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Tiefgreifende Dekarbonisierung der Industrie: Der Zementsektor

06. Mai 2020 von Julian Somers
Tiefgreifende Dekarbonisierung der Industrie: Der Zementsektor

Schlagzeilen

 

  • Die Verbrennung fossiler Brennstoffe zur Deckung des Heizbedarfs macht 35 % der CO2-Emissionen von Zement aus. Die restlichen 65 % sind auf direkte Prozessemissionen zurückzuführen, die ebenfalls angegangen werden müssen.
  • Der Einsatz von Biomasse in der Zementindustrie hat sich seit 2007 verdreifacht und macht derzeit 16 % des Brennstoffmixes aus.
  • Das zeigt die Analyse von Dekarbonisierungsszenarien, die kürzlich von verschiedenen Quellen veröffentlicht wurden:
  • Die Rolle der Biomasse bei der Dekarbonisierung des Sektors bis 2050 ist ungewiss, da die konkurrierende Nachfrage aus anderen Sektoren der Wirtschaft zunimmt.
  • Der Einsatz von Kohlenstoffabscheidung und -speicherung ist für eine tiefgreifende Dekarbonisierung aufgrund der prozessbedingten Emissionen bei der Zementherstellung unumgänglich.

 

 

 

Empfehlungen

 

  • Unterstützen Sie die Entwicklung von groß angelegten Demonstrationsprojekten für bahnbrechende Technologien, einschließlich der Elektrifizierung von Brennöfen, Technologien zur Kohlenstoffabscheidung und neuartige Zemente.
  • Unterstützen Sie den Aufbau einer CO2-Infrastruktur, einschließlich Transportnetzwerken, CO2-Speicherung und CO2-Valorisierung durch industrielle Symbiosen.
  • Stärkung des umweltfreundlichen öffentlichen Beschaffungswesens und Beschleunigung der Aktualisierung von Produktstandards, um die Nachfrage nach kohlenstoffarmen Baumaterialien zu erhöhen.

 

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Überblick über den Zementsektor

 

Zement ist das Bindemittel von Beton, dem am häufigsten verwendeten Baumaterial der Welt. Der Zementsektor ist ein bedeutender Verursacher von Treibhausgasemissionen, der weltweit für etwa 7 % der CO2-Emissionen (1) und in der EU für etwa 4 % verantwortlich ist.

 

Während die weltweiten Emissionen des Zementsektors kontinuierlich gestiegen sind, erreichten die Emissionen in der EU im Jahr 2007 mit 170 Mio. t CO2 ihren Höhepunkt und sind seitdem um 40 % auf 105 Mio. t CO2 gesunken (2). Dies ist vor allem auf den starken Rückgang der Zementproduktion in den letzten 15 Jahren zurückzuführen, von einem Spitzenwert von 262Mt im Jahr 2007 auf 168Mt im Jahr 2017, was einem Rückgang der Zementproduktion pro Kopf von 0,5 auf 0,3 Tonnen pro Person entspricht (3). Die CO2-Intensität der Zementproduktion hat sich in diesem Zeitraum um etwa 7 % verbessert (0,6 t CO2-Emissionen pro Tonne Zement im Jahr 2017) (2).

 

Bis 2050 wird erwartet, dass die Zementproduktion in der EU unter dem Niveau von vor 2010 bleiben wird, und zwar zwischen 165 Mio. t und 206 Mio. t in den Szenarien des FORECAST-Modells (4), das die Industrieanalyse der langfristigen strategischen Vision der Europäischen Kommission (5) speiste.

 

Überblick über Prozesswärme

 

Klinker und Klinkerersatzstoffe sind die aktiven Komponenten, die dem Zement seine Bindeeigenschaften verleihen. Die Herstellung von herkömmlichem Zementklinker ist ein extrem energie- und CO2-intensiver Prozess. In der EU werden inzwischen 90 % des Klinkers im energieeffizienteren Trockenklinkerverfahren hergestellt (2). Ältere, weniger effiziente Nassöfen wurden fast vollständig ausgemustert. Beim fortschrittlicheren Trockenverfahren werden die Rohmaterialien in einem Vorkalzinator bei ca. 900-1250oC kalziniert, um Kalkstein in Kalk umzuwandeln, wobei als Nebenprodukt CO2 freigesetzt wird. Die Materialien werden dann in einen Drehrohrofen gegeben, wo sie bei 1450oC (und Flammentemperaturen bis 2000oC) zu Klinker aggregieren (6). Der Klinker wird dann gekühlt, gemahlen und mit anderen Materialien zu Zement vermischt.

 

Die Verbrennung von Brennstoffen zur Beheizung von Zementöfen ist für 35 % des Kohlenstoff-Fußabdrucks von Klinker verantwortlich. Die anderen 65 % sind Prozessemissionen, die während der Kalzinierungsreaktion bei der Herstellung von Klinker freigesetzt werden.

 

Optionen zur Dekarbonisierung

 

Biomasse

 

Derzeit sind die Brennstoffe, die zur Bereitstellung der notwendigen Prozesswärme verwendet werden, eine Mischung aus fossilen Brennstoffen (hauptsächlich Petrolkoks, Kohle und Öl), Abfallbrennstoffen und Biomasse. Obwohl sich der Einsatz von Biomasse seit 2007 verdreifacht hat, macht sie derzeit nur 16 % des gesamten Brennstoffmixes in der EU aus (Abbildung 1).

 

 

Die Mitverwendung von Brennstoffen (Verwendung von alternativen Brennstoffen wie Abfall und Biomasse) macht derzeit fast die Hälfte aller in der EU-Zementindustrie verwendeten Brennstoffe aus, wobei einige Zementwerke zeitweise Substitutionsraten von 100 % erreichen (6). Es gibt jedoch beträchtliche Unterschiede zwischen den Mitgliedstaaten, die von 6 % (Griechenland) bis zu 65 % (Deutschland) nationalen durchschnittlichen Mitverarbeitungsraten reichen (7).

 

Während alternative Brennstoffe 100 % der Wärmeenergie liefern könnten, ist die vollständige Substitution fossiler Brennstoffe durch wirklich nachhaltige Biomasse aufgrund des geringeren Heizwerts der meisten organischen Materialien eine technische Herausforderung (8). Darüber hinaus wird bis 2050 die Verfügbarkeit von Biomasse für die Zementproduktion durch konkurrierende Ansprüche anderer Wirtschaftssektoren eingeschränkt. Die Szenarien für eine tiefgreifende Dekarbonisierung aus der langfristigen strategischen Vision der Europäischen Kommission gehen davon aus, dass mindestens die Hälfte der verfügbaren Biomasse für den Energiesektor verwendet wird.

 

Elektrifizierung von Wärme

 

Die Nutzung von Strom zur Bereitstellung von Prozesswärme könnte zur Dekarbonisierung des Sektors beitragen, wenn der Strom zu 100 % frei von fossilen Brennstoffen ist. Die Zementindustrie erforscht mehrere Technologien zur Elektrifizierung der Zementproduktion, einschließlich der Erzeugung der Wärme über Plasmageneratoren und Mikrowellenenergie, die jedoch noch nicht über das Labor hinaus entwickelt wurden (TRL 3). Der Bau einer Pilotanlage, die die Plasmatechnologie nutzt, wird derzeit untersucht (9).

 

Ein wichtiger möglicher Vorteil elektrifizierter Heizsysteme sind die viel höheren CO2-Konzentrationen in den Rauchgasen als bei Verbrennungsheizungen, von geschätzten 25 % CO2-Konzentration bis zu nahezu 100 % (10). Dies würde eine einfachere Abscheidung und Reinigung von CO2 aus Prozessemissionen ermöglichen.

 

Wasserstoff für Wärme

 

Die Verbrennung von Wasserstoff als Brennstoff kann die hohen Temperaturen erreichen, die im Zementherstellungsprozess erforderlich sind, wurde aber noch nicht getestet. Da sich die Verbrennung von Wasserstoff und die Wärmeübertragung (durch Strahlung) im Ofen erheblich von den derzeit verwendeten Brennstoffen unterscheiden würde, wären umfangreiche Untersuchungen zu den Modifikationen an den Zementöfen erforderlich (11). Die Zementherstellung mit einer Mischung aus Wasserstoff und Biomasse-Brennstoffen befindet sich derzeit in einem frühen Stadium der Untersuchung (TRL 2).

 

Kohlenstoffabscheidung

 

Um den Sektor vollständig zu dekarbonisieren, müssen die Prozessemissionen aus dem Klinkerherstellungsprozess unabhängig von der Wärmequelle angegangen werden. Ein Teil der Lösung wird die CO2-Abscheidung sein müssen - sowohl bei der Verbrennung als auch bei den Prozessemissionen, oder die Kombination einer CO2-freien Wärmequelle mit der Abscheidung konzentrierter Prozessemissionen.

 

In der EU werden derzeit verschiedene bahnbrechende Technologien untersucht, die sich alle auf TRL 6 befinden: (i) Post-Combustion-Technologien, die CO2 aus dem Rauchgas abtrennen; (ii) Oxyfuel-Verbrennung, bei der der Brennstoff mit Sauerstoff statt mit Luft verbrannt wird, was zu einer viel höheren CO2-Konzentration im Rauchgas führt; (iii) Calcium-Looping, das in das Zementwerk integriert oder als Tail-End-Technologie eingesetzt werden kann; (iv) und direkte Abscheidungstechnologie, die in Kombination mit einem CO2-freien Wärmeprozess angewendet wird. Die Wahl der Technologien hängt von ihrer technisch-wirtschaftlichen Wettbewerbsfähigkeit ab und ist abhängig von der Verfügbarkeit erneuerbarer Elektrizität und der Rückgewinnung und Integration von Abwärme (12).

 

CO2-Speicherung und -Nutzung

 

Neben der Implementierung von Technologien zur CO2-Abscheidung, um die Prozessemissionen und die möglicherweise verbleibenden Emissionen aus der Brennstoffverbrennung zu beseitigen, muss die Infrastruktur für den Transport, die Speicherung oder die Nutzung von CO2 entwickelt werden. Da das Potenzial für die CO2-Valorisierung durch die Marktnachfrage nach den resultierenden Produkten begrenzt ist (13), und angesichts der Menge an Kohlendioxid, die bei der Zementherstellung emittiert wird (106 Mio. t im Jahr 2016), wird die CO2-Speicherung wahrscheinlich ein unvermeidbarer Weg sein, um eine tiefgreifende Dekarbonisierung zu erreichen.

 

Kohlenstoffarme Zemente

 

Das durchschnittliche Klinker-zu-Zement-Verhältnis in der EU lag 2017 bei 75% (2). Die europäischen Normen unterscheiden fünf Hauptkategorien von Zementen basierend auf ihrer Klinkerzusammensetzung. Die am häufigsten verwendeten Zemente, Portland- und Portlandkompositzemente, haben Klinkeranteile von über 95 % bzw. 65 %. Klinker kann teilweise durch so genannte zementäre Zusatzstoffe ersetzt werden, wie z. B. Flugasche aus Kohlekraftwerken und Hüttensand aus der Stahlherstellung. Durch den reduzierten Klinkeranteil wird weniger Energie für das Brennen des Klinkers benötigt und ein Teil der prozessbedingten Emissionen bei der Klinkerherstellung wird vermieden. Abhängig von den Dekarbonisierungspfaden, die der Energie- und Stahlsektor verfolgt, werden diese alternativen Einsatzstoffe in Zukunft jedoch weniger verfügbar sein.

 

Es gibt beträchtliche laufende Forschungsarbeiten zu alternativen Klinkern, die weniger CO2 emittieren als Portlandzement. Einige sind bereits kommerziell verfügbar (aber mit begrenzten Anwendungen), während eine Reihe anderer Konzepte in der Forschung und Entwicklung sind (14); allerdings begrenzen angebotsseitige Barrieren (z. B. Verfügbarkeit und Kosten von Rohstoffen) und nachfrageseitige Barrieren (z. B. Einschränkungen in den Betonnormen) ihre Anwendung und Verbreitung.

 

 

 

Die Zementindustrie in Dekarbonisierungsszenarien 2050

 

Um verschiedene Wege zur Erreichung einer tiefen Dekarbonisierung des Sektors bis 2050 zu untersuchen, werden die Dekarbonisierungsoptionen in acht Szenarien aus vier Publikationen verglichen (siehe Abbildung 2). Die PRIMES- und FORECAST-Szenarien, die die langfristige strategische Vision der Europäischen Kommission speisten, betrachten den gesamten Sektor der nicht-metallischen Mineralien gemeinsam (Zement, Keramik, Glas und Kalk). Auf die Zementproduktion entfallen 40 % des gesamten Endenergiebedarfs des Sektors der nicht-metallischen Mineralien und 60 % seiner CO2-Emissionen.

 

 

Biomasse

 

Der Einsatz von Biomasse für die Zementproduktion bis 2050 variiert in den untersuchten Szenarien stark. Ein vollständig elektrifizierter Pfad könnte bis 2050 auf den Einsatz von Biomasse verzichten (ECF, New Processes), während in anderen Pfaden bis zu 4-mal mehr Biomasse als 2015 eingesetzt wird (EC, 1.5TECH). Negative Emissionen sind in einigen Szenarien enthalten, die eine nachhaltige Biomassenutzung mit der CO2-Abscheidung aus biogenen Quellen kombinieren (IEA, B2DS). In mehreren Szenarien ermöglicht ein frühzeitiger Brennstoffwechsel zu Biomasse eine frühzeitige Emissionsreduzierung, bevor andere bahnbrechende Technologien eingesetzt werden (der Einsatz von Biomasse verdoppelt sich von 2015 bis 2030 in ICF, CCS und Mix95).

 

Elektrifizierung

 

Die Nutzung von Elektrizität nimmt in 7 der 8 ausgewählten Szenarien zu. In Szenarien, in denen Technologien zur Kohlenstoffabscheidung, aber nur wenig elektrifizierte Wärme eingesetzt werden, steigt die Stromnachfrage nur geringfügig (oder gar nicht), und der verbleibende Anteil fossiler Brennstoffe ist höher (ICF, CCS; ICF, CCS; IEA, B2DS). In einem Szenario, in dem die Zementproduktion vollständig elektrifiziert wird, ist die Nachfrage nach erneuerbarem Strom bis zum 6-fachen des Strombedarfs von 2015 (ECF, New Processes).

 

Wasserstoff

 

Die Rolle von Wasserstoff variiert stark in den Szenarien und reicht von keinem Einsatz im Endenergiemix bis zu einem Drittel des Energiebedarfs in Szenarien, die den gesamten Sektor der nichtmetallischen Mineralien abdecken (ICF, Mix95; EC, 1.5LIFE und 1.5TECH).

 

Kohlenstoffabscheidung

 

Alle ausgewählten Szenarien, die eine tiefgreifende Dekarbonisierung des Zementsektors erreichen, beinhalten Technologien zur Kohlenstoffabscheidung, die als wichtigste Technologie zur Reduzierung der Prozessemissionen sowie der Emissionen aus industrieller Wärme, sofern diese noch vorhanden sind, angesehen wird. Bis 2050 werden in mehreren Szenarien mehr als 90 % der Zementwerke mit Kohlenstoffabscheidung ausgestattet (ICF, CCS und Mix95), wobei bis zu 120 Mio. t CO2 abgeschieden werden (ICF, CCS). Wo angegeben, variiert die eingesetzte Technologie zur Kohlenstoffabscheidung je nach Dekarbonisierungspfad, wobei bis zu 100 % der Zementöfen mit Post-Combustion-Kohlenstoffabscheidung in einem vollständig elektrifizierten Szenario (ECF, New Processes) oder 90 % der Öfen mit Oxy-Fuel-Technologie in Kombination mit fossilen Brennstoffen (ECF, CCS) ausgestattet sind.

 

Kohlenstoffarme Zemente

 

Klinkerersatzstoffe und/oder neue Zemente werden eingesetzt, um die CO2-Emissionen des Sektors in den Szenarien in unterschiedlichem Ausmaß zu reduzieren. Obwohl nicht in allen Fällen explizit angegeben, sind zusätzliche zementartige Materialien in allen Szenarien enthalten und könnten bis zu 40 % des Zementklinkers im Jahr 2050 ersetzen (ECF-Szenarien, verglichen mit 26 % heute). Neue kohlenstoffarme Zementsorten sind in einigen Szenarien gar nicht (ICF CCS und IEA B2DS) oder nur in sehr eingeschränktem Umfang (5% Substitution in ECF-Szenarien) enthalten. In einem Szenario werden neue Zemente eingesetzt, um 50% der gesamten Zementproduktion bis 2050 zu ersetzen (83Mt von 166Mt in ICF, Mix95).

 

Kreislaufwirtschaft und Materialeffizienz

 

Einige Szenarien (ICF, Mix95 und ECF, Circular Economy) setzen auf eine effizientere Nutzung von Zement und Beton. Es werden mehrere Optionen vorgeschlagen, darunter die Optimierung des Designs von Strukturen und Betonspezifikationen, die Gestaltung der Infrastruktur, um die Demontage und Wiederverwendung/Recycling von Beton zu ermöglichen, oder die Substitution von Beton durch CO2-freie Materialien wie Holz (bis zu 5 % Substitution in ECF-Szenarien). Auch wenn sie in diesen Szenarien die Notwendigkeit der Kohlenstoffabscheidung nicht ersetzen, könnten solche Dekarbonisierungsoptionen den Einsatz und die damit verbundenen Kosten von Technologien zur Kohlenstoffabscheidung verringern. Es wird erwähnt, dass die Digitalisierung potenziell eine wichtige Rolle bei der Optimierung des Designs und der Verwendung von CO2-ärmeren Optionen im Bauwesen spielen könnte (15). Die vollständige Ausschöpfung dieser Materialeffizienzpotenziale würde jedoch größere Änderungen an bestehenden Normen und Bauprozessen erfordern.

 

 

 

Referenzen

 

1. Internationale Energieagentur. Technology Roadmap - Low-Carbon Transition in the Cement Industry. 2018.

2. WBSCD. Getting the numbers right (GNR) Project. www.wbcsdcement.org/GNR-2016/index.html.

3. Eurostat. Bevölkerungsentwicklung - Demografischer Saldo und rohe Raten auf nationaler Ebene [demo_gind].

4. ICF & Fraunhofer ISI. Industrielle Innovation: Pathways to deep decarbonisation of Industry. Teil 2. 2018.

5. Europäische Kommission. Vertiefende Analyse zur Unterstützung der Mitteilung der Kommission COM(2018) 773. 2018.

6. Gemeinsame Forschungsstelle. Best Available Techniques (BAT) Reference. Europäische Kommission, 2013.

7. Ecofys. Marktchancen für den Einsatz alternativer Brennstoffe in Zementwerken in der EU. 2016.

8. Murray, A. und Price, L. Use of Alternative Fuels in Cement Manufacture: Analysis of Fuel Characteristics and Feasibility for Use in the Chinese Cement Sector. Berkeley National Laboratory, 2008.

9. Vattenfall. Pressemitteilung - Vattenfall und Cementa machen den nächsten Schritt zum klimaneutralen Zement. Januar 2019. group.vattenfall.com/press-and-media/news--pressreleases/pressreleases/2019/vattenfall-and-cementa-take-the-nextstep-towards-a-climate-neutral-cement.

10. Wilhelmsson, Bodil, et al. CemZero - A Feasibility Study Evaluating Ways to Reach Sustainable Cement Production via the Use of Electricity. Vattenfall und Cementa, 2018.

11. Hoenig, Volker, Hoppe, Helmut und Emberger, Bernhard. Technical Report: Carbon Capture Technology - Options and Potentials for the Cement Industry. ECRA, 2007.

12. Vatopoulos, Konstantinos und Tzimas, Evangelos. Bewertung von CO2-Abscheidungstechnologien im Zementherstellungsprozess. Journal of Cleaner Production, Vol. 32, 2012.

13. Pérez-Fortes , Mar, et al. Methanolsynthese unter Verwendung von abgeschiedenem CO2 als Rohmaterial: Techno-ökonomische und ökologische Bewertung. Applied Energy, Vol. 161, 2016.

14. Gartner, Ellis und Sui, Tongbo. Alternative cement clinkers. Cement and Concrete Research, Vol. 114, 2018.

15. Lehne, Johanna und Preston, Felix. Making Concrete Change - Innovation in Low-carbon Cement and Concrete. London, Chatham House, 2018.

16. Material Economics. Industrial Transformation 2050 - Pathways to Net-Zero Emissions from EU Heavy Industry. 2019.

17. Internationale Energieagentur (IEA). Energy Technology Perspectives 2017: Catalysing Energy Technology Transformations. 2017.

 

Kontakt:

 

Julian.somers(at)ec.europa.eu

Jose.moya(at)ec.europa.eu

 

Dieses Factsheet der Gemeinsamen Forschungsstelle, dem Wissenschafts- und Wissensdienst der Europäischen Kommission, zielt darauf ab, evidenzbasierte wissenschaftliche Unterstützung für den europäischen Politikgestaltungsprozess zu liefern. Die dargestellten wissenschaftlichen Ergebnisse stellen keine politische Position der Europäischen Kommission dar. Weder die Europäische Kommission noch irgendeine Person, die im Namen der Kommission handelt, ist für die Verwendung dieser Veröffentlichung verantwortlich.

 


Über Julian Somers

Somers

Julian hat einen interdisziplinären Hintergrund in Naturwissenschaft, Technik und Finanzen. Bei der Gemeinsamen Forschungsstelle der Europäischen Kommission konzentriert sich seine Arbeit auf die Dekarbonisierung des Industriesektors.


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