Sonnenschein statt rauchender Schlote: Unter diesem Motto forscht das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) an der solaren Produktion von Zement. Dabei konzentrieren sich die Forscher:innen auf den energieaufwendigsten Schritt in der Produktionskette, das Kalzinieren oder auch Kalkbrennen. Dabei wird ein Drehrohrofen genutzt. Dies ist eine lange Röhre, die leicht geneigt ist.
Durch die Neigung wird das Ausgangsmaterial Kalziumkarbonat langsam durch die Röhre transportiert. Währenddessen wird das Kalziumkarbonat Temperaturen von etwa 1.000 Grad Celsius ausgesetzt und dadurch entsäuert. Das heißt, dem Ausgangsstoff wird mittels Hitze das CO2 ausgetrieben, sodass am Ende Kalziumoxid, auch Branntkalk genannt, übrig bleibt. Aus diesem wird danach der Zement produziert.
Über 90 Prozent weniger CO2-Ausstoß
Bisher wird die Wärme in der Regel mit fossilen Brennstoffen erzeugt. Doch die DLR-Forscher:innen haben diesen Prozess mit Wärme aus einer konzentrierenden solarthermischen Anlage durchgeführt. Dies wäre ein großer Hebel, um die Zementindustrie zumindest von den CO2-Emissionen bei der Wärmeproduktion zu befreien. Die Emission von CO2 aus dem Herstellungsprozess lässt sich hingegen kaum verhindern.
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Deshalb ist der zweite Schwerpunkt des DLR-Projekts, dieses CO2 aus der Herstellung gleich zu binden. Mit ihrer Methode rechnen die Forscher:innen damit, über 90 Prozent des CO2-Ausstoßes der Zementproduktion zu verhindern. Das ist umso relevanter, weil die Zementindustrie einer der größten Treibhausgasemittenten ist.
Temperaturen aus dem Solarfeld reichen aus
Vorstudien des DLR haben gezeigt, dass konzentrierte solarthermische Strahlung eine der günstigen Hochtemperatur-Wärmequellen sein kann. Die Temperaturen aus dem Solarfeld reichen für den Kalzinierungsprozess aus. Damit wird eine elektrische Erhitzung des Materials nicht notwendig. Die Technologie könne zudem den Wettbewerbsvorteil deutscher Anlagenbauer im globalen Markt für nachhaltige Lösungen im Hochtemperatur-Bereich stärken, sind sich die Forscher:innen des DLR sicher.
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Sie haben dabei den Einsatz primär in Südeuropa im Blick, wo ausreichend Sonne scheint, um das Temperaturniveau langfristig zu halten. „Der Schlüssel zu einer klimafreundlicheren Nutzung unserer Ressourcen liegt in einem Mix aus unterschiedlichen Energiequellen. Dabei kann konzentrierte Sonnenenergie effizient für Hochtemperaturanwendungen eingesetzt werden und uns im Zusammenspiel mit Strom aus erneuerbaren Quellen diesem Ziel einen Schritt näherbringen“, betont Projektleiter Gkiokchan Moumin vom DLR-Institut für Future Fuels.
Testsystem aufgebaut
Im Rahmen des Projekts hat das DLR ein experimentelles Testsystem aufgebaut. Es simulierte die Kernkomponente des Prozesses, die solare Kalzinierung, in einem Maßstab, wie er auch in der Industrie genutzt wird. Mit ihrem Test wollten die Forscher:innen das Reaktorkonzept für den Solarkalzinator prüfen. Dabei haben sie mit künstlich erzeugtem, konzentriertem Sonnenlicht des DLR-Sonnensimulators Synlight gearbeitet.
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Mit diesem haben sie über mehrere Monate hinweg insgesamt 25 Bestrahlungstests bei Leistungen bis zu 65 Kilowatt durchgeführt. Nach Angaben des DLR sei dies die bisher größte solare Kalzinierungsanlage. Denn diese kann pro Stunde 15 bis 50 Kilogramm Kalksteinpartikel im Solarkalzinator zu 100 Prozent kalzinieren. Die Forscher:innen haben am Ende den kalzinierten Kalkstein detailliert analysiert. Dabei bewerten sie die Materialqualität und die Langzeitstabilität des Prozesses.
Zusätzlich untersuchten sie den Reaktor mittels Computersimulationen hinsichtlich des Wärmetransports und der Reaktion der Kalksteinpartikel. Mit den gewonnenen Daten soll die Technologie weiterentwickelt und weiter bis zum industriellen Maßstab skaliert werden. Dieser Drehrohrofen soll dann am Ende in einem Solarturm verwendet werden, auf den die Parabolspiegel das Sonnenlicht konzentrieren.
