Mit Sonnenlicht gebaut
Zement ist überall: in Fußböden, Wänden, Zimmerdecken und manchmal auch in den Köpfen von Forschern – jedoch im positiven Sinne: Forschende des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) arbeiten an einem Verfahren zur umweltfreundlichen Herstellung von Zement. Mit konzentrierter Solarstrahlung soll der energieaufwendige Prozess zur Herstellung unseres wichtigsten Baustoffs zukünftig deutlich klimaverträglicher ablaufen.
Die Zementindustrie ist einer der größten CO₂-Emittenten weltweit. Etwa acht Prozent der globalen Treibhausgasemissionen stammen aus der Zementproduktion. Circa 60 Prozent davon resultieren aus der Kalzinierung von Kalkstein. Die klassische Kalzinierung, ein wichtiger Schritt in der Zementherstellung, erfolgt heute fast ausschließlich mit fossilen Brennstoffen. Das Projekt CemSol zielt darauf ab, diesen Prozess durch solarthermisch erzeugte Hochtemperaturwärme zu ersetzen und gleichzeitig CO₂ zu binden. Dazu wird ein geschlossener Kreislauf, der Calcium-Looping (CaL), genutzt. Dies würde es erlauben, weiterhin auf den unersetzlichen Baustoff Zement zu bauen. Zement ist das in Volumen am meisten gehandelte Erzeugnis weltweit.
Was genau ist eigentlich Zement?
Zement ist ein fein gemahlenes Bindemittel, das mit Wasser chemisch reagiert und dabei erhärtet. Er besteht hauptsächlich aus fein gemahlenem Klinker, hergestellt aus Kalkstein und Ton, sowie weiteren Zusätzen wie Gips (reguliert die Abbindezeit) und gegebenenfalls Zumahlstoffe wie zum Beispiel Hüttensand oder Flugasche. Zement ist ein Ausgangsstoff, wohingegen Beton ein Verbundwerkstoff ist, der aus Zement, Wasser sowie Zuschlagstoffen wie Sand und Kies besteht. Der Zement wirkt dabei als „Kleber“, der die Bestandteile zu einem festen Baustoff verbindet. Kurz gesagt: Zement ist ein Bestandteil von Beton – Beton ist das fertige Material.
Jede Tonne Zement verursacht etwa eine halbe Tonne CO₂ bei der Herstellung. Mit CemSol könnten je nach Anwendungsort über 90 Prozent der CO₂-Emissionen aus der Kalzinierung vermieden werden – ohne Veränderung der Zementqualität. Hinzu kommt, dass das Kalzinierungsverfahren ein echter Materialkreislauf ist: Es entsteht kein Abfall, es gibt keinen Verlust. Kalziumoxid wird wieder zu Kalziumkarbonat, das erneut kalziniert wird.
Zahlen, Daten, Fakten
Mit der Kraft der Sonne
Studien des DLR zeigten bereits, dass konzentrierte solarthermische Strahlung eine der günstigen Hochtemperatur-Wärmequellen sein kann. Die Nutzung von Sonnenenergie reduziert somit unmittelbar die Abhängigkeit von teuren und schädlichen fossilen Brennstoffen. Hinzu kommt, dass diese Technologie eine höchst attraktive Alternative zur elektrischen Erhitzung des Materials darstellt und somit einen möglichen Flaschenhals bei der Elektrifizierung der Industrien verhindern kann. Die Technologie kann zudem den Wettbewerbsvorteil deutscher Anlagenbauer im globalen Markt für nachhaltige Lösungen im Hochtemperatur-Bereich stärken. In der Europäischen Union wäre vor allem ein Einsatz in den südlicheren Regionen attraktiv.
„Der Schlüssel zu einer klimafreundlicheren Nutzung unserer Ressourcen liegt in einem Mix aus unterschiedlichen Energiequellen. Dabei kann konzentrierte Sonnenenergie effizient für Hochtemperaturanwendungen eingesetzt werden und uns im Zusammenspiel mit Strom aus erneuerbaren Quellen diesem Ziel einen Schritt näher bringen“, sagt Projektleiter Gkiokchan Moumin vom DLR-Institut für Future Fuels.
Im Rahmen des Projekts hat das DLR ein experimentelles Testsystem aufgebaut. Es simulierte die Kernkomponente des Prozesses, die solare Kalzinierung, in einem anwendungsorientierten Maßstab. Der Schwerpunkt lag auf der Validierung des Reaktorkonzepts für den Solarkalzinator. Dabei kam künstlich erzeugtes, konzentriertes Sonnenlicht des DLR-Sonnensimulators Synlight zum Einsatz.
Bei einer vollständigen Kalzinierung der im Projekt eingesetzten 1.570 Kilogramm Kalkstein und einer anschließenden Sinterung (Verschmelzen), ergäbe sich daraus fast dieselbe Menge Zement und die sechsfache Menge an Beton. Damit ließe sich eine quadratische Hütte mit fünf Quadratmetern Grundfläche bauen.
In der mehrmonatigen Testkampagne wurden insgesamt 25 Bestrahlungstests bei Leistungen bis zu 65 Kilowatt durchgeführt. Dies stellt die bisher größte solare Kalzinierungsanlage dar. Dabei wurden pro Stunde 15 bis 50 Kilogramm Kalkstein-Partikel in den Solarkalzinator geführt und zu 100 Prozent kalziniert. Insgesamt entnahmen die Forscher über 90 Proben des kalzinierten Kalksteins, die sie nun detailliert analysieren werden. Dabei bewerten sie die Materialqualität und die Langzeitstabilität des Prozesses. Zusätzlich untersuchen sie den Reaktor mittels Computersimulationen hinsichtlich des Wärmetransports und der Reaktion der Kalkstein-Partikel. Die so gewonnenen Daten bilden die Grundlage für die Weiterentwicklung und weitere Skalierung der Technologie in einen höheren Maßstab.
Zementproduktion und Solarenergie: Was Schaeffler damit zu tun hat
- Während das DLR demonstriert, wie Solarenergie die Zementproduktion klimafreundlicher machen kann, zeigt die Motion Technology Company Schaeffler, wie Präzisionstechnik die Effizienz von Solaranlagen steigert. Wie? Sogenannte Tracking-Systeme lassen Solarmodule tagsüber der Sonne folgen und steigern so den Energieertrag um bis zu 40 Prozent. Die beweglichen Baugruppen der Photovoltaikanlagen müssen dabei bestenfalls robust, kompakt und wartungsarm sein. Präzise und langlebige Schaeffler-Bauteile reduzieren Ausfälle und sorgen so für eine höhere Effizienz von PV-Anlagen. Mehr dazu erfahren Sie hier.
- Maschinen in der Zementproduktion sind für Schaeffler ein strategisches Geschäftsfeld in der Wälzlageranwendung. Schaeffler kann für alle Bedarfsfälle in der Materialaufbereitung geeignete und zuverlässige Wälzlager zur Verfügung stellen. Vertiefende Informationen finden Sie hier.
- Lesen Sie darüber hinaus hier, wie Schaeffler mit dem Einsatz von Technologien zur Zustandsüberwachung in Zementwerken für zuverlässige Prozesse und minimale Ausfallzeiten sorgt.
