Energie in der Zementherstellung

Energie ist kostbar – und wird in rauen Mengen benötigt, auch für die Herstellung von Klinker und Zement. Viele Milliarden von Kilojoule und Kilowattstunden werden hier jedes Jahr umgesetzt, um Öfen zu befeuern und Mühlen anzutreiben. Aber wo kommt diese Energie her?

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Thermische und elektrische Energie

Bei der Herstellung von Klinker und Zement wird sowohl thermische als auch elektrische Energie umgesetzt. Der durchschnittliche Bedarf an thermischer Energie für die Zementherstellung lag – nach Angaben des Vereins Deutscher Zementwerke (VDZ) – im Jahr 2019 allein in Deutschland bei ca. 2,8 Millionen kJ/t Zement. Zum Vergleich: Aus einer Tonne Zement lassen sich – je nach Dichte – etwa zwei Kubikmeter Beton herstellen. Mit 2,8 Millionen Kilojoule (kJ) Energie kann eine handelsübliche 7,3-Watt-LED-Birne etwa 12 Jahre lang ununterbrochen brennen.

Wichtige Faktoren, die den Bedarf an thermischer Energie bestimmen, sind

• die chemisch-mineralogischen Reaktionen bei der Klinkerbildung
• der Feuchtegehalt des Rohmaterials (zur Trocknung werden Abwärme und Ofenabgase verwendet)
• der Anteil alternativer Brennstoffe (eine hohe Substitution fossiler Brennstoffe kann den Energiebedarf erhöhen)
• die Ofenkapazität
• die Wandwärmeverluste der Öfen

Elektrische Energie wird genutzt, um Zement zu mahlen (rund 46% des elektrischen Energieeinsatzes), Klinker zu brennen und zu kühlen, Rohmaterialien aufzubereiten und Zement zu transportieren. Der durchschnittliche Bedarf an elektrischer Energie für die Zementherstellung lag 2019 in Deutschland bei 111,9 kWh/t Zement. Zum Vergleich: Ein Zwei-Personen-Haushalt ohne elektrische Warmwasseraufbereitung verbraucht rund 2.100 kWh im Jahr.

Wichtige Faktoren, die den Bedarf an elektrischer Energie bestimmen, sind

• wie fein der Zement gemahlen wird
• welche Klinkeralternativen zum Einsatz kommen (Hüttensande müssen zum Beispiel mehr gemahlen werden, um die gleiche Produktqualität zu erhalten)
• in welchem Umfang Abgasreinigungsanlagen eingesetzt werden
  
• welche Maßnahmen zur Verbesserung des thermischen Wirkungsgrades eingesetzt werden (zum Beispiel verbrauchen Systeme zur Abwärmenutzung ebenfalls Strom)

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Energieerzeugung

Trotz vieler Bemühungen kann die Energieerzeugung in der Zementindustrie nicht als umweltfreundlich bezeichnet werden: Die Energie wird in der Regel durch Verbrennung verschiedener Stoffe gewonnen. Braunkohle und Steinkohle gehörten auch für die Zementindustrie lange zu den Hauptenergiequellen. Daneben werden Petrolkoks, Heizöle, Erdgas und andere Gase genutzt.

Erst seit den 1990er-Jahren werden alternative Brennstoffe in der deutschen Zementindustrie verwendet. Mittlerweile wird der Brennstoffenergiebedarf der deutschen Zementindustrie zu fast 70% durch alternative Brennstoffe gedeckt. Dazu zählen unter anderem Altreifen, Altöl, Tiermehle, aufbereitete Gewerbe- und Siedlungsabfälle sowie Klärschlamm.

Strom- und wasserstoffbasierte Klinkerherstellung

Eine Überlegung, um den Bedarf an Brennstoffen und damit auch den CO₂-Ausstoß zu reduzieren, ist, die Wärmebereitstellung im Klinkerbrennprozess auf Wasserstoff oder Strom umzustellen. Dadurch lassen sich zwar die energiebedingten CO₂-Emissionen beeinflussen, nicht jedoch die rohstoffbedingten, die rund zwei Drittel ausmachen. Das CO₂ aus der Entsäuerung des Rohmaterials entsteht unabhängig von der Art der Feuerung oder Beheizung. Ebenfalls ungeklärt ist, ob für eine elektrische Klinkerproduktion – genauso wie für andere Industrieprozesse – bezahlbare, dauerhaft verfügbare und vor allem ausreichende Mengen CO₂-freien Stroms erzeugt werden können.

Ob sich Wasserstoff auch für den Brennprozess eignet, ist noch nicht ausreichend erforscht. Bisher bekannt ist, dass die geringe Strahlungswärme der Wasserstoffflammen in Drehöfen sich schlecht auf das Brenngut, sprich den Kalk, überträgt. Mit Wasserstoff kann derzeit also nicht die gesamte Feuerungswärme erzeugt werden, allerdings scheint ein Anteil von ca. 10% am Hauptbrenner ohne negative Auswirkungen auf den Brennprozess möglich.

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Energieeffizienz

Da der Großteil des Brennstoffenergieeintrags für die chemischen und mineralogischen Reaktionen benötigt wird, ist das Potenzial für eine Verbesserung der Energieeffizienz begrenzt. Eine Studie des VDZ hat ergeben, dass selbst bei einem Neubau aller Ofen- und Mahlanlagen der Energiebedarf lediglich um 9% sinken würde.

Auf verschiedenen Wegen wird in Zementfabriken bereits versucht, Energie effizienter zu nutzen. So wird die Abwärme aus dem Brennprozess mehrfach genutzt, etwa zum Vorheizen der Verbrennungsluft sowie zum Trocknen und Vorwärmen der Brenn- und Rohstoffe. Bei der Stromerzeugung aus Abwärme wird dagegen nur ein geringer Gesamtwirkungsgrad von maximal 15 bis 25% erreicht.

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