CO₂ afvangen bij cementproductie:
oxyfuel

Bij de productie van de belangrijkste grondstof voor cement, portlandcementklinker, komt veel CO₂ vrij. Het grootste gedeelte komt vrij bij het verhitten van kalksteen. Bij ongeveer 900 °C wordt de kalksteen (CaCO₃) omgezet in vrije kalk (CaO) en CO₂. Het gaat om ongeveer 510 kg CO₂ per ton klinker. Daarnaast komt er CO₂ vrij door gebruik van brandstoffen voor het verhitten van de cementoven. Voor de brandstoffen zijn alternatieven in ontwikkeling zoals gebruik van groene waterstof, maar het vrijkomen van CO₂ uit kalksteen kan niet worden voorkomen. Daarom wordt door de cementindustrie hard gewerkt aan de ontwikkeling van technieken om deze CO₂ af te vangen.

Alle in ontwikkeling zijnde technieken om CO₂ af te vangen richten zich op het concentreren van de CO₂. De rookgassen van een cementoven bevatten namelijk grofweg 25 % CO₂ en dat is veel te laag om efficiënt te kunnen afvangen en te gebruiken of op te slaan. In dit artikel gaan we in op één van die technieken genaamd oxyfuel, die toegepast gaat worden bij een nieuw te bouwen installatie in Duitsland.

In een cementoven wordt lucht geblazen om de voor het verhitten van de oven gebruikte brandstoffen van zuurstof te voorzien. Het gaat om grote hoeveelheden lucht, waardoor de CO₂ die vrijkomt uit de kalksteen en uit de brandstoffen sterk wordt verdund. Lucht bestaat tenslotte uit 78 % stikstof en 21 % zuurstof. Bij het ‘pure’ oxyfuel proces wordt in plaats van lucht uitsluitend zuivere zuurstof in de oven geblazen, waardoor de rookgassen hoofdzakelijk nog uit CO₂ bestaan. Er komt tenslotte geen stikstof meer in de oven en de zuurstof reageert met de brandstoffen tot CO₂. Door de hoeveelheid zuurstof af te stemmen op de voor de brandstoffen benodigde hoeveelheid, ontstaat er samen met de CO₂ uit de kalksteen een CO₂-concentratie van meer dan 90 %. Door de hoge CO₂-concentratie hoeven de rookgassen alleen nog ontdaan te worden van waterdamp en wat verontreinigingen. Daarna kan de CO₂ worden gecomprimeerd en worden getransporteerd voor opslag of gebruik.

Het klinkt als een eenvoudige oplossing, maar er komt een hoop bij kijken. Zo moet het brandproces worden aangepast omdat er anders door het gebruik van pure zuurstof hogere verbrandings­temperaturen ontstaan. Er moet uiteraard heel veel zuivere zuurstof worden geproduceerd (voor een gemiddelde klinkeroven zo’n 30 ton zuurstof per uur) waarvoor een luchtsplitsingsinstallatie nodig is. En de gehele ovenlijn moet zo luchtdicht mogelijk worden gemaakt, hetgeen bij de hoge temperaturen en draaiende delen niet eenvoudig is.

Het principe van oxyfuel is jaren geleden bedacht en zelfs al in een proefinstallatie getest in 2017. Vier cementproducenten, Dyckerhoff, Heidelberg Materials, Schwenk en Vicat, werken nu samen aan het project catch4climate, waarin dit principe op grote schaal zal worden toegepast. Voor dit project zal door thyssenkrupp polysius in Duitsland een demonstratiefabriek op semi-industriële schaal worden gebouwd bij de cementfabriek van Schwenk te Mergelstetten. Het wordt de eerste fabriek gebaseerd op het oxyfuel principe, waarbij op basis van de ervaringen met de eerdere proefinstallatie de nodige verbeteringen zijn doorgevoerd. De productielijn, die naar verwachting eind 2024 operationeel zal zijn, kan 450 ton klinker per dag produceren. Ter vergelijking: met een reguliere klinkeroven kan een paar duizend ton klinker per dag worden geproduceerd.

De investering voor dit project bedraagt 120 miljoen euro. Ook al is dit een grote investering en heeft de installatie een forse schaalgrootte, zij is niet direct bedoeld als productielocatie, maar hoofdzakelijk voor verder onderzoek en ontwikkeling van de oxyfuel techniek.

In een latere fase van het project zal ook worden gekeken naar de mogelijkheden om met de afgevangen CO₂ synthetische brandstoffen te maken, zoals kerosine voor vliegtuigen. Door gebruik te maken van hernieuwbare energie kunnen deze brandstoffen klimaatneutraal worden geproduceerd. Door Stuttgart Airport wordt hiervoor samen met enkele partners, waaronder Schwenk, een haalbaarheidsstudie uitgevoerd naar de klimaatneutrale productie van synthetische kerosine op basis van groene waterstof en de CO₂-emissies van de cementproductie.

De ‘pure’ oxyfuel technologie is veelbelovend. Zowel de CO₂ van de calcinatie van kalksteen als de CO₂ van de brandstoffen worden hiermee geconcentreerd afgevangen, zonder complexe systemen om de CO₂ uit de rookgassen te halen en te concentreren. De deelnemende producenten verwachten na succesvolle afronding van dit project deze technologie op volledige industriële schaal te kunnen gaan toepassen. Met dit project komt klimaatneutraal cement weer een flinke stap dichterbij.

Twee projecten voor het met behulp van oxyfuel volledig afvangen van CO₂ op industriële schaal zijn al gestart. Het betreft het project GeZero van Heidelberg Materials voor de cementfabriek in Geseke en het project Carbon2Business van Holcim voor de cementfabriek in Lägerdorf. De ervaringen van het catch4climate project zullen worden benut bij de bouw van de nieuwe ovens, waarmee in 2026 zal worden begonnen. Naar verwachting zal vanaf 2029 de cementproductie bij deze fabrieken volledig klimaatneutraal zijn.

Voor lezers die meer willen weten over het oxyfuel proces en de technologische uitdagingen hieronder de link naar de uitgebreide rapportage over de pilot uit 2017: D9.2 – Analysis of oxyfuel clinker cooler operational performance | Zenodo