Das Projekt catch4climate

 

Projektübersicht

1Warum wurde für das Projekt der Standort Mergelstetten ausgewählt?
Sämtliche, für das Konsortium in Frage kommenden Standorte für die Pure-Oxyfuel-Pilotanlage wurden durch ein Expertenteam aller Konsortialpartner untersucht. Die wesentlichen Gründe für die Standortentscheidung des Konsortiums für Mergelstetten liegen in der mit einem Bebauungsplan belegten Baufeldfläche, der guten, verkehrstechnischen Anbindung des Geländes sowie der guten logistischen Erreichbarkeit für potenzielle Sauerstofflieferanten. Gleichzeitig können wesentliche Synergieeffekte mit dem bestehenden Zementwerksstandort der Fa. SCHWENK genutzt werden. Diese liegen vor allem in der Rohmehlversorgung und der Brennstoffversorgung. Hier können sowohl Steinkohlestaub als auch Alternativbrennstoffe auf kurzen logistischen Wegen bezogen werden und so erforderliche LKW-Bewegungen minimiert werden.
2Wann wird die Anlage in Betrieb genommen?
Die Pilotanalge wird voraussichtlich in der zweiten Jahreshälte 2025 in Betrieb genommen.
3Um wieviel verteuert sich der Zement durch das Oxyfuel-Verfahren?
Für die Zementklinkerherstellung mit dem Oxyfuel-Verfahren wird deutlich mehr Energie benötigt (insb. Strom für die Gewinnung des reinen Sauerstoffs aus der Luft und für die Verflüssigung des abgeschiedenen CO2). Dadurch wird der Produktionsprozess zwangsläufig teurer. Öffentliche Studien aus den Jahren 2014-2018 erwarten um ca. 40% höhere Klinkerproduktionskosten. Um welchen Betrag sich die Kosten voraussichtlich tatsächlich erhöhen, kann derzeit noch nicht angegeben werden, sondern soll auch im Zuge des Pilot-Projektes ermittelt werden.
4Wieviel Millionen EUR wird das Projekt insgesamt kosten?
Berücksichtigt man das gesamte Investitions- und Betriebskostenvolumen so beläuft sich das Gesamtprojektbudget auf rund 130 Millionen Euro.
5Wie können langfristig Wettbewerbsvorteile erreicht werden?
Die erwartete Spanne der CO2-Vermeidungskosten gemäß aktueller Studienlage reicht von 40 bis 90 €/tCO2 (Abscheidung + Aufbereitung des CO2 im Zementwerk). Die tatsächlichen Kosten sind dabei stark abhängig von der gewählten Technologie und Verfahrensweise. Die aktuellen Studien zeigen, dass die für das catch4climate-Projekt gewählte Pure-Oxyfuel-Technologie im Bereich von 40 bis 50 €/tCO2 liegen könnte. In dieser Differenz begründet sich der erwartete Wettbewerbsvorteil der Pure-Oxyfuel- echnologie, die eine deutlich erleichterte Abtrennung und Verarbeitung bzw. Sequestrierung der CO2-Emissionen aus dem Klinkerbrennprozess ermöglicht.
6Wie wird die CO2-Bepreisung berücksichtigt?
Aufgrund ihrer geringen Produktionskapazität nimmt die Pilotanlage nicht am Europäischen CO2-Emissionshandel teil. Stattdessen müssen dann aber für die eingesetzten Brennstoffe die CO2-Preisaufschläge im deutschen Emissionshandelssystem (BEHG) bezahlt werden. Diese sind Teil der Betriebskosten der Anlage.
7Wie wirkt sich dieses Verfahren auf den CO2-Preis pro Tonne aus?
Das Oxyfuel-Verfahren selbst hat keinen Einfluss darauf, wie viel CO2 im Klinkerbrennprozess entsteht, sondern es sorgt nur dafür, dass das CO2 bereits in hochkonzentrierter Form entsteht. Erst durch eine anschließende Abscheidung (Reinigung und Verflüssigung) des CO2 werden CO2-Emissionen einer Ofenanlage in die Atmosphäre vermieden. Für künftige, größere Oxyfuel-Anlagen bedeutet dies, dass dann eine geringere Nachfrage nach CO2-Zertifikaten im EU-Emissionshandel besteht, was zumindest theoretisch eine tendenziell preissenkende Wirkung haben sollte.
8Verbessert sich eigentlich die Klinkerqualität bei dem Oxyfuel-Verfahren?
Diese Frage wird im Rahmen des Projektes intensiv untersucht und bildet einen weiteren Baustein in der Bewertung der Vorteile der Pure-Oxyfuel-Technologie. Hierzu werden Versuche an der Pilotanlage zur Verbesserung der Klinkerqualität durchgeführt.
9Benötigt in Zukunft jedes Zementwerk eine solche Ofenanlage, die nach dem Oxyfuel-Verfahren betrieben wird?
Sofern das Pilotprojekt erfolgreich ist, stellt das Oxyfuel-Verfahren eine hervorragende Option dar, um hochkonzentriertes CO2 aus dem Abgas abzuscheiden und damit zur CO2-Neutralität der Zementindustrie beizutragen. Grundsätzlich können bestehende Ofenanlage auf das Oxyfuel-Verfahren umgerüstet oder neue Ofenanlagen nach diesem Verfahren gebaut werden. Neben dem Oxyfuel-Verfahren werden in der globalen Zementindustrie aber auch andere technische Alternativen erprobt, um das Ziel der CO2-Neutralität der Zementindustrie zu erreichen. Welche dieser technischen Innovationen sich am Ende durchsetzen wird, kann heute nicht gesagt werden, aber das Oxyfuel-Verfahren lässt die niedrigsten Betriebskosten der konkurrierenden Verfahren erwarten.
10Lohnt sich das Vorhaben aus Gründen der Energieeffizienz?
Durch die zugehörige CO2-Abscheidung wird deutlich mehr elektrische Energie benötigt als beim herkömmlichen Produktionsprozess, wobei ein Großteil des zusätzlichen Bedarfs auf die Sauerstoffgewinnung entfällt (im Falle des Pilotprojekts fällt diese zusätzliche Energie aber beim Sauerstofflieferanten an). Außerdem ist auch der Brennstoffenergiebedarf beim Oxyfuel-Verfahren etwas höher (durch die höhere Wärmeabstrahlung aufgrund kleinerer Querschnitte in den Gasleitungen etc. und dadurch, dass die Wärme des gebrannten Klinkers nicht in der gleichen Weise zum Aufheizen des Verbrennungssauerstoffs genutzt werden kann, wie bei konventionellen Ofenanlage zum Aufheizen der Verbrennungsluft).
11Ist es das Ziel auch 100% alternative Brennstoffe einzusetzen?
Durch den Einsatz von alternativen Brennstoffen, insbesondere solchen mit biogenen Anteilen, in der Zementindustrie kann in entsprechendem Umfang auf die Verbrennung fossiler Brennstoffe verzichtet werden.
12Wäre es interessant, sich auf umweltfreundliche Brennstoffe zu konzentrieren?
Bezogen auf den geplanten Einsatz von 100% Alternativbrennstoff ist die maximale Ressourcenschonung im Brennstoffeinsatz gewährleistet. Der Klinkerbrennprozess ermöglicht eine reststofffreie, thermische Verwertung der Brennstoffe (es entstehen keine auf Deponien zu entsorgenden Aschen oder Schlacken, wie sie in Müllverbrennungsanlagen anfallen) und leistet damit einen entscheidenden Beitrag zur umweltfreundlichen, thermischen Verwertung.
13Warum wird daran geforscht, CO2 aus dem Abgas abzutrennen?
Die in Europa und Deutschland angestrebte Klimaneutralität bis 2045 schafft den Rahmen für die erforderlichen Technologieentwicklungen und Transformationsprozesse, nicht nur in der Zementbranche. Gemäß CO2-Roadmap des Vereins Deutscher Zementwerke (VDZ) leisten die sogenannten CCUS-Technologien auf dem Weg zur Klimaneutralität einen signifikanten Beitrag von über 50% zur Reduktion der prozessbedingten CO2-Emissionen. Die potenziell wirtschaftlichste Variante zur CO2-Abscheidung aus dem Klinkerbrennprozess liegt dabei in der Pure-Oxyfuel-Technologie. Für die Zementbranche ist diese Technologie somit äußerst vielversprechend und ein wesentlicher Beitrag zur Erreichung der politischen Ziele auf dem Weg zur Klimaneutralität.

Anlagentechnik

1Benötigt die Anlage viel Strom?
Eine Vermeidung von CO2 ist unabhängig von der Technologieauswahl sehr energieintensiv. Der spezifische Energieverbrauch der CO2-Abscheideanlage in Kombination mit dem Pure-Oxyfuel-Verfahren wird für rund 120 –150 kWh pro Tonne CO2 gereinigt / verflüssigt erwartet.
2Welche Abgasreinigungstechniken werden in der Oxyfuel-Ofenanlage angewendet?
Das Rauchgas nach den Vorwärmer Zyklonen muss gemäß den Emissionsvorschriften des Bundesimmissionsschutzgesetzes (BImSchG), der TA Luft und der 17. BImSchV behandelt werden. Hierbei wird der Tatsache Rechnung getragen, dass sich die Zusammensetzung und Schadstoffkonzentrationen des Ofenabgases aufgrund des neuen Oxydanten (reiner Sauerstoff statt Umgebungsluft) ändert. Gegenüber konventionellen Ofenanlagen wird insoweit die Abgasreinigungstechnik fortentwickelt. Der Einsatz folgender Abgasreinigungstechniken ist geplant: • Der Rauchgasstrom nach dem Vorwärmer wird mit Hilfe eines hochtemperaturbeständigen Filters entstaubt. • Das staubarme Rauchgas wird dann in die SCR-Anlage zur katalytischen NOx-Reduktion eingeleitet. Die SCR-Anlage stellt hierbei die zweite Stufe der Rauchgasentstickung nach der ofenimmanenten SNCR-Anlage zur nicht-katalytischen Entstickung dar. • Potentiell höhere SOx-Bestandteile im Rauchgas haben den Einsatz einer speziellen Rauchgasentschwefelungsanlage erforderlich gemacht, der in seinem Gesamtkonzept auch eine Reduzierung der Quecksilber-Emissionen bewirkt. Daher wird für die Rauchgasbehandlung an dieser Pilot-Oxyfuel-Ofenanlage zusätzlich ein Nasswäscher geplant, der bisher als unkonventionelle Lösung in der Zementindustrie angesehen wurde.
3Wie wird CO2 abgetrennt?
Die CPU (CO2 Processing unit) oder CO2-Gasaufbereitungseinheit kombiniert mehrere abgestimmte Verfahrensschritte zur Abtrennung und Verflüssigung von CO2 aus dem Abgasstrom. Zunächst wird das Gas durch einen Gaswäscher geleitet, wo es sowohl abgekühlt, teilweise entwässert wird und ebenfalls Salze entfernt werden. Danach wird das Gas beispielsweise über eine alkalische Wäsche unter Druck von Stickoxiden und Schwefeloxiden befreit. Danach wird das Gas über einen Festbett-Adsorber getrocknet. Das trockene Gas wird dann in einer Hochdruck-Rektifikationskolonne unter Erzeugung von tiefen Temperaturen in die Fraktionen CO2 (flüssig) sowie Sauerstoff, Stickstoff, Argon und restliches CO2 (gasförmig) zerlegt. Anmerkung: Die Ausbeute des verflüssigten CO2 („catch rate“) ist ebenfalls abhängig von der Eingangskonzentration des CO2 im Eintrittsgas einer CPU. Die Erhöhung der Ausbeute geht einher mit einer möglichst hohen zeitlichen Verfügbarkeit einer Ofenanlage, mit hohem Anreicherungsgrad an CO2.
4Wo genau wird das CO2 im Prozess abgeschieden?
Das CO2 wird nach der erfolgten Abgasreinigung (zur Erfüllung der 17.BImSchV-Grenzwerte) und vor Emission im Kamin abgeschieden.
5Wieviel kostet die Abscheidung von CO2 energetisch? Wie hoch ist der energetische Aufwand zur Abtrennung von CO2?
Zunächst ist Ziel dieses Projektes die technisch höchstmögliche Aufkonzentrierung von CO2 zu erreichen, um so die Auslegung einer großtechnischen CPU sowohl energetisch als auch im Hinblick für die Investitionskosten zu optimieren. Die Pilotanlage ist der erste Schritt, um in der technischen Prozesskette bereits „stromaufwärts“ den Klinkerbrennprozess neu zu gestalten, um eine optimale Eintrittskonzentration für den weiteren Verfahrensschritt zu ermöglichen. Allgemein gilt der Zusammenhang zwischen niedrigerem Energieverbrauch der CPU mit höherem Anreicherungsgrad von CO2 im Eintritt der CPU. (Hier sei erwähnt, dass der spezifische elektrische Energiebedarf einer CPU, in welcher Bauart auch immer, den des Ofenbetriebs übersteigen wird.) Daher liegt der Fokus des Forschungsprojektes auf der Beurteilung der Prozessfähigkeit der neuen Ofenanlage. Die Ermittlung der erreichten CO2-Anreicherung und deren Schwankungsbreite ist Ziel des Projektes zur entsprechenden Dimensionierung der anderen Teilanlagen. Auf Basis von Studien ist hierbei für eine Großanlage mit einem spezifischen, (rein) elektrischen Energiebedarf von ca. 120 -150 khW/ton CO2 auszugehen. Literatur: A. Darde et al., “Air separation and flue gas compression and purification units for oxy-coal combustion systems”, Energy Procedia 1 (2009) 527-534 V. Hoenig, et al. „ECRA CCS Project –Report about Phase III. Technical Report TR-119/2012“, Düsseldorf / Germany, 2012 K. Koring, „CO2-Emissionsminder-ungspotential und technologische Auswirkungen der Oxyfuel- Technologie im Zementklinkerbrennprozess“; Schriftenreihe der Zementindustrie, Heft 79, 2013
6Inwiefern gehen von der Lagerung/Transport für CO2 Gefahren aus? Gefährdungsbeurteilung für CO2
CO2 ist ein technisches Gas, das beispielsweise auch als Inertgas bei Brand- und Explosionsschutz, als Spülgas oder als Schutzgas zum Vermeiden unerwünschter Reaktionen zum Einsatz kommt. Die Verflüssigung von Gasen unter Verwendung von hohen Drücken und tiefen Temperaturen und deren Lagerung bzw. Transport bei diesen Bedingungen müssen unter Einhaltung der entsprechenden Sicherheitsstandards erfolgen.

Luftreinhaltung

1Was kommt (außer CO2) noch aus dem Abgaskamin in die Atmosphäre? Wie sieht die Abluft aus?
Im Fachgutachten Luftschadstoffe werden die zukünftigen Emissionen der Anlage möglichst genau beschrieben und prognostiziert. Generell entstehen beim Klinkerbrennprozess Emissionen aus dem Verbrennungsprozess, der Verfahrenstechnik, verbunden mit der Zusammensetzung der Roh- und Brennstoffe.Emissionsbegrenzungen gibt es für die Komponenten • Stickstoffoxide (NOx), • Kohlenmonoxid (CO), • Staub, • Schwefeloxide (SO2), • Ammoniak (NH3), • Chloride und Fluoride (HCl, HF), • organische Komponenten (TOC), • Benzol, • Quecksilber (Hg), • Spurenelemente und • Dioxine /Furane. Der Oxyfuel-Prozess hat aufgrund der anderen Verfahrenstechnik auch Einfluss auf das Emissionsniveau der vorgenannten Komponenten (aufgrund des geringeren Abgasvolumenstroms sind die Emissionskonzentrationen zwar höher, die Emissionsfrachten je Tonne Klinker sind jedoch vergleichbar mit konventionellen Ofenanlagen). Die Emissionen werden deshalb, genauso wie bei herkömmlichen Ofenanlagen regelmäßig und zum Großteil sogar kontinuierlich durch Messung überwacht. Weiterhin wird modernste Abluftreinigungstechnik nach dem Stand der Technik eingesetzt. Anhand einer Ausbreitungsrechnung für Luftschadstoffe wird außerdem untersucht, welche Immissionen in der Umgebung durch die Anlage zu erwarten sind. Die Pilotanlage wird so geplant, gebaut und betrieben, dass zu jedem Zeitpunkt ein schadloser und umweltverträglicher Betrieb der Anlage gewährleistet ist.
2Warum sprechen Sie davon, dass am Ende nichts mehr aus der Fabrik herauskommt?
Langfristiges Ziel ist die Steigerung der CO2-Abscheidung aus dem Abgasstrom. Über den Hauptkamin würde dann immer weniger Ofenabgas in die Umgebung emittiert. Wenn der gesamte Ofenabgasstrom einer CO2-Abscheideanlage zugeführt würde, bliebe schlussendlich nur noch die entstaubte Kühlerabluft als Emission. Der konkrete Umfang, der im Rahmen des Pilotprojekts tatsächlich durchgeführten CO2-Abscheidung wird sich aber erst im Laufe des Projektfortschritts ergeben. Im Rahmen des Forschungsprojekts soll vor allem gezeigt werden, dass eine vollständige CO2-Abscheidung bei Anwendung des Pure-Oxyfuel-Produktionsverfahrens grundsätzlich möglich ist.
3Wie verändert sich die Schadstoffzusammensetzung bei 100% Sauerstoff?
Die reine Sauerstofffeuerung hat aufgrund der anderen Verfahrenstechnik Einfluss auf das Abgasniveau der oben unter Nr. 31 genannten Komponenten, wie z. B. NOx. Die höhere Gastemperatur kann eine höhere Umwandlung von vorhandenem Stickstoff zu NOx zur Folge haben. Auf der anderen Seite ist deutlich weniger Stickstoff insgesamt im System, so dass sich diese Effekte auch ganz oder teilweise gegenseitig aufheben können. Weiterhin haben Veränderungen in der Ofenfahrweise zwischen reduzierenden und oxidierenden Bedingungen Auswirkung auf das Emissionsniveau von SO2 und TOC (Gesamtkohlenstoff). Die Emissionen dieser Komponenten werden im Betrieb kontinuierlich gemessen und überwacht. Aufgrund des geringeren Abgasvolumenstroms sind die Emissionskonzentrationen im Abgas aber in der Regel höher als bei konventionellen Zementofenanlagen, die Frachten je Tonne Klinker sind jedoch vergleichbar mit konventionellen Ofenanlagen (denn letztlich kann nicht mehr emittiert werden, wie dem Klinkerbrennprozess mit den Roh- und Brennstoffen zugeführt wird).

Sonstige Fragen und Anregungen zum Vorhaben

1Wie sieht es mit solchen Klimaschutzprojekten woanders in der Welt aus, z. B. in Asien?
Aufgrund des Pariser Abkommens werden derzeit überall in der Welt Klimaschutzprojekte durchgeführt. Vor allem werden dabei neue Technologien entwickelt und getestet (wie z. B. jetzt das Oxyfuel-Verfahren), welche dann im Erfolgsfall auch in vielen anderen Ländern, auch in Asien, eingesetzt werden können. Die Partner des CI4C-Konsortiums sind international tätig. Nach erfolgreicher Erprobung im Rahmen des C4C-Projektes steht die Oxyfuel-Technik für den Einsatz an ihren Standorten weltweit zur Verfügung.
 

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