Grüner Zement – elektrisch?

Die Zementindustrie zählt zu den größten Emittenten von Kohlendioxid. Sie ist für bis zu acht Prozent der weltweiten, von Menschen verursachten Emissionen verantwortlich – fast dreimal so viel wie der globale Luftverkehr. Um diesen Anteil zu senken und klimaneutral zu werden, setzt die Branche auf technologische Innovationen. Einen vielversprechenden Ansatz verfolgt das internationale Projekt „ECem“, an dem auch Wissenschaftler*innen des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) beteiligt sind. Mit der Hilfe elektrischer Heiztechnologien für den energieintensiven Prozess der Kalzinierung wollen die Partner aus Wissenschaft und Wirtschaft den CO₂-Ausstoß bei der Zementherstellung drastisch reduzieren. Das Projekt ist im Herbst 2024 gestartet und läuft für dreieinhalb Jahre. Es wird vom Innovationsfonds Dänemark mit 21 Millionen Dänischen Kronen (rund 2,8 Millionen Euro) gefördert.

Bei der Kalzinierung handelt es sich um einen der wichtigsten Arbeitsschritte bei der Herstellung von Zement. Kalkstein wird in einem großen Ofen auf circa 1.450 Grad Celsius erhitzt und durch thermische Zersetzung zu Klinker, den Hauptbestandteil von Zement, umgewandelt. Dieses chemische Verfahren allein ist für einen Großteil der CO₂-Emissionen verantwortlich, die die Zementindustrie insgesamt freisetzt. Zwei Drittel des CO₂ entstehen beim Zerlegen des Kalksteins, der sogenannten Entsäuerung, und lassen sich kaum vermeiden. Das übrige Drittel ist durch den enormen Energieverbrauch bedingt, der nötig ist, um die hohen Temperaturen zu erreichen. Üblicherweise kommen dabei fossile Brennstoffe wie Kohle oder Gas zum Einsatz.

Während sich die dänischen Partner im Projekt mit der Entwicklung einer Infrarot-Strahlungsheizung beschäftigt, forschen Wissenschaftler*innen des HZDR-Instituts für Fluiddynamik an einer elektrischen Lösung, die auf induktivem Heizen basiert. Das Team will dafür zunächst ein Laborexperiment aufbauen, bei dem Induktionsspulen ein hochfrequentes Feld erzeugen, um das Material in einem Behältnis zu erhitzen. Im späteren Verlauf wird in einem weiteren Experimentaufbau ein rotierender Drehrohrofen mit Kenndaten modelliert, die dicht an industrielle Bedingungen heranreichen. Die Herausforderung besteht darin, dass Materialien wie der Kalkstein, der überwiegend aus Calciumcarbonat besteht, aufgrund der schlechten elektrischen Leitfähigkeit für den Gebrauch einer Induktionsheizung eigentlich ungeeignet sind.

„Auf den ersten Blick hat dieses Projekt wenig mit der Strömungsmechanik zu tun, mit der wir uns normalerweise am Institut befassen“, erklärt HZDR-Ingenieur Dr. Sven Eckert, Leiter der Abteilung Magnetohydrodynamik. „Jedoch geht es hier nicht einfach nur darum, eine Heizung in einem Reaktor zu installieren. Zementöfen verarbeiten in der Regel viele Tonnen Material, weshalb die Schwierigkeit darin besteht, ein homogenes Temperaturfeld im gesamten Ofen herzustellen. Eine induktive Heizung könnte dieses Problem sogar noch verschärfen, wenn man keinen ausreichenden Wärmetransport garantiert, der nicht nur die Randschichten, sondern auch das Innere des riesigen Volumens erreicht. Deswegen müssen wir den Prozess grundsätzlich betrachten, einschließlich einer Optimierung konvektiver Gasströmungen im Ofen, die für einen effektiven Wärmetransport sorgen müssen.“

Das Ziel des Projekts besteht schließlich darin, die Technologie im Labormaßstab zu validieren. Die in den geplanten Versuchen gewonnenen Daten sind ein wichtiger Input für begleitende Computersimulationen und die Entwicklung digitaler Zwillinge, die den gesamten Prozess inklusive der Energie- und Masseströme abbilden sollen. Auf dieser Grundlage wollen die Wissenschaftler die Frage klären, ob sich das Laborexperiment auf reale industrielle Maßstäbe hochskalieren lässt. Fällt die Antwort positiv aus, könnten die Partner nach Ablauf der Projektzeit im Jahr 2028 den Aufbau einer industrienahen Pilot-Anlage starten. Je nach Forschungsergebnis könnte diese Anlage entweder die Induktionsheizung oder die parallel entwickelte Strahlungsheizung beinhalten – oder, was nicht unwahrscheinlich ist, eine Kombination aus beiden Lösungen darstellen. (HS/RED)