Die Zukunft von Zement und fossilen ­Brennstoffen in den nächsten 100 Jahren

Um 1,5 kg Rohmehl in knapp 1 kg Klinker zu verwandeln, werden in Drehrohröfen mit Vorkalzinierung normalerweise 0,11 kg Kohle (ca. 800 kcal/kg_Klinker) benötigt. Als Ergebnis der Verbrennung wird die Prozesswärme für die Klinkerbildungsreaktion eingesetzt. Nachstehend sind die typischen Reaktionen aufgeführt:

Verdampfung von freiem Wasser bei 100 °C (ΔH + 44,2 kJ/Mol)

nominelle Freisetzung von Wasser bei > 500 °C, (ΔH + 274 kJ/Mol)

> 900 °CaCO₃ → CaO + CO₂ (Kalzinierreaktion) (ΔH + 474 kJ/Mol)

Reaktionen zwischen CaO und Al₂O₃, Fe₂O₃ und SiO₂ bei >900 °C

Erzeugung der flüssigen Phase bei > 1200 °C,

Erzeugung von C₃S (Alit), C₂S, C₃A und C₄AF bei 1280 °C.

Hinsichtlich der Klinkerqualität:

– Das Kohlenmonoxid (CO) als Ergebnis der Reaktion ändert die chemische Struktur des Klinkers.

– In dieser durch das CO verursachten reduzierenden Atmosphäre kann das Eisen im Rohmehl (Fe⁺² → Fe⁺³ + e^-) nicht oxidieren.

Somit erhält der Klinkerkern seine braune Farbe, wobei die Oberfläche der Granalie bereits gesintert ist, bevor die Mineralisierungsreaktion beendet ist, und spätere Festigkeitsverluste im Zement resultieren.

Hinsichtlich des Betriebs stellt das CO auch ein Risiko dar: wenn E-Filter eingesetzt werden und das Rauchgas mit der Abwärme in die Kohlenmühle gelangt. Es ist bekannt, dass E-Filter in dieser Atmosphäre einem erhöhten Explosionsrisiko ausgesetzt sind. Um diese Art von Risiko zu vermeiden, deaktiviert die automatisch betriebene Anlage den Filter und verhindert eine Reaktivierung bevor die CO-Konzentration unter den kritischen Wert abgesenkt ist.
In einem solchen Fall läuft der Vorgang wie folgt ab:
– Reduzierung der Kohlenmenge

– Zuführung von Frischluft in die Atmosphäre durch Umlauf des Brenngases oder

– Reduzierung der Ofendurchsatzleistung.

Die Verbrennungswärme der Kohle kann auf dreierlei Weise auf den Klinker übertragen werden, d.h. durch Wärmeleitung, -konvektion und -strahlung. 95 % der Klinkerbildungsreaktion geht auf Strahlung zurück. Die verbleibenden 5 % werden durch Konvektion erreicht. Der Flammpunkt von Kohle und Erdgas beträgt 600 bis 700 °C, und der von Heizöl beträgt 300 bis 400 °C. Bei fossilen Brennstoffen findet bei Kohle die beste Wärmeübertragung statt. Der hohe Emissionskoeffizient der Kohle («_Kohle ≈ 0.85) im Vergleich zu Gas und Öl  («_Gas ≈ 0.3; «_Öl ≈ 0.5) und ihre hohe Flammentemperatur bedeuten, dass Kohle im Vergleich zu anderen Brennstoffen immer einen Schritt voraus ist. Die Gleichung für die Wärmeleitfähigkeit durch Strahlung lautet:

Bis jetzt haben wir die Wirkung von fossilen Brennstoffen, insbesondere von Kohle, auf die Produktion von Klinker betrachtet. Im folgenden Kapitel soll die Verfügbarkeit fossiler Brennstoffe in den nächsten 100 Jahren diskutiert werden. Nach dem statistischen Bericht von BP (British Petrol) zur Energie in der Welt betragen die weltweiten Kohlereserven 861 Mrd. t, was für 112 Jahre ausreicht (BP, 2012, S. 30 ff.). Die Länderanteile der 2011 weltweit geförderten Steinkohle sind in Bild 2 dargestellt.

Die Türkei verfügt über Abbaureserven von ca. 10,8 Mrd. t Braunkohle und 1,3 Mrd. t Steinkohle. Das sind etwa 1,5 % der Kohlereserven der Welt. 30 % des Energieverbrauchs der Türkei werden aus inländischen Vorkommen gedeckt, während die restlichen 70 % importiert werden. Die importierten Mengen verteilen sich auf 36,6 Mio. t Erdöl-Äquivalent für Erdöl, 34,8 Mio. t Erdöl-Äquivalent für Erdgas und 15,9 Mio. t Erdöl-Äquivalent für Kohle (ETKB 2012b), wie aus Bild 3 ersichtlich wird. Nach Daten aus dem Jahr 2008 produzierten 60 bestehende Zementwerke 51,43 Mio. t Zement (Verband Türkischer Zementhersteller TCMA = Türkiye Çimento Müstahsilleri Birlig˘i/TÇMB).

In der türkischen Industrie werden als Brenn­stoffe Petrolkoks, importierte Steinkohle, einheimische und importierte Braunkohle sowie geringe Mengen von Heizöl und Erdgas eingesetzt. Der Heizwert des eingesetzten Petrolkokses beträgt ca. 7500 kcal/kg, der der importierten Kohle ca. 6300 kcal/kg, der der einheimischen Steinkohle ca. 6000 kcal/kg und der der einheimischen Braunkohle ca. 3500-4000 kcal/kg. Der jährliche Brennstoffbedarf der Industrie beträgt 6,5 Mio. t Kohle bei einem Gehalt von 5000 kcal/kg und 5 % Schwefel [5].

Die begrenzten Energieressourcen von fossilen Brennstoffen motiviert die Länder zu neuen Untersuchungen. So begannen beispielsweise die USA vor 20 Jahren eine Studie zu Schiefergas. Als eine Art Erdgas wird Schiefergas aus Gesteinslagen gewonnen, die sich in einer bestimmten Gesteinsformation, nämlich Schiefer, befinden, die das Erdöl und Erdgas wie ein Schwamm absorbiert. Das kann ein reichhaltiges Potential darstellen. Die USA sind dabei führend in der Welt mit einer Reserve von 238,3 Mrd. t. Dank der dort entwickelten Technologie kann das Schiefergas produziert und exportiert werden, speziell auf Märkte der Länder der EU. Daher ist der Preis von Kohle im Vergleich zu Anfang 2012 weltweit gefallen.

Die Türkei importiert jährlich Kohle im Wert von ca. 3 Mrd. $. Die reduzierten Kohlepreise werden zu einem erhöhten Import von Kohle führen, indem man vom Binnenmarkt auf einen Importmarkt umsteigt. Das wird auch zu einem erhöhten Stromdefizit führen [6]. Nach einer Aussage des Vorsitzenden des Verwaltungsrats des ­Türkischen Verbandes von Erdölgeologen  (Türkiye ­Petrol Jeologlari Derneg˘i, TPJD) wurden insgesamt 13 Billionen m³ Erdgas in Südostanatolien und in der Region Thrace gefunden (genug für 40 Jahre).

Heute verwenden Produktionsanlagen speziell in Mitgliedsländern der EU alternative Brennstoffe und Rohmaterialien anstelle von fossilen Brennstoffen. Das ist ein Ergebnis staatlicher Förderung und eigener Studien zur Forschung und Entwicklung. Abfall aus Industrieanlagen, der aufbereitet als alternativer Brennstoff und Rohstoff akzeptiert ist, wird in der Zementindustrie einerseits als Brennmaterial des organischen Teils und/oder als mineralischer Anteil verwertet. Neue Drehrohröfen, Brenner und Ausmauerungen der Öfen werden für den Einsatz dieser alternativen Brennstoffe und Rohstoffe konstruiert.

Entsprechend aufbereitet werden in der Zement­industrie folgende aufbereitete Abfälle verwertet:

Flüssig mit Heizwert (Altöl usw.)

Rohmaterialien mit mineralischen Komponenten, die für Klinker und Zement geeignet sind (Flugasche von Kohle, Hochofenschlacke usw.)

Aufbereiteter fester Abfall, der als alternativer Brennstoff verwendet wird (Gewerbeabfälle, Altreifen usw.)

Der Einsatz alternativer Brennstoffe hat in den europäischen Ländern, besonders in Deutschland, zugenommen. In dem Bericht „Industrielle Technologien 2012“ von Dr. Volker Hoening an der Europäischen Zementforschungsakademie werden die im Laufe der Zeit zunehmend verwendeten alternativen Brennstoffe in Deutschland aufgeführt (Bild 4).

Nach den statistischen Daten des TCMA (Bild 5) hat die Menge von Zement mit Zusatzstoffen zugenommen. In den letzten Jahren hat diese Tendenz jedoch abgenommen. Das kann auf ein Gleichgewicht von Angebot und Nachfrage zurückzuführen sein. Die Produktion von Zement mit Zusatzstoffen sollte nicht nur den Verbrauch fossiler Brennstoffe reduzieren, sondern auch die Menge der Kohlendioxidemission verringern. Nach dem offiziellen Bericht mit dem Titel „Vergleichende Bewertung im Zementsektor 2011“ und entsprechenden Daten aus dem türkischen Ministerium für Energie und Natürliche Ressourcen

beträgt der durchschnittliche Energieverbrauch in Drehrohröfen 819 kcal/kg Klinker, und

der Prozentsatz von sekundären Brennstoffen (aufbereitetet Abfälle) zum gesamten Brennstoff 2,38 % und die durchschnittliche direkte CO₂-Emission 853 kg CO₂/t Klinker.

Dementsprechend hat die OYAK Gruppe, zu der auch das Werk Ünye gehört, sehr verantwortungsbewusst reagiert und in all ihren Zementwerken Anlagen für die energetische Nutzung von aufbereiteten Abfällen eingebaut. Bild 7 zeigt die Verwertung von Abfall als Brennstoff für die Zementproduktion. Den größten Anteil hat dabei Industrieabfall. Bild 6 zeigt die Verteilung von Pyrit (als Fe-Rohmaterial) und Flugasche, Hüttensand etc. als Zusatzstoffe.

Für die Zukunft wird erwartet, dass, wenn die alternativen Ressourcen nicht gut eingesetzt werden, primärer Brennstoff tatsächlich ein wertvolles Gut werden wird oder man findet Ersatzmaterialien (Bilder 7 + 8).