Kluger Energieeinsatz im Zementwerk

1 Einleitung

Energieversorgung und Klimawandel sind zwei der wesentlichen Punkte, die unser tägliches Leben und unsere Zeit prägen. Wissenschaftler sind der Meinung, dass die zunehmende Nachfrage nach Energie den Klimawandel beschleunigt, und dagegen möchte die energieintensive Zementindustrie etwas unternehmen. Viele Zementwerke geben ihr Geld dafür aus, eine höchstmögliche Effizienz in ihren Produktionsanlagen zu erreichen und die Rohmaterialien sowie Brennstoffe durch Sekundärstoffe zu ersetzen, um ihren Pflichten hinsichtlich der Reduzierung ihrer CO₂-Emissionen nachzukommen.

Der Energieverbrauch, die damit verbundenen Schadstoffemissionen sowie der Verbrauch natürlicher Ressourcen sind zweifellos die Faktoren bei der Zementproduktion mit den größten ökologischen Auswirkungen, insbesondere da Temperaturen von mehr als 1450 °C in den Öfen aufrechterhalten werden müssen.

Wegen der hohen Temperaturen, die zum Brennen des Klinkers erforderlich sind, kommen die Zementöfen hinsichtlich des Einsatzes von Sekundärbrennstoffen zuerst in Betracht. Diese Brennstoffe werden durch Recyclingverfahren gewonnen. Damit haben Zementwerke die Möglichkeit, einen wesentlichen Beitrag zum Schutz von Ressourcen zu leisten.

Aus Sicht der Produktion und Umweltverträglichkeit ist der Einsatz von Sekundärbrennstoffen eine praktikable Alternative zu herkömmlichen Brennstoffen. Forschungsarbeiten sowie die Überwachung der Emissionen in die Atmosphäre beim Verbrennen von Sekundärbrennstoffen in einem Dreh­ofen haben klar gezeigt, dass sie sich nicht von denen unterscheiden, die beim Verbrennen von Primärbrennstoffen entstehen.

Es gibt eine Reihe von Vorteilen beim Einsatz von Sekundärbrennstoffen, wie zum Beispiel:

– Erhaltung von nicht erneuerbaren Brennstoffen

– Gewinnung von Energie aus Materialien in Übereinstimmung mit den Prinzipien von Strategien der Kreislaufwirtschaft

– Minimierung der Emissionen von CO₂ durch teilweisen Einsatz von Brennstoffen mit biogenen Anteilen

Die Südbayerische Portland-Zementwerk GmbH (Bild 1) ist Teil der Rohrdorfer Baustoffgruppe. Seit 1930 werden in diesem Unternehmen Zement, Transportbeton, Betonwaren und Fertigbauteile aus Beton hergestellt. An 40 Produktionsstätten in Deutschland und Österreich sind ca. 1000 Mitarbeiter beschäftigt. Die erfolgreiche Entwicklung dieses Unternehmens ist der dynamischen Unternehmerpersönlichkeit von Georg Wiesböck zu verdanken. Er war die treibende Kraft hinter der kontinuierlichen Expansion.

Das Zementwerk Rohrdorf hat eine Jahreskapazität von ca. 1 Mio. t. Daher wird jede Möglichkeit der modernen Technik genutzt, um die Auswirkungen auf die Umwelt zu minimieren, und man ist ständig bemüht, schädliche Effekte zu vermeiden.

Die Anlagen des Werks haben sich im Laufe der Zeit verändert und sind heute nach dem neuesten Stand der Technik ausgerüstet. Was sich nicht geändert hat, ist die Art und Weise, wie wir nach höchster Qualität streben, ein zuverlässiger Geschäftspartner zu sein und unser Bestes zu geben, um die Umwelt des Zementwerks Rohrdorf zu schützen.

Das Zementwerk Rohrdorf hat die Herausforderungen des effizienten Einsatzes von Sekundärbrennstoffen angenommen und hat es erreicht, dass das Werk störungsfrei bei einem stabilen Verfahren läuft. Um diese Ziele zu erreichen, musste eine moderne Prozesssteuerungsanlage installiert werden.

2 Einsatz von Sekundärbrennstoffen

Das Zementwerk Rohrdorf ist führend beim Einsatz von ­Sekundärbrennstoffen, wie z.B. Altreifen, Teerpapier, flüssige Sekundärbrennstoffe sowie Brennstoffe aus Gewerbeabfall. Im Jahr 2008 schaffte es das Zementwerk Rohrdorf, 66 % seines bisherigen Verbrauchs an fossilen Brennstoffen durch die o.a. Sekundärbrennstoffe zu ersetzen. Das Werk hat die Genehmigung erhalten, den Anteil von eingesetzten Sekundärbrennstoffen unter Einhaltung der Emissionsgrenzwerte auf 100 % zu erhöhen. Um das zu erreichen, hat das Unternehmen seit 1997 etwa 6,1 Mio. € investiert. So wurden Lager-, Homogenisier- und Dosieranlagen für eine Reihe von Sekundärbrennstoffen installiert. Im Werk wird auch auf die chemische Zusammensetzung dieser Brennstoffe geachtet, um Schadstoffemissionen und nachteilige Wirkungen auf die Umweltverträglichkeit seiner Produkte zu vermeiden.

Damit ist das Werk in der Lage, den gesetzlichen Anforderungen an die Mitverbrennung von Sekundärbrennstoffen gerecht zu werden. In Deutschland ist der Anteil von eingesetzten Abfallstoffen von 7,4 % im Jahr 1990 auf 58,4 % im Jahr 2009 gestiegen.

Die Wahl der eingesetzten Materialien hängt u.a. von ihrer Verfügbarkeit und ihrem Wärmewert ab. Bevor Sekundärbrennstoffe eingesetzt werden, müssen sie sorgfältig geprüft werden, um festzustellen, ob sie eine geeignete Qualität haben, und ob sie irgendwelche Auswirkungen auf Emissionen, die Prozesssteuerung oder das Endprodukt Zement haben könnten. Von jeder Lieferung eines Sekundärbrennstoffs wird automatisch eine Probe entnommen, wenn er in den Aufnahmebunker abgekippt wird. Der LKW-Fahrer muss sich mit einer Chipkarte identifizieren, bevor er die Last abkippt. Diese Karte ordnet die Probe den entsprechenden Daten des Lieferscheins zu, was eine Rückverfolgung erleichtert. Der Heizwert des Materials wird von der Probe bestimmt. Dieser Wert wird dann der Prozesssteuerungsanlage zwecks weiterer Verarbeitung und Berechnung eingegeben.

3 Die Prozesssteuerung

Im Zementwerk Rohrdorf wird das Prozesssteuerungssystem – Cemat von Siemens seit 1993 eingesetzt (Bilder 2 und 3). Zuerst wurde die Version 3 installiert. Die Anlage wurde dann bis zur gegenwärtigen Version 6 weiter modernisiert, die 2005 installiert wurde. Wie ihre Vorgänger ist die Cemat Version 6 speziell für die Zementindustrie entwickelt worden. Die gegenwärtigen Versionen von Cemat beruhen auf dem Prozesssteuerungssystem Siemens Simatic PCS 7. Die neueste Version, Cemat Version 7, besitzt zusätzliche Leistungsmerkmale, um einen einfachen und effizienten Betrieb von Zementwerken zu erleichtern. So wurden zum Beispiel bereits Funktionsblöcke von Advanced Process Control (APC) als Standard integriert, so dass die Betriebseffizienz weiter verbessert werden kann. Da diese Funktionen bereits in der Standardversion enthalten sind, können sogar modellbasierte, vorhersagende Mehrgrößenregelungen realisiert werden, ohne dass zusätzliche Produktkosten anfallen.

Das Prozesssteuerungssystem Cemat basiert auf Simatic PCS 7. Es arbeitet mit Daten, die aus verschiedenen Informationsquellen (manuelle Eingabe, Prozess und Labor) stammen, um online das optimale Brennstoffgemisch zu berechnen, wobei auch die relevanten Einschränkungen aus dem Verfahren und aus kommerzieller Sicht berücksichtigt werden.

Zu den wichtigsten der vielen möglichen Einschränkungen für die Klinkerproduktion gehören:

– die Wärmebilanz

– der Sauerstoffgehalt

– Emissionsgrenzwerte (SO₂, NOx usw.)

– maximale und minimale Werte und die Änderungsgeschwindigkeit der Endregelglieder

– Betriebseinschränkungen beim Brennstoffverbrauch.

Das Ziel der Steuerung des Ofenbrennstoffs besteht darin, die Energiezufuhr auf dem spezifizierten Sollwert in Gigajoule (GJ) zu halten. Das wird dadurch erreicht, indem die Brennstoffsteuerung bis zu zehn vorwählbare Bestandteile der Primär- und Sekundärbrennstoffe ansteuern kann.

Die aus den Laboranalysen erhaltenen Daten der Sekundärbrennstoffe werden direkt von einem Inputdialog an die Prozesssteuerungsanlage geschickt, um dann automatisch dem entsprechenden Brennstoff zugeordnet zu werden. Der Heizwert des Primärbrennstoffs, z.B. Kohle, folgt ebenfalls diesem Weg in das System.

Dann spezifiziert der Anlagenfahrer einen gewünschten Sollwert des Brennstoffs. Dieser Wert wird individuell festgelegt und auf den jeweiligen Ofen und die zur Verfügung stehenden Rohmaterialien zugeschnitten. Ein Regler für den oberen Sauerstoffsollwert überwacht die Sauerstoffkonzentration im Ofen. Wenn die Abweichung von diesem Sollwert zu groß wird, wird der Energiesollwert in GJ nachgestellt. Dazu ist eine zuverlässige und, soweit möglich, wartungsfreie Gasanalyseanlage erforderlich. Diese Sauerstoffregelung gleicht Schwankungen im Heizwert der einzelnen Brennstoffbestandteile aus und bringt den Brennstoffsollwert auf den tatsächlich erforderlichen Wert zurück.

Der gesamte Energiebedarf wird prozentual zwischen den Primärbrennstoffen, wie z.B. Kohle und Öl, und den Sekundärbrennstoffen aufgeteilt. Die Heizwerte der Bestandteile können aus den resultierenden Energiewerten in GJ der einzelnen Bestandteile berechnet werden, die es wiederum möglich machen, die Sollwerte für die Bestandteile von festen Brennstoffen in Tonnen pro Stunden sowie die von flüssigen Brennstoffen in Litern pro Stunde zu berechnen.

Einige Sollwerte haben spezifizierte Grenzwerte. Wenn diese überschritten werden, führt das immer zu einem Anstieg des Anteils der eingesetzten Primärbrennstoffe. Wenn eine Störung zum Verlust eines Bestandteils des gewählten Brennstoffgemischs führt, wird der fehlende Heizwert automatisch durch die verbliebenen aktiven Bestandteile des Brennstoffs ausgeglichen.

Die einzelnen Regler für die Brennstoffzuführung werden dann durch die Sollwerte der einzelnen Bestandteile gesteuert (Bild 4). Es gibt eine Rampenfunktion nach oben, um große Sprünge bei den Sollwerten der einzelnen Regler (Skalierung) zu verhindern. Das bedeutet, dass jede Abweichung vom vorhandenen Sollwert, egal ob durch den Verlust eines Brennstoffs, durch die Rezepturspezifikation oder durch den Anlagenfahrer verursacht, kontinuierlich nach oben oder zurück nach unten zum Eingabewert hin nachgestellt wird.

Wie bereits erwähnt, ist die zuverlässige Messung des Sauerstoffs im Ofen eine wichtige Bedingung, um einen stabilen Ofenbetrieb zu erreichen. Nur wenn das erreicht worden ist, kann eine geeignete Prozessmesstechnik erfolgreich zu einer weiteren Optimierung führen.

Das Prozessleitsystem gibt eine eindeutige Brennstoffmischung sowie eine flexible Zuordnung der Regler für die Primär- und Sekundärfeuerung vor.

Das in Cemat integrierte Steuerungskonzept auf der Grundlage des Simatic PCS7 machte es möglich, dass eine kontinuierliche Brennstoffzuführung erreicht wurde. Das führt zu einem gleichmäßigen Ofenbetrieb und damit zu einem hocheffizienten Einsatz der Energie. Wenn ein Brennstoff verloren geht, wird der Wärmewert automatisch korrigiert. Das heißt, die Steuerungsanlage reagiert sofort auf Störungen, um den gleichmäßigen Ofenbetrieb auch ohne ein Eingreifen des Anlagenfahrers aufrechtzuerhalten. Diese Methode des Ofenbetriebs spart nicht nur Energie, sondern minimiert auch Emissionen und bleibt innerhalb der Grenzwerte. Ein gleichmäßiger Ofenbetrieb garantiert auch eine bessere Klinkerqualität.

Durch den Einsatz von durchschnittlich 75 % Sekundärbrennstoffen konnte der Verbrauch von fossilen Brennstoffen wesentlich reduziert werden. Mit diesem hohen Anteil nimmt die ­Zementanlage Rohrdorf eine führende Position ein.

4 Integriertes Energiemanagement

Neben fossiler Energie spielt auch die Elektroenergie eine entscheidende Rolle in der Zementindustrie, speziell bei der Rohmaterialaufbereitung und in der Zementmahlung. Die deutsche Zementindustrie verbraucht jährlich etwa 3,3 Millionen Megawattstunden an Elektroenergie. Pro Tonne Zement werden ca. 100 kWh an Elektroenergie verbraucht, was auch der Umwelt zugute kommt. Die Preise für Elektroenergie machen mehr als 50 % der gesamten Energiekosten des Industriezweigs aus, und die Tendenz geht nach oben. Aus diesem Grund ist es wichtig, diese Kosten unter Kontrolle zu behalten und sie sogar noch weiter zu optimieren.

Eine Untersuchung der Verteilung des Gesamtverbrauchs an Elektroenergie über alle Produktionsstufen in einem Zementwerk hat gezeigt, dass die Mühlen fast zwei Drittel verbrauchen. Den größten Anteil bilden die Roh- und Zementmühlen, die entweder als Vertikal- oder Kugelmühlen ausgelegt sind.

Die Zementproduktion läuft kontinuierlich mit sehr begrenzten Reservekapazitäten und mit wenig Anlagen- bzw. Ausrüstungsreserven. Daher muss der größere Teil der Ausrüstungen rund um die Uhr, oder, wenn es bestimmte Einschränkungen gibt, den ganzen Tag laufen.

Die Stromkosten können dadurch reduziert werden, indem man die Produktion, speziell in der Zementmahlanlage, so verlagert, dass sie außerhalb der Spitzenzeit liegt. Eine weitere Maßnahme ist die Einhaltung der vertraglich vereinbarten Grenzwerte des Energieverbrauchs.

Die im Steuersystem integrierte Funktion des Belastungsmanagements (Bild 5) ermöglicht Gegenmaßnahmen für den Fall eines erhöhten Verbrauchs durch verdeckte Stromfresser. Zum Beispiel werden Hilfsprozesse automatisch abgeschaltet, wenn die Gefahr besteht, dass ein Grenzwert überschritten wird. Das reduziert nicht nur die Stromkosten, sondern stabilisiert auch das Energieverteilungssystem, indem vermieden wird, dass man Energie für Spitzenbelastungen aus dem öffentlichen Netz oder aus eigenen Stromerzeugungsanlagen benötigt.

Die besten Tools zum Festlegen von Optimierungsstrategien sind die Zusatzgeräte „PowerControl“ und „powerrate“ im Prozesssteuerungssystem Simatic PCS 7. Das Energiemanagementsystem sammelt detaillierte Informationen zum Energieverbrauch und zu Energiekosten und bereitet diese für Analysen der Energieeffizienz auf.

Vor allem muss die Transparenz des Stromflusses in den Mittel- und Niederspannungsenergieverteilungen bis herunter zu den Einzellasten verbessert werden. Dies, zusammen mit den Verbrauchsdaten anderer Medien, wie z.B. Brennstoffe und anderer Prozessenergien, gestaltet energieeffiziente Produktionsprozesse einfacher. Wenn größere Differenzen im Verbrauch auftreten, können Energiespitzen identifiziert und eliminiert werden, indem unterschiedliche Anlagenteile oder Besetzungen der Schichten verglichen werden.

Das alte Sprichwort „Was man nicht messen kann, kann man nicht steuern“ kann in vollem Umfang auf das Energiemanagement angewendet werden.

Im Zementwerk Rohrdorf wird der Energieverbrauch durch das automatische System Simatic S7 gemessen und in einer SQL Datenbank gespeichert. Diese Daten können dann ausgewertet werden und in Excel entweder in graphischer oder Tabellenform dargestellt werden. Auch ein Web-Kunde kann Zugang zu diesen Informationen bekommen. Das System zeigt den Status der Niederspannungsschalter, die laufenden, tatsächlichen Werte des elektrischen Stroms, der Spannung usw. Der Link wird durch Profibus-Geräte hergestellt. Die gegenwärtige Ausbaustufe gestattet jedoch keinen Betrieb mit Niederspannungsregelungen.

Der Gesamtverbrauch wird zusammengefasst, und der einstellbare Energiesollwert wird überwacht. Diese Sollwerte werden jede Woche in einer 7x24 Matrix eingegeben. Dass versetzt das Zementwerk Rohrdorf in die Lage, die mit dem Energieversorger vereinbarten Versorgungsgrenzwerte einzuhalten. Teile der Anlage müssen an- und abgeschaltet werden, um der vereinbarten Energieaufnahme aus dem Elektroenergiesystem zu entsprechen. Das System liefert relevante Informationen, die dem Anlagenfahrer in der Schaltwarte helfen, das Entsprechende zu tun. Der Anlagenfahrer entscheidet dann beispielsweise, ob eine Zementmühle komplett abgeschaltet wird. Ein solches System für das Messen, das Management und die Analyse von Energieverbrauchsdaten verstärkt noch die Vorteile von Energiemanagementprogrammen. Wie diese Beispiele zeigen, zahlt sich eine Investition in Technologien für einen effizienten Einsatz von Energie innerhalb kurzer Zeit aus.

Dieser Vorteil wird besonders deutlich, wenn die Effizienz des Einsatzes von Energie und Ressourcen verstärkt wird. Nicht nur die Umwelt profitiert davon, sondern auch die Unternehmen, die in Effizienz investieren. Wenn sie weniger Energie und Ressourcen verbrauchen, können sie profitabler arbeiten. Dr. Stefan Linder fasst zusammen: „Insgesamt müssen der Einsatz von Sekundärbrennstoffen und die damit verbundene ­Automatisierung im Zementwerk Rohrdorf als eindeutig nützlich und vorteilhaft eingeschätzt werden.“