Tag der KMU: Neues Verfahren soll CO2 und Energie in Zementherstellung senken
Die Zementindustrie ist für etwa acht Prozent der weltweiten CO2-Emissionen verantwortlich. Das BMFTR-Projekt „CalReak“ erforschte ein emissionseinsparendes Verfahren, mit dem umweltfreundlichere Ersatzstoffe für die Zementproduktion hergestellt werden.
Kleine und mittlere Unternehmen (KMU) spielen eine Schlüsselrolle in der Weltwirtschaft. Sie bringen neue Produkte, Verfahren und Dienstleistungen auf den Markt und tragen zur technologischen Weiterentwicklung bei. Seit 2017 wird dies jährlich mit dem UN-Welttag der KMU am 27. Juni gewürdigt.
In Deutschland gelten KMU als Rückgrat der Wirtschaft. Von den etwa 2,6 Millionen deutschen Unternehmen sind rund 99 Prozent KMU. Sie stellen mehr als die Hälfte aller Arbeitsplätze, beschäftigen 80 Prozent der Auszubildenden und erwirtschaften knapp ein Drittel aller Umsätze. Viele dieser Unternehmen investieren in Forschung und Entwicklung innovativer Prozesse und Produkte, um auf dem Markt wettbewerbsfähig zu bleiben. Dabei unterstützt sie das Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR) seit 2007 mit der Förderinitiative KMU-innovativ. Im Bereich Klimaschutz und Energieeffizienz („KMUi-Klima") wurden beispielsweise bereits über 190 Projekte gefördert. Deutsche KMU gestalten so den erforderlichen Wandel zu mehr Klimaschutz und -anpassung sowie Nachhaltigkeit aktiv mit.
Zementindustrie: Wie kann der massive CO2-Ausstoß gesenkt werden?
Eins der vielen Projekte ist „CalReak", das vom BMFTR von 2022 bis 2024 mit rund 317.000 Euro gefördert wurde. Ziel des Projekts war es, einen neuen Prozess für die Zementindustrie zu entwickeln, der einen Beitrag zur Reduktion des CO2-Ausstoßes in dieser Branche leistet. Denn aufgrund des hohen Bedarfs an Zement für die Betonherstellung, ist die Zementindustrie für etwa acht Prozent der weltweiten menschengemachten CO2-Emissionen verantwortlich. Zement ist das Bindemittel, das Beton seine Festigkeit und Stabilität verleiht – entscheidend für den Bau von Gebäuden, Brücken und Straßen. Die Herstellung von Zementklinker, dem Hauptbestandteil von Zement, ist besonders emissionsintensiv: Bei der sogenannten Calcinierung wird Kalkstein bei etwa 1450 Grad Celsius erhitzt. Problematisch ist dabei nicht nur die Energieintensität des Prozesses selbst, sondern vor allem die unvermeidbare Freisetzung großer Mengen an CO2, die im Kalkstein gebunden sind. Aus den Ausgangsstoffen bilden sich letztlich die sogenannten Klinkerphasen, die dem Zement seine charakteristischen Eigenschaften verleihen: ein Bindemittel, das mit Wasser zu unlöslichen Verbindungen reagiert und dadurch eine hohe Stabilität und Festigkeit aufweist.
Projekt CalReak entwickelt neuen Prozess im Herstellungsverfahren von Klinkerersatzstoffen
Eine vielversprechende Alternative zum herkömmlichen Zementklinker sind calcinierte Tone, auch Metatone genannt. Sie werden aus fein gemahlenen Tonen hergestellt und im Gegensatz zur Zementklinkerherstellung ist sowohl die Calcinierungstemperatur (600 bis 850 Grad Celsius) als auch die im Ausgangsstoff gebundene Menge CO2 deutlich niedriger.
Das Projekt CalReak untersuchte zum einen die sogenannte Calcinierung in einem üblich verwendeten Drehrohrofen. Darüber hinaus führte das Projekt Experimente bei einem Verfahren durch, bei der Metatone nicht in üblichen Brennöfen (wie zum Beispiel im klassischen Drehrohrofen) hergestellt werden, sondern im sogenannten Wirbelschicht-Verfahren (siehe Foto). Dabei wird das fein gemahlene Tonmehl in einer speziellen Anlage – dem Wirbelschichtreaktor – von heißem Gas durchströmt. Die Partikel bleiben in der Schwebe, sie werden gleichmäßiger und schneller erhitzt als im Drehrohrofen. Dadurch läuft die Calcinierung effizienter ab; der Energieverbrauch und damit auch CO2-Ausstoß werden gesenkt. Der vom Projekt CalReak untersuchte neue Prozess für das Wirbelschicht-Verfahren soll einen Klinkerersatzstoff für die Produktion von Zementen zur Verfügung zu stellen, der in großer Menge verfügbar, ökonomisch sinnvoll und dabei hochreaktiv ist.
CalReak-Projektleiter Markus Neubert zieht eine positive Bilanz: „Mit unseren Testergebnisse konnten wir das Potenzial einer möglichen Calcinierung im Wirbelschicht-Verfahren aufzeigen. Somit könnte in Zukunft Energie durch kürzere Calcinierzeiten eingespart werden. Jedoch sind dazu noch weitere Optimierungen notwendig, um eine gleichmäßige und vollständige Calcinierung zu gewährleisten. Außerdem freuen wir uns besonders darüber, dass auch die Leistung von Metatonen, insbesondere bei der Festigkeit, einen deutlichen Klinkerersatz ermöglicht. Künftig Metatone statt Klinker bei der Zementproduktion zu verwenden, ist demnach eine sehr gute Option, um die Nachhaltigkeit zu steigern!"
Ein weiterer Vorteil der Metatone als Klinkerersatz: Regional sind die dafür benötigten kaolinitarmen Tone breit verfügbar. Zusammen mit dem Potenzial für energieeffiziente und somit kostengünstige Herstellungsverfahren eröffnet dies vielversprechende Perspektiven für den breiten Einsatz von Metatonen.
Fördermaßnahme „KMUi-Klima"
Kleine und mittlere Unternehmen (KMU) spielen eine bedeutende Rolle bei der Entwicklung neuer Technologien zum Klimaschutz und zur Klimaanpassung. Sie sind Entwickler und Anbieter von Produkten, Verfahren und Dienstleistungen, durch die der Energieverbrauch und die Treibhausgasemissionen verringert sowie Beiträge zur Anpassung an den Klimawandel geleistet werden können. Daher fördert das Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR) KMU seit 2007 in diesem Forschungsbereich. Um diesen Schwerpunkt weiter auszubauen, legte das Ministerium im März 2024 eigens die Fördermaßnahme „KMU-innovativ: Energieeffizienz, Klimaschutz und Klimaanpassung" – kurz „KMUi-Klima" – auf.