Moderne Zementindustrie: Energiebedarf seit 1950 mehr als halbiert
Die eigentliche Zementindustrie ist in der industrie-kultur Heft 3/05 mit dem Schwerpunktthema „Zement & Beton“ – trotz der Fülle des übrigen Angebotes! – etwas zu kurz gekommen. Deshalb erscheint unten ein Bericht vom März 1996 über die Entwicklungen in der deutschen Zementindustrie. Vieles davon ist unverändert aktuell. Der Trend zu einer energie- und rohstoffsparenden Produktion hat sich angesichts der Krise in der Bauwirtschaft und Zementindustrie noch verschärft. Beim Brennen von Zementklinker in Deutschland hat der Anteil der Ersatzstoffe stetig zugenommen. Damit kann die Industrie bei den klassischen Brennstoffen wie Öl und Kohle sowie den Rohstoffen Kalkstein und Ton sparen. Gleichzeitig kann sie mir ihren hohen Temperaturen Reststoffe wie Papierschlamm, Flugasche oder neuerdings auch Tiermehl umweltfreundlich entsorgen. Auch der Anteil der mit Hüttensand (granulierte Hochofen-Schlacke) versetzten Hochofenzemente hat deutlich zugenommen. Gleichzeitig wurden wieder mehrere Zementwerke stillgelegt.
Die beiden Fotos zeigen den damals neuen Zementofen 11 (mit Wärmetauscherturm) sowie die aus den 1970er Jahren stammenden Öfen 10 und 9 in dem damals zu Alsen-Breitenburg (Hamburg) gehörenden Zementwerk Lägerdorf bei Itzehoe im schleswig-holsteinischen Kreis Steinburg. Alsen-Breitenburg fusionierte 1997 mit der Nordcement AG (Hannover) zur Alsen AG, die als Tochterunternehmen des Schweizer Holcim-Konzerns seit 2003 als Holcim (Deutschland) GmbH firmiert und ihren Sitz in Hamburg hat. Zum Unternehmen gehören die Zementklinker-Werke Lägerdorf bei Itzehoe und Höver bei Hannover sowie die Hüttensand-Anlagen in den Hochofenwerken Bremen und Salzgitter.
November 2005, Sven Bardua
Energiebedarf seit 1950 mehr als halbiert
Moderne Zementindustrie in Deutschland – ein Bericht vom März 1996
Seit langem ist ein Leben ohne Zement nicht vorstellbar. Ob für Straßen oder Abwasserkanäle, für den Beton vor und hinter den Fassaden oder als Bestandteil des Maurermörtels: Zement ist der Grundstoff für moderne und preiswerte Universalbaustoffe. Er läßt sich in fast jede Form gießen, hat als Beton eine hohe Druck-, und in Verbindung mit gespanntem Stahl, auch eine hohe Zugfestigkeit. Und er wird auch im Wasser hart. Das Bindemittel Zement besteht im wesentlichen aus einem bei etwa 1450 Grad Celsius gesintertem und pulverfein gemahlenen Kalk-Ton-Gemisch. Dieser Prozeß kann zu erheblichen Umweltproblemen führen: Ursache dafür ist vor allem der hohe Energieverbrauch und die Staubentwicklung. Doch aus den rauchenden Fabriken ist eine saubere High-Tech-Industrie geworden, betont Joachim Patzke, Leiter des Werkes der Alsen-Breitenburg Zement- und Kalkwerke GmbH in Lägerdorf bei Itzehoe (Holstein). Das um eine neue Ofenlinie ergänzte Werk gilt zur Zeit als das modernste in Deutschland.
Noch vor etwa 30 Jahren waren die Siedlungen in der Nähe von Zementfabriken grau gepudert: Ein Teil des äußerst feinen Rohstoffes wurde ständig aus den Schornsteinen und aus den Mühlen in die Umgebung geschleudert. Moderne Verfahren, Filteranlagen sowie eingehauste Maschinen beendeten dieses Klischee. "In 25 Jahren haben wir den Staub um etwa 99 Prozent reduziert", schwärmt Patzke. Und dank eines – erstmals in einem deutschen Zementwerk installierten – vierten Elektrofilter-Feldes ist der Staubausstoß jetzt noch einmal mehr als halbiert worden. Dagegen läßt sich der hohe Energiebedarf – die Kosten und Umwelt belastend – nicht so leicht verringern. Dennoch ist es mit anlagentechnischer Feinarbeit gelungen, ihn erheblich zu drücken. Heute machen die gesamten Energiekosten (je zur Hälfte Strom und Brennstoff) im Werk noch etwa 20 Prozent der Kosten (bundesweit durchschnittlich etwa 25 Prozent) – gemessen am Umsatz – aus, erläutert Patzke. Früher war dies mal ein Drittel.
Mit fünf Prozent Anteil am industriellen Primärenergieverbrauch gehört die Zementindustrie nach der Eisen- und Stahl- sowie der chemischen Industrie zu den großen Primärenergieverbrauchern in Deutschland. Insgesamt wurde der Wärmebedarf pro Kilogramm Zement in Westdeutschland von 1950 mit 7000 KiloJoule bis 1987 auf 3130 KJ/kg mehr als halbiert und soll durch ein Maßnahmen-Programm bis 2005 (einschließlich der neuen Länder) auf 2800 KJ/kg gesenkt werden, teilt der Verein Deutscher Zementwerke (VDZ) in Düsseldorf mit. Der theoretische Wärmebedarf liegt bei etwa 2200 KJ/kg. Damit wird in den nächsten Jahren ein Gesamtwirkungsgrad von mehr als 75 Prozent erreicht (1950: 32 Prozent). Dagegen stieg der elektrische Energiebedarf seit 1960 von 300 auf etwa 400 kJ/kg im Jahr 1987 an, ist aber inzwischen wieder leicht gesunken.
In Ostdeutschland lag der Wärmebedarf bis 1989 bei etwa 4250 KJ/kg Zement. Mit der Modernisierung der vier Zementstandorte in den neuen Bundesländern nahm der Energieverbrauch dort drastisch ab. Nach Angaben des VDZ wurden dort in diesem Zusammenhang 2,5 Milliarden Mark investiert. Dabei blieb die Kapazität der Werke vollständig erhalten. Heute gehören sie zu den weltweit modernsten Anlagen.
Zur Vorgeschichte: Bereits die Römer haben vor etwa 2000 Jahren unter anderem Wasserleitungen mit Hilfe von Zement gebaut. Das Wissen darüber ging verloren. Erst beim Bau des Eddystone-Leuchtturmes 1756 vor der Küste des südenglischen Plymouth wurde die Bedeutung der Tonbeimischung zum gebranntem Kalk (bis dahin gebräuchlichstes Bindemittel) für das Abbinden unter Wasser wieder erkannt. Aber erst Joseph Aspdin brannte 1824 eine künstlich genau dosierte Mischung zu Portlandcement – benannt nach einem ähnlich aussehenden Stein der südenglischen Halbinsel Portland und dem römischen caementum. Sein Landsmann Isaac Charles Johnson brannte diese Mischung 1844 auch heiß genug: Sie sinterte, der heute gebräuchliche Portlandzement war erfunden.
Nach diesem Durchbruch wurde in Deutschland ab etwa 1850 im niedersächsischen Buxtehude das erste Mal Portlandzement hergestellt. Das kleine an der Niederelbe liegende Werk hatte nach dem Großen Brand im benachbarten Hamburg seit 1842 zunächst sogenannten Romanzement mit englischen Rohstoffen hergestellt. Dank dieser Kontakte konnte das Werk seine Produktion auf den hochwertigeren Portlandzement umstellen. Im Gegensatz zu dem "künstlich gemischten" Portlandzement war "natürlich gewonnener" Mergel in günstiger Zusammensetzung der Rohstoff für den zudem bei niedrigeren Temperaturen gebrannten Romanzement. Bis 1870 wurden etwa 30 weitere – meist erheblich größere – Portlandzement-Werke in Deutschland gegründet. Als schrittmachend galt das 1855 von dem Chemiker Hermann Bleibtreu gegründete Werk in Züllchow bei Stettin mit einer Jahresproduktion von 25.000 Faß. Heute werden in Deutschland von 37 Unternehmen an 66 Standorten mit 100 Öfen etwa 30 Millionen Tonnen Zement pro Jahr produziert. Nach einem Einbruch in den 70er Jahren hatte die Produktion ab 1985 zunächst steigende Tendenz, ist laut VDZ derzeit aber wieder stark rückläufig. 1994 wurden für 36 Millionen Tonnen Zement 3,5 Millionen t SKE (Brennstoffanteile: 80 Prozent Kohle, 15 Prozent Sekundärbrennstoffe, 5 Prozent Öl und Gas) für die Wärmeerzeugung sowie 3,7 Milliarden kW/h Strom verbraucht. Mit einem Marktanteil von 80 Prozent ist der Portlandzement der wichtigste. Mehr als zehn Prozent Anteil hat außerdem der mit granulierter Hochofenschlacke hergestellte Hochofenzement.
Als ein Zentrum der deutschen Zementindustrie gilt der Großraum Beckum im östlichen Westfalen: Dort – in der Nähe des Ruhrgebietes – arbeiten seit langem sehr viele Zementwerke mehr oder weniger auf guten Rohstoffvorkommen. Und in Neubeckum sitzt auch die Krupp Polysius AG, die 1899 den ersten Drehrohrofen Europas baute. Zusammen mit der Humboldt Wedag AG (Köln) und der F.L. Smidt (Dänemark) gehört sie zu heute zu den weltweit führenden Anlagenbauern für die Zementindustrie.
Wichtigster Rohstoff für die Zementherstellung ist der im Tagebau gewonnene Kalkstein oder die reinere Kreide (CaCO3). Im Verhältnis von etwa vier zu eins wird sie normalerweise mit Ton als Aluminat-, Silikat- und Eisenträger vermischt und bei 1450 Grad zu Zementklinker gebrannt. Dabei wird die Kreide zu Calciumoxid entsäuert und geht mit dem Siliziumioxid, dem Aluminiumoxid und dem Eisenoxid neue Verbindungen ein. Dieser sogenannte Zementklinker wird pulverfein gemahlen und mit etwas Gips versetzt, damit er bei der Zugabe von Wasser nicht sofort hart wird.
Wie die Kalkindustrie verwendeten auch die Zementwerke für das Brennen des Rohstoffes zunächst vor allem Schachtöfen. Die Leistung dieser zylinder- oder leicht kegelförmigen, senkrechten Öfen aber ist begrenzt. Mit Rohstoffen und Brenngut zugesetzt, rutscht der Inhalt nur langsam nach unten und kann schwer abgezogen werden. Der 1885 in England entwickelte Drehrohrofen war ein gewaltiger Fortschritt: Hier rutscht das Material im heißen Gasstrom einer etwa 2000 Grad Celsius heißen Flamme entgegen. Da sich der horizontale, leicht geneigt liegende Ofenzylinder ständig bewegt, backt nichts an und es ist ein großer Durchsatz möglich.
Wegen der hohen Temperaturen aber läßt sich das Rohr nicht isolieren – es würde schmelzen. Andererseits sind die Wärmeverluste des nackten Rohres besonders groß. Bevor es in das Drehrohr kommt, wird das Material deshalb in Türmen mit Zyklonen oder Wanderrosten vorerhitzt, eine Technik die seit den 20er Jahren entwickelt und vor allem nach dem Zweiten Weltkrieg verbreitet wurde. In den veralteten, in Lägerdorf zum Teil bis 1984 verwendeten Drehrohröfen ohne Vorwärmer (wie auch in den ursprünglich verwendeten Schachtöfen) wurden für ein Kilogramm Klinker etwa 5400 KiloJoule Wärme benötigt, in dem vor kurzem stillgelegten Vorwärmerofen von 1973 nur noch 4000 KJ, erläutert Patzke für das Werk Lägerdorf. Bei dem im Dezember in Betrieb genommenen Ofen 11 werden für den Klinker nur noch etwa 3400 KJ Wärme pro kg benötigt. Gleichzeitig geht der Trend zu immer größeren Öfen. Der neue Ofen in Lägerdorf zum Beispiel kann so viel Klinker produzieren wie 1972 sieben Öfen in drei Werken des Unternehmens zusammen.
Der Wärmebedarf aber liegt in Lägerdorf immer noch um etwa 500 KJ höher als in anderen modernen Werken. Der Grund: Das Werk arbeitet mit der relativ feuchen Kreide als Rohstoff. Die wird mit einem Eimerkettenbagger gefördert, dann aufgeschlämmt, gemischt und in Filterpressen teilgetrocknet. Bis zum Bau der Filterpressen 1969 wurde sogar nasser Rohstoff in den Ofen gegeben. Die Rohstoffqualität des fast reinen Kalkes ist sehr hoch, deshalb ist das Werk mit besseren Zementqualitäten konkurrenzfähig.
Die meisten anderen Zementwerke dagegen sprengen den harten Kalkstein (Kalk mit Ton) in den Gruben und haben einen nicht ganz so reinen Rohstoff, der zudem relativ aufwendig gemahlen werden muß. In den 50er und 60er Jahren stellten sich die meisten von ihnen vom Naß- auf das Trockenverfahren um, eine wesentliche Ursache für den drastisch verringerten Energieverbrauch in dieser Zeit. Zur besseren Homogenisierung war das Rohstoffgemisch bis dahin unter Zusatz von Wasser zu einem Rohschlamm gemischt worden. Ohnehin müssen die Techniken für jedes Werk je nach Anforderungen speziell miteinander kombiniert werden. Deshalb sind alle Werke "Maßanzüge", betont der VDZ.
Grund für die heutige Wärmeersparnis ist ein ganzer Komplex von Maßnahmen: So wird der – zum Teil im Gas schwebende – Rohstoff im Ofen 11 in Lägerdorf im Steigrohr von den heißen Abgasen des Drehrohrofens getrocknet, in gut isolierten Zyklonen auf bis zu 800 Grad Celsius vorgewärmt und im Calcinator bei etwa 950 Grad Celsius entsäuert. Das Ganze findet in Lägerdorf in einem 95 Meter hohem Vorwärmerturm – dem neuen Wahrzeichen des Werkes – statt.
Das Material rutscht dann von alleine nach unten zum Sintern in den relativ kleinen Drehrohrofen. Denn wegen der guten Vorbehandlung ist das Drehrohr des neuen Ofens (bis zu 4500 Tonnen Klinker pro Tag) nur noch 65 Meter lang und 4,8 Meter dick. Und es läuft – eine Technik-Premiere am Rande – erstmals in Deutschland nicht mehr auf Zahnrädern mit Elektromotoren, sondern "flüsterleise" auf hydraulisch angetriebenen Reibrädern. Der Vorgänger-Ofen mit Rostvorwärmer dagegen hatte bei einer Leistung von nur 3300 t/Tag ein 90 Meter langes und 5,6 Meter dickes Rohr. Wandwärmeverluste werden nun vermieden. Doch auch die Wärme aus dem Zementklinker-Kühler wird im neuen Ofen zum Aufheizen benutzt. Dieser entzerrte Prozeß läßt erstmals auch den Einsatz von Ersatzstoffen über das bisher übliche Maß hinaus zu. So soll der in Lägerdorf besonders groß angelegte Calcinator außer mit Kohle auch mit Bleicherde (Rückstände aus der mineralöl- und pflanzenölverarbeitenden Industrie) und Altreifen beheizt werden. Die seit etwa 1970 entwickelten Calcinatoren sind eine zweite Feuerung zwischen Ofen und klassischem Vorwärmer. Sie eignen sich wegen der geringeren Temperatur besonders für den Einsatz von Sekundärbrennstoffen. Außerdem lassen sich Flugasche und Papierreststoffe als Ersatzstoffe für Ton in der neuen Anlage besser aufgeben. In einem Jahr soll der Ersatzstoff-Anteil an den Brennstoffen in der Zementklinkerproduktion von Lägerdorf bis zu 50 Prozent betragen, betont Patzke. Damit würden Abfälle verwertet und Rohstoffe geschont. Dadurch werden aber weder die Umwelt noch die Zementqualität gefährdet, meint er.
Da es sich um genaut definierte Abfälle handelt, sei die Zementfabrik nicht mit einer Müllverbrennungsanlage vergleichbar. Das Stoffgerüst bei der Zementproduktion würde sich durch Ersatzstoffe nicht ändern. Und deshalb sei auch die Zusammensetzung des Produkts und die Abgaszusammensetzung so wie mit "normalen" Rohstoffen, betont der VDZ. Außerdem würden in der Zementproduktion keine Reststoffe – wie in Verbrennungsanlagen – anfallen.
Die kritische Öffentlichkeit im Bewußtsein hat Alsen-Breitenburg als erster Zementhersteller für den neuen Ofen – freiwillig – eine Umweltverträglichkeitsprüfung durchführen lassen. Allein für den konstruktiven Umweltschutz am insgesamt 130 Millionen Mark teuren Ofen 11 seien 20 Millionen Mark ausgegeben worden. Wegen der umweltverträglichen Gestaltung der Produktion und der offensiven Informationspolitik wurde dem Unternehmen von der Studien- und Fördergesellschaft der Schleswig-Holsteinischen Wirtschaft auch der Titel "Umweltfreundlicher Betrieb" verliehen.
Mit der neuen Anlage wurde die Abgasmengen noch einmal gesenkt. Damit würden dann auch die für Müllverbrennungsanlagen gültigen Grenzwerte im Rahmen der 17. Bundesimmissionsschutzverordnung unterschritten, weil Sekundärrohstoffe nur anteilig eingesetzt werden. So ist der Staubgehalt mit dem neuen Ofen von 50 mg/m3 auf auf einen Jahresdurchschnittswert von 15 mg/m3 (10 mg/m3 in der 17. BImSchV) gesenkt worden. Statt 1500 mg pro Kubikmeter stößt er nur noch 500 mg/m3 an Stickoxiden (200 mg/m3 in der 17. BImSchV) aus. Kaum gesenkt wurde der Kohlendioxid-Ausstoß. Das Gas wird beim Verbrennen der Kohle, vor allem aber bei der Entsäuerung der Kreide freigesetzt. Da diese Reaktion verfahrenstechnisch unumgänglich ist, wird Zementwerken für gewöhnlich kein Grenzwert für diese Emissionen auferlegt, heißt es. Alle Emissionen aber werden letzlich auch durch den geringer werdenen Energiebedarf gesenkt.
Wegen der Automation, der Umstellung von Öl auf Kohle als Hauptbrennstoff (nach der Ölkrise), der erheblich ausgebauten Umwelttechnik und einer höheren Mahlfeinheit der Produkte ist der Stromverbrauch in den deutschen Zementwerken seit 1960 von 80 kWh pro Tonne Zement auf 110 kWh/t zunächst gewachsen. Dank deutlich verbesserter Mahltechnik und moderner Steuerungsanlagen aber konnte er wieder um knapp zehn Prozent verringert werden, berichtet der VDZ. Heute werden meistens energiesparende und mit Druck arbeitende Walzenmühlen in Kombination mit sehr fein mahlenden Schlagmühlen und optimierten Sichtern eingesetzt. Auch hier gibt es einen Trend zu immer größeren Einheiten. Weitere Einsparungen bei Strom und Brennstoffen dürfte der Einsatz von Zumahlstoffen (vor allem Kalksteinmehl) in bestimmten Zementsorten bringen. So wird bei der Herstellung von Portlandzement mit 20 Prozent Kalksteinanteil etwa 14 Prozent Primärenergie eingespart (im Vergleich zum "reinen" Zement). Bei einem Hochofenzement mit 50 Prozent Schlackenanteil beträgt die Einsparung sogar 36 Prozent. Andererseits wird das Sparpotential durch die Anforderungen des Marktes an die bautechnischen Eigenschaften der Zemente im Einzelfall stark unterschiedlich begrenzt, so der VDZ. Die Akzeptanz für derartige Zemente müsse noch erhöht werden. Der im Zementwerk Lägerdorf nun überflüssige Ofen 10 (Baujahr 1973) soll möglichst verkauft werden. Für die meisten Staaten der Erde wäre er nach Angaben von Alsen-Breitenburg ein großer Fortschritt. In vielen Ländern hätte man sich einst über die hohen Staubemissionen der Zementindustrie sogar gefreut. Dies sei nämlich eine kostenlose Kalkdüngung gewesen.
Sven Bardua, Hamburg