Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Zementklinkerproduktion mit maximaler Auskopplung elektrischer Energie

Der Wandel im Energiemarkt lässt in den kommenden Jahren in Deutschland steigende Strompreise erwarten. Für energieintensive Industrien wie der Zementindustrie bedeutet dieses einen signifikanten Anstieg der Produktionskosten und somit einen negativen Einfluss auf die Wettbewerbsfähigkeit deutscher Unternehmen. Der innovative Kerngedanke dieses Antrages besteht darin, dass die Zementklinkerproduktion in unveränderter Menge und Qualität erfolgen kann, jedoch bei zugleich maximaler Stromerzeugung aus der anfallenden Prozessabwärme. Die erzeugte elektrische Energie soll der Grundlastdeckung der Zementproduktion von ± 110 kWh/t Zement dienen. Dabei wird die gesamte nutzbare thermische Energie des Abgasstroms nach dem Calcinator (Temperaturniveau ca. 850 - 900 °C) ausschließlich zur Stromerzeugung eingesetzt und nicht wie herkömmlich zur Rohmaterialvorwärmung. Hierfür muss der Zementklinkerbrennprozesses angepasst, eine Hochtemperatur - Austauschstufe neu entwickelt sowie die Stromerzeugungsaggregate ausgelegt werden. In Verbindung mit dem Einsatz alternativer Brennstoffe mit biogenem CO2 - Anteil, kann ein ökologischer sowie ökonomischer Vorteil entstehen. Ein simulationstechnischer sowie experimenteller Ansatz soll eine Bewertung des Konzeptes hinsichtlich der technischen Machbarkeit, seiner Umwelt- und energetischen Auswirkungen sowie der wirtschaftlichen Vorteile erbringen. Aufbauend auf diesem Forschungsvorhaben wird eine detaillierte Entwicklung hin zur Pilotanlage projektiert. Im Kern stehen die Chancen und Potenziale der mittelständisch strukturierten Zementindustrie, sich stärker in die Energiewende einzubringen und von dem rapiden Wandel zu profitieren. Hierdurch können insbesondere klein- und mittelständige Unternehmen ohne Möglichkeit einer Produktionsverlagerung ihren Standort sichern.

Für KMU ist das geplante Vorhaben insofern relevant, als Zementwerke vielfach mittelständische Betriebe sind und diese kaum die Möglichkeiten haben, derartig tiefgreifende Technologieänderungen eigenständig zu untersuchen.

Ergebniszusammenfassung:

Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens wurde ein innovatives Konzept zur Zementklinkerherstellung in Kombination mit dem Ziel einer integrierten, maximalen Stromerzeugung untersucht.

Hierzu wurde der klassische Klinkerherstellungsprozess bestehend aus Rohmahlung, Vorwärmer Calcinator und Drehrohrofen so angepasst, dass das heiße, staubbeladene Abgas direkt nach Calcinator entstaubt wird, um in einem anschließenden Abhitzekessel durch das hohe Temperaturniveau eine möglichst effiziente Erzeugung elektrischer Energie zu erreichen. Dafür wurden zwei innovative Staubabscheidetechnologien – eine bewegte Klinkergranalienschüttung und eine zirkulierende Wirbelschicht – entwickelt und modelliert.

In den untersuchten Szenarien wird eine Stromerzeugung von 62 bis 156 % des üblichen Eigenstrombedarfs eines Zementwerks in Deutschland erzielt. Diese potenzielle Stromeinsparung sowie der Einsatz günstiger Alternativbrennstoffe ist mit einer strompreissensitiven Betriebskostenersparnis im Bereich von 0,5 bis 4,9 €/t Klinker verbunden. Die Mehrproduktion von Strom schlägt sich nur bei einem hohen möglichen Strompreis positiv auf die Betriebskosten nieder. Am vielversprechendsten haben sich zwei Mischkonzepte aus klassischer Vorwärmung und innovativer Staubabscheidung erwiesen. Hier sind jedoch vergleichsweise hohe Staubfrachten im Abhitzekessel zu erwarten, sodass ein störungsarmer Betrieb noch über-prüft werden muss. Die CO2-Emissionen der untersuchten Szenarien sinken leicht um 0,06 bis 0,1 kg CO2/kg Klinker im Vergleich zur Referenz. Bei steigenden Anteilen erneuerbarer Energieträger am deutschen Strommix wird dieses Ersparnis weiter sinken.

Die Ergebnisse des Projekts zeigen die Chancen der Eigenstromerzeugung in Zementwerken auf und liefern wichtige Grundlagen für eine weitere, ggf. auch experimentelle Prozessentwicklung. Vor allem aus wirtschaftlichen Gesichtspunkten weist das Konzept Potentiale auf; eine signifikante CO2-Einsparung kann jedoch nicht erzielt werden.