Lösungen für CO2-intensive Industrien
CO2-intensive Industrien
Künftige saubere Energiesysteme müssen kohlenstoffarme Energie liefern und eine höhere Energieeffizienz in allen Endanwendungen ermöglichen, sei es bei der Strom- und Wärmeerzeugung für Industrie und Haushalte, in der Land- und Forstwirtschaft oder anderen Formen der Landnutzung oder im Verkehrsbereich.
Unter den Hauptsektoren ist die Schwerindustrie besonders CO2-intensiv und ihre Emissionen sind besonders schwierig zu reduzieren. Laut der Internationalen Energieagentur belaufen sich die direkten CO2-Emissionen der Schwerindustrie alleine in den G7-Ländern auf rund 6 Mrd. Tonnen pro Jahr - mehr als ein Sechstel der gesamten CO2-Emissionen des globalen Energiesystems. Angesichts der Tatsache, dass die weltweite Stahlindustrie und die weltweite Zementindustrie jeweils für mindestens 8 % der globalen Emissionen von CO2-Äquivalenten verantwortlich sind, untersuchen wir die Innovationen, die diese beiden Schlüsselindustrien sauberer und nachhaltiger machen sollen.
Hinweis:
Bei den nachstehenden Smart searches, die besonders viele Treffer liefern, können Sie sich entweder nur die neuesten Treffer oder die vollständige Trefferliste anzeigen lassen. Erfahren Sie mehr über die Filterfunktion in Espacenet, die dies ermöglicht. Ein Online-Kurs des EPA zu Espacenet erläutert Nutzen und Potenzial des Tools.
- Grüner Stahl
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Eisen wird aus eisenoxidhaltigem Mineralerz in Hochöfen hergestellt, wobei glühender Koks und kohlenstoffhaltige Gase verwendet werden, um das Erz zu Eisen und Eisencarbid zu reduzieren; dabei wird CO2 freigesetzt. Das Roheisen wird weiter veredelt, um überschüssigen Kohlenstoff zu entfernen und die gewünschte Stahlqualität zu erreichen. All dies erfordert eine große Menge an Energie: insgesamt werden für jede Tonne hergestellten Eisens in etwa zwei Tonnen CO2 emittiert.
Laut Studien des IPCC ist die Stahlindustrie für ca. 8 % der globalen CO2-Emissionen verantwortlich.
Forschungseinrichtungen und die Stahlindustrie selbst investieren in Maßnahmen zur Reduzierung der Emissionen. Ein vielversprechendes neues Verfahren zur Stahlerzeugung ist die Verwendung von Wasserstoff als Reduktionsmittel anstelle von kohlenstoffhaltigen Reduktionsmitteln; idealerweise sollte es sich dabei um grünen Wasserstoff handeln, der durch Elektrolyse aus erneuerbaren Energien gewonnen wird.
Weitere Möglichkeiten liegen in der Nutzung erneuerbarer Energiequellen während des gesamten Produktionsprozesses, in einer stärkeren Wärmerückgewinnung, in der Wiederverwendung von Stahlschrott und in der Optimierung bestehender Prozesse.
Vermeidung, Abscheidung oder Umwandlung von CO2
Vermeidung von CO2Hauptziel muss die Reduzierung der CO2-Emissionen im Produktionsprozess bleiben. Die Optimierung des Einsatzes alternativer Reduktionsmittel zur Ersetzung des bislang verwendeten CO2-erzeugenden Kokses hat dabei Priorität, wobei der Hauptkandidat Wasserstoff ist (siehe spezifische Smart Search weiter unten). Derzeit werden jedoch auch andere mögliche Reduktionsmittel erforscht, wie etwas das leicht verfügbare Methan.
Abscheidung oder Umwandlung von CO2
Wo eine Vermeidung von CO2-Emissionen nicht möglich ist, bilden die Abscheidung und Speicherung oder Umwandlung von CO2 eine Alternative. CO2 kann zudem in Kohlenmonoxid zur Wiederverwendung in Hochöfen umgewandelt werden.
Wasserstoff als Reduktionsmittel
Bei der Stahlherstellung wird traditionell Koks als Kohlenstoffquelle für die Reduktion des Eisenoxiderzes verwendet, was mit enormen CO2-Emissionen verbunden ist. Wird Wasserstoff als Alternative eingesetzt - vorzugsweise Wasserstoff, der durch Elektrolyse mit Strom aus erneuerbarer Wind- oder Solarenergie gewonnen wird -, ist das einzige Nebenprodukt Dampf.
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Prozesseffizienz und Wärmerückgewinnung
Es gibt verschiedene Wege, um die Gesamteffizienz der derzeitigen Stahlproduktionsprozesse zu verbessern. Die Optimierung der Betriebsbedingungen und energieeffizientere Hochöfen können durch eine stärkere Wärmerückgewinnung und Wiederverwendung ergänzt werden. Der erzeugte Dampf kann zur Generierung von Strom durch konventionelle Mittel dienen und die Gichtgase aus dem Ofen können zur Erwärmung in anderen Prozessen verwendet werden. Um eine erneute Erwärmung des frisch erzeugten Stahls zu vermeiden, kann er sofort in einem nachgelagerten Prozess, wie etwa dem Walzen, verwendet werden, bevor er abkühlen kann.
Wiederverwendung in anderen Technologien
Im Mittelpunkt dieses Ansatzes steht die Wiederverwendung von CO2 in anderen Technologien. Hierzu gehört etwa die Modifizierung oder Reinigung des emittierten CO2 - z. B. in speziellen Wäschern - und seine anschließende Wiederverwendung in anderen chemischen oder biochemischen Prozessen (oder einer Kombination aus beiden). Zu den Beispielen für solche Prozesse zählt die Nutzung von Mikroben für die Herstellung von Methan.
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Recycling von Schrott in Elektroöfen
In einem Elektroofen kann aus Stahlschrott direkt hochwertiger Stahl produziert werden, oder Stahlschrott kann als Rohmaterial in konventionellen Stahlöfen verwendet werden. Die Prozesse, die diese Techniken ermöglichen, werden kontinuierlich verfeinert und optimiert.
- Grüner Zement
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Zement ist ein Bindemittel, das mit Sand und Kies oder anderen Zuschlagstoffen vermischt wird, um Beton herzustellen. Beton selbst ist heute das am häufigsten eingesetzte Material mit Ausnahme von Wasser. Hydraulischer Zement, meist Portlandzement, härtet aus und bildet durch Hydratation eine gehärtete Matrix, die ineinandergreifende Silikathydrate bildet und besonders widerstandsfähig gegen wetterbedingte und chemische Erosion ist.
Zementöfen werden traditionell mit Kohle oder Petrolkoks beheizt. Die Öfen haben einen sehr hohen Energiebedarf, da die Rohstoffe, darunter Kalkstein (Kalziumkarbonat), auf etwa 1 450 °C erhitzt werden müssen. Bei der Entsäuerung des Kalksteins wird außerdem CO2 freigesetzt. Die weltweite Zementproduktion liegt zurzeit bei vier Milliarden Tonnen pro Jahr, bei zunehmender Tendenz. Es wird geschätzt, dass auf sie rund 8 % der globalen CO2-Emissionen entfallen.
Im Mittelpunkt von Forschung und Entwicklung stehen sowohl die CO2-Reduzierung als auch die CO2-Abscheidung - Bereiche, die von einer Reihe neuer Technologien geprägt werden. Schwerpunktbereiche der Innovation sind alternative Rohstoffe und Brennstoffe sowie die Optimierung der Zementproduktion. Kohlenstoffarme Bindemittel können Zement selbst teilweise ersetzen. In der Zwischenzeit können karbonisierbare Bindemittel als Ergänzung verwendet werden, die einen Teil des CO2 absorbieren, das sonst beim Verhärten freigesetzt wird.
CO2-Reduzierung
Alternative Rohstoffe
Die Suche nach alternativen Rohstoffen ist breit angelegt, bei ihr müssen sowohl der CO2-Fußabdruck als auch die Bindeeigenschaften berücksichtigt werden. Ein Beispiel für einen alternativen Rohstoff ist Klärschlamm, der auch als Sekundärbrennstoff dienen kann. Andere sind etwa recycelte Baumaterialien und Abbruchabfälle sowie industrielle Nebenprodukte wie Flugasche und Hochofenschlacke.
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Alternative Brennstoffe
Zu den alternativen (sekundären) Brennstoffen gehören Abfallstoffe mit ausreichendem Brennwert, die nach dem Sintern bei hohen Temperaturen vollständig in den Zement selbst integriert werden können. Für diesen Zweck geeignete Abfallstoffe sind etwa Reifen, Klärschlamm und Sägemehl.
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Senkung des Brennstoffverbrauchs
Es gibt verschiedene Möglichkeiten, den Brennstoffverbrauch bei der Zementherstellung zu verringern, darunter effizientere Öfen, Maßnahmen zur Verringerung von Wärmeverlusten, eine bessere Wiederverwendung von Wärme und Energie und die Nutzung von Nebenprodukten als Bestandteile der Zementherstellung.
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Kohlenstoffarme Bindemittel
Geopolymere Bindemittel können als Ersatz für Portlandzement verwendet werden, und insbesondere Verbundmischungen sind von zunehmendem Interesse. Diese können zusätzliche positive Eigenschaften aufweisen und werden ständig optimiert. Alternativ können auch alkalisch aktivierte Zemente auf der Basis von gemahlener Hochofenschlacke oder Flugasche zur Herstellung von Bindemitteln mit sehr geringen oder gar keinen CO2-Emissionen verwendet werden.
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Karbonisierbare Bindemittel
Die teilweise Ersetzung von konventionellem Zement durch karbonisierbare Bindemittel senkt die CO2-Emissionen aus Kalkstein und spart zudem Rohstoffe.
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CO2-Abscheidung
Zementersatzstoffe
Zu den möglichen Zementersatzstoffen, die bei der Reduzierung von Emissionen helfen können, zählen entsprechend behandelte Materialien wie Erde, Abfälle, andere Arten von Silika und aluminiumhaltige Materialien.
Zementersatzstoffe - vollständige trefferliste
Karbonisierte Füllstoffe oder Zuschlagstoffe
Die Wiederverwendung von altem Zement kann bei geeigneter Zerkleinerung und Behandlung einen Teil des Kieses ersetzen und gleichzeitig einen Teil des durch den Beton erzeugten CO2 absorbieren. Außerdem könnte sie es sogar ermöglichen, einen geringeren Zementanteil zu verwenden.
Karbonisierte Füllstoffe oder Zuschlagstoffe - vollständige trefferliste
Kohlendioxidhärtung
CO2 selbst kann in Mörtel oder Beton eingebracht werden, zum Beispiel durch Injektion als Gas während des Mischens und Aushärtens. Neben der Nutzung und Bindung von überschüssigem CO2 kann hierdurch die Stärke des Betons verbessert und somit die Menge des erforderlichen Zements reduziert werden.