Neue Technologie der ETH Zürich könnte Zementwerke in CO2-Entfernungszentren verwandeln

Einleitung: Zementproduktion neu denken

Die Zementindustrie ist eine der größten industriellen Quellen von Kohlendioxidemissionen und verursacht etwa 8 % der globalen CO2-Emissionen. Jahrzehntelang konzentrierten sich die Bemühungen zur Dekarbonisierung dieses Sektors auf die Kohlenstoffabscheidung und -speicherung (CCS), aber die hohe Energiebelastung und die Kosten haben eine breite Einführung behindert. Nun haben Forschende der ETH Zürich einen neuartigen Ansatz vorgestellt, der nicht nur die Emissionen von Zementwerken reduzieren, sondern ihnen auch ermöglichen könnte, CO2 aus der Atmosphäre zu entfernen – und so aus einem Klimasünder einen Klimahelden zu machen.

Die Herausforderung der Dekarbonisierung von Zement

Bei der Zementproduktion wird CO2 aus zwei Hauptquellen freigesetzt: der Verbrennung fossiler Brennstoffe zur Beheizung des Ofens (etwa 40 % der Emissionen) und dem chemischen Prozess der Kalzinierung von Kalkstein (etwa 60 % der Emissionen). Letzteres ist prozessbedingt und kann nicht durch die Umstellung auf erneuerbare Energien vermieden werden. Herkömmliche CCS-Methoden fangen CO2 aus Rauchgasen ab, benötigen jedoch erhebliche Energie für die Trennung und Kompression, was sie teuer macht und die Anlageneffizienz verringert.

Die Innovation der ETH Zürich

Die neue Technologie, die von einem Team unter der Leitung von Professor Marco Mazzotti entwickelt wurde, verfolgt einen anderen Ansatz. Anstatt CO2 aus dem Rauchgas abzuscheiden, integriert der Prozess die Kohlenstoffabscheidung direkt in die Zementproduktionslinie. Der Schlüssel liegt in einem Kalzium-Looping-Zyklus, bei dem ein kalziumbasierter Sorbent (wie Kalziumoxid) verwendet wird, um CO2 aus dem Rauchgas zu absorbieren und dabei Kalziumkarbonat zu bilden. Das Karbonat wird dann in einem separaten Reaktor erhitzt, um einen reinen CO2-Strom freizusetzen, der gespeichert oder genutzt werden kann, und das Kalziumoxid wird recycelt.

Was diese Innovation einzigartig macht, ist die Art und Weise, wie sie in den Zementofen integriert wird. Die Abwärme des Ofens wird genutzt, um die Kalzinierung des Kalziumkarbonats anzutreiben, wodurch die Energiebelastung reduziert wird. Darüber hinaus kann der Prozess so ausgelegt werden, dass er im „Negativemissionsmodus“ arbeitet: Durch die Verwendung von Biomasse als Brennstoff oder die Abscheidung von CO2 aus der Luft in einem vorgelagerten Schritt könnte die Anlage mehr CO2 aus der Atmosphäre entfernen, als sie emittiert.

So funktioniert es: Eine Schritt-für-Schritt-Übersicht

• Rauchgas aus dem Zementofen wird durch einen Karbonator-Reaktor geleitet, der Kalziumoxid (CaO) enthält.
• Das CaO reagiert mit CO2 zu Kalziumkarbonat (CaCO3) und entfernt so CO2 aus dem Gasstrom.
• Das CaCO3 wird dann in einen Kalzinator überführt, wo es mit Sauerstoff und Brennstoff auf hohe Temperaturen (ca. 900 °C) erhitzt wird, wodurch ein reiner CO2-Strom freigesetzt wird.
• Das CO2 wird komprimiert und ist bereit für die Speicherung oder Nutzung, während das regenerierte CaO in den Karbonator zurückgeführt wird.
• Die Wärme für den Kalzinator wird durch die Verbrennung von Brennstoff in einer sauerstoffreichen Umgebung (Oxyfuel-Verbrennung) bereitgestellt, und das resultierende Rauchgas ist fast reines CO2, was die Abscheidung erleichtert.

Potenzielle Auswirkungen auf Emissionen

Nach Angaben der Forschenden könnte diese Technologie bis zu 90 % der CO2-Emissionen eines Zementwerks abscheiden. In Kombination mit Biomasse-Brennstoffen oder Direct Air Capture könnte sie sogar Netto-Null-Emissionen erreichen. Dies wäre ein Wendepunkt für die Zementindustrie, die zunehmend unter Druck steht, ihren CO2-Fußabdruck zu reduzieren. Das Emissionshandelssystem der Europäischen Union und andere Kohlenstoffpreismechanismen machen kohlenstoffintensive Produkte teurer, sodass Zementhersteller nach kostengünstigen Lösungen suchen.

Wirtschaftlichkeit und Skalierbarkeit

Das Team der ETH Zürich hat eine technisch-wirtschaftliche Analyse durchgeführt, die zeigt, dass der Kalzium-Looping-Prozess wirtschaftlich mit anderen Kohlenstoffabscheidungsmethoden konkurrieren könnte, insbesondere wenn man das Potenzial für den Verkauf von CO2 für synthetische Kraftstoffe oder Chemikalien berücksichtigt. Die Technologie kann in bestehende Anlagen nachgerüstet werden, wodurch die Investitionskosten minimiert werden. Die Forschenden arbeiten nun an einer Pilotanlage, um den Prozess in größerem Maßstab zu demonstrieren, mit der Hoffnung auf eine kommerzielle Einführung innerhalb des nächsten Jahrzehnts.

Herausforderungen und zukünftige Richtungen

Obwohl die Technologie vielversprechend ist, gibt es Herausforderungen zu bewältigen. Die hohen Temperaturen, die für die Kalzinierung erforderlich sind, und die Notwendigkeit einer Sauerstoffversorgung erhöhen die Betriebskosten. Auch die Haltbarkeit des Sorbents über viele Zyklen ist ein Problem, da es mit der Zeit abgebaut werden kann. Das Team erforscht Möglichkeiten, die Stabilität des Sorbents zu verbessern und den Energieverbrauch zu senken. Darüber hinaus erfordert die Integration in bestehende Anlagenabläufe eine sorgfältige technische Planung, um Störungen zu vermeiden.

Breitere Auswirkungen auf den Klimaschutz

Wenn diese Technologie erfolgreich ist, könnte sie einen wichtigen Beitrag zu den globalen Klimazielen leisten. Die Zementindustrie gilt als „schwer zu dekarbonisieren“, da die prozessbedingten Emissionen unvermeidbar sind. Durch die Ermöglichung negativer Emissionen könnte dieser Ansatz dazu beitragen, Emissionen aus anderen Sektoren auszugleichen. Er steht auch im Einklang mit dem wachsenden Interesse an Technologien zur Kohlendioxidentfernung (CDR), die für das Erreichen der Netto-Null-Ziele bis zur Mitte des Jahrhunderts unerlässlich sind.

Fazit

Die Innovation der ETH Zürich stellt einen bedeutenden Schritt im Kampf gegen den Klimawandel dar. Indem sie Zementwerke in CO2-Entfernungsanlagen verwandelt, bietet sie eine praktische und skalierbare Lösung für einen der anspruchsvollsten Industriesektoren. Obwohl weitere Forschung und Entwicklung erforderlich sind, sind die potenziellen Vorteile enorm. Während die Welt nach Dekarbonisierung strebt, könnte diese Technologie eine entscheidende Rolle beim Aufbau einer nachhaltigen Zukunft spielen.

Dieser Artikel basiert auf einer Berichterstattung von Interesting Engineering. Lesen Sie den Originalartikel.