Nachhaltigkeitsentwicklung der Zementindustrie

1 Einleitung

Die Zementproduktion macht etwa 5 % der weltweiten anthropogenen CO₂-Emissionen aus. Dass das Thema Nachhaltigkeit eine lohnende Aufgabe ist, zeigt die Nachhaltigkeitsinitiative der Zementunternehmen in Zusammenarbeit mit dem World Business Council for Sustainable Development (WBCSD). Im Jahre 1999 hatten zunächst zehn führende internationale Unternehmen die Cement Sustainable Initiative (CSI) begründet. Die Pionierunternehmen waren Lafarge, Holcim, HeidelbergCement, Cemex, Italcementi, Cimpor, RMC, Siam Cement, Taiheiyo und Votorantim. RMC wurde später durch Cemex übernommen. Den Platz von RMC in den TOP 10 hat CRH eingenommen. Inzwischen ist der Kreis der Zementunternehmen innerhalb der CSI auf über 23 angewachsen, darunter befinden sich u.a. auch Argos, Cimentos Liz, CNBM, Shree Cement, Sinoma, Titan und Ultratech.

Vom WBCSD wurden in 2002 erste Ergebnisse einer Battelle Studie zu einer Nachhaltigkeitsentwicklung der Zementindustrie aufgezeigt [1]. Mit dem Klimawandel und der Verringerung des CO₂-Ausstoßes beschäftigte sich die Unterstudie 8 [2]. Dabei wurden die Stärken und Schwächen der Zementindustrie in dem Sektor beleuchtet und im Wesentlichen Maßnahmen bzw. Handlungsempfehlungen aufgezeigt, die bis heute ihre Gültigkeit behalten haben. Die Unternehmen verpflichteten sich zu einem Aktionsplan [3]. Ergebnisse einer Bestandsaufnahme der WBCSD von über 40 Zementunternehmen wurden in einer Studie in 2009 veröffentlicht [4]. Das Thema geht jedoch weiter. Die CO₂-Emmissionen werden die Zementindustrie auf Dauer beschäftigen [5]. Neben dem CO₂-Thema interessieren natürlich aus Umweltsicht die Aspekte Energieeinsparung, Ressourcenschonung und die sonstigen Emissionen.

2 Strukturdaten zu den Nachhaltigkeits-TOP 10

Die zehn Nachhaltigkeits-Pionierunternehmen gemäß Kap. 1 kommen auf eine Zementkapazität von 883 Millionen Jahrestonnen (Mta) (Bild 1). Platz 1 der Liste nimmt Lafarge mit einer Kapazität von 217 Mta ein, dicht gefolgt von Holcim mit einer Kapazität von 211,5 Mta. Zu den TOP 5 zählen außerdem HeidelbergCement (116.4 Mta), Cemex (96,1 Mta) und Italcementi (75,0 Mta). Die weiteren Pionierunternehmen Taiheiyo, Cimpor, Votorantim, Siam Cement und CRH kommen insgesamt auf eine Zementkapazität von 167 Mta. In Tabelle 1 sind für die TOP 5 die Zementkapazitäten und Zahlen der integrierten Zementwerke und separaten Mahlwerke dargestellt. Den 716 Mta Zementkapazität sind 417 integrierte Werke und 139 separate Mahlanlagen zugeordnet. Lafarge kommt mit 125 Werken (Bild 2) auf die größte Anzahl von integrierten Werken, während Holcim über die größte Zahl von separaten Mahlanlagen (Bild 3) verfügt.

3 CO2-Emissionsreduzierung

In der EU existieren weltweit die schärfsten CO2-Auflagen. Im Rahmen der Klimaschutzziele der EU und der Zuteilung von CO2-Emissionsrechten wurde für die Herstellung ein Benchmark von 766 kg CO2 pro t Klinker festgelegt. Dies wird gemäß einer Untersuchung von Cembureau, dem europäischen Zementverband, von weniger als 10 % der Anlagen erreicht. Der Durchschnittswert beträgt in Westeuropa 858 kg CO2 pro t Klinker (bzw. 643,5 kg CO2 pro t Zement mit einem Klinker / Zementfaktor von 0,75). 5 % der Anlagen liegen gar über 1000 kg CO2 pro t Klinker.

Bild 4 zeigt im Vergleich dazu das weltweite Abschneiden der TOP 5 Nachhaltigkeitsunternehmen. Man erkennt, dass der EU-Wert bereits weitgehend unterschritten wird. Lafarge liefert beispielsweise einen Durchschnittswert von nur 626 kg CO2 pro t Zement, Cemex kommt auf 629 kg CO2 pro t Zement.

Augenfällig ist, dass die Unternehmen bis auf Italcementi seit dem Referenzjahr deutliche Reduzierungen der spezifischen CO2-Emissionen vornehmen konnten. Lafarge konnte die Emissionen um 19,7 % senken, HeidelbergCement reduzierte 17,9 %, und hat damit das selbstgesteckte 15 %-Ziel bis 2010 übertroffen. Bis 2015 sollen jetzt 23 % bezogen auf 1990 eingespart werden. Man erkennt aber auch, dass die CO2-Emissionen bei Italcementi seit 1990 relativ stagnieren. Auch bei Taiheiyo und Cimpor (Bild 5) ist in den letzten Jahren eine Stagnation feststellbar. Das Bild verdeutlicht aber auch eine fehlende Meldung bzw. Transparenz solcher Daten in den Nachhaltigkeitsberichten der Unternehmen. Teilweise fehlen Zeitreihen oder es werden keine Daten für einzelne Jahre angegeben.

Momentan werden die CO2-Durchschnittswerte der Unternehmen noch von dem jeweiligen Anlagenportfolio, dem Alter der Anlage und erfolgten Modernisierungen bestimmt. Am Beispiel von Italcementi erkennt man, dass erhebliche Unterschiede zwischen Anlagen in entwickelten und aufstrebenden Märkten existieren (Bild 6). In den aufstrebenden Ländern liegen die Werte zuletzt um etwa 7 % schlechter, was mit einer noch nicht erfolgten Modernisierung, geringeren Anteilen von Alternativbrennstoffen und einem höheren Klinkerfaktor zu erklären ist. Entsprechend sind der Energieverbrauch, der Klinkerfaktor und der Einsatz von Alternativbrennstoffen die wichtigsten Parameter für Emissionsminderungen. In der “Cement Technology Roadmap” [5] wird davon ausgegangen dass der CO2-Emissionswert von 750 auf 420 kg/t Zement bis zum Jahr 2050 reduziert werden kann. Einen wesentlichen Beitrag dazu müsste allerdings durch CCS-Technologien (CCS=Carbon Capture & Storage) erfolgen.    

4 Energieverbrauch und Abwärmenutzung

Der thermische Wirkungsgrad der Klinkerproduktion lässt sich nicht mehr beliebig verbessern. Die untere Grenze des Wärmebedarfs mit der besten verfügbaren Technologie und einem 6-stufigen Wärmetauscher wird knapp unterhalb von 3000 kJ/kgKlinker gesehen [7]. Betrachtet man den Verlauf des Wärmebedarfs über die letzten Jahre in Deutschland (Bild 7), so ist zu erkennen, dass seit 1995 keine weiteren Verbesserungen erzielt wurden [8]. Nur wenige neue Linien (Bild 8) wurden gebaut und der spezifische Wärmebedarf ist wieder leicht angestiegen. Dies kann u.a. mit der Stilllegung von Werken zu tun haben, die einen vergleichsweise niedrigen Wärmebedarf hatten, bzw. mit älteren Werken, deren Marktanteil sich durch die Stilllegung anderer Werke erhöht hat. Andererseits sind in den letzten Jahren nur wenige Ofensystemmodernisierungen in Deutschland bekannt geworden.

Bild 9 zeigt die Entwicklung des spezifischen Wärmebedarfs bei den TOP 5 Nachhaltigkeitsunternehmen. Bis auf Italcementi, die etwas höher liegen, sind die führenden Unternehmen in etwa gleich auf. Am günstigsten schneidet Holcim mit einem durchschnittlichen spezifischen Wärmeverbrauch von zuletzt 3555 kJ/kg Klinker ab. Der niedrige Wärmeverbrauch hat u.a. mit dem hohen Anteil von indischen Anlagen im Zementportfolio von Holcim zu tun. So kam ACC mit seinen 16 Zementanlagen auf einen spezifischen Wärmeverbrauch von 3137 kJ/kg Klinker. In 11 Anlagen in Indien wurde der Wert im letzten Jahr weiter reduziert. Außer bei Holcim ist bei den TOP 5 aber keine weitere signifikante Verringerung des Wärmeverbrauchs erkennbar. Dies trifft auch auf die übrigen Unternehmen zu. Bei Taiheiyo und Siam Cement ist der spezifische Wärmeverbrauch wieder angestiegen. Cimpor konnte den Wärmeverbrauch von 3794 kJ/kg Klinker in 1990 bis 2009 zunächst kontinuierlich reduzieren, aber in 2010 ist wieder ein deutlicher Anstieg auf 3635 kJ/kg Klinker erkennbar.

Der Ausblick  [5] bis zum Jahr 2050 prognostiziert weltweit eine Verringerung des durchschnittlichen Wärmebedarfs auf 3200 bis 3300 kJ/kg Klinker (Bild 10). Während bis 2030 durch den Ersatz älterer Anlagen noch eine relativ schnelle weitere Optimierung möglich erscheint, wird nach 2030 kaum noch Optimierungspotential vorhanden sein. Eine verbesserte Technik gegenüber dem heutigen Stand der Technik ist nicht in Sicht. Anders hingegen ist die Situation bei dem spezifischen elektrischen Energiebedarf (Bild 11). Hier sind bis 2030 nur geringe Verbesserungen möglich. Dies hängt u.a. mit dem Trend zu Mischzementen und der feineren Aufmahlung zusammen, die einen höheren Mahlaufwand erfordern. Ein größerer Effekt nach 2030 kann nur durch eine konsequente Verwendung energiearmer Mahlverfahren und energiesparender Motoren zustande kommen.

Mit Anlagen zur Wärmerückgewinnung und anschließender Energiegewinnung aus der Abwärme lassen sich je nach Technik 30–45 kWh/t Klinker erzeugen, was bis zu 30 % des benötigten Strombedarfs eines Zementwerkes entspricht  [9]. Die Vorteile der Technologie liegen auf der Hand. Mit steigenden Strom- und Energiekosten werden die Anlagen immer wirtschaftlicher und die CO2-Diskussion schafft zusätzliche Anreize. Bis Ende 2009 waren bereits 525 WHR-Anlagen in der Zementindustrie in Betrieb bzw. im Bau (Bild 12), das Gros befindet sich in China. Bis zum Jahr 2020 wird die Zahl der Anlagen auf über 1500 steigen. Die mittel- und langfristigen Aussichten für WHR-Anlagen in der Zementindustrie sind entsprechend gut. Nach Japan und China eröffnet sich zunehmend ein Marktpotenzial auch in der übrigen Welt.

5 Reduzierung des Klinkerfaktors

Die Reduzierung des Klinkerfaktors hat erhebliche positive Auswirkungen auf die CO2-Emissionen. Allerdings sind der Reduzierung des Klinkerfaktors zwei wichtige Grenzen gesetzt. Zum einen muss eine Verfügbarkeit von Klinkerersatzstoffen gegeben sein. Weltweit stehen etwa 200 Mta granulierte Hochofenschlacke, 500 Mta Steinkohlenflugasche und 300 Mta natürliche Puzzolane zur Verfügung. Schätzungen gehen davon aus, dass aber nur 60–70 % davon die Qualitätsanforderungen der Zementindustrie erfüllen. Damit sind ständig lokale Lieferengpässe vorgezeichnet. Der zweite wichtige Punkt ist die Normung entsprechender Portland-Kompositzemente und die Akzeptanz dieser Zemente bei Verbrauchern. Hauptsächlich in den entwickelten Märkten sind Sättigungstendenzen für Kompositzemente festzustellen, während in Märkten wie Indien und China noch ein wachsender Bedarf existiert. Durchschnittlich 75 % der Lieferungen in Indien betreffen Kompositzemente.

Eine aufkommende Stagnation in der Entwicklung des Klinkerfaktors ist auch bei den TOP Nachhaltigkeitsunternehmen festzustellen (Bild 13). Bei den dargestellten Unternehmen hat lediglich Lafarge signifikante Verbesserungen erzielt. Holcim hat sich nur leicht verbessert, liefert aber mit 71,5 % Klinkeranteil bzw. 71,5 kg Klinker/100 kg Zement den niedrigsten Wert aller Unternehmen. Dies dürfte u.a. auch hier an der starken Bedeutung der indischen Tochterunternehmen und deren relativ niedrigen Klinkeranteil  begründet sein. Den höchsten Klinkeranteil mit 81.6 % hat Italcementi, die in den Jahren eher einen Trend nach oben verzeichneten. Stagnierende oder ansteigende Klinkeranteile in 2010 wurden auch bei Holcim, HeidelbergCement und Cemex registriert. Dies hatte beispielsweise bei HeidelbergCement mit der Verfügbarkeit bei einem steigenden Zementabsatz zu tun.

6 Alternative Brennstoffe

Ein aktueller umfassender Bericht zu dem Trendthema Ersatzbrennstoffe wurde in [10] gegeben. Durch die Verwendung von Ersatzbrennstoffen anstelle konventioneller fossiler Energieträger können bei einem Co-Processing der Abfallstoffe in der Zementanlage insbesondere Klimagase wie CO2, SO2 und NOx im Vergleich zur getrennten Müllverbrennung und Zementproduktion eingespart werden. Die Abfallstoffe werden als AFR (alternative Brenn- und Rohstoffe) bezeichnet. Je nach Anteil der AFR sind Substitutionsraten von 0 bis nahezu 100 % der konventionellen Brennstoffe denkbar bzw. ausgeführt oder in der Realisierung. Bild 14 zeigt am Beispiel von HeidelbergCement, die in dem Sektor eine führende Rolle haben, welche alternativen Brennstoffe verwendet werden. Die Prozentanteile scheinen in den letzten Jahren deutlich zu schwanken, was den Schluss zulässt, dass sich die Unternehmen ständig dem veränderten Angebot anpassen müssen.

Die erzielten Substitutionsraten der führenden Nachhaltigkeitsunternehmen der Zementindustrie sind in Bild 15 dargestellt. HeidelbergCement hatte bis 2009 eine relativ unangefochtene Marktführerschaft. In 2010 ist Cemex mit einem Alternativ-Brennstoffanteil von 20,3 % nahezu gleichgezogen. Bis 2015 will Cemex einen Anteil von 35 % erreichen und dürfte damit zum Marktführer avancieren. Lafarge und Holcim nehmen mittlere Plätze ein. Italcementi ist relativ weit abgeschlagen. Bei den CO2-neutralen Biobrennstoffen (Bild 16) hatte HeidelbergCement ebenfalls lange Jahre die führende Position, jetzt hat Cemex auch hier gleichgezogen. Der eigentliche Marktführer ist aber Siam Cement, die in 2008 schon auf einen Anteil von 13.3 % bei den Biobrennstoffen kamen. Dabei zeigt sich keine Konstanz. In 2010 betrug der Anteil nur noch 8.8 %.

Der geschätzte Alternativbrennstoffanteil in den entwickelten Ländern betrug 16 % sowie 5 % in den aufstrebenden Ländern für da Jahre 2006 [5]. Bis zum Jahr 2030 sollen sich die Anteile auf 40–60 % bzw. 10–20 % erhöhen. Für das Jahr 2050 werden für die entwickelten Länder gleichbleibende Anteile von 40–60 % erwartet, während in den aufstrebenden Ländern der Anteil auf 25–35 % zunehmen soll. Geht man von den heutigen Verhältnissen aus, so sind damit um den Faktor 3 bis 7 höhere Anstrengungen nötig, um die hochgesteckten Ziele zu erreichen. Die bisherigen Fortschritte mit Alternativbrennstoffen wären ohne die Anstrengungen der Zementindustrie durch eigene Aufbereitungsanlagen und die Mitwirkung der Bevölkerung beispielsweise beim Sammeln von Kunststoffabfällen nicht denkbar. Dabei stellt sich die Frage, ob z.B. die positiven Erfahrungen in nördlichen Teil Europas auf das restliche Europa übertragbar sind.

7 Sonstige Emissionen und Ressourcenschonung

Die sonstigen ständig überwachten Emissionen, die für Zementwerke (Bild 17) relevant sind, betreffen Stickoxide (NOx), Schwefeloxide (SOx) und Staubemissionen. Emissionsgrenzwerte für NOx von deutlich unterhalb 500 g/Nm3 sind praktisch nur mittels Primär- und Sekundärmaßnahmen zu erreichen. Bei den Primärmaßnahmen geht es um eine Vergleichmäßigung und Optimierung des Ofenbetriebes, NOx-arme Brenner bzw. Feuerungstechnik, Flammenkühlung und gestufte Verbrennungstechnik im Calzinator, während als Sekundärmaßnahmen die selektive-nichtkatalytische Reduktion (SNCR) und die selektive katalytische Reduktion (SCR) mittels stickstoffhaltiger Reduktionsmittel wie NH3 zum Einsatz kommen. Derzeit liegen die NOx-Konzentrationen im Abgas von Drehofenanlagen mit modernen Calcinatoren ohne sekundäre Minderungsmaßnahmen bei 0,5 bis 0,9 g/Nm3 (angegeben als NO2-Äquivalent) je nach Brennstoff und Anlagentechnik.  

In Bild 18 ist die Entwicklung der NOx-Emissionen der TOP 5 Nachhaltigkeitsunternehmen dargestellt. Als Bezugsgröße ist die produzierte Klinker- bzw. Zementmenge gewählt. Holcim und HeidelbergCement kommen auf die niedrigsten Emissionen, Lafarge und Italcementi haben die höchsten Emissionen. Bis auf Holcim verzeichneten alle Unternehmen ansteigende Werte in 2010. Bei SOx (Bild 19) sind Holcim und Cemex die TOP Performer. Lafarge und HeidelbergCement schneiden hier augenblicklich weniger gut ab. Bis auf HeidelbergCement waren die Unternehmen in der Lage, ihre spezifischen NOx-Emissionen in den letzten drei Jahren kontinuierlich zu senken. Im internationalen Maßstab nimmt Siam Cement mit 69 g/t Klinker bei SOx einen Spitzenwert ein, auch der Wert von 817 g/t Klinker bei NOx ist beachtlich.

Die Entwicklung der spezifischen Staubemissionen der führenden Unternehmen ist in Bild 20 dargestellt. Cemex hat hier inzwischen die führende Position vor Holcim eingenommen und man war in der Lage, die Emissionen in drei Jahren um 45 % zu senken. HeidelbergCement (Bild 21) konnte die Emissionen um 35 % senken, musste aber zuletzt einen leichten Anstieg hinnehmen. Bei Italcementi stagnierten dagegen die spezifischen Staubemissionen. Nimmt man Italcementi als Maßstab, so erkennt man, dass in den entwickelten Ländern in 2010 die spezifischen Staubemissionen gerade 17 g/t Klinker ausmachen, während in den aufstrebenden Ländern der mittlere Wert mit 299 g/t Klinker nahezu um den Faktor 9 höher liegt. Das verdeutlicht, dass hier noch ein hohes Verbesserungspotential existiert.

In den letzten Jahren ist in der Zementindustrie auch der Wasserverbrauch bzw. die Ressourcenschonung verstärkt in das Blickfeld gerückt. Ein Zementwerk nach dem Naßverfahren benötigt etwa 0,65-0,7 m3 Wasser/ tKlinker,­ während ein Werk nach dem Trockenverfahren nur 0,15–0,25 m3 Wasser/tKlinker verbraucht. Der größte Bedarf entfällt auf die Klinkerherstellung (Gaskonditionierung, NOx- und SOx-Naßwäschen, Maschinenkühlung) und die Zementvermahlung. Die Unternehmensdaten in dem Segment sind zumeist wenig vergleichbar, da keine genauen Definitionen zum Prozesswasser gemacht werden und darüber, ob beispielsweise Kühlwasser für interne Kraftwerke oder Maßnahmen zur Staubvermeidung enthalten ist.

8 Ausblick

Auf dem Weg zu einer nachhaltigen Zementindustrie haben die führenden Unternehmen ihre Selbstverpflichtungen sehr ernst genommen und die bis 2010 in Aussicht genommenen Ziele meist übertroffen. So waren die 10 führenden Zementunternehmen Westeuropas in der Lage, aus dem CO2-Emissionshandel in den beiden letzten Jahren wirtschaftlichen Nutzen von 537 bzw. 716 Mio. Euro zu erzielen [6]. Auf der anderen Seite haben die Umweltschutzmaßnahmen aber auch große Summen Geld gekostet. Lafarge hat z.B. in 2010 etwa 58 % seines F&E-Budgets von 152 Mio. Euro für Nachhaltigkeitsentwicklungen ausgegeben. Es darf aber auch nicht unerwähnt bleiben, dass bei den großen Unternehmen zahlreiche Ofenlinien noch längst nicht mit kontinuierlichen Emissionsüberwachungseinrichtungen ausgerüstet sind und entsprechend noch viel zu tun ist.