Die Energieeffizienz von Industrieanlagen ist seit vielen Jahren in der politischen Diskussion (z.B. BAT-Prozess, Selbstverpflichtung der Industrie zum Klimaschutz, Energiesteuern). Im Rahmen der Einführung eines europaweiten CO₂-Emissionshandels-Systems wurden CO₂-Benchmarks für Neuanlagen – u. a. auch für Drehofenanlagen der Zementindustrie – formuliert, die in der deutschen Gesetzgebung in der sogenannten Zuteilungsverordnung niedergeschrieben wurden. Ausgangspunkt für die Berechnung der Benchmarks für den Herstellungsprozess für Zementklinker nach dem Trockenverfahren war der in dem BAT-Referenz-Dokument (BREF) für die Zementindustrie beschriebene Energieeffizienzwert von 3 000 kJ/kg Klinker. Allerdings werden bestimmte technische Parameter , wie z. B. die Anzahl der Zyklonstufen, berücksichtigt. Grund hierfür ist, dass der BAT-(Best Available Techniques)-Wert der Vielfalt des Klinkerherstellungsprozesses nicht gerecht wird und praktisch nicht bzw. nur in Kurzzeit-Leistungstests erreichbar ist. Um diesen Wert im Rahmen der aktuellen BREF-Revision durch eine praxisorientierte Bandbreite zu ersetzen, hat das Forschungsinstitut Modellrechnungen durchgeführt und gemeinsam mit den VDZ-Mitgliedswerken Praxiserfahrungen zusammengestellt.

Praxisorientierte Werte für das aktualisierte BREF-Dokument

Die Ergebnisse zeigen, dass abhängig von den jeweiligen Randbedingungen ein Mindestenergiebedarf von 3 000 bis 3 800 MJ für das Brennen einer Tonne Zementklinker erforderlich ist. Dies bedeutet, dass die Ofenanlagen mit der selben hohen Energieeffizienz betrieben werden, obwohl sie aufgrund z. B. unterschiedlicher Roh- bzw. Brennstoffeigenschaften oder Ofenkapazitäten einen unterschiedlichen spezifischen Brennstoffenergiebedarf aufweisen. Zusammenfassend hat der VDZ deshalb über das Cembureau im BAT-Revisionsprozess folgende Bereiche für den Brennstoffenergiebedarf einer modernen Drehofenanlage vorgeschlagen:  

 -           3 Stufen: 3 400 bis 3 800 kJ/kg Kl

 -           4 Stufen: 3 200 bis 3 600 kJ/kg Kl

 -           5 Stufen: 3 100 bis 3 500 kJ/kg Kl

 -           6 Stufen: 3 000 bis 3 400 kJ/kg Kl  

Aus Sicht der Zementindustrie stellen diese Werte die beste verfügbare Technik im Sinne der IPPC-Richtlinie dar.  

Modellrechnungen liefern Daten

Die Berechnungen mit dem verfahrenstechnischen Prozessmodell des Forschungsinstituts liefern neben umfangreichen Prozessgrößen insbesondere auch den spezifischen Energiebedarf zum Brennen des Klinkers. Zunächst wurde eine Referenzanlage abgebildet,  die der Definition des BREF`s entspricht (Vorcalcinieranlage mit 5stufigem Zyklonvorwärmer, Klinkerkapazität 3 000t/d) und die bei Betrieb mit Steinkohle einen spezifischen Brennstoffenergieverbrauch von etwa 3 000 kJ/kg Klinker erreicht. Dabei wurde kein Gasbypass berücksichtigt und ein Klinker mit einem Kalkstandard von 97 zugrunde gelegt. Darauf aufbauend wurden dann die Auswirkungen folgender relevanter Parameter auf den Energiebedarf ermittelt:

-            Rohmaterialfeuchte

-            Produktionskapazität der Anlage

-            Rohmaterialzusammensetzung und Klinkerqualität

-            Brennstoffeigenschaften und Brennstoffmix

-            Bypassbetrieb und Bypassrate  

Ergebnisse zeigen Bandbreite

Die Berechnungsergebnisse belegen, dass der im BREF-Dokument genannte Wert für die Energieeffizienz bei Nutzung modernster Technologien nur unter speziellen Randbedingungen hinsichtlich der Betriebsparameter sowie im Kurzzeit-Leistungstest erreichbar ist. Die Praxiserfahrungen zeigen, dass der spezifische Energiebedarf selbst solcher Anlagen bzw. Produktionsstandorte im Jahresgang durch An- und Abfahrvorgänge um 160 bis 320 kJ/kg Klinker höher ist als der optimale Wert im Leistungstest. Größere Anlagen können dabei leichter niedrigere Energiewerte erreichen, da die klinkerspezifischen Abgas- und Wandwärmeverluste mit steigender Produktionskapazität sinken. Weiterhin kann die lokal gegebene Rohmaterialfeuchte Ursache dafür sein, dass die Anlage mit einer geringeren Zahl von Zyklonstufen gebaut werden kann. Dies kann eine Erhöhung des Wärmebedarfs um deutlich mehr als 200 kJ/kg Klinker bedingen (Bild 1). Eine Steigerung um mehr als 400 kJ/kg Klinker kann auch durch die Eigenschaften der eingesetzten Brennstoffe (z. B. Feuchtegehalt, Reaktivität, Heizwert und heizwertbezogene Verbrennungsluftmenge) begründet sein. Bild 2 zeigt diesen Effekt für unterschiedliche Brennstoffmischungen, wobei die Zusammensetzungen von in deutschen Zementwerken eingesetzten Regel- und Sekundärbrennstoffen zu Grunde gelegt werden. Ebenso kann der Betrieb eines Gasbypasses zu einem erhöhten Energiebedarf um etwa 100 kJ/kg Klinker führen. In der gleichen Größenordnung bewegen sich die Auswirkungen unterschiedlicher Rohmaterialzusammensetzungen (z. B. hoher bzw. niedriger Kalkstandard).