei guter Bewirtschaftung können wir in einer Keramikfabrik eine beträchtliche Menge recyceln. Alle vorgebrannten [Keramiken] werden recycelt, und die gebrannten Abfälle werden teilweise recycelt. Aber dann gibt es noch die so genannte industrielle Symbiose, bei der die Abfälle in anderen Technologien wiederverwendet werden können. Zement/Beton ist eine dieser Technologien, die sehr beliebt ist, weil Zement Partikel enthält, und diese Partikel können Stücke von gebrannten Abfällen aus anderen Herstellungswegen von Keramik sein.

Wenn Sie eine Keramikfabrik besuchen, werden Sie leider feststellen, dass die Abfälle entweder neben der Fabrik gelagert oder im schlimmsten Fall auf einer Deponie entsorgt werden. Die Suche nach Mitteln und Wegen, um eine industrielle Symbiose zu erreichen, ist eine große Herausforderung, der man sich stellt. Aber es wird eine Weile dauern.

Welche Rolle spielt das Wasser in diesen Prozessen?

Wasser ist in allem enthalten. Sie verwenden Wasser als Teil des Verglasungsprozesses. In der Regel wird ein so genannter Wasserfall aus einer partikelförmigen Aufschlämmung hergestellt, und die Grundlage dieser Aufschlämmung ist Wasser. Der Ton selbst gibt Wasser ab, weil er ein hydratisiertes Mineral ist. Wasser ist so gut wie in allen Prozessen enthalten.

Ich würde sagen, der offensichtlichste Ort, an dem man Wasser sieht, ist während des Sprühtrocknungsprozesses, der die Granulation erzeugt, und auch beim Auftragen der Glasur und der so genannten Engobe, einer Vorglasurschicht.

Ein Projekt, das auf der MSSM hervorgehoben wird, ist das von der EU finanzierte iWAYS das darauf abzielt, nachhaltige Industrien durch die Einführung von Technologien zur Rückgewinnung von Wasser und Energie aus Industrieabgasen zu fördern. Wie könnte die iWAYS-Technologie Ihrer Meinung nach der Keramikindustrie nützen?

Die Hauptziele des iWAYS-Projekts sind die Energierückgewinnung durch Wärmetauschersysteme und die Wasserrückgewinnung. Man könnte sich also vorstellen, dass man Wasser aus Prozessen zurückgewinnen und es bei der Granulierung und im gesamten Prozess der Keramikherstellung wiederverwenden kann.

Energierückgewinnungssysteme, die iWAYS und frühere Projekte entwickelt haben, sind ebenfalls wichtig. Die auf der Heatpipe-Technologie basierenden Wärmeaustauschsysteme können einen ungewöhnlich großen Temperaturbereich abdecken. So können niedrige Temperaturen, niedrige Wärmegrade und hohe Wärmegrade gleichermaßen gut genutzt werden. Sie ermöglichen eine erhebliche Energierückgewinnung und können die Wärme in die Produktion zurückführen und den Gesamtenergieverbrauch im Herstellungsprozess senken.

Ich denke, das hat zwei Aspekte. Der Hauptaspekt ist wahrscheinlich die Energierückgewinnung, aber man muss auch das Wasser verwalten und sicherstellen, dass es recycelt und wiederverwendet wird.

Was ist Ihrer Meinung nach die beste Einzelmaßnahme zur Dekarbonisierung der Keramikindustrie?

Es braucht eine ganzheitliche Antwort. Man muss die Ressourceneffizienz im Auge behalten, d. h. so viel Abfall wie möglich wiederverwenden. Man muss sich mit der Reduzierung von Kohlenstoff und Rohstoffen befassen und z. B. Kalkstein aus den Rezepturen streichen.

Man muss sich mit der Energierückgewinnung befassen, vielleicht mit der Wärmerohrtechnologie, um Dinge anzugehen, die derzeit nicht genutzt werden. Die Umleitung von Heißluft wird routinemäßig genutzt, aber die Wärmerohrsysteme sind viel fortschrittlicher als das.

Die andere Möglichkeit besteht darin, die Regierungen zur Dekarbonisierung des Netzes zu ermutigen. Aber wir können nicht warten, bis diese Megaprojekte für Wasserstoff und Elektrifizierung abgeschlossen sind. Wir müssen mit den Konzepten zur Ressourcen- und Energieeffizienz beginnen, die zum Beispiel in iWAYS diskutiert werden. Wir müssen sofort damit beginnen, wenn es nicht schon läuft, denn man kann in diesem Bereich ganz erheblich vorankommen, wenn man kleine Verbesserungen bei der Dekarbonisierung durch Ressourceneffizienz vornimmt. Dies wird noch mindestens zehn Jahre lang die vorherrschende Strategie zur Kohlenstoffreduzierung sein, bevor die Megaprojekte Wasserstoff und Elektrifizierung ihre Wirkung entfalten.

Wie hat sich die Branche in Europa Ihrer Meinung nach entwickelt?

Das hängt davon ab, wo in Europa man sich befindet, denn ein großer Teil der Keramikindustrie ist heute in den Fernen Osten ausgelagert. Ich glaube, es hat eine Entwicklung dahingehend stattgefunden, dass wir die Arbeitsplätze hier erhalten und die Kontrolle über den verkörperten Kohlenstoff behalten wollen, anstatt einfach die Produktion einzustellen und zuzulassen, dass Produkte mit hohem verkörperten Kohlenstoff aus anderen Ländern importiert werden.

Ich glaube, dass sich in den Unternehmen ein neues Denkmuster der Nachhaltigkeit herausgebildet hat. Dies ist zum Teil auf staatliche Initiativen zurückzuführen, zum Teil aber auch auf die Erkenntnis, dass es einen Markt für nachhaltige Produkte gibt. Letzten Endes wollen die Menschen Geld verdienen.

Wenn man sich die drei Säulen der Nachhaltigkeit ansieht, dann sind das Wirtschaft, Gesellschaft und Umwelt. Man braucht alle drei Säulen. Die Wirtschaft ist Teil der Nachhaltigkeit. Was nützt es, ein absolut nachhaltiges Netto-Null-Produkt zu haben, das niemand kauft? Es gibt eine Akzeptanz dafür, dass dies ein gangbarer Weg für ein Geschäftsmodell ist. Ich sehe, dass sich die Dinge ändern, während es früher darum ging, zu extrem niedrigen Kosten zu produzieren oder einige hochwertige Materialien zu einem sehr hohen Wert zu erhalten, ohne an den hohen verkörperten Kohlenstoff zu denken. Die meisten Unternehmen haben jetzt eine ganze Reihe nachhaltiger Produkte mit einer besseren Umweltbilanz, und sie müssen diese Umweltbilanz auch nachweisen. Diese Produkte müssen nachweislich umweltfreundlicher sein.

Glauben Sie, dass sich die Unternehmen in der Keramikindustrie der Nachhaltigkeitsthematik immer mehr bewusst werden?

Es ist das Zuckerbrot und die Peitsche. Die Peitsche" kommt von der Regierung: Wir können nicht weiter fossile Brennstoffe verbrennen, also werden uns Kohlenstoffzertifikate und Ähnliches auferlegt. Und dann gibt es noch das 'Zuckerbrot' - Dinge wie den europäischen Green Deal, und im Vereinigten Königreich gibt es ähnliche Maßnahmen. Diese Dinge wirken zusammen - ein ermutigender Ansatz bei den Investitionen und ein harter Ansatz bei der Gesetzgebung.

Das vollständige Interview finden Sie als Video: youtu.be/dTe08sh4P5A