Um die globale Erwärmung zu begrenzen, muss der weltweite Ausstoß von CO2 sinken. Dieses gemeinsame Ziel haben die Vereinten Nationen im Pariser Klimaabkommen formuliert. Das hat Auswirkungen auf die industrielle Produktion. Energieintensive Branchen wie die Zementindustrie arbeiten an der Dekarbonisierung ihrer Prozesse. Unter anderem braucht es nachhaltige Optionen für die fossilen Brennstoffe. Nachhaltiger Zement ist das Ziel. Um die Ökobilanz bei der Herstellung zu verbessern, gibt es mehrere Möglichkeiten.

Warum muss die Herstellung von Zement nachhaltiger werden?

Bei der Herstellung von Zement entstehen etwa 7 Prozent des weltweiten Ausstoßes von CO2. Damit die Vorgaben des Pariser Klimaabkommens erfüllt werden, müsste dieser Wert bis zum Jahr 2030 um mindestens 30 Prozent sinken. Hauptverantwortlich sind chemische Prozesse bei der Kalzinierung, die rund 50 Prozent  der Emissionen ausmachen. Auf das Brennen entfallen circa 35 Prozent. Die restlichen 15 Prozent verteilen sich auf die übrigen Schritte des Prozesses inklusive der Logistik.

In der Herstellung von Zement lassen sich die Emissionen nur durch Prozessoptimierungen und den Einsatz von Zusatzstoffen reduzieren. Inzwischen definieren immer mehr Länder Ziele für mehr Klimaschutz. Beim Verfehlen der Vorgaben drohen finanzielle Sanktionen. Aber auch immer mehr Verbraucher wünschen nachhaltigen Zement, da er Kernbestandteil des Alltags-Baustoff Beton ist. Moderne Hersteller achten deshalb darauf, dass ihr Produkt klimafreundlich produziert wird und Ressourcen schont. Dies unterstützt nicht nur die direkten Abnehmer, sondern auch deren Geschäftspartner und Auftraggeber bei der Reduktion ihres CO2-Fußabdrucks und der Erreichung ihrer Klimaziele. Der Industrie bieten sich verschiedene Möglichkeiten, die Schadstoffemissionen zu verringern.

Das Brennen von Zementklinker aus Ton und Kalkstein ist energieintensiv. Im Drehofen muss der Ton im herkömmlichen Verfahren Temperaturen von mehr als 1400 Grad Celsius ausgesetzt werden. Seit einigen Jahren suchen Hersteller von Zement daher nach Ersatz für fossile Brenn­stoffe. Abfälle, die sich nicht für hochwertiges Recycling eignen, können als alternativer Brennstoff dienen. Damit werden sie Teil der Kreislaufwirtschaft und landen nicht ungenutzt auf einer Deponie, wo durch Zersetzungsprozesse ebenfalls CO2 freigesetzt wird. Neben organischen Abfällen wie Klärschlamm kann zum Beispiel Kunststoff als Brennstoff genutzt werden. 

Die Handhabung der alternativen Brennstoffe ist anspruchsvoll, da die Abfälle keine konstante Zusammensetzung aufweisen. Das erschwert die korrekte Dosierung.  Beim Transport der Abfälle zum Ofen kann es zu Brückenbildung und Blockaden kommen, wenn das Material ein geringes Gewicht und ein hohes Volumen hat. Probleme beim Materialfluss und eine wechselhafte Qualität der Brennstoffe können außerdem unerwünschte Schwankungen der Brennerflamme und der Temperatur verursachen. In ungünstigen Fällen entstehen Rück­stände, die die Qualität des hergestellten Zements beeinträchtigen. Die Industrie hat schon Lösungen für diese Probleme entwickelt: In professionellen Testcentern können Qualität und Eigenschaften der Abfälle gemessen und bewertet werden, bevor sie als Brennstoff zum Einsatz kommen. Die Produktionslinien sind für Materialien mit unterschiedlicher Dichte und Qualität optimiert. 

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Shredded plastics used as alternative fuels for cement production
Kohlenstaub ist in modernen Werken nicht mehr der primäre Brennstoff zur Herstellung von Zement. Da der Brennwert alternativer Brennstoffe schwankt, werden fossile Energieträger allerdings weiterhin zum Ausgleich benötigt. Zudem können Abfälle nicht zum Anfeuern der Öfen, sondern erst bei Erreichen der Zieltemperatur genutzt werden. Da Kohlenstaub noch gebraucht wird, um Schwankungen auszugleichen und den Ofen bei Verschmutzung durch Ablagerungen frei zu brennen, muss der Brennstoff in geringeren Mengen dosiert und variabel dem Prozess zugeführt werden. Im Ergebnis erreicht die Zementindustrie eine Reduzierung des Kohlenstaubs und damit niedrigere CO2-Emissionen zum Schutz der Umwelt. Pulverized coal still needed for cement production
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Durch das Oxyfuel-Verfahren kann der CO2-Aussstoß in der Produktion von Zement reduziert werden. Anstelle von Luft wird hierbei reiner Sauerstoff zum Brennen verwendet. Das erleichtert das anschließende Abscheiden des klimaschädlichen Kohlenstoffdioxids. Das CO2 entweicht nicht mehr in die Atmosphäre, sondern wird gesammelt und gespeichert. Darüber hinaus wird die benötigte Temperatur beim Brennen mit reinem Sauerstoff mit weniger Brennstoff erreicht, was sich günstig auf die Energiebilanz auswirkt. Das Verfahren ist technisch allerdings aufwendig. Bei einem zu niedrigen Anteil an Sauerstoff und unvollständiger Verbrennung kann giftiges Kohlenmonoxid entstehen. Unter Umständen wird hierbei auch die Qualität der Produkte beeinträchtigt. Um dieses Risiko zu minimieren, kommt es auch beim Oxyfuel-Verfahren auf eine genaue und zuverlässige Dosierung des Materials an. 

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Illustration of how to reduce CO2 emissions

Die meisten Verfahren zur Verbesserung der Ökobilanz in der Produktion von Zement zielen auf das Reduzieren fossiler Brennstoffe ab. Der größere Anteil an Kohlendioxid entsteht jedoch durch chemische Prozesse bei der Umwandlung von Kalkstein in Klinker. Ein Ziel der Industrie ist es, den Klinkeranteil durch das Beimischen von Zusatzstoffen zu reduzieren. Zum Einsatz kommen zum Beispiel extra fein gemahlener Kalkstein und kleingemahlener Beton sowie Flugasche, Hüttensand und Schlacke. Wesentliche Eigenschaften des auf Zement basierenden Baustoffs Beton sind Bindefähigkeit, Festigkeit und Härte. Sie sollen unter der Reduzierung des Klinkeranteils nicht leiden, damit trotzdem eine hohe Produktqualität garantiert werden kann. Die Mischsysteme in der Zementherstellung müssen die unterschiedlichen Rohstoffe in einem exakten Verhältnis dosieren und zusammenführen, damit daraus später hochwertiger Beton entsteht.

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   Close up of flame in rotary kiln during heating mode in cement plant

Beton

Rund 80 Prozent der CO2-Emissionen von Beton gehen auf das enthaltene Bindemittel Zement zurück. Bei der Herstellung einer Tonne des Baustoffs entstehen knapp 700kg Kohlendioxid. Die schlechte CO2-Bilanz des Zements schlägt sich ein zweites und drittes Mal in der CO2-Bilanz des Betons und der damit errichteten Gebäude nieder. Um die schlechten Umweltbilanzen zu beseitigen, muss das Bindemittel umweltfreundlicher hergestellt werden. Nur so ist es möglich die Carbonbilanz des Betons zu verbessern und sämtliche Anwendungen von Zement nachhaltiger zu gestalten.

Fazit: Das sind die zukünftigen Herausforderungen

Die Weltbevölkerung wächst. Global wird weiterhin viel gebaut. Die Nachfrage nach nachhaltigem Zement und Beton als Baustoff wird daher absehbar nicht sinken. Gleichzeitig wird der Klimaschutz immer wichtiger, um die Erderwärmung zu begrenzen. Die Herstellung von Zement muss „grüner“ werden, damit die Umwelt geschont wird. Vor allem in Europa haben viele Zementwerke damit begonnen, Ersatz für fossile Brennstoffe zu suchen und in eine schadstoffarme Produktion zu investieren. Weltweit gibt es jedoch einen großen Modernisierungsstau. Der Druck auf die Hersteller, den Ausstoß von Emissionen zu senken, wird weiter steigen. Je mehr Unternehmen auf eine „grüne“ Produktion und mehr Nachhaltigkeit setzen, umso knapper werden die alternativen Brennstoffe. Vor allem in Ländern mit hoher Recyclingquote sinkt in der Folge die Qualität des verfügbaren Materials. 

 

Für die Hersteller der Maschinenkomponenten ist dies eine Herausforderung: Die Anlagen für die Produktion von Zement müssen auf die Verwendung unterschiedlichster Schüttgüter ausgelegt sein. Die Zusammensetzung alternativer Brennstoffe kann stark schwanken. Das Beimischen von Zusatzstoffen in der Zementherstellung erfordert höchste Genauigkeit. Die Qualität des Baustoffs Beton darf nicht leiden. Mit modernen Systemen muss exaktes Dosieren auch unter anspruchsvolleren Bedingungen gewährleistet sein. Es kommt also auf Expertise und Erfahrung an, um gute Lösungen für die Zukunft zu finden.

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