Der Wandel der deutschen Zementindustrie
abhängig von Energie, Umweltpolitik und Dekarbonisierungswegen
Autoren: Imke Rhoden, Debapratim Mukherjee, Nargiz Ahmadova (FZJ ICE-2), Ariana Ojeda (FZJ ICE-1), Lena Fuhg (KIT IIP)
Bedeutung der Forschung
Die Zementherstellung ist ein energie- und CO2-intensiver Prozess, der für etwa 7% der weltweiten Treibhausgasemissionen verantwortlich ist. Als wichtige Grundstoffindustrie produziert sie weltweit jährlich 4,2 Milliarden Tonnen Zement und 14 Milliarden m³ Beton (Global Cement and Concrete Association (2020)).
Zementproduktion
Eine Geschichte der Effizienz
Die Entwicklung der Ofentechnologie:
Deutschlands Führungsrolle in der Zementproduktion basiert auf bahnbrechender Ingenieurskunst. Der Übergang von ineffizienten „Nassverfahren”-Öfen zum hocheffizienten „Trockenverfahren” mit Vorwärmern reduziert den Wärmeverbrauch um die Hälfte. Dieses Verfahren wurde in den 1950er Jahren in Deutschland eingeführt und setzte für die Branche einen neuen globalen Standard.
- 1890er Jahre: Drehrohröfen ermöglichen eine kontinuierliche Produktion.
- Vor den 1950er Jahren: Der energieintensive Nassprozess dominiert.
- 1950er Jahre: In Deutschland entwickelte Vorwärmöfen revolutionieren die Effizienz.
- Heute: Vorcalcinatoröfen sind die beste verfügbare Technologie.
Sinkende Energieintensität:
Diese technologische Entwicklung führte zu einem stetigen Rückgang des Energiebedarfs, der für die Herstellung einer Tonne Klinker benötigt wird. Jüngste Daten zeigen jedoch, dass sich dieser Trend abgeflacht hat, da die Grenzen der konventionellen Effizienz erreicht sind.
Das Paradox der Umweltverschmutzung
Klinker ist ein wichtiger Bestandteil bei der Herstellung von Zement, und die meisten Umweltauswirkungen der Zementherstellung entstehen während der Klinkerproduktion. Die Klinkerproduktion ist zwar hocheffizient, bleibt aber eine Hauptquelle regionaler Luftverschmutzung. Die Herausforderung besteht nicht nur darin, was produziert wird, sondern auch wo. Schadstoffe wie NOx machen nicht an Verwaltungsgrenzen Halt und verursachen „Spillover-Effekte“, die sich auf benachbarte Gemeinden auswirken.
Modellierung von Spillover-Effekten
Das Spatial-Durbin-Modell zeigt einen signifikanten Zusammenhang zwischen der Klinkerproduktion und den Stickstoffdioxidkonzentrationen (NO₂) in Deutschland. Wenn die Klinkerproduktion in einer Region um 1% steigt, erhöht sich die NO₂-Belastung in derselben Region um etwa 0,004 %. Das Modell zeigt auch, dass die Luftverschmutzung durch Klinkerwerke nicht lokal bleibt, wo sie entsteht, sondern sich auch auf die umliegenden Regionen ausbreitet. Das bedeutet, dass selbst wenn in einer Region sich die lokale Klinkerproduktion nicht erhöht, ein Anstieg der Klinkerproduktion in benachbarten Gebieten um 1% zu einem Anstieg der lokalen NO2-Werte um etwa 0,015% führt.
Blaue Punkte auf der Karte stehen für Zementwerke, die Klinker produzieren. Die grau schattierten Bereiche kennzeichnen Regionen im Umkreis von 20 km um die Zementwerke. Quelle: Erstellt in QGIS auf Basis von internen Daten des Vereins Deutscher Zementwerke e.V..
Daten basieren auf dem "Cement Industry Net Progress Report 2023" der Global Cement and Concrete Association (GCCA).
Der Weg zur Klimaneutralität
Um die Klimaziele Deutschlands für 2045 zu erreichen, ist ein radikaler Wandel erforderlich. Die Netto-Null-Strategie der Zementindustrie setzt sowohl auf kurzfristig wirksame Hebel, wie die Klinkersubstitution zu maximieren, als auch auf die gleichzeitige Entwicklung neuer Technologien, um die unvermeidbaren Prozessemissionen aus der Kalzinierung zu bekämpfen.
Dieser mehrgleisige Ansatz ist unerlässlich. Die wichtigsten Hebel zur Dekarbonisierung sind Folgende:
- Alternative Brennstoffe und Biomasse: Ersatz fossiler Brennstoffe in Zementöfen durch Abfallstoffe wie Reifen und Biomasse, um die Kohlenstoffintensität des Energieeinsatzes zu senken.
- Klinkerersatz: Ersatz eines Teils des Klinkers, der CO2-intensivsten Komponente von Zement, durch alternative Materialien wie Flugasche, Schlacke oder Kalkstein, um die Emissionen zu reduzieren.
- Kohlenstoffabscheidung, -nutzung und -speicherung (CCUS): Eine Technologie, die die CO2-Emissionen aus dem Zementherstellungsprozess abfängt und verhindert, dass sie in die Atmosphäre gelangen. Das abgeschiedene CO2 wird dann entweder unterirdisch gespeichert oder zur Herstellung neuer Produkte verwendet.
Initiativen zur Reduzierung der Kohlenstoffdioxidemissionen (Schwerpunkt Energieeffizienz)
Eine systemische Herausforderung, eine gemeinschaftliche Lösung
Die Zukunft der deutschen Klinkerproduktion erfordert eine neue industrielle Realität. Der Erfolg hängt von einer dreiteiligen Strategie ab: kontinuierliche technologische Innovation, unterstützende politische Rahmenbedingungen mit strategischer Finanzierung und kritische Infrastruktur wie CO2-Transportnetze. Darüber hinaus unterstreicht der Nachweis räumlicher Verschmutzungsausbreitung die dringende Notwendigkeit einer interregionalen Zusammenarbeit, um eine Umweltpolitik zu schaffen, die alle so miteinander verbindet, wie die Luft, die wir atmen.
Technologie + Politik + Zusammenarbeit = Eine nachhaltige Zukunft