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CO₂-Emissionen und Zementherstellung

Die Herstellung einer Tonne Zement ist in Deutschland mit CO2-Emissionen von rund 600 kg verbunden – ca. zwei Drittel davon entfallen auf rohstoffbedingte Prozessemissionen, nur ein Drittel auf Brennstoffemissionen. In Summe belaufen sich die CO2-Emissionen der Zementindustrie hierzulande aktuell auf etwa 20 Mio. Tonnen, was etwa 2 % der nationalen CO2-Emissionen entspricht. Doch wie entsteht das CO2 im Zementherstellungsprozess?

Im ersten Schritt der Zementherstellung wird in Steinbrüchen der Kalkstein gewonnen, zerkleinert und anschließend im Drehrohrofen bei Temperaturen von 1450 °C zu Zementklinker gebrannt. Dabei bilden sich die chemischen Eigenschaften aus, die dem Zement seine Leistungsfähigkeit sowie dem späteren Beton seine hohe Stabilität verleihen. Während des Brennvorgangs entsteht prozessbedingtes CO2 bei der Kalzinierung des Kalksteins zu Branntkalk, einer Vorstufe des Zementklinkers, nach folgender chemischer Reaktion: CaCO3 → CaO + CO2.

Brennstoffemissionen vs. Prozessemissionen

Zwei Drittel der CO₂-Emissionen bei der Zementherstellung sind rohstoffbedingte Prozessemissionen. Nur ein Drittel geht auf den Einsatz von Brennstoffen zurück. Da die Prozessemissionen mit heute verfügbaren Technologien nicht direkt minderbar sind, stellen sie auf dem Weg zur Klimaneutralität die größte Herausforderung für die Zementindustrie dar.

CO₂-Minderung heute

Seit 1990 hat die deutsche Zementindustrie ihre spezifischen Emissionen pro Tonne Zement um rund 22 % reduziert. Diese Fortschritte resultieren im Wesentlichen aus folgenden Maßnahmen:

  • Steigerung der thermischen und elektrischen Energieeffizienz durch diverse verfahrenstechnische Verbesserungen
  • Substitution fossiler durch alternative, biomassehaltige Brennstoffe mit geringerem CO2-Fußabdruck
  • Einsatz alternativer, bereits vorkalzinierter Rohstoffe
  • Effizienter Einsatz des emissionsintensiven Zwischenproduktes Zementklinker im Zement

Konventionelle CO₂-Minderungsmaßnahmen werden jedoch künftig zusehends an Grenzen stoßen: So liegt der thermische Effizienzgrad von Zementwerken bereits heute nahe am verfahrenstechnischen Maximum, Fortschritte bei der elektrischen Energieeffizienz werden durch steigenden Strombedarf häufig überkompensiert - etwa durch die Nachfrage nach feiner gemahlenen Zementen, durch technisch aufwändigere Abgasfilterung oder durch CO₂-Minderungsmaßnahmen. Auch eine weitere Reduzierung des Klinkergehalts im Zement ist technisch möglich, aber in erheblichem Maße von der Verfügbarkeit geeigneter alternativer Rohstoffe wie Hüttensand, Flugasche oder gebranntem Ton abhängig. 

CO₂-Minderung in Zukunft

Gemessen am Ziel einer klimaneutralen Gesellschaft in der zweiten Hälfte dieses Jahrhunderts wird die enorme Herausforderung für die Wertschöpfungskette Zement und Beton darin bestehen, sowohl energie- als auch prozessbedingte CO2-Emissionen möglichst auf „Null“ zu senken. Dafür werden neben teils neuen, CO2-effizienten Rohstoffen für die Klinker-, Zement- und Betonherstellung, vor allem neuartige Technologien erforderlich sein, durch die sich die Herstellungsprozesse und die Betonbauweise grundlegend verändern werden. Diese Zukunftslösungen gilt es „heute“ zu entwickeln, damit sie rechtzeitig im Industriemaßstab skaliert und wirtschaftlich eingesetzt werden können.

Neben den erläuterten „konventionellen“ Minderungsmaßnahmen forschen und arbeiten die Zementhersteller in Deutschland daher seit vielen Jahren intensiv an verschiedenen Ansätzen, um die CO2-Intensität der Zementherstellung weiter deutlich zu reduzieren. Dabei müssen alle CO2-Minderungspotenziale entlang der gesamten Wertschöpfungskette Klinker - Zement - Beton - Bauwerk - Abbruch einbezogen werden. Hierzu zählen vor allem:

  • Der Einsatz innovativer, besonders CO2-effizienter Zementarten wie CEM II/C und CEM VI und die hierfür notwendige Weiterentwicklung der Betontechnologie
  • Der intelligente und ressourcenschonende Einsatz von Beton im Bauwerk
  • Die CO2-Aufnahme im Beton (Recarbonatisierung)
  • Die Entwicklung neuartiger mineralischer Bindemittel
  • Technologien zur CO2-Abscheidung, -Transport und -Nutzung sowie -Speicherung  in geeigneten und sicheren geologischen Formationen

Carbon-Capture-Technologien

Die CO₂-Abscheidung im Zementwerk und dessen anschließende Nutzung bzw. Speicherung (Carbon Capture & Utilisation bzw. & Storage [CCU, CCS]) werden bei der Dekarbonisierung der Wertschöpfungskette Zement und Beton eine entscheidende Rolle spielen.

Innovative CO₂-Minderungstechnologien

Im Bewusstsein der großen Herausforderung beim Klimaschutz arbeiten die deutschen Zementhersteller unter dem Dach des VDZ und der European Cement Research Academy seit Jahren mit Hochdruck daran, sowohl heute verfügbare Minderungsoptionen weiter zu verbessern also auch neue Technologien zu entwickeln. Dabei zeichnet sich ab, dass die CO2-Abscheidung im Zementwerk und dessen anschließende Nutzung bzw. Speicherung (Carbon Capture & Utilization bzw. & Storage [CCU, CCS]) bei der Dekarbonisierung eine entscheidende Rolle spielen werden. Nach zahlreichen Studien und Forschungsvorhaben ist die Zementindustrie heute in der Lage, die CO2-Abscheidung (u.a. Oxyfuel- oder Post-Combustion-Technologien) großtechnisch zu erproben. Weitere Möglichkeiten CO2 im Herstellungsprozess abzuscheiden werden aktuell im Rahmen mehrerer Pilotprojekte in Europa getestet bzw. befinden sich in der Planung.

Ein weiterer Ansatz sind neuartige mineralische Bindemittel, die auf Basis einer anderen Rohstoffzusammensetzung und mit weniger Energieaufwand hergestellt werden könnten. Die Arbeiten hierzu befinden sich jedoch bislang im Entwicklungsstadium und es ist aus heutiger Sicht nicht zu erkennen, dass diese neuen Bindemittel in größerem Umfang Zemente ersetzen könnten. Dies liegt zum einen an der teilweise sehr begrenzten Verfügbarkeit der dafür notwendigen Rohmaterialien, zum anderen an den bautechnischen Eigenschaften, die sich zumindest aus heutiger Sicht nur für sehr spezifische Bauanwendungen eignen dürften. Hinsichtlich der CO2-Bilanz müssen sich neue Bindemittel zudem mit innovativen Zementen wie CEM II/C oder CEM VI messen, die grundsätzlich bereits heute verfügbar und ebenfalls sehr CO2-effizient sind und sich für ein wesentlich breiteres Einsatzspektrum eignen.

Perspektiven für klimaneutrale Betonbauweise

Die umfassende Dekarbonisierung der Wertschöpfungskette von Zement und Beton wird die Zementindustrie nicht alleine schultern können. Sie benötigt dafür die Unterstützung des Anlagenbaus und der Betonhersteller genauso wie die der bauausführenden Industrie sowie von Planern und Architekten. Daneben bedarf es auch geeigneter politischer Rahmenbedingungen, die eine wettbewerbsfähige Produktion CO2-armer Zemente und Betone in Deutschland ermöglichen und gleichzeitig Märkte für diese Produkte entstehen lassen.

Dies gilt besonders für den breiten wirtschaftlichen Einsatz von CO2-Abscheidungstechnologien im Zementwerk. Neben der technischen Machbarkeit bestehen hier viele weitere Voraussetzungen. Das Verfahren ist einerseits außerordentlich stromintensiv und damit teuer. Insofern bedarf es entsprechende Förderinstrumente, die einen wirtschaftlichen Betrieb in der Praxis ermöglichen. Andererseits wird es ohne die notwendige Infrastruktur – etwa für eine flächendeckend CO2-freie Stromnutzung oder den Transport von CO2 und Wasserstoff – nicht möglich sein, diese Transformation erfolgreich zu gestalten. Zu guter Letzt müssen auch die Menschen vor Ort, die Gesellschaft insgesamt bereit sein, die technischen und wirtschaftlichen Veränderungen mitzutragen und zu akzeptieren, damit die Transformation hin zu einer klimaneutralen Gesellschaft am Ende für alle ein Erfolg wird.

Faire Rahmenbedingungen

Für eine klimaneutrale Wertschöpfungskette Zement und Beton bedarf es wettbewerbsfähiger Rahmenbedingungen in Deutschland und Europa. Diese müssen die Technologieführerschaft der europäischen Zementhersteller durch geeignete Politikinstrumente flankieren.

Weitere Informationen

02.08.2020

Publikationen

Umweltdaten der deutschen Zementindustrie 2019

Um die Auswirkungen umweltrelevanter Emissionen zu verringern, hat die deutsche Zementindustrie allein in den Jahren 2016 bis 2018 mehr als eine halbe Milliarde Euro in ihren Maschinenpark und damit vor allen Dingen in die Umwelttechnik investiert. So wurden durch den Einsatz der SNCR- und SCR-Technologien die Voraussetzungen geschaffen die seit 2019 geltenden strengeren NOₓ-Grenzwerte von 200mg/m³ einzuhalten.

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01.07.2019

Publikationen

Zementindustrie im Überblick 2019-2020

Die kompakte Broschüre „Zementindustrie im Überblick“ biete eine aktuelle Standortbestimmung des VDZ sowie eine Zusammenfassung der politischen und wirtschaftlichen Rahmenbedingungen der deutschen Zementindustrie.

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30.11.2019

Publikationen

RWI Projektbericht, Monitoring 2018

Verifikation der Vereinbarung zwischen der Regierung der Bundesrepublik Deutschland und der deutschen Wirtschaft zur Steigerung der Energieeffizienz vom 1. August 2012 (Monitoring 2018)

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