(März 2026) – Der Beginn des Jahres 2026 markiert das Inkrafttreten der endgültigen Phase des CBAM (Carbon Border Adjustment Mechanism), der die Logik der CO₂-Preise, die bereits dem EU-Emissionshandelssystem (EU Emissions Trading System) zugrunde liegt und bislang auf den europäischen Raum beschränkt war, auch auf importierte Güter ausweitet. Diese Vorgehensweise im Emissionsmanagement, insbesondere der GHG (Greenhouse Gas Emissions), unterstreicht die Bedeutung, dass hard-to-abate-Sektoren neue Lösungen zur Dekarbonisierung finden. Gleichzeitig gewinnen in dieser Perspektive Lösungen, die die Abfälle der Industrie selbst aufwerten, indem sie als Rohstoff geeignet wiederverwendet werden, eine grundlegende Bedeutung.

Im Keramikindustriesektor, in dem bereits enorme Anstrengungen zur Emissionsminderung und zur Nachhaltigkeit unternommen wurden, gewinnen innovative Lösungen zur Dekarbonisierung des aktuellen Produktionssystems und zur weiteren Aufwertung der – bereits beachtlichen – Kreislauffähigkeit des Sektors zwangsläufig zunehmend an Bedeutung.

In diesem Kontext ist das Projekt CCS4CER entstanden: Carbon Capture storage and CO₂ mineralization for Ceramic Industry, finanziert mit europäischen Mitteln der Region Emilia-Romagna, PR-FESR 2021/2027, Achse 1 Forschung, Innovation und Wettbewerbsfähigkeit, Maßnahme 1.1.2 (www.ccs4cer.it). CCS4CER befindet sich mitten im dritten Aktivitätsjahr und liefert konkrete Ergebnisse sowohl bei der Untersuchung anlagentechnischer Lösungen zur Abscheidung von Kohlendioxid als auch bei der Aufwertung des wichtigsten industriellen Abfalls, der heute den Keramiksektor und andere energieintensive Sektoren kennzeichnet: der verbrauchte Kalk aus Schlauchfiltern, die zur Entsäuerung der Brenngase aus den Öfen eingesetzt werden. Das vom Centro Ceramico koordinierte Projekt schöpft seine Stärke aus der Zusammenarbeit hochspezialisierter Labore des Netzwerks Alta Tecnologia der Region Emilia-Romagna, nämlich CIRI-FRAME (Universität Bologna), LEAP (Politecnico di Milano) und Romagna Tech, sowie aus der Einbindung von Unternehmen des Keramikdistrikts (Ascot Gruppo Ceramiche, Panariagroup Industrie Ceramiche S.p.A. und SACMI Cooperativa Meccanici Imola S.C.).

Zunächst wurde eine Probenahmekampagne von verbrauchten Kalken durchgeführt, die bei zahlreichen Keramikunternehmen entnommen wurden, und es wurde eine vollständige chemisch-physikalische Charakterisierung vorgenommen. Die Fähigkeit, CO₂ mit diesen Abfällen zu binden, hängt mit der Menge an nicht reagiertem Ca(OH)₂ in der Probe zusammen, die je nach den in den verschiedenen Unternehmen eingesetzten Protokollen zur Abscheidung saurer Gase recht variabel ist. Die bei den analysierten Proben beobachtete Variabilität zeigt eine relativ hohe CO₂-Bindekapazität, die im Bereich von 190–390 Gramm CO₂ pro Kilogramm Abfall liegt.

Die beprobten Materialien mit unterschiedlicher Zusammensetzung wurden für Tests zur CO₂-Mineralisierung in wässrigen Prozessen (Feststoff–Flüssigkeit–Gas) im Batch– und semi-kontinuierlichen Betrieb in unterschiedlichen Maßstäben eingesetzt.

Im Verlauf der Studie wurden verschiedene Reaktionsbedingungen untersucht, indem der Betriebsdruck, der Durchfluss und die Zusammensetzung des CO₂-haltigen Gases sowie die Konzentration der Suspension und die Art des spezifischen Abfalls variiert wurden. Die Reaktionsprofile, die durch die kontinuierliche Analyse des CO₂-Verbrauchs über die Zeit erfasst wurden, ermöglichten die Untersuchung der Kinetik des Prozesses und zeigten, dass die Faktoren, die die Effizienz des Mineralisierungsprozesses der verbrauchten Kalke unter wässrigen Bedingungen am stärksten beeinflussen, das Flüssig-Feststoff-Verhältnis, der CO₂-Durchfluss und die Zeit sind. Die gewonnenen Daten zeigten außerdem, dass die Entfernung von CO₂ aus dem Gasstrom durch Mineralisierung dieses Abfalltyps auch unter milden Bedingungen (niedrige Temperatur und niedriger Druck) und bei verdünntem CO₂-Gehalt sehr effizient ist.

Die bisher durchgeführten Versuche zeigen, dass die Mineralisierung die Freisetzung von Schadstoffen aus den verbrauchten Kalken reduziert, die in den durchgeführten Tests von einer Einstufung als gefährliche Sonderabfälle zu nicht gefährlichen Abfällen übergehen, mit erheblichen Vorteilen auch bereits allein im Hinblick auf die Deponierung. Darüber hinaus wurde die Wiederverwendung des mineralisierten verbrauchten Kalks in zementgebundenen Bindemitteln untersucht, damit der Abfall eines Industriesektors zur Ressource für einen anderen werden kann. Der Zementsektor ist seit Langem mit der Suche nach Lösungen befasst, die den Clinkeranteil und die Umweltwirkung seiner Produkte reduzieren. Untersucht wurde der Einsatz des mineralisierten Materials sowohl als Füllstoff (Filler) als Ersatz für natürlichen Kalkstein (Portlandkalksteinzemente) als auch als Bestandteil einer neuen Klasse von Zementen mit geringer Umweltbelastung auf Basis von Kalkstein und kalzinierter Tonerde (LC3, Limestone Calcined Clay Cement). Die Testergebnisse zeigen, dass das Verhalten des mineralisierten Produkts in Zementmörteln vollständig mit reinem Kalkstein vergleichbar ist – sowohl hinsichtlich der mechanischen Leistung als auch der chemisch-physikalischen Eigenschaften – oder sogar Vorteile in Bezug auf die Performance in LC3-basierten Mörteln mit sich bringt. In den Zementmörteln bestätigt sich zudem, dass die Freisetzung eventuell in den ursprünglichen verbrauchten Kalken vorhandener Schwermetalle in die wässrige Phase reduziert wird.

Um die Technologien zur CO₂-Abscheidung in den Abgasen keramischer Prozesse zu bewerten, wurden Simulationen unter Verwendung industrieller Daten durchgeführt und eine Anlage betrachtet, die 10.000 m² Fliesen pro Tag (Dicke 1 cm) produziert. Ohne Abscheidesysteme verbraucht das ausgewählte Werk 10,3 MWPCI Erdgas und emittiert 18 kt/Jahr CO₂. Die Dekarbonisierung des Produktionsprozesses erfolgt mittels Schmelzkarbonat-Brennstoffzellen (MCFC), die sowohl die Entfernung von CO₂ aus den Abgasen der Keramikanlage als auch die Erzeugung dekarbonisierter elektrischer Energie ermöglichen, die zur Versorgung der Kompressionssysteme des abgeschiedenen CO₂ genutzt werden kann. Bei einem Betrieb von etwa 600°C können die MCFC in den Prozess integriert werden, wodurch die Energieeffizienz verbessert, jedoch die anlagentechnische Komplexität erhöht wird. Die Leistungsfähigkeit der Brennstoffzellen wurde mit einem chemischen Absorptionsprozess auf Aminbasis sowie mit der Elektrifizierung der Prozesse verglichen, die die Verbrennung von Erdgas ersetzt. Die techno-ökonomische Analyse zeigt, dass die Lösung mit Lösungsmitteln einen Abscheidegrad von 90 % erreicht, jedoch aufgrund ungünstiger Skaleneffekte die höchsten Dekarbonisierungskosten unter den analysierten Fällen aufweist. Das MCFC-System reduziert CO₂ um 84 % und senkt den Erdgasverbrauch auf 9,4 MWPCI. Die Elektrifizierung erreicht eine Dekarbonisierung von 94 %, indem nur das CO₂ aus den Brennreaktionen emittiert wird, erfordert jedoch erhebliche Anpassungen der Anlagen und den Einsatz von 11,3 MWel. Beide Lösungen erhöhen die Kosten der Keramikfliese um 0,7–1,2 €/m², was einer Erhöhung der Produktionskosten zwischen 8 % und 22 % entspricht, abhängig von der Produktqualität und den Energiepreisen.

 

Verlauf der inkrementellen Mehrkosten der Keramikfliesenproduktion in Abhängigkeit von den Kosten der elektrischen Energie (horizontale Achse) und des Erdgases (vertikale Achse) für Dekarbonisierungstechnologien auf Basis von MCFC (unten rechts) und Elektrifizierung (oben links).

 

Autoren:  Riccardo Pascolo1, Elisa Franzoni1, Maria Chiara Bignozzi2, Annamaria Catalano3, Alessandro Allegri3, Stefania Albonetti3, Roberto Scaccabarozzi4, Letizia Cretarola5

1 Centro Ceramico, Sassuolo, Modena
2 Fachbereich Bauingenieurwesen, Chemie, Umwelt und Werkstoffe, Bologna
3 CIRI-FRAME, Universität Bologna, Fachbereich Industriechemie, Bologna
4 Energie- und Umwelt-Labor – Piacenza (LEAP), Piacenza
5 Polytechnikum Mailand, Fachbereich Energie, Mailand