Diepe ontkoling van de industrie: De cementsector

Krantenkoppen

• De verbranding van fossiele brandstoffen om aan de verwarmingsbehoeften te voldoen is verantwoordelijk voor 35% van de CO2-uitstoot van cement. De resterende 65% is het gevolg van directe procesemissies, die ook moeten worden aangepakt.
• Het gebruik van biomassa in de cementindustrie is sinds 2007 verdrievoudigd en is momenteel goed voor 16% van de brandstofmix.
• De onlangs door verschillende bronnen gepubliceerde analyse van de ontkolingsscenario's toont dat aan:
• De rol van biomassa bij het koolstofvrij maken van de sector tegen 2050 is onzeker vanwege de toegenomen concurrerende vraag van andere sectoren van de economie.
• Het afvangen en opslaan van koolstof is onvermijdelijk voor een diepe ontkoling vanwege de procesemissies die inherent zijn aan het maken van cement.

Aanbevelingen

• Ondersteuning van de ontwikkeling van grootschalige demonstratieprojecten voor baanbrekende technologieën, waaronder de elektrificatie van ovens, technologieën voor het afvangen van koolstof en nieuwe cementen.
• Ondersteuning van de ontwikkeling van een CO2-infrastructuur, met inbegrip van transportnetwerken, CO2-opslag en CO2-valorisatie door middel van industriële symbiose.
• Groene overheidsopdrachten versterken en de actualisering van de productnormen versnellen om de vraag naar koolstofarme bouwmaterialen te vergroten.

........................................................................................................................................................................................................

Overzicht van de cementsector

Cement is het bindmiddel van beton, het meest gebruikte bouwmateriaal ter wereld. De cementsector is een belangrijke uitstoter van broeikasgassen, verantwoordelijk voor ongeveer 7% van de CO2-uitstoot in de wereld (1), en ongeveer 4% in de EU.

Terwijl de wereldwijde emissies van de cementsector voortdurend zijn toegenomen, bereikte de uitstoot in de EU in 2007 een hoogtepunt met 170 miljoen ton CO2 en is deze sindsdien met 40% gedaald tot 105 miljoen ton CO2 (2). Dit is voornamelijk toe te schrijven aan de sterke daling van de cementproductie in de afgelopen 15 jaar, van een piek van 262 Mt in 2007 tot 168 Mt in 2017, wat overeenkomt met een vermindering van de cementproductie per hoofd van de bevolking van 0,5 tot 0,3 ton per persoon (3). De CO2-intensiteit van de cementproductie is in die periode met ongeveer 7% verbeterd (0,6 ton CO2-uitstoot per ton cement in 2017) (2).

Tegen 2050 zal de cementproductie in de EU naar verwachting onder het niveau van vóór 2010 blijven, dat in de FORECAST-modelscenario's (4 ) tussen 165Mt en 206Mt ligt, wat de analyse van de industrie van de strategische langetermijnvisie van de Europese Commissie heeft gevoed (5).

Overzicht van de proceswarmte

Klinker, en klinkervervangers, zijn de actieve componenten die cement zijn bindende eigenschappen geven. De productie van traditionele cementklinkers is een zeer energie- en CO2-intensief proces. In de EU wordt 90% van de klinker nu gemaakt via het energiezuinigere droge klinkerproductieproces (2). Oudere, minder efficiënte natte ovens zijn bijna uitgefaseerd. In het meer geavanceerde droge proces worden de grondstoffen in een precalculator gecalcineerd op ongeveer 900-1250oC om kalksteen om te zetten in kalk, waarbij CO2 als bijproduct vrijkomt. De materialen worden vervolgens in een rotatieoven gevoerd, waar ze bij 1450oC tot klinker worden samengevoegd (en de vlamtemperaturen oplopen tot 2000oC) (6). De klinker wordt vervolgens gekoeld, gemalen en gemengd met andere materialen om er cement van te maken.

De verbranding van brandstoffen om cementovens te verwarmen is verantwoordelijk voor 35% van de koolstofvoetafdruk van de klinker. De overige 65% zijn procesemissies, die vrijkomen bij de calcinatiereactie die gepaard gaat met de productie van klinker.

Mogelijkheden voor ontkoling

Biomassa

Momenteel zijn de brandstoffen die worden gebruikt om de noodzakelijke proceswarmte te leveren een mix van fossiele brandstoffen (voornamelijk petcoke, kolen en olie), afvalbrandstoffen en biomassa. Hoewel het gebruik van biomassa sinds 2007 is verdrievoudigd, vertegenwoordigt het momenteel slechts 16% van de totale brandstofmix in de EU (figuur 1).

De medeverwerking van brandstoffen (gebruik van alternatieve brandstoffen, zoals afval en biomassa) vertegenwoordigt momenteel bijna de helft van alle brandstoffen die in de cementindustrie in de EU worden gebruikt, waarbij sommige cementfabrieken af en toe een vervangingspercentage van 100% bereiken (6). Er zijn echter aanzienlijke verschillen tussen de lidstaten, variërend van 6% (Griekenland) tot 65% (Duitsland) van het nationale gemiddelde voor de bijwerking (7).

Hoewel alternatieve brandstoffen 100% van de thermische energie zouden kunnen leveren, is volledige vervanging van fossiele brandstoffen door werkelijk duurzame biomassa technisch gezien een uitdaging vanwege de lagere calorische waarde van de meeste organische materialen (8). Bovendien zullen concurrerende claims voor biomassa uit andere sectoren van de economie tegen 2050 de beschikbaarheid ervan voor de cementproductie beperken. De diepe ontkolingsscenario's uit de strategische langetermijnvisie van de Europese Commissie geven aan dat ten minste de helft van de beschikbare biomassa wordt gebruikt voor de energiesector.

Elektrificatie van warmte

Het gebruik van elektriciteit voor het leveren van proceswarmte kan bijdragen aan het koolstofvrij maken van de sector, als de elektriciteit 100% fossiele-brandstofvrij is. De cementindustrie onderzoekt verschillende technologieën om de cementproductie te elektrificeren, waaronder het opwekken van de warmte via plasmageneratoren en microgolvenergie, die nog verder moeten worden ontwikkeld dan het laboratorium (TRL 3). De bouw van een proeffabriek die gebruik maakt van plasmatechnologie wordt momenteel onderzocht (9).

Een belangrijk mogelijk voordeel van geëlektrificeerde verwarmingssystemen is de veel hogere CO2-concentraties in de rookgassen dan bij verbranding, van een geschatte 25% CO2-concentratie tot bijna 100% (10). Dit zou het gemakkelijker maken om CO2 uit de procesemissies af te vangen en te zuiveren.

Waterstof voor warmte

Het verbranden van waterstof als brandstof kan de hoge temperaturen bereiken die nodig zijn in het cementproductieproces, maar is nog niet getest. Aangezien de verbranding van waterstof en de warmteoverdracht (door straling) in de oven aanzienlijk zouden verschillen van de momenteel gebruikte brandstoffen, zou uitgebreid onderzoek naar de aanpassingen aan de cementovens nodig zijn (11). De cementproductie met een mengsel van waterstof en biomassabrandstoffen bevindt zich momenteel in een vroeg onderzoeksstadium (TRL 2).

Koolstofafvang

Om de sector volledig te ontkolen, moeten de procesemissies van het klinkerproductieproces worden aangepakt, ongeacht de warmtebron. Een deel van de oplossing zal moeten bestaan uit CO2-afvang - toegepast op zowel de verbranding als de procesemissies, of een combinatie van een nul-CO2-warmtebron met de afvang van geconcentreerde procesemissies.

Momenteel worden in de EU verschillende doorbraaktechnologieën onderzocht, die alle op TRL 6 worden toegepast: (i) naverbrandingstechnologieën die CO2 van het rookgas scheiden; (ii) oxybrandstofverbranding, waarbij de brandstof in zuurstof wordt verbrand in plaats van in lucht, waardoor een veel hogere CO2-concentratie in het rookgas ontstaat; (iii) calciumlooping, die in de cementfabriek kan worden geïntegreerd of als "tail-end"-technologie kan worden gebruikt; (iv) en directe scheidingstechnologie, toegepast in combinatie met een nul-CO2-warmteprocédé. De keuze van de technologieën zal afhangen van hun technisch-economisch concurrentievermogen en zal afhangen van de beschikbaarheid van hernieuwbare elektriciteit en de terugwinning en integratie van afvalwarmte (12).

CO2-opslag en -gebruik

Naast de toepassing van koolstofafvangtechnologieën om de procesemissies en de mogelijke resterende brandstofverbrandingsemissies aan te pakken, moet de infrastructuur voor het vervoer, de opslag of het gebruik van CO2 worden ontwikkeld. Aangezien het potentieel voor CO2-valorisatie beperkt is door de marktvraag naar de resulterende producten (13 ), en gezien de hoeveelheid kooldioxide die door de cementfabricage wordt uitgestoten (106Mt in 2016), zal CO2-opslag waarschijnlijk een onvermijdelijke route zijn om tot een diepe ontkoling te komen.

Koolstofarme cementen

De gemiddelde klinker-cementverhouding in de EU bedroeg in 2017 75% (2). In de Europese normen worden vijf hoofdcategorieën van cement onderscheiden op basis van hun klinkersamenstelling. De meest gebruikte cementen, Portland- en Portlandcomposietcement, hebben een klinkergehalte van respectievelijk meer dan 95% en 65%. Klinker kan gedeeltelijk worden vervangen door zogenaamde aanvullende cementmaterialen, zoals vliegas uit kolencentrales en hoogovenslakken uit de staalindustrie. Door de verminderde klinkerverhouding is er minder energie nodig voor het verbranden van klinkers en wordt een deel van de procesemissies die inherent zijn aan de klinkerproductie vermeden. Afhankelijk van de ontkolingstrajecten die de elektriciteits- en staalsector volgen, zullen deze alternatieve grondstoffen in de toekomst echter minder beschikbaar komen.

Er wordt veel onderzoek gedaan naar alternatieve klinkers die minder CO2 uitstoten dan Portlandcement. Sommige zijn al commercieel beschikbaar (maar met beperkte toepassingen), terwijl een aantal andere concepten nog in onderzoek en ontwikkeling zijn (14); maar belemmeringen aan de aanbodzijde (bv. beschikbaarheid en kosten van grondstoffen) en belemmeringen aan de vraagzijde (bv. beperkingen in concrete normen) beperken de toepassing en verspreiding ervan.

De cementindustrie in 2050 ontkolingsscenario's

Om verschillende wegen te verkennen om de sector tegen 2050 diepgaand te decarboniseren, worden de decarbonisatieopties in acht scenario's uit vier publicaties met elkaar vergeleken (zie figuur 2). De PRIMES- en FORECAST-scenario's die de strategische langetermijnvisie van de Europese Commissie hebben gevoed, beschouwen de hele sector van de niet-metaalhoudende mineralen (cement, keramiek, glas en kalk) als één geheel. De cementproductie is goed voor 40% van de totale vraag naar niet-metaalhoudende mineralen en 60% van de CO2-emissies van de sector.

Biomassa

In de onderzochte scenario's is er een sterke variatie in het gebruik van biomassa voor de productie van cement tegen 2050. Een volledig geëlektrificeerd traject zou tegen 2050 kunnen afzien van het gebruik van biomassa (ECF, New Processes), terwijl op andere trajecten tot 4 keer meer biomassa wordt ingezet dan in 2015 (EC, 1,5TECH). Negatieve emissies zijn opgenomen in sommige scenario's die duurzaam gebruik van biomassa combineren met CO2-afvang uit biogene bronnen (IEA, B2DS). In verschillende scenario's maakt een vroegtijdige overschakeling op biomassa een vroegtijdige vermindering van de uitstoot mogelijk voordat andere baanbrekende technologieën worden ingezet (het gebruik van biomassa verdubbelt van 2015 tot 2030 in ICF, CCS en Mix95).

Elektrificatie

Het gebruik van elektriciteit neemt in 7 van de 8 geselecteerde scenario's toe. Scenario's die gebruik maken van koolstofafvangtechnologieën maar weinig geëlektrificeerde warmte zien weinig (of geen) toename van de vraag naar elektriciteit, met een hoger resterend aandeel van fossiele brandstoffen (ICF, CCS; ICF, CCS; IEA, B2DS). In een scenario waarin de cementproductie volledig geëlektrificeerd is, is de vraag naar hernieuwbare elektriciteit tot 6 keer de elektriciteitsvraag in 2015 (ECF, New Processes).

Waterstof

De rol van waterstof varieert sterk in de scenario's, variërend van geen inzet in de uiteindelijke energiemix tot een derde van de energievraag in scenario's die betrekking hebben op de totale sector van de niet-metaalhoudende mineralen (ICF, Mix95; EC, 1.5LIFE en 1.5TECH).

Koolstofafvang

Alle geselecteerde scenario's om de cementsector diepgaand te ontkolen, omvatten koolstofafvangtechnologieën, die worden beschouwd als de belangrijkste technologie om de procesemissies te verminderen, alsook de emissies van industriële warmte wanneer die nog aanwezig zijn. Tegen 2050 is in verschillende scenario's meer dan 90% van de cementfabrieken voorzien van koolstofafvang (ICF, CCS en Mix95), waarbij tot 120Mt CO2 wordt afgevangen (ICF, CCS). Waar gespecificeerd, varieert de toegepaste koolstofafvangtechnologie afhankelijk van het ontkolingstraject, waarbij tot 100% van de cementovens is uitgerust met naverbranding van koolstof in een volledig geëlektrificeerd scenario (ECF, New Processes), of 90% van de ovens is uitgerust met oxy-fueltechnologie in combinatie met fossiele brandstoffen (ECF, CCS).

Koolstofarme cementen

Klinkervervangers en/of nieuw cement worden ingezet om de CO2-uitstoot van de sector in de scenario's in wisselende mate te verminderen. Hoewel niet in alle gevallen expliciet gespecificeerd, worden in alle scenario's aanvullende cementgebonden materialen opgenomen die in 2050 tot 40% van de cementklinker kunnen vervangen (ECF-scenario's, tegenover 26% nu). Nieuwe koolstofarme cementsoorten worden in sommige scenario's helemaal niet meegenomen (ICF CCS en IEA B2DS) of in zeer beperkte mate (5% vervanging in ECF-scenario's). In één scenario wordt nieuw cement gebruikt ter vervanging van 50% van de totale cementproductie tegen 2050 (83Mt van 166Mt in ICF, Mix95).

Circulaire economie en materiaalefficiëntie

Sommige scenario's (ICF, Mix95 en ECF, Circular Economy) berusten op een efficiënter gebruik van cement en beton. Er worden verschillende opties voorgesteld, waaronder het optimaliseren van het ontwerp van structuren en betonspecificaties, het ontwerpen van infrastructuur om demontage en hergebruik/recycling van beton mogelijk te maken, of het vervangen van beton door nul-CO2-materialen zoals hout (tot 5% vervanging in ECF-scenario's). Hoewel dergelijke decarbonisatieopties de behoefte aan koolstofafvang in die scenario's niet vervangen, kunnen ze de toepassing en de daarmee gepaard gaande kosten van koolstofafvangtechnologieën verlichten. Digitalisering wordt genoemd als potentieel een belangrijke rol voor de optimalisering van het ontwerp en het gebruik van CO2-arme opties in de bouw (15). Het volledig afvangen van deze mogelijkheden voor materiaalefficiëntie zou echter grote veranderingen in de bestaande normen en bouwprocessen vereisen.

Referenties

1. 1. Internationaal Energieagentschap. 2. Technology Roadmap - Low-Carbon Transition in the Cement Industry. 2018.

2. 2. WBSCD. 3. De juiste nummers krijgen (GNR) Project. www.wbcsdcement.org/GNR-2016/index.html.

3. Eurostat. 4. Bevolkingsveranderingen - Demografisch evenwicht en ruwe cijfers op nationaal niveau [demo_gind].

4. 4. ICF & Fraunhofer ISI. 5. Industriële innovatie: Trajecten naar een diepe ontkoling van de industrie. Deel 2. 2018.

5. Europese Commissie. Diepgaande analyse ter ondersteuning van de mededeling van de Commissie COM(2018) 773. 2018.

6. Gemeenschappelijk Centrum voor Onderzoek. 773. 6.1. Beste beschikbare technieken (BBT) Referentie. Europese Commissie, 2013.

7. Ecofys. Marktkansen voor het gebruik van alternatieve brandstoffen in cementfabrieken in de hele EU. 2016.

8. 8. Murray, A en Price, L. Gebruik van alternatieve brandstoffen in de cementfabricage: Analyse van de brandstofkenmerken en de haalbaarheid voor gebruik in de Chinese cementsector. Nationaal laboratorium Berkeley, 2008.

9. Vattenfall. Persbericht - Vattenfall en Cementa zetten de volgende stap naar een klimaatneutraal cement. Januari 2019. group.vattenfall.com/press-and-media/news--pressreleases/2019/vattenfall-and-cementa-take-the-nextstep-towards-een-klimaatneutrale-cement.

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

11. Hoenig, Volker, Hoppe, Helmut en Emberger, Bernhard. 12. Technisch verslag: Carbon Capture Technology - Options and Potentials for the Cement Industry. ECRA, 2007.

12. Vatopoulos, Konstantinos en Tzimas, Evangelos. Beoordeling van CO2-afvangtechnologieën in het cementproductieproces. Journal of Cleaner Production, Vol. 32, 2012.

13. Pérez-Fortes , Mar, et al., et al. Methanolsynthese met behulp van afgevangen CO2 als grondstof: Technisch-economische en milieubeoordeling. Toegepaste energie, Vol. 161, 2016.

14. Gartner, Ellis en Sui, Tongbo. Alternatieve cementklinkers. Cement en Betononderzoek, Vol. 114, 2018.

15. Lehne, Johanna en Preston, Felix. 16. Making Concrete Change - Innovatie in Low-carbon Cement and Concrete. Londen, Chatham House, 2018.

16. 16. Materiële economie. 17. Industrial Transformation 2050 - Pathways to Net-Zero Emissions from EU Heavy Industry. 2019.

17. 17. Internationaal Energieagentschap (IEA). Perspectieven voor energietechnologie 2017: Catalyseren van energietechnologietransformaties. 2017.

Contact:

Julian.somers(at)ec.europa.eu

Jose.moya(at)ec.europa.eu

Deze factsheet van het Gemeenschappelijk Centrum voor Onderzoek, de wetenschaps- en kennisdienst van de Europese Commissie, heeft als doel het Europese beleidsvormingsproces op wetenschappelijk bewijs gebaseerde ondersteuning te bieden. De wetenschappelijke output die tot uitdrukking komt, impliceert geen beleidsstandpunt van de Europese Commissie. Noch de Europese Commissie, noch enige persoon die namens de Commissie optreedt, is verantwoordelijk voor het gebruik dat van deze publicatie zou kunnen worden gemaakt.