Machbarkeit von Nachhaltigkeitszenarien

1 Einleitung

Generell ist anzumerken, dass die Blue Emissions-­Variante mit den Klimazielen der Begrenzung der Erderwärmung um 2–3 °C übereinstimmt. Um diese CO₂-Reduktion von 2,34 Gt auf 1,55 Gt zu erreichen, sind laut WBCSD/IEA vier Minderungsmaßnahmen erforderlich. Den größten Brocken mit 56 % sollen sogenannte Carbon-Capture-and-Storage (CCS)-Verfahren liefern, wogegen konventionelle Verfahren insgesamt nur einen Minderungsanteil von 44 % haben. Alternative Brennstoffe liefern dabei 24 % höhere Wirkungsgrade und die Reduzierung des Klinkerfaktors bringt jeweils 10 %. Die dargestellten Maßnahmen bewirken eine Reduktion des CO₂-Ausstoßes der Zementindustrie von 17,6 % im Vergleich der Level von 1,55 Gt (2050) und 1,88 Gt (2006). Bis zum Jahr 2016 wird der CO₂-Ausstoß mit 2,2 Gt aber noch weiter steigen, die CCS-Technologien werden nach dieser Planung erst ab dem Jahr 2030 einen hohen Beitrag liefern.  

Die CO₂-Emissionen der Zementindustrie hängen nicht nur von den Minderungsmaßnahmen, sondern natürlich auch von dem tatsächlichen Produktionslevel ab. Im Gegensatz zu den moderaten Projektionen von bis zu 4400 Mta existieren beispielsweise Abschätzungen des IDDRI (Institut de Développement Durable et des Relations Internationales) über 5000 Mta in 2050 sowie eine Studie von WWF/Lafarge mit 5500 Mta [2]. Selbstverständlich hat die Produktionsmenge eine Rückkoppelung auf die Minderungsmaßnahmen. So müssten die alternativen Brennstoffmengen ebenso wie Klinkersubstitute in weit größerer Zahl bereitgestellt werden. Fraglich ist, wie sich größere Produktionsmengen auf das Alter der Zement­anlagen und damit auf die energetische Effizienz auswirken. Bei CCS müssten mehr Werke mit der Technologie ausgerüstet sein. Dabei stellt sich die Frage, ob die geplanten Investitionen ausreichen bzw. woher das Geld für die höheren Ausgaben kommen soll. Schließlich werden sich die Relationen der einzelnen Minderungsmaßnahmen wohl verschieben, anders als dies in einer Betrachtung von Mott MacDonald [3] gezeigt wird.

2 OneStone Marktausblick

Die Relationen bei den BRIC-Ländern Brasilien, Russ­land, Indien und China werden sich verändern. Chinas Anteil wird ab 2016/17 bis 2050 auf 60 % deutlich abnehmen, während Indiens Anteil von 9,6 % (2010) auf 25,0 % (2050) zunehmen wird (Bild 3). In 2050 wird für Indien eine Produktionsmenge von 750 Mta erwartet. Russland kam 1990 mit 83 Mta auf einen Anteil von 22,7 %, der sich bis 2010 auf 2,3 % verringerte. In 2050 wird Russland etwa 200 Mta produzieren, damit kommt man auf einen Anteil von 6,7 % bei den BRIC Ländern. Brasilien wird Russland überholen und bis 2050 etwa 250 Mta Zement produzieren. In Bild 4 ist die Situation noch einmal für die entwickelten und aufstrebenden Länder dargestellt. Dabei kann man den großen Einfluss der BRIC-Länder erkennen, die allerdings einige Prozentpunkte von 66,9 % (2010) auf 63,8 % (2050) abgeben müssen. Gewinner sind die anderen aufstrebenden Länder, die ihren Anteil von 21,5 % auf 26,4 % steigern.

3 Feasibility der WBCSD/IEA Projektionen

In der Projektion des WBCSD/IEA wird – ausgehend von den ECRA Technology Papers – davon ausgegangen, dass der durchschnittliche thermische Energieverbrauch von 3,7 GJ/t clinker (in Europa im Jahr 2006) bis zum Jahr 2030 auf 3,3-3,4 GJ/t clinker und bis 2050 auf 3,2-3,3 GJ/t clinker reduziert werden kann. Die tatsächlichen globalen Werte liegen derzeit allerdings noch deutlich über diesen Werten (Bild 5). Nur Anlagen in Indien und anderen Ländern Asiens liegen unterhalb. Die neuesten und besten Klinkerlinien in China kommen auf 3,5 GJ/t clinker. Andere chinesische Anlagen liegen bei 4,1-4,2 GJ/t clinker. Die Anlagen in Nordamerika und in den GUS-Staaten schneiden wegen der immer noch hohen Zahl von Nass­öfen deutlich schlechter ab. Bis zum Jahre 2030 werden die Nassöfen sicher vollständig durch neue, moderne Anlagen ersetzt sein. Aber die großen Kapazitäten, die erst vor kurzem in China gebaut wurden – und dies sind über 1000 Mta – werden bis 2030 noch nicht ersetzt sein.

Gegen eine weitere Verbesserung des spezifischen Wärmebedarfs sprechen der immer höhere Anteil von alternativen Brennstoffen, die den Energiebedarf um etwa 0,3 GJ/t clinker wegen des durchschnittlichen geringeren Heizwertes und eines erforderlichen Bypass-Systems mit weiteren Abwärmeverlusten ansteigen lassen. Auch der zunehmende Einsatz von WHR-Systemen hat prinzipiell eher einen höheren spezifischen Wärmebedarf zur Folge, insbesondere wenn Zusatzfeuerungen konzipiert werden. Für den Fall, dass CCS-Systeme verstärkt ab 2025 zum Einsatz kommen, muss mit weiteren signifikanten Abstrichen in dem spezifischen Wärmebedarf gerechnet werden. ­OneStone Research geht davon aus (Bild 6), dass bis zum Jahre 2030 ausgehend von derzeit durchschnittlich 4,0 GJ/t clinker bestenfalls Werte von 3,4 bis 3,5 GJ/t clinker erreicht werden, bis 2050 werden durchschnittlich bestenfalls Werte von 3,3 bis 3,4 GJ/ t clinker erreicht.  Damit werden die CO₂-Einsparungen aufgrund des verbesserten Energiebedarfs 7 % betragen (10 % WBCSD/IEA Projektion).

Geht man von den heutigen Verhältnissen aus, so sind zur Erreichung der Minderungsziele für 2030 und 2050 um den Faktor 3 bis 7 höhere Anstrengungen nötig, um die hochgesteckten Ziele zu erreichen [6]. Wie schwierig eine solche Umsetzung ist, kann an Bild 8 abgelesen werden. Dies zeigt die Entwicklung der alternativen Brennstoffrate für Holcim, eines der führenden Unternehmen in dem Sektor. Man erkennt, dass mit zunehmenden alternativen Brennstoffen der inkrementelle Anstieg immer geringer ausfällt. Dieser Sättigungseffekt hat u. a. mit Problemen in der Beschaffung/Aufbereitung der Brennstoffe zu tun, aber auch damit, dass mit wachsender Brennstoffrate die Apparate- und Handlingkosten deutlich ansteigen [6]. Holcim kommt momentan auf einen Biomasseanteil von 25 % bei den alternativen Brennstoffen. In den entwickelten Ländern wird es schwierig, diesen Anteil weiter zu steigern.

OneStone Research geht davon aus, dass die Szenarien für alternative Brennstoffe zu optimistisch sind. In den entwickelten Ländern sind die bisherigen positiven Ergebnisse z. B. im nördlichen Europa nicht auf das südliche Europa zu übertagen. Anstelle von 40-60 % alternativen Brennstoffen in 2030 und 2050 in den entwickelten Ländern werden nur 40-50 % für möglich gehalten (Bild 9). Der Anteil an Biomasse wird nicht größer als 30 % abgeschätzt. In den aufstrebenden Ländern werden bis 2030 10-15 % an Alternativbrennstoffen und bis 2050 20-30 % für möglich gehalten. Diese Werte werden insbesondere von den BRIC-Ländern abhängen, und inwieweit dort  Alternativbrennstoffe organisiert werden können. Alterdings sind auch dort Biomasseanteile größer 30 % eher unwahrscheinlich. Entsprechend werden die CO₂-Einsparungen aus den Alternativbrennstoffen 15 % betragen (24 % WBCSD/IEA Projektion).

Bild 11 zeigt Marktdaten für China zu den veröffentlichen Zement- und Klinkerproduktionen laut der China Cement Association (CCA) bzw. China Building Materials Academy (CBMA). Danach wurden z. B. in 2010 1868 Mta Zement und 1152 Mta Klinker produziert. Damit erhält man einen Klinkerfaktor von 61,7 % für 2010 nach z. B. 64 % für 2009, wenn man die Zahlen des Vorjahres zugrunde legt. Derartige Zahlen mögen unrealistisch erscheinen, spiegeln aber das chinesische Bestreben wieder, Zement möglichst ökonomisch zu produzieren. Geht man von dem derzeitigen globalen Marktanteil Chinas von 57,1 % aus und einer Abschätzung des Klinkeranteils von 79 % im Rest der Welt, so liegt der derzeitige globale Klinkerfaktor bereits unterhalb von 70 %, bzw. um genau zu sein bei 69,1 %. Ein solches Szenario wird auch einen Klinkerfaktor von 60 % in 2050 möglich erscheinen lassen. Entsprechend würden die CO₂-Einsparungen aus dem verringerten Klinkerfaktor 26 % betragen (10 % WBCSD/IEA Projektion).

4 CCS, Oxyfuel-, Post Combustion Technologien

In der Zementindustrie beschäftigt man sich seit etwa 10 Jahren mit dem Thema. Zu den Pionierunternehmen zählen HeidelbergCement und Cemex. HeidelbergCement plant eine erste Demonstrationsanlage von Alstom bzw. Aker Clean Carbon (ACC)  im Werk Brevik (Bild 13) von Norcem bis zum Jahr 2013/14 in Betrieb zu nehmen. ­Cemex plant eine Demonstrationsanlage in den USA mit Fördergeldern des US Departments of Energy (DOE). Dabei soll eine Technology von RTI International zum Einsatz kommen. Technologische Grundlagen existieren von Lieferanten aber auch der ECRA (European Cement Research Academy), die sich seit einigen Jahren sehr intensiv mit dem Thema befassen und verschiedene Berichte dazu herausgebracht haben [8-10]. Daneben beschäftigen sich Hochschulinstitute wie die Technische Universität Hamburg-Harburg mir dem Thema.

Als CCS Technologien bieten sich im wesentlichen drei Verfahren an: Post Combustion-, Pre-combustion- und Oxyfuel-Verfahren. Pre-combustion Verfahren sind in der Zementindustrie nicht einsetzbar. Post-Combustion-Verfahren verwenden eine chemischen Absorption. Gemäß der ECRA befinden sich noch keine CCS-Anlagen in der Zementindustrie in Betrieb. Bild 14 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer Absorptionsanlage, bei der z. B. Ammoniak als Lösemittel eingesetzt wird. In Bild 15 ist demgegenüber ein Oxyfuel-Verfahren dargestellt, das eine Luftzerlegungsanlage und anstelle von Luft reinen Sauerstoff im Zementprozess benötigt. Während das erstgenannte Verfahren den Klinkerproduktionsprozess nicht oder wenig beeinflusst, ist bei Oxyfuel-Verfahren das veränderte CO₂-Partialdruckverhalten im Prozess ein Thema, aber noch wenig erforscht. Ebenso ist mit einer Auswirkung auf das Brennverhalten bzw. veränderte Brennzonen im Ofen zu rechnen. Ein signifikanter Einfluss auf die Zementeigenschaften wird bisher nicht gesehen [11].

Über die Zusatzkosten für CCS-Verfahren existieren verschiedene Abschätzungen. Die IEA geht in der ­Cement Technology Roadmap 2009 von etwa 475-590 Mrd. US$ aus, die je nach low-high Variante für das Blue Szenario bis 2050 für CCS-Technologien zu zahlen sind. Die ECRA geht davon aus, dass eine Oxyfuel-Verfahrensalternative bis 2030 etwa 330-360 Mio. € kosten wird, bis 2050 ist infolge einer Kostenverbesserung noch mit 270-295 Mio. € pro Anlage zu rechnen. Die operativen Kosten einer solchen Anlage werden mit 8-10 €/t clinker angesetzt. Demzufolge würden sich die Klinkerproduktionskosten um etwa 40 % erhöhen und die zusätzlichen Kosten für jede vermeidete t CO₂ würden sich auf 33-36 €/t belaufen [12]. Damit ist keine Wettbewerbsfähigkeit im Vergleich zu konventionellen Zementanlagen gegeben.

5 Ausblick