Analytische Lösungen für eine sichere und effiziente CO₂-Speicherung in der Zementindustrie

Analytische Lösungen für eine sichere und effiziente CO₂-Speicherung in der Zementindustrie

Wäre die Zementindustrie ein Land, käme es, was den CO₂-Ausstoß betrifft, nach China und den USA. Oder in Zahlen gesprochen: Bei einer globalen Produktionsmenge von 4,5 Milliarden Tonnen Zement pro Jahr stößt die Zementindustrie rund 2,8 Milliarden Tonnen CO₂ aus und macht damit rund 8 % der gesamten Treibhausgasemissionen weltweit aus.¹

Diese CO₂-Emissionen, die bei der Zementherstellung entstehen, lassen sich grundsätzlich nicht vermeiden, denn sie beruhen auf einer natürlichen chemischen Reaktion des Rohstoffs und den Brennstoffemissionen: Das Rohmaterial Kalkstein wird bei Temperaturen von bis zu 1.500 °C (Kalzinierungsprozess) in Klinker umgewandelt, wodurch große Mengen an CO₂ freigesetzt werden.

Auch ein Einschränken der Zementindustrie selbst ist nicht realistisch, schließlich ist Zement als Bindemittel für Beton überall da notwendig wo gebaut wird. Selbst Projekte zur Förderung des Klimaschutzes, wie z.B. der Bau von Bahnstrecken, energieeffizienten Gebäuden usw. können nicht auf den wichtigen Baustoff Zement verzichten.

Es gibt einige Ansätze zur Reduzierung, wie z. B. die Nutzung von Abwärme, eine Verringerung des Klinkeranteils, neue Herstellungsverfahren, den Einsatz von Ersatzbrennstoffen und Recycling des Betons. Diese reichen jedoch nicht aus, um Klimaneutralität zu erreichen.  

CO₂-Abscheidung und Speicherung für eine klimaneutrale Zementindustrie

Eine vielversprechende Alternative ist das Herausfiltern von CO₂ aus Abgasen vor deren Freisetzung in die Atmosphäre. Abgeschiedenes CO₂ kann dann entweder gespeichert werden, z.B. unter der Erde in Gestein oder im Meeresboden (CCS) oder abgeschieden, transportiert und weitergenutzt werden, z.B. als Rohstoff für Herstellung von Polymeren, Treibstoffen und Baustoffen (CCU). Damit kann das CO₂ nach dessen Abscheidung transportiert und entweder gelagert oder als Rohstoff für die Herstellung von Polymeren, Brennstoffen und Baumaterialien weiterverwendet werden.

Die folgenden Konzepte zur Kohlenstoffabscheidung werden daher als wichtiger Ansatz betrachtet:

Kohlenstoffabscheidung und -speicherung (Carbon Capture and Storage – CCS)

Hierfür wird CO₂ abgeschieden, aufbereitet, komprimiert und zu einem Speicherort, z.B. unter der Erde (Gestein oder Meeresboden), transportiert. CO₂ kann entweder aus der Atmosphäre oder direkt aus den Emissionsquellen bei der Nutzung fossiler Brennstoffe in industriellen Prozessen oder bei der Stromerzeugung abgeschieden werden.

Kohlenstoffabscheidung und -nutzung (Carbon Capture and Utilization – CCU)

CO₂ wird abgeschieden, transportiert und weiterverwendet, z.B. als Rohstoff zur Herstellung von Polymeren, Kraftstoffen oder Baumaterialien.

Kohlenstoffabscheidung, -nutzung und -speicherung (Carbon Capture, Storage and Utilization – CCUS)

Dieser Ansatz umfasst alle Varianten von CCU und CCS. Mit CCUS lassen sich die hohen CO₂-Konzentrationen, die bei industriellen Aktivitäten entstehen, auffangen und effektiv nutzen. Daher kommt dieser Methode eine Schlüsselrolle bei der Dekarbonisierung zu.

Das Potenzial der Kohlenstoffabscheidung

Durch die Nutzung dieser Ansätze zur Kohlenstoffabscheidung in den verschiedenen Phasen des Zementherstellungsprozesses können Zementhersteller ihre Emissionen erheblich verringern. Jedes dieser Verfahren hat seine Vorteile in Bezug auf Kosten, Durchführbarkeit und Effizienz.

Pre-combustion capture

Diese Methode beinhaltet die Abscheidung von CO₂, bevor es während des Zementherstellungsprozesses freigesetzt wird. Durch die Umwandlung fossiler Brennstoffe in ein Gemisch aus Wasserstoff (H₂) und CO₂ wird das CO₂ abgetrennt und kann gespeichert werden, während H₂ als Brennstoff für den Zementprozess verwendet wird. Pre-Combustion Capture gilt als energieeffizienter als Post-Combustion, erfordert aber zusätzliche Investitionen in Anlagen und Verfahren.

Direkte CO₂-Abscheidung

Die direkte Abscheidung von CO₂ aus den Rauchgasen von Zementwerken erfolgt mit verschiedenen Techniken wie Membranen oder Adsorptionsmitteln. Sie hat den Vorteil eines potenziell geringeren Energieverbrauchs und geringerer Infrastrukturanforderungen, befindet sich aber noch in der Entwicklung und steht vor technischen Herausforderungen.

Die Abscheidung und Rückgewinnung von CO₂ zur Wiederverwendung durch Umwandlung in wertvolle Produkte mit dem Ziel, Kohlenstoffneutralität zu erreichen, ist ein wichtiges Thema in der industriellen Forschung und der Entwicklung innovativer Technologien. In der Zementindustrie können Anlagen zur CO₂-Abscheidung und -Speicherung installiert werden, um das CO₂ aus dem Rauchgas zu entfernen und anschließend zu reinigen, zu verflüssigen und zu speichern.

Vorteile der Kohlenstoffabscheidung in der Zementindustrie

Die Einführung der Technologie zur Kohlenstoffabscheidung in der Zementindustrie bietet mehrere Vorteile, darunter:

• Verringerung der Treibhausgasemissionen und des Kohlenstoff-Fußabdrucks
• Eine nachhaltige Zementproduktion durch Minimierung der CO₂-Emissionen ohne Beeinträchtigung der Qualität oder Funktionalität des Zements
• Sicherstellung der Einhaltung von Emissionsvorschriften und Vermeidung möglicher Strafen oder Einschränkungen
• Nutzung des Kohlenstoffs, z.B. zur Herstellung von Baumaterialien oder sogar zur Erzeugung wertvoller Chemikalien

Die Technologie zur Kohlenstoffabscheidung ist zwar sehr vielversprechend, aber es müssen noch einige Herausforderungen bewältigt werden. Dazu gehören die hohen Kosten für die Umsetzung, der notwendige Ausbau der Infrastruktur und eine effiziente Prozesskontrolle. Auch hier kann die TIC-Überwachung einen wichtigen Beitrag leisten. 

Die Fortschritte in der Technologieentwicklung und das wachsende Bewusstsein um die Notwendigkeit klimaschonender Lösungen hat zu steigenden Investitionen der Zementindustrie in Forschung und Entwicklung geführt. Erste Länder, wie z.B. die Schweiz, belohnen die Verwendung von kohlenstoffhaltigen Recyclingzementen in der Bauindustrie durch die Rückerstattung der Kohlenstoffsteuer.

Ausblick

Da die weltweiten Bemühungen zur Bekämpfung des Klimawandels zunehmen, stellt die Kohlenstoffabscheidung in der Zementindustrie eine entscheidende Lösung dar, die den Weg für eine grünere und nachhaltigere Zukunft ebnet. Durch die Umsetzung dieser verschiedenen Methoden können Zementhersteller die Treibhausgasemissionen erheblich reduzieren und gleichzeitig die Produktion von nachhaltigem Zement sicherstellen. Die oben dargestellten TIC-Messmethoden ermöglichen eine zuverlässige und effiziente Überwachung der Prozesse zur Kohlenstoffabscheidung und -nutzung. 

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¹ Vgl. Deutschland 2022 bei 754 Mio. Tonnen – Umweltbundesamt