Numerische Analyse von technischen Lösungsansätzen zur Erhöhung der Energieeffizienz und zur CO2-Abscheidung in der Zement-, Eisen- und Stahlindustrie

Abstract

Die vorliegende Arbeit soll das Einsparungspotential an treibhauswirksamen CO2 von ausgewählten industriellen Anwendungen aufzeigen. Es werden die Schlüsselindustrien, Zement-, Eisen- und Stahlproduktion näher beleuchtet. Beide Industriesektoren sind für knapp die Hälfte der verifizierten CO2-Emissionen verantwortlich. Ein Großteil der CO2-Emissionen des Industriesektors ist nicht brennstoffbedingt, sondern resultiert aus dem Produktionsprozess. Das bedeutet, dass der überwiegende Teil der CO2-Emissionen direkt an das Produkt gekoppelt ist. Eine für die Europäische Union angedachte Reduktion der Treibhausgase bis 2050 um 80% würde eine drastische Reduktion der Emissionen aus der Industrie notwendig machen. Die Potentiale der Möglichkeiten zur CO2-Reduktion durch die Umsetzung der Produktion auf den Stand der Technik, der Nutzung von Abwärmepotentialen und dem Einsatz von CO2-Abscheidungstechnologien mit Vorbereitung zur Speicherung werden im Weiteren kurz zusammengefasst dargestellt. Zementindustrie: Die Treibhausgasemissionen aus der Zementindustrie sind zu rund zwei Drittel prozessbedingt. Die Umrüstung von Zementwerken auf den Stand der Technik bzw. der Neubau hat eine Einsparung an Brennstoff zur Folge und würde eine Einsparung an CO2-Emissionen von 3 - 5% mit sich bringen. Die Nutzung von Abwärmepotentialen zur Stromproduktion kann durch die Substitution von Kraftwerken die mit fossilen Brennstoffen betrieben werden indirekt CO2-Emissionen einsparen. Hier wurde ein Wert von 1 bis 4 kgCO2/tKlinker ermittelt. Die Berechnungen zur Energieeffizienz und Abwärmenutzung zeigen deutlich die Limitiertheit bezüglich der Einsparung von CO2-Emissionen. Um größere Mengen an CO2 zu reduzieren müsste auf Abscheide- und Speichertechnologien (Carbon Capture and Storage CCS) zurückgegriffen werden. In der vorliegenden Arbeit wurden die CO2-Abscheidemethoden, die Post Combustion Capture- und die Oxyfuel-Technologie untersucht. Die Pre Combustion Capture-Technologie kann nur brennstoffbedingte Emissionen erfassen und wird daher für den Zementprozess nicht berücksichtigt. Bei der Post Combustion Capture-Technologie wird von einer chemischen Wäsche ausgegangen. Deren Betrieb benötigt große Mengen an thermischer Energie und limitiert dadurch den Abscheidegrad an CO2 auf rund 20%. Um höhere Abscheideraten zu erzielen muss eine externe thermische Energiequelle zur Verfügung stehen. Bei der Oxyfuel-Technologie ändert sich prozessbedingt die Abgaskonzentration. Dies hat nach theoretischen Untersuchungen nur geringe Änderungen des Klinkerproduktionsprozesses zur Folge. Wenn der Falschlufteintrag optimiert wird, kann eine mehr als 90%ige Abscheiderate erzielt werden. Durch die für diesen Prozess zusätzlich erforderlichen Aggregate steigt der elektrische Leistungsbedarf stark an. Eisen- und Stahlindustrie: Neben der Zementindustrie ist die Eisen- und Stahlindustrie ein industrieller Hauptverursacher von CO2-Emissionen. In dieser Arbeit wurden Konzepte zur Energieeffizienz bzw. zur Reduktion von CO2-Emissionen beim Einsatz von alternativen Methoden zur Roheisenproduktion untersucht. Nebenprodukte dieser Methoden sind niederkalorische brennbare Gase die einerseits Abwärmenutzungspotentiale mit sich bringen und andererseits thermisch genutzt werden können. Neben diesen Punkten wurde die CO2-Abscheidung bei einer thermischen Nutzung des Brenngases untersucht. Als technisch optimale Lösung wurde ein CO2-Abscheideprozess ermittelt, der mittels Wassergas-Shift-Reaktion das vorhandene CO zu CO2 aufoxidiert, um es in einem anschließenden Schritt abtrennen zu können. Das vom CO2 gereinigte Brenngas wird einer im Kombiprozess geschaltenen Gasturbine zugeführt. Im Vergleich mit konventionellen Kohle- oder Erdgaskraftwerken ist der spezifische elektrische Aufwand für die CO2-Abscheidung geringer (rund 30%). Zusammenfassend kann gesagt werden, dass die Möglichkeiten zur Einsparung an industriell bedingten Treibhausgasen limitiert sind.<br />Werden überhöhte CO2-Einsparungsmaßnahmen von der Industrie gefordert besteht die Gefahr, dass eine nationale, wirtschaftlich hocheffiziente Produktion in Konkurrenz mit internationalen Bewerbern nicht mehr möglich wäre. Das kann global gesehen zu einem größeren CO2-Ausstoß führen. Eine überwiegende Reduktion an CO2-Emissionen kann durch die Abscheidung und Speicherung erzielt werden. Technisch gesehen ist eine CO2-Abscheidung möglich und deren Einsatz ist nur eine Frage der Inkaufnahme von Wirkungsgradeinbußen. Schwieriger dürfte sich die Bereitstellung der Infrastruktur für Transport und Speicherung von CO2 gestalten. Dafür wird eine politische Entscheidung auf internationaler Ebene notwendig sein.

The present thesis gives an overview of the potential for the reduction of greenhouse-gases in industrial applications. The focus was set on the key industries, cement-, iron- and steel production. Both sectors of industry are accountable for around half of the verified CO2-emissions. Most of these CO2-emissions are not caused by combustion of fuel but resulting from the process of production. This means that the majority of industrial CO2-emissions are directly linked to the product. A reduction scenario (80% reduction of greenhouse gases till 2050) which is discussed by The European Union will cause a need for radical reduction of industrial emissions. In the following section the potential of CO2-reduction options, like providing state of the art production, benefit from heat recovery and apply "Carbon Capture and Storage" technologies (CCS) are shown. Cement industry: Two-thirds of all greenhouse gas emissions from the cement industry result from the production process. Taking retrofitting or new building of cement factories into account the resulting reduction of fossil fuel will lead to savings in CO2-emissions of 3 - 5%. Using of heat recovery for generation of electricity can save CO2-emissions indirectly. The determined value is 1 to 4 kgCO2/tclinker . The analyzed measures (energy efficiency and heat recovery) are very limited with reference to reduction of CO2-emissions. To decrease carbon dioxide in larger quantities the use of "Carbon Capture and Storage" technologies will be necessary. Therefor the CCS-technologies "Post Combustion Capture" and "Oxyfuel-Combustion" were investigated. The "Pre Combustion Capture"-technology wasn't considered because with this technology only CO2-emissions from fuel combustion can be captured. Using Post Combustion Capture based on chemical scrubbing requires thermal energy in great quantities. As a result the degree of CO2-separation is restricted to about 20%. If higher degrees of separation are wanted then external thermal energy sources would be needed. Studies of Oxyfuel-Combustion turned out that changes in flue gas composition have theoretically hardly any influence on clinker chemistry. If air leaks are minimized then a degree of CO2-separation over 90% is possible. The prize of this separation rate is a high need of electrical power. Iron- and steel industry: The iron- and steel industry is another big CO2 polluter. For this reason concepts to increase the energy efficiency respectively degreasing the CO2-emissions for alternative pig iron production were investigated. Byproducts of these alternative methods are low caloric combustible gases. On the one hand these low caloric gases are waste heat sources and on the other hand it's possible to use them as a gaseous fuel. In case of burning the low caloric gas scenarios with CO2-separation were calculated. It turned out that the best CO2-separation solution is a process which uses the water gas shift reaction to turn carbon monoxide into carbon dioxide. In the next step it's feasible to separate the CO2. The almost CO2-free gas is feed into a combined cycle power plant. In comparison to conventional coal or natural gas power plants, the specific electric energy efforts for capturing CO2 of export gas power plants is lower (approx. 30%). What this all amounts to is that possibilities to save greenhouse gases caused by industry are limited. If there is a excessive claim to reduce CO2-emissions in the industrial sector then there is a risk to lose a national, high efficient production because of restrictions international competitors don't have. From a global point of view this could cause more CO2-emissions. Great savings of greenhouse gas emissions are only possible with CCS-technology. From a technical point of view CCS-technology is feasible but losses in performance have to be taken into account. It will be more complicated to find a way to transport and store separated carbon dioxide. Therefor an international political decision will be essential.