Entwicklung eines mit der Zementherstellung gekoppelten Calcium-Loopings (CaL)
Laufzeit: 1.10.2021 - 30.9.2024
Solarthermische Anlagen konzentrieren mit Spiegelsystemen das Sonnenlicht und erzeugen hohe Energiedichten. Je nach Anlagentyp kann Wärme auf Temperaturniveaus von über 1.000 Grad Celsius zur Verfügung gestellt werden. Solarthermische Kraftwerke nutzen die hohen Temperaturen, um eine Dampfturbine zur Stromerzeugung anzutreiben. Die im konzentrierten Sonnenlicht enthaltene Wärmeenergie kann darüber hinaus aber auch Industrieanlagen mit Prozesswärme versorgen.
Im Projekt CemSol untersuchen Forschende aus dem DLR-Institut für Future Fuels, wie eine solarthermische Anlage die Hochtemperaturwärme für die Kalzination von Calciumkarbonat liefern kann, ein energieintensiver Teilschritt bei der Herstellung von Zement. Das Projekt soll zeigen, dass eine solar beheizte Kalzinierungseinheit im industriellen Maßstab technisch realisierbar ist und sich wirtschaftlich betreiben lässt. Durch den Einsatz solarer Wärmeenergie anstelle von fossilen Brennstoffen können große Mengen an CO2-Emissionen vermieden werden.
Der Calcium-Looping (CaL)
Das Kalzinieren von Kalkstein ist im industriellen Maßstab ein sehr energie- und emissionsintensiver Prozess, der unter anderem in der Zementherstellung oder bei der Produktion von Aluminiumoxid eingesetzt wird. Es handelt sich in der Regel um fossil befeuerte, thermische Prozesse, in denen Calcium- und Magnesiumcarbonathaltige Mineralien entwässert oder zersetzt werden.
Schematische Integration der solaren Kalzinierung und des Calcium-Loopings in einen Zementprozess
Im Projekt CemSol wollen die Forschenden ein mit der Zementherstellung gekoppeltes Calcium-Looping (CaL) entwickeln. Dieser Kreislaufprozess besteht aus zwei Schritten:
Bei der Kalzinierung wird festes Calciumcarbonat (CaCO3), in diesem Fall Zementrohmehl, das hauptsächlich aus Kalkstein besteht, in einen Kalzinator geleitet. Dort wird es mithilfe solarer Hochtemperaturwärme auf 900 Grad Celsius erhitzt, um sich thermisch in gasförmiges Kohlendioxid (CO2) und festes Kalziumoxid (CaO) zu zersetzen. Ein Teil des entstandenen CaO kann nun zur Herstellung von Zement genutzt werden. Das bei der Kalzination entstandene CO2 wird abgezogen und gereinigt, sodass es für die Lagerung oder Weiterverarbeitung zu Chemikalien und Brennstoffen geeignet ist.
Im zweiten Schritt, der Karbonisierung, wird der andere Teil des CaO aus dem Kalzinator entnommen und in den Karbonator geleitet. Es kühlt auf etwa 650 Grad Celsius ab und wird mit dem CO2-reichen Abgas der Zementanlage in Kontakt gebracht, sodass CaO und CO2 zu CaCO3 reagieren. Das entstandene CaCO3 gelangt wieder in den Kalzinator und der Kreislauf beginnt von vorne.
Transfer in die Zementindustrie
Im Projekt betrachten die Forschenden das gesamte Calcium-Looping als Prozess sowie dessen Kopplung an die Zementproduktionsanlage. Hierfür erstellen sie Energie- und Massenbilanzen sowie Emissionsbilanzen. Kernstück des Projektes ist der experimentelle Nachweis des Konzeptes. Dieser beginnt mit Materialuntersuchungen, um das Karbonisierungspotential von Zementrohmehl einzuschätzen. Dabei sind Betriebsbedingungen und Qualität des Rohmaterials von großem Interesse.
Anhand der Untersuchungsergebnisse entwerfen die Forschenden ein geeignetes Reaktorkonzept für den Karbonator und ein Scale-up-Konzept für den Solarkalzinator. Anschließend wird ihr Betrieb demonstriert und die Effizienz bestimmt. Wichtige Kriterien dabei sind Hochtemperaturstabilität, Thermoschockbeständigkeit, effizienter Betrieb und Produktqualität.
Im Fokus des Projektes liegt der Einsatz der Technologie in der Zementindustrie. Die Forschenden untersuchen aber auch, inwiefern die Technologie für andere Industrien mit hohen CO2-Emissionen genutzt werden kann. Eine techno-ökonomische Studie wird Hinweise auf den Einsatz im industriellen Maßstab einer solchen Technologie in Referenzprozessen, zum Beispiel Aminwäsche und Oxyfuel-Verfahren, liefern.
Im Projekt CemSol untersuchen Forschende aus dem DLR-Institut für Future Fuels gemeinsam mit den Industriepartnern thyssenkrupp, DIRKRA Sondermaschinenbau GmbH sowie den Future Cleantech Architects, wie eine solarthermische Anlage die Hochtemperaturwärme für die Kalzination von Calciumkarbonat liefern kann. Durch diesen nachhaltigen Ansatz lassen sich beim sonst sehr energieintensiven Teilschritt der Zementproduktion große Mengen CO₂ einsparen.
Video: Projekt CemSol - emissionsarme Zementproduktion durch solare Kalzination (auf Englisch)
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Video: Projekt CemSol - emissionsarme Zementproduktion durch solare Kalzination (auf Englisch)
Im Projekt CemSol untersuchen Forschende aus dem DLR-Institut für Future Fuels gemeinsam mit den Industriepartnern thyssenkrupp, DIRKRA Sondermaschinenbau GmbH sowie den Future Cleantech Architects, wie eine solarthermische Anlage die Hochtemperaturwärme für die Kalzination von Calciumkarbonat liefern kann. Durch diesen nachhaltigen Ansatz lassen sich beim sonst sehr energieintensiven Teilschritt der Zementproduktion große Mengen CO₂ einsparen.
